安全是樞紐布置設(shè)計之首要考慮因素

黃顯泰

（廣西電網(wǎng)公司，廣西 南寧 530000）

1 工程概況

左江山秀水利水電樞紐位于左江下游河段，是一個以發(fā)電為主，兼有航運、養(yǎng)殖、旅游等綜合效益的水利水電樞紐工程，壩址以上流域面積為29562k m2，干流發(fā)源于越南。流域?qū)賮啛釒У貐^(qū)，高溫多雨。洪水主要由受鋒面低渦氣流及其臺風(fēng)影響的暴雨形成。臺風(fēng)雨強度大、量集中，是本樞紐能造成一定影響的主要水源。

經(jīng)56a水文資料計算，壩址多年平均流量600m3/s。該樞紐經(jīng)河段規(guī)劃比較，選定水庫正常蓄水位8 6.5 m，死水位8 5 m。根據(jù)樞紐承擔(dān)的功能，水庫總庫容6.063億m3；電站裝機容量78M W（3×26M W），年利用小時數(shù)4522h，多年平均發(fā)電量3.527億k W·h；河道為Ⅴ級航道，船閘通航標(biāo)準(zhǔn)為通行2×300t分節(jié)駁船隊，水庫蓄水后渠化河道130k m。按國家有關(guān)規(guī)范，該樞紐為大（2）型水利水電樞紐，主要擋水建筑物為2級建筑物。設(shè)計洪水重現(xiàn)期為100a，入庫流量13600m3/s，出庫流量 13100m3/s，上游水位92.8m，相應(yīng)下游水位92.15 m，上下游水位差0.65 m；校核洪水重現(xiàn)期為1 000a，入庫流量17700m3/s，出庫流量168 00m3/s，上游水位95.8 0m，相應(yīng)下游水位94.8 1m，上下游水位差0.99m。該電站歷史調(diào)查洪水的洪峰流量14 8 00m3/s，實測最大流量11 000m3/s，最高洪水位90.56 m；實測最小流量16.1m3/s，實測最低水位70.25m（相應(yīng)流量8 1m3/s）。

2 河流的水文特點

從上列數(shù)據(jù)可見該河流有以下特點：

（1）流量變化大。實測的最小流量為16.1m3/s，實測最大流量為11 000m3/s，校核流量達(dá)17700m3/s，分別是最小實測流量的68 3～1099倍。2008年發(fā)生的流量達(dá)10700m3/s，是實測的664倍。

（2）水位變幅大。上游水位以正常水位為起點，變幅6.3～9.3m。下游以實測最低下游水位70.25 m為起點，水位變幅21.9～24.56m。上游水位最大變幅是孔口高度的61%，而下游水位變幅是孔口高度的153%。下游水位變化很大。

（3）大洪水時上下游水位差很小。大洪水時，下游水位超過正常水位5.65～8.31 m，而設(shè)計洪水時，上下游水位差僅0.65 m；校核流量時，上下游水位差亦僅0.99m，就是說，大洪水時，上下游水面落差很小，溢流壩泄流主要由泄水?dāng)嗝娣e控制。

（4）該樞紐河道流域降雨受所在地區(qū)臺風(fēng)影響很明顯，有臺風(fēng)經(jīng)過流域，馬上有暴雨出現(xiàn)，并形成大洪水，加上流域小，降雨匯流時間短，很容易形成徑流，具有明顯的山區(qū)河流暴漲暴落的特點。

3 山秀電站閘門布置的現(xiàn)狀及存在的問題

由于該樞紐有這樣明顯的水文特點，確定樞紐等級又是以庫容為主，樞紐建筑物設(shè)計時首要注意的問題應(yīng)是其安全。安全不只是大壩的穩(wěn)定和強度，如何保證其安全泄流也是非常重要的一方面。因此設(shè)計開敞式溢流壩泄水建筑物時，應(yīng)對溢流壩型、閘門與啟閉機的布置與選擇進(jìn)行認(rèn)真研究。

3.1 閘門布置現(xiàn)狀

山秀電站校核洪水位超過正常水位8.31 m，上下游水位差又小，從目前幾種常用的閘門與啟閉機布置來看，不宜采用弧形閘門。雖然弧形閘門可以是一門一機的布置，也使用液壓設(shè)備，但很難滿足設(shè)計規(guī)范“弧形閘門支鉸宜布置在過流時支鉸不受水流及漂浮物沖擊的高程上”的要求。而山秀水利樞紐弧形閘門布置確屬鮮見。這樣布置其弧形閘門，支鉸在經(jīng)歷重現(xiàn)期4 a左右的洪水時，下游水位即淹沒弧形閘門支鉸，校核洪水時下游水位也淹沒液壓啟閉機支承鉸中心，支鉸附近的液壓缸上面的液壓控制閥也要被淹沒，無法保證設(shè)備運行安全。設(shè)計時，為避免下游水位稍高時支鉸被洪水浸泡，防止支臂被泄流洪水沖擊的問題，只有將支鉸的位置布置得高一些，支腿因此要設(shè)計得長一點，在有些情況下可能不合理。

