溪洛渡电站水垫塘运行风险浅析

王有伟

（中国长江电力股份有限公司溪洛渡水力发电厂，湖北宜昌443000）

0 前言

国内拱坝建设日渐增多，消能设施如水垫塘、泄洪洞等水工建筑物在泄洪消能过程中寿命过短成为很多高拱坝面临的共性。结合溪洛渡电站水垫塘建设的实际情况，以及金沙江下游水质、地质条件和工程建设情况，采用枚举法有针对性地分析了水垫塘在运行与检修等工况下运行的安全风险和应对策略。

1 工程概况

1.1 水垫塘概况

作为消能防冲建筑物，水垫塘按照重现期100年洪水设计，重现期1 000年洪水校核。水垫塘断面采用复式梯形断面，底宽60.0 m，底板厚4 m。水垫塘底板及边坡采用平铺法浇筑，浇筑混凝土厚度为4 m，第一层为常态混凝土，厚度为2.4 m；第二层厚度为1.6 m，其中上部0.6 m厚度为高抗冲耐磨硅粉混凝土。

水垫塘底板及边墙设置有抽排水系统，其中底板设置2条纵向排水廊道、6条横向排水廊道。边坡部位在380马道部位各设置一条纵向排水廊道。各条排水廊道将底板、边坡及基础渗水汇流至1、2号主排水洞，最终由水垫塘集水井及泵房将渗漏水排出。

1.2 水垫塘施工缺陷、渗漏水等情况

水垫塘施工检查中发现部分浇筑仓面出现裂缝，长度 1.5～11.5 m，缝宽0.05～0.2 mm，缝深2.4～13.5 cm，均为不规则状，规律性不明显，这些裂缝已经进行表面封闭处理。

2 水垫塘运行过程中的风险因素分析

2.1 水垫塘混凝土施工块间止水破坏

安全风险因素：①射流冲刷；②裂缝贯穿发育；③水垫塘底板不均匀沉降。

安全风险分析：首先是水舌冲刷的影响。溪洛渡大坝正常蓄水位为高程600 m，坝身表孔堰顶高程为586.5 m，深孔泄流高程约500 m，水垫塘二道坝坝顶高程为386 m，水垫塘池底高程为340 m。因此，遭遇洪水泄流时，深孔泄流水头达到约160 m，表孔泄流水头约为246.5 m，水垫塘是下泄水流的消能场所，其巨大能量由水垫塘内形成淹没射流的紊动扩散和淹没水跃作用来消除，运行过程中必须抵御射流的冲击和紊流的脉动压力。在高速高压力含沙水流下泄过程中，砂粒飞速碰撞摩擦和高压水泡破裂会对底板接缝处的紫铜止水片和橡胶止水片形成破坏力[1]。施工过程中，止水十字搭接部位施工工艺复杂，不易振捣，施工过程中止水片保护难度高，底板混凝土止水部位是薄弱部分，止水效果需要长期关注。

其次是施工缝影响。水垫塘底板混凝土顺河向分缝距离为12 m，横河向底板分缝尺寸为12 m，在分缝位置均设置两道Z型紫铜止水和一道复合橡胶止水。由此，块体之间存在横向和纵向施工缝，水平向的上下浇筑层之间存在水平向施工缝。水垫塘排水廊道顶拱几何中心部位设置有垂直施工缝，巡视检查中发现水垫塘冲水后顶拱有发生肉眼可辨识的轻微下沉，这种现象明显是由于水垫塘冲水后重力荷载增加引起的弹性变化，需要长期关注。如果该结构施工分缝的开度继续发展，会联动破坏所在部位的止水片，导致贯穿性渗漏通道形成。

再次是地质因素。水垫塘底板基岩上游段约40%为3层上部含凝灰质角砾熔岩，下游段约60%为4层下部玄武岩。基岩第3层和第4层层间错动带的存在一方面可能会导致底板渗流水通道发育，另一方面在外部荷载，尤其是泄洪条件不均匀荷载的冲击作用下，可能会导致明显的不均匀沉降，进而导致底板基础混凝土缝开裂，进而对止水造成破坏。

应对措施：运行阶段要高度关注水垫塘底板混凝土块体之间的止水运行情况，尤其在水垫塘廊道巡视检查中，把施工分缝部位的施工缝开度和渗漏水作为重点关注部位之一，巡视检查记录中详细描述发现的问题。对于漏水严重的部位，在排水廊道进行化学灌浆等临时封堵措施补漏，等待检修期间结合水垫塘上、下表层表面情况进行进一步的处理。

