瑞典達(dá)布斯克壩閘控與非閘控溢洪道的聯(lián)合運(yùn)用

運(yùn)行與管理

瑞典達(dá)布斯克壩閘控與非閘控溢洪道的聯(lián)合運(yùn)用

分區(qū)填筑的土石壩安全主要取決于安全設(shè)計(jì)和溢洪道運(yùn)行情況，經(jīng)驗(yàn)表明許多大壩的潰決是在洪水未達(dá)到設(shè)計(jì)洪水時(shí)發(fā)生的，多數(shù)土石壩潰決與溢洪道性能有關(guān)。闡述了閘控或非閘控溢洪道的優(yōu)缺點(diǎn)，通過(guò)實(shí)例說(shuō)明了同時(shí)設(shè)置閘控和非閘控溢洪道對(duì)提高大壩安全度的重要性。

閘控溢洪道；非閘控溢洪道；土石壩；瑞典

漫頂主要由庫(kù)容不足或溢洪道故障造成，是分區(qū)土石壩最常見(jiàn)的潰壩原因。大多數(shù)土石壩的溢洪道為閘控型式，但閘門(mén)易受損或操作失靈，在特大洪水時(shí)有更大的潰壩風(fēng)險(xiǎn)。

溢洪道設(shè)計(jì)應(yīng)考慮不同級(jí)別洪水和各種運(yùn)行模式，因此溢洪道類(lèi)型和功能不同，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)也不同。

1 溢洪道的用途與分類(lèi)

溢洪道的主要作用是通過(guò)調(diào)控設(shè)計(jì)洪水來(lái)保護(hù)大壩安全，常按功能進(jìn)行如下分類(lèi)：正常洪水條件下運(yùn)行的溢洪道為主溢洪道或正常溢洪道；只在超設(shè)計(jì)洪水條件下運(yùn)行或在主溢洪道無(wú)法正常工作情況下運(yùn)行的溢洪道為輔助溢洪道；主要調(diào)控超大洪水、保護(hù)大壩安全的溢洪道為應(yīng)急溢洪道。輔助溢洪道和應(yīng)急溢洪道具有運(yùn)行時(shí)間短、使用頻率低并均在極端情況下工作等共性。溢洪道也可以按水力和防洪條件分類(lèi)。

2 閘控與非閘控溢洪道的優(yōu)缺點(diǎn)

非閘控溢洪道堰頂是固定不變的，一旦庫(kù)水位超過(guò)堰頂高程，則開(kāi)始泄洪。當(dāng)庫(kù)水位超過(guò)堰頂高程時(shí)，閘控溢洪道可以調(diào)節(jié)庫(kù)水位，保證泄洪安全。

閘控與非閘控溢洪道聯(lián)合運(yùn)用已經(jīng)成為防洪安全的論證課題。顯然，由于不需要調(diào)控洪水、不耗費(fèi)電力、堵塞可能性小，非閘控溢洪道可以讓水自由流過(guò)堰頂，比閘控溢洪道更安全。

總體來(lái)說(shuō)，閘控溢洪道的優(yōu)點(diǎn)便是固定堰頂式溢洪道的缺點(diǎn)，反之亦然。鑒于評(píng)估的復(fù)雜性和不可預(yù)測(cè)性，主要應(yīng)從安全性和經(jīng)濟(jì)效益對(duì)兩者進(jìn)行比較。選擇閘控溢洪道還是非閘控溢洪道最終取決于各項(xiàng)安全措施的成本與效益比值。在大多數(shù)國(guó)家，從特定河流的地形、洪水、工程特性等方面考慮，閘控溢洪道適用于各種壩型，主要有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1) 單位泄洪量大，狹谷河段所建壩庫(kù)容大；

(2) 能在洪水早期階段開(kāi)始泄洪；

(3) 能利用的庫(kù)容大。

非閘控溢洪道主要優(yōu)點(diǎn)有：

(1) 在偏遠(yuǎn)地區(qū)和各種環(huán)境下可靠性高；

(2) 無(wú)需機(jī)械設(shè)備維修或其他補(bǔ)救措施；

(3) 單位泄洪量低，設(shè)施不易損壞；

(4) 不會(huì)被垃圾和其他漂浮物堵塞。

當(dāng)兩種溢洪道聯(lián)合運(yùn)用時(shí)，可以同時(shí)對(duì)兩者的優(yōu)勢(shì)加以利用。同一座水庫(kù)使用兩種溢洪道，必須為它們?cè)O(shè)置不同的高程，否則在閘控溢洪道優(yōu)勢(shì)還沒(méi)得到發(fā)揮就開(kāi)始泄流了。簡(jiǎn)而言之，必須將固定堰式溢洪道作為閘控溢洪道的輔助或緊急溢洪道。將以上原理用于瑞典達(dá)布斯克(Dabbsj?)大壩上，增加了電站發(fā)電量，同時(shí)提高了大壩安全度。

