河岸式溢洪道运行存在问题及治理对策探讨

杜雪珍，王樱畯，汪 振

（1.国家能源局大坝安全监察中心，浙江 杭州，311122；2.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州，311122；3.浙江省抽水蓄能工程技术研究中心，浙江 杭州，311122）

1 概述

河岸式溢洪道是土石坝或河床狭窄、坝身溢流空间受限的混凝土坝常见的泄洪建筑物型式。河岸式溢洪道总体可靠性较好，但长期运行中，有些问题会不同程度影响正常运行，也有运行中缺陷骤然加剧导致泄洪结构局部水毁、严重影响泄洪安全的情况。这些问题的出现可能与河岸式溢洪道的选址、平面布置、结构设计、施工质量及材料抗冲蚀性能等诸多因素有关，也可能是由于运行调度不当，忽视运行维护造成的。笔者对河岸式溢洪道运行过程中的常见问题进行统计，对比较典型的问题，结合具体工程分析原因。在此基础上介绍针对性的解决措施或对策，以供类似工程借鉴。

2 存在的主要问题及原因分析

根据最近几年水电站定期检查等资料，包括水布垭、公伯峡、天荒坪等51个国内大中型水电站的河岸式溢洪道检查中发现的不同程度、不同类型的问题及特点，将常见的主要问题分为结构和体型设计缺陷、下游冲刷及回流淘刷、混凝土空蚀冲蚀、其他混凝土缺陷（包括裂缝、渗水、冻融及老化等问题）、泄洪雾化5个种类，出现相关问题的频次统计见图1。以下结合统计结果，分别对各类问题的性状表现、发生原因和危害性进行分析。

图1 河岸式溢洪道存在问题分类统计Fig.1 Classification and statistics of existing problems of chute spillways

2.1 结构和体型设计缺陷

本次统计归于体型和结构设计问题的主要有泄槽底板破坏和小流量挑流困难两种形式，共有7例，在51个工程中占比并不高，但因泄槽底板一旦发生破坏，损坏范围和程度易迅速发展，尤其是小于设计泄量时发生受损将严重影响工程安全，因此可见体型和结构设计的重要性。

2.1.1泄槽底板破坏

泄槽底板破坏主要原因是底板混凝土厚度不足，或底板与基岩胶结或锚固不良，其次是泄槽体型不合理、表面不平整、底板排水不畅、止水缺陷等。

贵州某水电站河岸式溢洪道共3孔，挑流消能，最大泄量9 410 m3/s。2006年5月泄洪历时约167 h，最大泄量3 507 m3/s，泄洪后发现泄槽底板中间偏右侧发生大面积破坏，水毁总面积950 m2，最大冲深约7.0 m，见图2（a）。

湖北某水电站河岸式溢洪道共4孔，挑流消能，最大泄量7 020 m3/s。2007年6月泄洪最大泄量604 m3/s，检查发现泄槽底板部分被冲毁，最大冲深约6 m，被冲毁的底板下基岩外露，损坏面积约540 m2，见图2（b）。

图2 溢洪道泄槽底板破坏典型案例Fig.2 Typical bottom plate damage of spillway chute

2.1.2 小流量挑流困难

岸边式溢洪道多采用挑流消能，流道体型设计一般重点关注设计流量下的挑流冲刷坑位置，并且尽量避免溢洪道鼻坎末端基础局部冲刷破坏。但实际运行中泄量达到设计流量的机会较少，因此溢洪道体型和结构考虑不周，常遇洪水泄洪时，小流量水流挑流不到位甚至不能起挑，这也是岸边式溢洪道较多见的问题，可能直接造成挑坎地基局部淘刷，甚至影响挑坎等结构的整体稳定。

贵州某工程2007年7月26日首次泄洪时，发现水流流态差，水经泄槽段从导墙挑流段顶部溢出，未形成挑流状态，见图3（a）。该工程原设计在泄槽内设置了中导墙，以满足运行调度要求。设计优化时取消了中导墙，导致常遇洪水时因单宽流量较小，水舌无法充分挑起，只有当泄量增大到一定流量（约4 000 m3/s）时，水流才能正常挑出。

云南某水电站河岸式溢洪道共3孔，挑流消能，最大联合泄量5 730 m3/s。2010年8月18日，因泄量小于1 000 m3/s，挑流鼻坎无法实现挑流，导致水体翻过泄槽边墙，威胁边墙基础安全，见图3（b）。后将连续式鼻坎切槽改为差动式鼻坎后，才解决了小流量下的挑流问题。

