特高壩運行安全若干關(guān)鍵技術(shù)

邢林生，周建波

（國家能源局大壩安全監(jiān)察中心，浙江杭州，310014）

特高壩運行安全若干關(guān)鍵技術(shù)

邢林生，周建波

（國家能源局大壩安全監(jiān)察中心，浙江杭州，310014）

我國正處在200 m以上特高壩建設的快速發(fā)展階段，部分特高壩已陸續(xù)建成投入運行。特高壩的運行安全是社會各界普遍關(guān)注的熱點問題。針對我國特高壩所處復雜環(huán)境條件和運行特點，為保障其安全長效運行，從安全評價體系、高邊坡穩(wěn)定、泄洪消能、泄洪霧化、材料和結(jié)構(gòu)耐久性、水工金屬結(jié)構(gòu)運行維護、水下檢修加固、地震影響、流域高壩群運行安全以及風險管理等方面，闡述了一些關(guān)鍵技術(shù)的要點和主要內(nèi)容。

特高壩；運行安全；關(guān)鍵技術(shù)

1 概述

截至2012年，我國已建成壩高超過200 m的特高壩7座，在建的7座，擬建的8座［1］，按壩型劃分，已建、在建、擬建的22座特高壩中，混凝土雙曲拱壩9座、混凝土面板堆石壩5座、碾壓混凝土重力壩3座、土心墻堆石壩5座（見表1）。從壩高來看，已建成的小灣大壩壩高294.5 m，是世界最高的混凝土雙曲拱壩；水布埡大壩壩高233 m，是世界上最高的混凝土面板堆石壩；光照大壩壩高200.5 m，是世界最高的碾壓混凝土重力壩；正在建設的錦屏一級大壩壩高305 m，是在建世界最高的混凝土雙曲拱壩；擬建的雙江口大壩壩高314 m，僅次于塔吉克斯坦在建的羅貢土質(zhì)心墻壩。從表1可見，我國已建、在建和擬建的22座特高壩，其樞紐工程有一個共同的特點，即高壩、大庫、電站裝機容量巨大，工程特別重要。已建成的7座特高壩中，庫容超過30億m3的6座，最小的1座也超過10億m3，電站裝機容量都超過100萬kW，超過300萬kW的有5座；在建和擬建的15座特高壩中，庫容超過100億m3的有4座，電站裝機容量超過300萬kW的6座，有2座超過1 000萬kW。這些工程的發(fā)電、防洪等綜合效益巨大，對我國國民經(jīng)濟發(fā)展有著特別重要的作用，同時，這些工程能否安全長效運行，對人民生命財產(chǎn)安全、生態(tài)環(huán)境保護和社會可持續(xù)發(fā)展有著特別重大的影響。壩高是衡量大壩設計、施工、運行難度的重要指標之一，壩高與設計、施工、運行難度之間的因果關(guān)系是非線性的，有從量變到質(zhì)變的問題［2］，一般來講，采用常規(guī)的原則、方法、手段和判據(jù)，可能難以保證特高壩的運行安全。針對我國特高壩所處復雜環(huán)境和運行特點，反饋總結(jié)已有特高壩的運行經(jīng)驗，汲取其他國家特高壩的運行教訓，對保障特高壩運行安全關(guān)鍵技術(shù)進行系統(tǒng)探討研究是一項迫切而重大的課題。

表1 我國已建、在建和擬建200 m以上特高壩統(tǒng)計Table 1 Statistics of the dams higher than 200 m

2 運行安全關(guān)鍵技術(shù)

