小水电站落石灾害事故分析及安全检测

王 楠

(国网湖北省电力有限公司电力科学研究院，湖北 武汉 430077)

每逢汛期，鄂西北地区持续普降暴雨及大暴雨，山洪、泥石流、落石等山体灾害不断[1- 3]。而鄂西北地区由于地质地貌及水资源丰富，建设有大量径流式小水电站，这类小水电站由于引水渠道、前池、输水管道等多建于山体上，极易受山洪、泥石流、落石灾害影响，造成水电站结构损坏。近年来，由于山体次生灾害造成的水电站设备损毁事故频发，严重威胁着电站工作人员人身及设备财产安全[4- 9]。文章以鄂西北地区某小型水电站发生的山体落石灾害事故为例，深入分析了该事故产生原因、事故造成的影响，并开展了现场受损结构的安全检测，针对检测及评估结果提出了除险加固建议，为小水电站管理部门开展科学合理的结构运行维护提供了重要参考依据，最大程度保障电站结构的安全运行[10- 11]。

1 事故滚石灾害发生经过

2020年4月21日下午3时许，鄂西北某小水电站后山斜坡发生危石滚落灾害，滚落危石方量约6m3，危石顺坡滚向坡脚水电站厂区，将压力钢管砸变形5处，压力钢管支墩损坏1处，压力钢管过桥损坏1处，9m电杆损坏1根，管道槽保垱损坏3处，主机房、开关间屋顶女儿墙及屋檐损坏16m，前池水位及监控光缆损坏。事件发生后，电站生产未受到大的影响，各机组均能正常发电上网，但存在很大的安全隐患。

2 灾害发生位置及地貌特征

本次落石滚石区位于电站后山斜坡，地理坐标是E 111°3′24″、N 30°7′40″。该区上覆第四系坡积碎块石土，碎块石成分为灰岩、石英砂岩，大小一般为10～80cm(坡表局部分布有块径为3～5m的崩落巨块石)，土石比为6∶4，层厚0.5～2m，主要分布于沟槽及缓坡地带。第四系下伏地层为泥盆系中统云台观组(D2y)，岩性为厚层状石英岩、石英砂岩，岩性硬脆、裂隙较发育，陡坎、山脊一带多有出露。

滚石发生处位于水电站后山斜坡上部—北东向凹槽右侧，距坡脚高差约80余米；该处斜坡倾向北东，坡面高陡，坡角一般为30°～50°。从危石滚落后形成的缺口判断，滚落块石高约2.3m、横宽1.4m、均厚1.8m，方量约6m3，主崩方向25°。

3 滚石灾害处现场检测及分析

3.1 检测结果

宏观检查未发现钢管表面存在裂纹缺陷，仅表现为三处凹坑，受雨水影响，滚石砸伤部位防腐层破坏，出现锈蚀痕迹。

对落石损伤部位的3处钢管内壁及2～3号支墩之间的焊缝进行超声波探伤检测，未发现评定线及以上缺陷，质量等级为I级，合格。

3.2 有限元仿真计算结果

对落石损伤部位进行有限元分析，分析条件见表1。

有限元计算结果如图3所示，③④部位的最大应力值为147.678MPa，利用屈服强度计算的安全系数为Ks=235MPa/147.678MPa=1.59。

表1 有限元分析条件

图1 钢管截面形状图(单位：mm)

图2 有限元模型

图3 钢管应力分布图

3.3 检测结论及建议

(1)经检测，钢管落石损伤部位的内外壁均未发现裂纹等危险性缺陷，按照落石损伤最严重部位的变形程度进行有限元计算，其最大应力为147.678MPa，而A3钢的屈服强度下限值为235MPa，目前钢管使用屈服强度计算的安全系数为1.59。

(2)尽快更换第8号支墩处损伤的一段钢管，需采用机械切割法切除损伤的管段(不得使用火焰切割)，再焊接一段规格和材质相同的管子，焊口示意如图4所示，为了保证焊接质量，焊接施工完成后需要对环焊缝进行超声和磁粉检测。

图4 更换钢管焊口拼接示意图

(3)危石伴随厂房顶碎石跌落于开关间后，堵塞了山体排水通道，建议尽快对落石开展清理，疏通堵塞渠道，并组织人员对部分山林进行巡查，将有可能影响安全的浮石转移到安全地段，不能转移的浮石采用浆砌石保垱防护。

(4)为以后便于观察压力钢管及附近山体情况，建议在压力钢管8#、9#镇墩增设摄像头2只、机房后山危岩增设摄像头3只。

4 结语

文章通过对某水电站落石灾害事故的分析，完成了对受损部位结构现场检测及仿真计算，真实、科学地反映出受损结构的安全状况，并对受损结构提出了除险加固建议，为山区小水电管理部门开展地质灾害隐患防护工作提供了重要的理论及经验支撑。然而山区地貌复杂，地质灾害种类繁多，偶然性和随机性较大。如何更加全面与系统地开展隐患排查及危险源整治，更加合理地开展提前监督及防护工作，需要行业工作者进一步的深入研究。