图3 溢洪道体型设计导致小流量泄洪困难典型案例Fig.3 Typical difficulties in discharge of small flood flow caused by improper spillway shape design

2.2 下游冲刷及回流淘刷

发生下游冲刷及回流淘刷问题的工程共有17例，在51个工程中占比相对较高。泄洪时不论采用何种消能方式，邻近河道及两岸的冲刷一般较难避免，有挑射水流直接冲刷，也有水流回流淘刷。冲刷对工程的整体安全影响主要取决于冲刷部位、程度和发展速率。如果挑流冲刷坑上缘、回流淘刷的部位接近坝基或者溢洪道基础，或淘刷程度出现加速趋势，则对泄洪运行安全有较大影响。

黑龙江某工程右岸溢洪道2002年8月4日首次泄洪，最大泄量2 000 m3/s，泄洪历时14 d，挑流鼻坎底部长20 m的出水平台基础被严重冲刷，最大冲坑深度20余m；出水渠段左、右岸坡严重冲刷淘蚀，宽度达160余m，长度共计2 000余m，见图4（a）。

吉林某工程溢洪道泄洪水流出口处较狭窄，导致下游水位抬高，并产生回流，致使溢洪道出口两侧砌石护坡及鼻坎基础被冲刷破坏，见图4（b）。

2.3 混凝土缺陷

混凝土缺陷主要有空蚀、冲蚀和其他缺陷（包括裂缝、渗水、析钙、冻融破坏及混凝土老化导致细骨料脱落、流道糙率加大等）。本次统计出现空蚀、冲蚀缺陷24例，其他混凝土缺陷28例，说明在51个工程中一半左右会存在一种或多种混凝土缺陷，可见混凝土缺陷发生的频率很高。混凝土缺陷除了降低结构的耐久性和适用性外，多数有渐进发展的特点。混凝土缺陷发展累计到一定程度后，若遇高速水流运行工况，局部缺陷在水流作用下可能急剧发展而发生危害性的后果，因此也必须予以持续重视。

2.3.1 混凝土空蚀、冲蚀

河岸式溢洪道泄槽混凝土在高速水流的空蚀、冲蚀作用下，易出现混凝土表面不平整、粗骨料裸露，甚至钢筋外露等缺陷。其中陡槽、反弧段、鼻坎等高流速区及结构体型突变部位是空蚀、冲蚀的高发部位。发生空蚀、冲蚀除了与溢洪道水力体型设计和高速水流（流速大于20 m/s）有关外，主要的直接原因是固体边壁不平整和混凝土抗冲性能不足。

湖北某工程河岸式溢洪道采用挑流消能，鼻坎最大流速约30 m/s，经多次泄洪，溢洪道泄槽段过流面4条水平伸缩缝和鼻坎挑流段过流面混凝土均出现不同程度的破损、局部冲蚀破坏，见图5（a），局部混凝土出现脱空层，见图5（b）。破损部位深15~20 cm，最大宽度达2.5 m；反弧段局部严重破损，深度约30 cm。

图5 溢洪道流道混凝土空蚀、冲蚀典型案例Fig.5 Typical cavitation and erosion of spillway concrete

2.3.2 其他混凝土缺陷

其他混凝土缺陷细分种类多，性状表现各式各样，成因也有所不同。其中裂缝、渗水、析钙缺陷主要起因是原施工质量问题，并可能随时间发展；而冻融、老化则是长期运行后受环境影响、混凝土性能逐步劣化所致。总体而言，这类缺陷呈渐进发展的特点，缺陷发生初期程度轻、直接危害较小，但是对结构长期服役寿命影响大，而且存在与其他缺陷和运行条件耦合导致危害突然加剧的可能。

江西某工程于1958年开工，3孔溢洪道采用底流消能，2009年检测发现闸墙混凝土强度等级较低，牛腿、溢洪道堰顶混凝土强度等级略低于设计值，存在明显老化现象，见图6（a）。

西藏某工程冬季最低气温在-30℃以下，2014年发现溢洪道堰顶及进水渠水位变动区混凝土表层局部存在浅层冻融剥蚀现象，消力池两侧边墙及泄槽末端导墙在水位变动区存在冻融剥蚀现象，见图6（b）。