3 溢洪道設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)

在當(dāng)今許多國(guó)家，設(shè)計(jì)洪水是根據(jù)洪水期間潛在潰壩風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別確定的。例如，在瑞典和挪威大壩安全管理中，風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別高的大壩設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為萬(wàn)年一遇，在這種情況下不會(huì)對(duì)大壩造成嚴(yán)重?fù)p害，這意味著，盡管受使用方法的局限使得設(shè)計(jì)洪水存在內(nèi)在不確定性，溢洪道的泄洪能力還是要由設(shè)計(jì)洪水決定。

設(shè)計(jì)時(shí)假設(shè)只有洪水超過(guò)設(shè)計(jì)洪水才會(huì)對(duì)建筑物造成損壞，但實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明許多破壞由比設(shè)計(jì)洪水小的洪水引起，而且這樣的破壞主要與溢洪道有關(guān)，達(dá)布斯克壩溢洪道就是一個(gè)典型的例子。

達(dá)布斯克壩建在西博滕省福崖環(huán)(Fj?llsj?)河上，冰磧心墻堆石壩高45 m、長(zhǎng)580 m，心墻坐落在巖基上，調(diào)節(jié)庫(kù)容3.4億m3。閘控溢洪道位于左岸，2扇滑動(dòng)式閘門(mén)，單扇閘門(mén)寬8 m、高5.25 m。

最新洪水計(jì)算結(jié)果顯示，百年一遇和萬(wàn)年一遇洪峰流量分別是290 m3/s和730 m3/s。庫(kù)水位達(dá)到417 m時(shí)，溢洪道達(dá)到最大泄洪能力，包括泄洪底孔在內(nèi)的泄洪量達(dá)到460 m3/s。水位達(dá)到冰磧心墻頂面418 m時(shí)，閘控溢洪道泄洪能力為470 m3/s。包括泄洪底孔在內(nèi)的總泄洪能力為560 m3/s，這種情況下730 m3/s的設(shè)計(jì)洪水無(wú)法安全通過(guò)溢洪道，尚有200～250 m3/s的差額，占溢洪道設(shè)計(jì)泄洪能力的34%。這樣的洪水流量對(duì)閘下游溢洪道右側(cè)邊墻造成嚴(yán)重沖刷，并可能影響主壩壩趾安全。

分析表明，溢洪道的設(shè)計(jì)除了要遵守國(guó)家權(quán)威機(jī)構(gòu)有關(guān)設(shè)計(jì)洪水的規(guī)定外，還應(yīng)考慮如下因素：

(1) 下游居民的人身和財(cái)產(chǎn)安全;

(2) 設(shè)計(jì)洪水計(jì)算方法的可靠性;

(3) 壩型、功能和地形條件;

(4) 氣候變化導(dǎo)致的洪水事件。

在溢洪道設(shè)計(jì)和運(yùn)行中，也應(yīng)考慮溢洪道的各種受損情況，從而減小溢洪道運(yùn)行的不確定性。

4 溢洪道運(yùn)行

2011年，在達(dá)布斯克壩溢洪道進(jìn)行了一項(xiàng)試驗(yàn)，對(duì)溢洪道的運(yùn)行有了更好的理解，泄洪量為280 m3/s，遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)洪水，小洪水形成的湍流速度非常高。

這種湍流和超臨界流具有較高的動(dòng)能，水流躍出溢洪道沖刷壩趾，開(kāi)始沖刷下游壩坡。由較小洪水觀察到的沖刷表明，大洪水期間的沖刷將更嚴(yán)重。

現(xiàn)有溢洪道的運(yùn)行狀況提醒大壩管理者需要改善大壩現(xiàn)狀和下游防洪設(shè)施，將大壩風(fēng)險(xiǎn)控制在可接受的水平。為改變現(xiàn)狀，提高大壩安全性，大壩管理者對(duì)各種可能的補(bǔ)救措施進(jìn)行了調(diào)研。

一項(xiàng)措施是在特隆赫姆的挪威水力實(shí)驗(yàn)室建立物理模型，找到最佳設(shè)計(jì)方案，并對(duì)其進(jìn)行物理模型試驗(yàn)。