2.1 運行安全評價體系構(gòu)建

特高壩承受的水頭高，水壓力巨大，運行環(huán)境復雜，運行性態(tài)變化規(guī)律往往超出傳統(tǒng)常規(guī)方法分析研究得出的結(jié)論。以特高拱壩為例，小灣、溪洛渡、拉西瓦、二灘大壩壩高分別為294.5 m、285.5 m、250 m和240 m，齊頂總水壓力分別約為197.5 GN、181.4 GN、84.6 GN和103.2 GN，這些特高拱壩的壩基和壩體滲流、壩踵工作性態(tài)、壩體變形和應力應變以及壩體裂縫的變化性態(tài)極其復雜，二灘特高拱壩目前主要變形實測量已超出設計計算值［3］，還在下游面產(chǎn)生了未曾預料到的裂縫。需按每一座特高壩的真實荷載和組合，結(jié)合實測資料反饋修正分析模型和參數(shù)，構(gòu)建運行安全評價體系。要針對不同壩型，對其主要運行安全評價方法和指標展開研究和探討，例如：對于特高混凝土面板堆石壩，科學確定面板擠壓破壞臨界應變值范圍［4］是一個關(guān)鍵問題；特高碾壓混凝土重力壩的壩體層面多達700多層，層間結(jié)合狀態(tài)的判斷和分析直接關(guān)系到這類壩型大壩的運行安全［5］；將竣工后沉降量與壩高比值的1%來作為特高土心墻堆石壩運行性態(tài)評價控制指標［6，7］，其安全可靠性尚需深入研究。

2.2 泄洪消能及對策

特高壩泄洪水頭高、流速快、流量和單寬流量大，泄洪沖刷功率巨大且歷時較長，過流和消能防沖設施面臨嚴峻考驗。美國胡佛（壩高221 m）和格蘭峽（壩高216 m）特高壩泄洪水頭190～175 m，流速約45 m/s時，泄洪隧洞反弧段末端均發(fā)生嚴重沖刷破壞［8］；印度巴克拉（壩高226 m）泄洪水頭152 m，在實際泄量僅為設計的1/2時，消力池已嚴重沖蝕破壞；伊朗卡比爾（壩高200 m）特高壩泄洪水頭約135 m、流速約40 m/s時，溢洪道空蝕破壞嚴重。相對于這些特高壩，我國大多數(shù)特高壩泄洪落差更高，流量和流速更大，小灣和拉西瓦特高壩校核洪水位時上下游水位差達221 m和210 m，溪洛渡和糯扎渡特高壩校核洪水流量達52 300 m3/s和27 532 m3/s，泄洪總功率達9 410萬kW和6 694萬kW，最大流速約50 m/s，而位于大江大河上的特高壩，一次洪水過程往往長達半個月。我國特高壩消能設施和兩岸泄洪洞的沖磨空蝕破壞將成為運行安全重點問題。已經(jīng)投運的二灘特高壩，1號泄洪洞反弧段末端兩側(cè)發(fā)生比較嚴重的空蝕破壞邊墻和底板形成多處沖坑，最大坑深達21 m，混凝土及巖石破壞約20 000 m3［9］。需根據(jù)泄洪運行性態(tài)，反饋分析所采用消能方式和建筑物形式的合理性，重點研究能適應50 m/s級流速的抗沖耐磨材料，大力開展泄洪運行水力學監(jiān)測工作，逐步掌握磨蝕進程分級預警方法以及工程使用壽命的評估標準。

2.3 泄洪霧化及對策

泄洪霧化是一種水、氣兩相流復雜物理現(xiàn)象，受比尺效應和相似準則的限制，目前的模型試驗尚難準確定量預演，數(shù)學模型也難于模擬。龍羊峽、劉家峽、黃龍灘、新安江、白山等高壩泄洪時，曾因泄洪雨霧引發(fā)岸坡坍塌、水淹廠房、機組停運等重大運行事故。對于水頭高、泄量大的特高壩，如何針對泄洪霧化影響采取相應對策，是十分突出的問題。二灘和龍灘特高壩初期泄洪運行即發(fā)生過泄洪雨霧不同程度的破壞。根據(jù)二灘特高壩泄洪試驗反饋分析研究后認識到，當壩下河床狹窄、坡高陡峻時，采用泄流對撞消能形式不一定有利，該壩為避免或減輕泄流水舌在空中對撞產(chǎn)生的霧化沖刷破壞，對原設計制定的閘門啟閉方式進行修正。一般工況下，按照中孔、泄洪洞、表孔的順序開啟閘門泄洪，非大洪水不做表、中孔的碰撞泄洪，慎用兩側(cè)表孔泄洪［10］。需大力開展特高壩泄洪原型監(jiān)測分析工作，摸清泄洪水舌空中形態(tài)、霧化擴散范圍以及雨強分布實際情況，采取針對性工程措施，對泄洪雨霧沖刷部位進行有效防護，并對原定閘門啟閉運行方式加以反饋驗證，優(yōu)化啟閉運用程序，防止或減輕泄洪霧化的不利影響。