2.2 水淹排水廊道

安全风险因素：①水垫塘渗漏水；②水垫塘基岩扬压渗水；③导流洞、泄洪洞和尾水洞过流水渗漏；④排水系统故障。

安全风险分析：水垫塘排水廊道内水流来源有三：第一是水垫塘渗漏水。水垫塘底板混凝土存在施工横向和纵向施工缝，以及水平向的上下浇筑块体分缝，底板表层存在局部的混凝土裂缝，因此会有渗漏水存在。在止水破坏或者裂缝进一步发展的情况下，大量的渗漏水会冲破底板薄弱层进入廊道，导致底板被洞穿，底板混凝土与冲击水流一起振动、掀翻，这是水垫塘排水廊道水淹的最大风险。

第二是水垫塘基岩渗水。大坝上游水头和下游水头作用于水垫塘底板，分别形成扬压力，使得水垫塘底板排水廊道和排水洞中的排水孔出水，同时在水垫塘基础岩体和边坡岩体与水垫塘混凝土接缝部位也存在渗漏出水，并通过廊道系统和水垫塘底板与基岩接缝部位预留的排水暗沟汇集到水垫塘廊道。大坝和二道坝的帷幕灌浆会降低水垫塘的渗透压力，但是仍然有渗透压力存在，同时不排除局部帷幕灌浆挡水效果不佳或者水垫塘底板基础岩体薄弱层面裂隙发育导致出现渗漏通道发育的风险。

第三是临近区域过流渗水。运行中的导流洞（施工期）、泄洪洞和尾水洞内水流可以通过基础岩体缝隙进入水垫塘排水系统。左岸3号导流洞下闸以后，水垫塘排水廊道局部水流明显减小甚至消失，证明导流洞与水垫塘排水系统之间存在渗漏通道。目前不能排除这些渗漏通道在水工建筑物长期运行过程中有进一步发展的风险。另外，地下水水面线高过水垫塘底板，会有部分山体地下水流入水垫塘排水廊道。

目前，水垫塘排水廊道内布设有集水井，配有6台永久排水泵，出水管道2012年9月初抬高后的单台泵抽排能力为240 m3/h，6台泵总抽排能力约1 440 m3/h，而目前每小时的抽排量大约为700 m3/h，如果出现水垫塘渗漏水超过排水系统抽排能力，或者同时出现排水系统电力或机械故障工况，可能会发生水淹水垫塘排水廊道的情况。

应对措施：运行维护中，需要及时、准确地监控水垫塘排水廊道内的各个渗漏通道的渗漏水总量变化，以便及时发现问题、解决问题，避免渗漏通道在无监控的情况下发育。同时，应该及时清理排水廊道，避免排水沟内拥堵和溢流，另外应该对泵机的抽排能力进行风险评估，建立、完善泵机抽排运作制度和排水廊道水淹情况下的应急抽排和事故处理制度，避免人员伤亡和设备受损。

2.3 水垫塘内泥沙淤积过厚

安全风险因素：泥沙淤积过厚。

安全风险分析：水垫塘的宽度由主河槽的宽度而定，以保证射流水舌不砸岸坡。水垫塘的长度由射流的最远挑距和淹没水跃决定，水垫塘的深度是控制淹没射流的，由最大冲击压力允许值决定。金沙江多年平均年输沙量达2.72亿t，多年平均含沙量达1.72 kg/m3，而1984年5月30日屏山站实测最大含沙量达2.43 kg/m3。蓄水以后，考虑到水库的蓄水拦沙功能，下泄水流含沙量在运行初期会减少，同时在泄洪过程中水垫塘内水流流态紊乱，泥沙淤积可能性比较小。如果出现泥沙淤积，相当于减小了水垫塘的有效宽度和有效深度尺寸，导致下泄水流消能不充分，加剧高速下泄水舌对水垫塘、二道坝的冲击力以及对下游河道的冲刷。

应对措施：需要监控水垫塘内泥沙淤积情况，同时研究水垫塘内泥沙淤积厚度对消能效果和底板保护的影响以及水垫塘内泥沙清理方案。

2.4 水垫塘混凝土底板局部失稳出穴

安全风险因素：运行时止水破坏导致出穴。

安全风险分析：水垫塘底板混凝土块之间的止水破坏前，单个随机板块在水流脉动冲击荷载作用下，与板块上表面水体一起作轻微振动；水垫塘止水破坏后，板块受水流脉动上举力的作用，与板块四周（包括缝隙内）水体一起在座穴内不断振动，这是一种流固耦合振动。

在某区域止水完全破坏的情况下，板块间的伸缩缝和板块与基岩间的接触缝相互贯通，射流冲击区板块下表面的较大压强势必要沿缝隙传到壁面射流区板块的底部，造成该区板块下表面压强大于上表面压强，这个压强差就构成了导致板块失稳的上举力，造成该板块失稳[3。]设计中在水垫塘底板采用了锚筋和锚筋桩加固结构，能够提高水垫塘底板混凝凝土块的抗浮稳定性，大大降低了局部失稳的风险。