5 閘控與非閘控溢洪道聯(lián)合運(yùn)行

隨著氣候變化和洪水風(fēng)險(xiǎn)的日益增加，河水中經(jīng)常會(huì)有大樹(shù)一類(lèi)的漂浮物堵塞閘門(mén)，雷電造成閘門(mén)失靈，停電事故也可能發(fā)生，在這種情況下采用閘控和非閘控溢洪道聯(lián)合運(yùn)用是最佳設(shè)計(jì)方案。

對(duì)達(dá)布斯克壩不同設(shè)計(jì)方案的設(shè)計(jì)洪水和大壩安全度進(jìn)行了評(píng)估。在建設(shè)早期階段，對(duì)溢洪道增加第三扇閘門(mén)作為比較方案進(jìn)行了討論。由于地下廠房緊靠左壩肩，該方案對(duì)大壩影響很大，不是最佳方案。

第二方案是在大壩右側(cè)壩頂增加固定式溢洪道，無(wú)論是在大壩安全方面還是建設(shè)方面，這一方案都有很多優(yōu)點(diǎn)。

為了攔蓄超額洪水，增加庫(kù)容，提出了在大壩右側(cè)增加非閘控輔助溢洪道方案。挪威水力實(shí)驗(yàn)室對(duì)新提出的溢洪道方案進(jìn)行了物理模型試驗(yàn)，主要目的是根據(jù)1∶30模型完善溢洪道側(cè)槽主要建筑物的設(shè)計(jì)，進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，評(píng)估溢洪道在不同下泄洪水量情況下的性能。

模型中，采用選定的泄洪系列對(duì)非閘控溢洪道泄洪能力進(jìn)行了模擬試驗(yàn)。當(dāng)庫(kù)水位達(dá)到大壩防滲心墻頂部418 m高程時(shí)，非閘控溢洪道的泄洪量為210 m3/s，閘控和非閘控溢洪道聯(lián)合泄洪量達(dá)680 m3/s。這表明若發(fā)生大洪水，在提升泄洪能力和降低閘門(mén)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)方面，閘控與非閘控溢洪道聯(lián)合運(yùn)用具有優(yōu)勢(shì)。

最終方案是開(kāi)挖一條連續(xù)泄洪渠。每一次修改設(shè)計(jì)都是分步實(shí)施的，直至最優(yōu)。根據(jù)初始模型試驗(yàn)中觀察到的問(wèn)題，對(duì)模型進(jìn)行了修改完善，然后進(jìn)行終審。大壩現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施了模型試驗(yàn)獲得的最終方案。

6 實(shí) 施

當(dāng)庫(kù)水位達(dá)到整修后心墻頂部高程419.7 m時(shí)，長(zhǎng)75 m的新混凝土重力溢流堰最大泄水能力達(dá)到640 m3/s。洪水來(lái)襲時(shí)，閘控溢洪道和固定堰式溢洪道同時(shí)泄洪，當(dāng)洪峰來(lái)水量達(dá)到730 m3/s、庫(kù)水位達(dá)到418 m(比最高調(diào)節(jié)水位高1 m)時(shí)，480 m3/s的洪水通過(guò)閘控溢洪道下泄，約150 m3/s的洪水通過(guò)非閘控固定堰頂溢洪道下泄。

針對(duì)特大洪水，右側(cè)新固定堰式溢洪道還可作為應(yīng)急溢洪道，顯著降低潰壩風(fēng)險(xiǎn)。溢洪道建設(shè)要求精度很高，開(kāi)挖棄料堆填在堆石壩下游坡，使大壩結(jié)構(gòu)安全性更好。

7 結(jié) 語(yǔ)

閘控溢洪道與非閘控固定堰頂溢洪道優(yōu)缺點(diǎn)可互補(bǔ)。采用兩種類(lèi)型溢洪道聯(lián)合運(yùn)用可以充分利用兩者的優(yōu)點(diǎn)。最終選擇閘控還是非閘控溢洪道，取決于費(fèi)用與安全上的考量。

在氣候變化導(dǎo)致未來(lái)水庫(kù)運(yùn)行條件不確定的情況下，為了保證大壩的安全，閘控和非閘控溢洪道聯(lián)合運(yùn)用是一個(gè)安全的選項(xiàng)。基于模型試驗(yàn)的優(yōu)化設(shè)計(jì)為達(dá)布斯克壩業(yè)主節(jié)省了大量開(kāi)支，改進(jìn)的閘控溢洪道和新的非閘控溢洪道使水庫(kù)能容納所有可能的洪水，大壩在氣候變化條件下將更加安全。

孟照蔚馬貴生譯

2017-07-17

1006-0081(2017)10-0046-02

TV651.1

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(編輯朱曉紅)