云南某工程左岸3孔河岸式溢洪道采用挑流消能，2009年汛后检查发现闸室段及泄槽段底板有裂缝，且有渗水，见图6（c）。

图6 溢洪道其他典型混凝土缺陷Fig.6 Other typicaldefects of spillway concrete

2.4 泄洪雾化问题

泄流时常会发生雾化现象，形成临近泄洪建筑物的下游局部区域非自然的狂风、降雨和雾流等。高水头河岸式溢洪道大流量泄洪时，泄洪雾化一般对枢纽建筑物、两岸交通及边坡影响范围较大，其中下泄水舌裂散降雨及水舌入水溅击降雨有局部雨强大、雨强分布变化快等特征，容易引起边坡垮塌、泥石流、水石流等危害，影响下游枢纽建筑和电站运行安全，也会给社会交通和居民生活带来不利影响。本次统计归于泄洪雾化问题的共有2例，在51个工程中占比不高，因此应主要针对高水头、地形条件特殊、枢纽建筑物布置集中的工程在设计和后期运行中予以重点关注。

湖北某水电站大坝高、泄量大，溢洪道采用窄缝消能工。2016年7月原型观测试验时，最大泄量3 848 m3/s，泄水历时5 h 45 min。泄洪引起的雾化现象较为严重，强雾化降雨区主要集中在溢洪道出口下游500 m范围内的峡谷及两岸，右岸实测最大降雨强度2 760 mm/h，左岸超过10 000 mm/h，强降雨及水舌风造成下游滑坡体和高边坡局部喷层混凝土脱落，观测仪器也有一定破坏，见图7（a）。

广西某水电站自2007年起，每年泄洪约2个月，最大泄量约1 000 m3/s。泄洪雾化严重影响下游对岸居民的日常生活，见图7（b）。

图7 溢洪道泄洪雾化问题典型案例Fig.7 Typical atomization during flood discharge by spillway

3 河岸式溢洪道典型水毁案例分析

溢洪道设计规范允许消能防冲建筑物在泄流量大于设计泄量的校核工况下出现局部破坏，但不得危及大坝及其他主要建筑物的安全或长期影响枢纽运行。但实际工程中，河岸式溢洪道也有泄量小于设计泄量即发生较严重结构破坏的情况，2021年鄂坪水电站溢洪道发生局部水毁就是较为典型的例子。发生这种情况的原因往往不是单一的，对枢纽安全的威胁较大，因此以鄂坪水电站作为典型案例进行分析，并简介实际采用的修复措施。

3.1 破坏经过

湖北鄂坪水电站大坝为钢筋混凝土面板堆石坝，最大坝高125.6 m。泄洪建筑物为右岸3孔岸边开敞式溢洪道，最大泄量5 990 m3/s。

2021年8月25—30日、9月5—11日、9月19—20日，流域上游经历特大暴雨，最大入库洪峰流量2 958 m3/s（重现期超过20年），溢洪道最大泄量2 330 m3/s。溢洪道因长时间、大流量泄洪，桩号0+146 m横缝下游侧泄槽末段及鼻坎段左侧底板被冲毁，水流淘刷基础形成长45 m、宽35 m、深15 m的冲坑，冲坑面积约1 800 m2，冲毁部分体积预估约4 800 m3，右侧边墙外山体局部垮塌沉陷，见图8（a）。同时受溢洪道出口回流、涌浪淘刷及挑流雾化影响，下游坝脚和部分河道岸坡、局部公路边坡发生坍塌失稳。

图8 鄂坪溢洪道处理前后对比Fig.8 Comparison of Eping spillway before and after treatment

3.2 成因分析

3.2.1 溢洪道

在高速水流冲刷和脉动水压作用下，反弧段掺气坎混凝土和止水被破损、击穿，进而淘刷、冲击泄槽底板基础，导致底板和边墙局部冲毁，使水流条件更加紊乱，混凝土、基岩和两岸边坡的淘刷持续向上部发展，冲毁范围进一步扩大。据上述分析，泄槽冲毁的主要原因是反弧段混凝土强度不足或有施工质量缺陷，也可能有橡胶止水材料质量和安装工艺方面的问题。