应对措施：关注能够造成水垫塘混凝土底板失稳的因素，特别是在深孔和表孔泄洪工况下，底板混凝土块体与基础岩体之间的锚筋应力变化，加强锚筋应力监测与分析，关注底板混凝土施工缝的开度变化以及水垫塘底板扬压力变化和水垫塘各个渗漏通道渗漏水量的变化情况。

3 水垫塘检修工况下的风险因素分析

3.1 巡视检查中的安全问题

安全风险因素：①复杂交通线路及廊道系统；②大坡度爬坡。

安全风险分析：溪洛渡电站地下洞室群规模宏大，交通洞错综复杂，通往水垫塘的交通洞线路复杂，水垫塘内部廊道坡度较陡，渗流量比较大，路面湿滑，工作人员有跌倒、摔伤（亡）的风险。

应对措施：需要对水垫塘新增交通洞以及排水廊道内部环境进行清理、整治，增设照明。排水廊道内四横六纵，廊道总长近2 000 m，需要定制巡检路线，避免迷失。

3.2 检修作业中的安全问题

安全风险因素：①水垫塘高边墙和高边坡；②机械设备；③检修通道。

安全风险分析：水垫塘采用复式梯形断面，在检修工况下，从水垫塘底板顶到412 m平台高程差达到72 m，水垫塘两岸河谷较深，两侧山体直立，水垫塘在高程412 m平台区域长480 m、宽208 m，形成一个庞大的检修工作区，作业区内的工作人员有被来自大坝顶和两岸高边坡物体打击的风险。

应对措施：在检修过程中做好安全防范措施，特别是做好左右岸坡及大坝顶部的警戒，避免物体从高空坠落伤人。

3.3 检修中的水垫塘遭遇水淹

安全风险因素：①下游水涌过二道坝；②暴雨袭击；③大坝泄洪误操作。

安全风险分析：枯水期满发水位为382.48 m，二道坝坝顶高程为386 m。汛后至次年汛前，约有6个月的时间对水垫塘进行抽水检修。在此期间，不排除受蓄水影响出现局部强对流天气的可能，易出现雨水汇集成灾。大坝上“七表八深”的泄洪孔，单孔泄洪量比较大，检修期间如果出现工作闸门误动作，会在瞬间将水垫塘底板淹没。

应对措施：针对发生局部暴雨袭击的可能性，应该做好水垫塘检修突发性事件的应急预案；同时，加强部门内部协调，保证泄洪系统与检修工作不冲突。

3.4 水垫塘混凝土底板局部失稳出穴

安全风险因素：①抽排、放空水垫塘；②扬压力。

安全风险分析：水垫塘最不利工况是水垫塘抽排、放空工况，此工况下，水垫塘垂直向没有水垫塘水体自重以及泄洪水流的动水荷载。水垫塘检修大多在枯水季节，库水处于正常蓄水位600 m，下游水位处于低位，水垫塘底板的扬压力处于最大状态，在部分排水管被泥浆封死的情况下，扬压力折减效果会减小，水垫塘抗浮稳定将面临严峻的考验。

应对措施：在水垫塘检修过程中加强对水垫塘排水廊道的扬压力及锚桩应力监测和对排水孔是否被泥浆封死的排查，同时加强对排水廊道和水垫塘底板表面的巡视检查，以便及时发现隐患，采取挽救措施。

4 结语

水垫塘在运行过程中面临着止水破坏、廊道水淹、泥沙淤积、出穴失稳等风险，对于止水破坏风险，需要及时发现并尽可能地采取化学灌浆等手段临时堵漏，等待水垫塘排干检修时在上表层进行更加有效的处理。对于廊道水淹事故，需要做好应急预案，以保护工作人员和设备安全。对于泥沙淤积情况，需要准确监控，及时清理。对于水垫塘底板施工混凝土块局部失稳，需要及时监测分析，以防止事故发生。

水垫塘检修过程中存在人员和设备的安全风险和暴雨袭击等风险，以及水垫塘底板局部失稳的风险，为此，需要在检修过程中重视安全警戒、防护及协调，需要加强对水垫塘底板监测仪器的加密观测，防止事故发生。

[1]刘沛清.高拱坝下游水垫塘底板块稳定性设计[J].水利学报,1999(2):5-12.

[2]刘沛清.挑射水流对岩石河床的冲刷机理研究[D].北京：清华大学,2000.

[3]杨敏,彭新民.高坝水垫塘底板上举力特性与预测方法[J].水利水电技术,2003(9):29-31.

[4]刘晓燕.水坝水垫塘底板块稳定性设计与施工[J].陕西水利,2010(3):82,86.

[5]谢思思.小湾水电站水垫塘结构型式的分析研究[J].云南水力发电,2002(3):29-31.