2.4 近壩高邊坡穩(wěn)定性快速監(jiān)測診斷

對于經(jīng)過人工處理高約500～700 m的特高壩工程邊坡，采用常規(guī)監(jiān)測方法收集運行資料和分析判斷難以確保工程邊坡穩(wěn)定。需探索GPS、光纖、無人機等新型監(jiān)測技術(shù)，對特高壩工程邊坡實行“全天候”及時監(jiān)控。根據(jù)高應力條件下邊坡的巖體結(jié)構(gòu)和變形特征，以及高邊坡開挖引起的巖體復雜工程效應，結(jié)合人為工程處理的各項措施特點，對高邊坡穩(wěn)定理論進行完善，在資料統(tǒng)計趨勢預測和工程類比經(jīng)驗性評判基礎上，重點開展反分析研究，反演巖體力學參數(shù)，反饋分析邊坡穩(wěn)定性，快速準確地做出診斷，制定出分級預警方法。對近壩庫岸可能發(fā)生大規(guī)模塌滑的自然邊坡，要設置完整可靠的監(jiān)測手段，密切監(jiān)控滑坡的發(fā)展趨勢，及時對滑動速度、形態(tài)、規(guī)模、范圍及影響后果作出全面分析評判，采取必要果斷措施，避免發(fā)生類似意大利瓦依昂（壩高262 m）特高壩庫區(qū)滑坡致使工程報廢并造成2 600余人死亡的災難性事故。

2.5 材料和結(jié)構(gòu)耐久性研究

相對于一般高壩，特高壩筑壩材料的各項性能已被充分利用，潛力有限，處于高滲水壓力、高應力和惡劣環(huán)境的反復作用下，特高壩材料的耐久性是影響安全長效運行的一個重要課題，需對特高壩材料在真實工作條件下的耐久性開展全面系統(tǒng)的研究，特別是大量使用的高分子化學材料的耐久性，問題更為突出。例如，小灣特高壩壩體裂縫中灌入的約360 t化學材料［11］，其性能變化趨勢將對大壩安全產(chǎn)生顯著影響。特高壩壩基、壩肩和高邊坡處理中，大量采用大噸位錨索、預應力錨桿，例如小灣工程各類錨索超過8 000束，這些水工結(jié)構(gòu)直接關(guān)系到大壩的使用壽命，需對其耐久性開展系統(tǒng)研究。特高壩監(jiān)測設施數(shù)量龐大，有的超過10 000多支（點、個），在由施工期過渡到運行期后，將長期發(fā)揮實現(xiàn)“數(shù)字大壩”、及時監(jiān)控大壩運行安全的關(guān)鍵作用，如何保障其長期適應性和有效性是極為嚴峻的新挑戰(zhàn)，需對儀器設備性能、維修管理以及更新改造等進行全方位的研究。

2.6 水工金屬結(jié)構(gòu)運行及維護

特高壩水工金屬結(jié)構(gòu)規(guī)模大，閘門擋水和啟閉水頭高，孔口水壓力巨大，運行操作、檢修維護和更新改造難度大。二灘和拉西瓦特高壩深孔弧形閘門擋水（啟閉）水頭分別達120 m和142 m。小灣特高壩放空底孔工作閘門和事故檢修閘門承壓水頭達160 m，總水壓力分別為108 000 kN和107 000 kN，其事故鏈輪門居于同類閘門世界之首。這些水工閘門和啟閉機的運行操作遠比一般高壩復雜，存在的風險性大，一旦發(fā)生事故，將直接危及到大壩的泄洪安全，需對其運行特性展開研究。對小灣特高壩放空底孔事故鏈輪閘門進行了國內(nèi)首次106 m水頭下的動水閉門實驗［12］，測試了放空底孔各系統(tǒng)的功能，在最高閉門設計水頭下進行了極限動作，不僅驗證了放空底孔金屬結(jié)構(gòu)的設計、制造及安裝質(zhì)量，并為運行安全積累了寶貴經(jīng)驗?；诠ぷ鳁l件復雜和金屬材料特性，特高壩水工金屬結(jié)構(gòu)相對于壩體結(jié)構(gòu)，其使用年限相對較短，日常維護檢修和更新改造是一項迫切而艱巨的難題，需在廣泛汲取國內(nèi)外高壩水工金屬結(jié)構(gòu)維修和更新改造經(jīng)驗的基礎上，不斷突破和創(chuàng)新。