泄槽桩号0+80～0+165 m段建基岩体为弱～强风化或倾倒变形体，岩性为粉砂质绢云母板岩，岩体破碎，该段泄槽底板地质条件较差也是冲损持续发展的原因。

3.2.2 消能区

挑流鼻坎段体型不合理，导致下游河道回流强度较大，持续淘刷周边护岸基础，对未深入基岩的坝脚量水堰和附近护岸结构造成破坏。

3.3 溢洪道修补处理

（1）拆除原泄槽底板，对基础进行固结灌浆，重新浇筑80 cm厚C35抗冲耐磨混凝土，设顶底两层钢筋网，底板用锚筋与地基连接。在桩号0+094 m处重新设掺气坎，采用挑跌坎型式，坎高2.4 m，宽3.9 m，两侧边墙增设断面尺寸为2 m×1.8 m的通气孔。鼻坎调整为燕尾式，将水流分散，在空中消能。

（2）拆除桩号0+090~0+104 m段两侧边墙及鼻坎两侧边墙，恢复衡重式钢筋混凝土挡墙。泄槽底板与边墙为分离式结构，靠近边墙2 m处及底板中部共设置5条纵缝，从控制段至鼻坎，以14 m为间隔设置10条横缝，纵缝通条布置，缝面涂抹沥青，缝间设紫铜止水。在分缝底部设置透水软管，外裹工业滤布。对控制段底板和未拆除的泄槽边墙，涂抹一层抗冲磨材料。

4 主要解决对策措施

4.1 设计施工

（1）溢洪道设计时，除了布置时应综合考虑选址，平面上尽量保持平顺衔接，避免在泄槽中形成折冲水流和冲损下游河床等问题，还需重视体型、掺气构造和底板分缝等设计，以尽量减轻混凝土空蚀、气蚀。

（2）设计应重视泄槽底板和末端挑坎等部位的结构稳定性和材料强度，除了保证底板厚度和锚筋数量，也应重视分缝、止水及排水等构造的合理性和可靠性。受高速水流冲刷的重点部位尽量采用高标号混凝土，并选用抗冲磨性能好的混凝土骨料。混凝土施工时严控不平整度和温度裂缝等缺陷。

（3）泄槽底板设计应保证底板抗浮稳定，对于软岩地基（如页岩或板岩）或不良地质构造，还应加强地基的整体性，可考虑加密加深固结灌浆、增设较深的锚筋桩、加强排水等措施，必要时可设置底板扬压力监测项目。

（4）针对小流量泄洪困难问题，设计时可尽量减小泄洪挑射角度，或采用差动式鼻坎，满足小流量挑流要求，同时加强挑坎下游的护坦及地基的稳定性。

（5）高水头的河岸式溢洪道采用挑流消能时，应充分研究泄洪雾化的不利影响和对策，根据工程具体情况对雾化影响范围的边坡、冲沟采取加强支护、排水和冲沟泥石流治理等工程措施，受雾化影响的居民必要时应考虑迁移。

4.2 运行维护和管理

（1）河岸式溢洪道应严格按照闸门运行规程操作并制定相应的应急预案，泄洪运行中除观察闸门启闭是否符合同步、均匀、对称等要求，还应对闸门控制段上下游、泄槽、挑坎各部位流态和下游消能区进行全过程、多角度的巡视检查，若有泄槽水流突变、挑流和回流不正常等异常情况，应及时处理。

（2）应重视溢洪道和闸门的自身性态、水库上下游行洪条件或防洪调度等外部条件的变化，若运行条件发生变化，或照规程运行时出现流态与原水力设计明显不符、冲蚀冲刷病害显著加剧等情况，应在分析原因和充分论证的基础上，优化闸门调度规程，并按规定上报主管部门批准后实施。

（3）混凝土缺陷及其发展是河岸式溢洪道运行中最为普遍的问题，这类问题一般渐进发展，轻微表面冲蚀短期对运行影响较小，且维护修复的效果不一定好。因此运行检查的要点在于重点部位的缺陷发展速率是否加剧，特别是相对大流量、长历时的单次泄洪后的检查尤为重要，重点部位应建台账，对缺陷有数据量化研判。若发现冲蚀速率加快、裂缝扩展、明显露筋和下游显著淘空等不利情况，根据情况适时或及时采取相应的维护处理措施，才能做到既安全可靠，又可行有效，还经济合理。

5 结语

河岸式溢洪道运行期普遍出现各类不同程度的问题，国内51座溢洪道所遇见的各类问题及其原因在大中型水电站中具有相当的代表性。根据问题的成因和后果严重性，分别研究对策措施的思路，提出各种设计施工方面的技术措施、全面和重点检查相结合的动态管理措施，以及恰如其分地对渐进缺陷采用及时检查、适时维护等对策，可供设计施工借鉴，也可供运行维护参考。