2.7 深水檢修加固技術(shù)

特高壩上游面深水裂縫和缺陷檢修處理、過流孔洞進口部位沖磨空蝕破壞檢修處理、壩踵及壩趾沖淘破壞檢修處理、消力池沖磨空蝕破壞水下檢修處理均是突出的現(xiàn)實難題，不可能放空水庫也很難降低水位來完成這些部位的檢修加固任務，必須大力開展研究。我國曾在劉家峽、龔嘴大壩對60 m水深的水下詳細檢測、水下精確定位、水下結(jié)構(gòu)止水等問題進行專題研究，利用浮體門在上游封堵過流孔洞進口，形成從下游進入過流孔內(nèi)的旱地施工條件，成功解決了60 m級水深過流孔洞進口部位檢修難題。對于特高壩，需突破60 m級水深極限，向100 m級甚至更深的水下檢修加固技術(shù)進軍，從技術(shù)思路、檢修設備、檢修手段、加固措施等方面攻堅克難。還需研制出能與深水修補加固需要相適應的材料，能夠快速凝固、粘結(jié)性能優(yōu)越、抗沖耐磨和抗?jié)B能力強，以滿足特高壩不同部位工作特性的要求，保證大壩的運行安全。

2.8 地震影響快速評估

我國有多座特高壩處于高地震區(qū)，如何在地震發(fā)生后快速評估地震對大壩造成的影響無疑是一個非常關(guān)鍵的問題。需將強震監(jiān)測系統(tǒng)與大壩變形、應力、滲流等常規(guī)監(jiān)測系統(tǒng)聯(lián)合運行，及時觀測地震波到達瞬時的影響情況，利用預先研制的力學和數(shù)學模型，快速計算大壩不同部位的受力狀況及可能遭受的破壞。特高壩建成蓄水后，水庫可能誘發(fā)地震問題是一個不容忽視的重點問題，需完善地震監(jiān)測系統(tǒng)，堅持不斷地積累信息數(shù)據(jù)，從中尋找誘發(fā)地震的動態(tài)規(guī)律。大壩及各種水工建筑物的連接處、接合部、接觸帶以及斷面或剛度突變的部位是抗震薄弱部位［13］，對于特高壩，需對這些部位進行復核評估，必要時采取增強抗震能力的措施。汶川大地震震中附近的寶珠寺大壩以及距離較遠的隔河巖大壩，壩基部分測孔水位都曾在地震中發(fā)生一定程度的升降變化，而距震中遠達1 400 km的陳村大壩，不僅壩基地下水位升降變化明顯，壩基滲漏量也曾有較大幅度的增加，變化總趨勢延續(xù)近一年才基本恢復到震前狀態(tài)［14］。為了保障特高壩的運行安全，需對這種現(xiàn)象的形成機理以及地下防滲隱蔽工程可能遭受的危害做深入的分析研究。

2.9 流域高壩群運行安全研究

由表1可見，我國特高壩多集中在瀾滄江、雅礱江、金沙江、大渡河和黃河上游河段，這些特高壩與所在河流的一些高壩組成了高壩群，其梯級高壩大庫安全運行之間存在連鎖反應，這是一個極為重要的問題。例如：雅礱江流域規(guī)劃的21個梯級電站中，壩高超過100 m的有10座，其中有錦屏一級、兩河口、二灘3座特高壩；瀾滄江流域有小灣、糯扎渡、黃登3座特高壩，同時還有漫灣、大朝山、景洪等百米級高壩。隨著流域高壩群的出現(xiàn)，大壩安全上升為流域系統(tǒng)安全問題，在整個流域連鎖反應中，單個工程必須上下兼顧，才能確保系統(tǒng)和自身的安全，而單個工程的安全也是整個系統(tǒng)安全的基礎。面對復雜而龐大的高壩群運行安全問題，應設立職責明確、精簡高效、執(zhí)行有力的集中管理機構(gòu)，而且必須建立有效的信息采集和信息傳輸系統(tǒng)，借助計算機網(wǎng)絡和現(xiàn)代通信手段，實現(xiàn)雨情、水情等洪水資料以及大壩運行性態(tài)各種監(jiān)測數(shù)據(jù)的遠程分析評價、遠程集中會診和遠程決策調(diào)度。

2.10 風險管理及應急處理

特高壩安全管理需轉(zhuǎn)變管理理念，從以結(jié)構(gòu)安全管理模式為主逐步轉(zhuǎn)變?yōu)橐燥L險管理為主的模式。對風險的識別不僅需關(guān)注常規(guī)的最大洪水和最大可信地震等險情因素，還需對可能造成大壩失事的各種隱患進行識別。對風險的分析，需重點分析潰壩洪水、下游影響范圍和破壞程度以及大壩上、下游可能引發(fā)的滑坡危害。對風險的評判需以是否被一定影響范圍的公眾所接受為準則。對于流域梯級高壩群的安全管理，需在逐座水庫大壩風險管理分析研究的基礎上，建立流域水庫大壩連鎖影響的風險管理體系。特高壩事故應急處理的關(guān)鍵和最大難點是與上、下游聯(lián)動機制的建立和非常時期的具體實施。必須深刻汲取意大利瓦依昂特高壩滑坡事故的教訓，制定切實可行的應急預案，建立與地方政府、上下游人民的密切聯(lián)動機制，將認真開展預演列入日常預防工作內(nèi)容，以能在大壩失事的非常時期避免或減少人員傷亡和財產(chǎn)損失。

3 結(jié)語

我國目前正處在特高壩建設的快速發(fā)展時期，無論是規(guī)模還是數(shù)量，都已成為特高壩建設的世界大國。特高壩的運行安全是社會各界普遍關(guān)注的熱點問題。在已建成的7座特高壩中，二灘特高壩運行時間較長，已17年，其他幾座運行時間較短，才3-5年，都積累了一定的寶貴經(jīng)驗。這些特高壩初步運行的實踐表明，特高壩運行安全關(guān)鍵技術(shù)涉及面廣、技術(shù)難度大，需本著對歷史、對人民、對工程高度負責的精神，從戰(zhàn)略高度展開全面系統(tǒng)的探討研究，提高風險防范和控制能力。我國特高壩的運行安全管理尚處在起步階段，任重而道遠，為了保障特高壩的長效安全運行，其關(guān)鍵技術(shù)的研究在近期就需有突破性進展。 ■

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China is in a stage of rapid development of ultra-high dams higher than 200 m.And,some ul?tra-high dams have been built and put into operation.The safe operation of ultra-high dam is a hot is?sue of social concern.In order to ensure the long-term operation safety of ultra-high dam in complex en?vironment and operation characteristics,the author expounds the main contents and some key technolo?gies,including the safety evaluation system,the stability of high slope,energy dissipation and atomiza?tion of release waters,the durability of materials and structure,operation and maintenance of hydraulic metal structure,underwater reinforcement,earthquake effect,safety operation and risk management of dam group and etc.

ultra-high dam;operation safety;key technologies

TV697.1

A

1671-1092（2014）04-0014-05

2014-02-28

邢林生（1942-），男，江蘇南京人，教授級高級工程師，主要從事水電站大壩安全評價工作。

Title:Some key technologies for the operation safety of the ultra-high dams//by XING Lin-sheng and ZHOU Jian-bo//Large Dam Safety Supervision Center of National Energy Administration