從上述山秀電站水文特點和樞紐布置情況來分析，溢流壩選用平板閘門，設(shè)置啟閉機平臺用固定卷揚式啟閉機進(jìn)行啟閉操作是既合理又簡單、投資又省的布置型式。這雖然是一種老式的布置型式，但很多下游水位高、變幅大的低水頭電站溢流壩的布置運行證實其是成功的。平板閘門多了一道門槽，門槽處水流常常出現(xiàn)立軸漩渦，由于立軸漩渦夾帶空氣，在門槽及其附近對混凝土面產(chǎn)生氣蝕。如果開始設(shè)計時就能注意到這個問題，對門槽的結(jié)構(gòu)型式能進(jìn)行一些實驗研究，也是可以避免的。目前，在這方面已進(jìn)行了大量研究，規(guī)范對這類門槽也有很多建議。按照規(guī)范建議，至少可以減緩氣蝕。山秀樞紐的開敞式溢洪道水頭比較低，水流落差不大，水流速度也不快，不會對門槽造成很大的影響，即使出現(xiàn)一些氣蝕或沖刷，修補也比較容易。

在溢流壩設(shè)計中，溢流孔閘門的設(shè)計選型和布置是最重要的，它不僅涉及閘門本身的安全，也影響到整個樞紐建筑物的安全。山秀電站溢流壩設(shè)計中，采用了弧形閘門配液壓啟閉機的設(shè)計方案，顯然值得商榷。

溢流壩現(xiàn)在布置簡圖如圖1所示。

3.2 運行中出現(xiàn)的問題及險情

3.2.1 設(shè)計不當(dāng)致支臂陷運行險情

從圖1可以看出，這種露頂式弧形閘門支鉸中心高程8 6.5 m，但支鉸高度已是門高的97%，弧面半徑21 m是門高的1.3倍。設(shè)計者為了求得弧面半徑與門高的比值符合規(guī)范推薦參數(shù)1.0～1.5的建議值，減小了支臂長度，從而減小閘墩長度及其混凝土工程量，將支鉸高程布置在偏低位置上（該高度也已超過推薦的露頂式閘門布置的一般高度，但這不是必須的）。雖然不是常年在水里浸泡，但是相當(dāng)于重現(xiàn)期4 a左右的下游水位（下游老口梯級電站未建設(shè)時，下泄流量7200m3/s時的下游水位為8 6.0m）。

目前該樞紐建筑物還沒有運行幾年，已暴露出由于支鉸布置偏低給運行造成的困難。2008年8月6日，熱帶風(fēng)暴造成局部地區(qū)暴雨，形成較大洪水。不到3d，洪水流量從28 70m3/s漲到7260m3/s。洪水來得突然，將上游大量漂浮物和600多個網(wǎng)箱沖到壩前，造成溢流壩弧形閘門堵塞，影響閘門啟閉，嚴(yán)重威脅大壩安全。當(dāng)即市委書記、市長親自出面組織4臺吊車、300多名消防、特警、民兵和職工進(jìn)行搶險。由于搶險及時，未造成大的工程事故，但當(dāng)時的場面實屬驚險。不久，9月下旬遭遇一場重現(xiàn)期30a的洪水，支鉸從27日一直浸泡到10月1日。支臂在4 m多深的水中沖擊了5d（事后缺少對其進(jìn)行評估分析）。

從目前設(shè)計洪水或校核洪水看，支腿要經(jīng)受溢流壩上6～10m的急流水沖擊，可能還有竹木和其它雜物掛攔，水流將夾帶的污物在支臂處堆積造成阻流。這既影響泄流能力，也容易造成支臂的附加水平力，嚴(yán)重造成支臂彎曲或失穩(wěn)破壞，甚至整個門葉的翻轉(zhuǎn)失事。這是過去設(shè)計者最忌諱的。2008年8月的驚險教訓(xùn)，可能很多參與者還記憶猶新，想起來還會有些后怕。目前這個潛在的隱患仍然存在。

3.2.2 設(shè)計不當(dāng)致檢修閘門運行困難

溢流壩布置中，采用了駝峰壩，將檢修閘門布置在上游的水坑里，也增加了檢修閘門高度，由于前面大坑的沉積物無法止水，造成檢修閘門運行中的困難。后期施工的孔口雖然又修改為實用堰，但溢流孔上的閘門布置仍不順暢。這樣一個溢流壩形成兩種堰型，其布置確實不太理想。

按目前設(shè)計成果，上游水位設(shè)計情況計算值93.23m，模型實驗測值92.8 0m，校核情況計算值96.19m，模型實驗測值95.8 0m。壩下游水位分別是92.15 m和94.8 1 m。設(shè)計推薦模型實驗值還值得商榷。而弧形閘門最大開啟25.5 m，閘門底坎高程70.5m，也就是最大開啟時門葉底緣高程是96.0m，壩頂門機大梁底高程是96.2m。閘門底緣高程比大梁底高程低0.2m，比模型實驗值高0.2m，比計算值低0.19m。不管采用什么值都不滿足設(shè)計規(guī)范8.2.6條（1）的規(guī)定“溢流壩閘門可提出水面以上1～2m。”雖然規(guī)范只是說“可”，還不是硬性規(guī)定，但設(shè)計時應(yīng)留夠水面上漂浮物通過的空間，按目前的布置，如果液壓啟閉機行程已用完，沒有大的工程改造措施就無法實現(xiàn)這一要求。

這些情況除前面提出的支鉸浸泡在水中，容易使軸承銹蝕損壞，摩擦系數(shù)改變后給支臂帶來附加彎矩和其它阻力，軸承壽命降低。支臂、油缸和支鉸浸泡在5～6m的洪水中，猶如“中流砥柱”，不僅自身阻礙水流，還必將懸掛水面污物，影響水流平順過流，支臂將承受的水流沖擊振動也無法估計；油缸支鉸以及上下腔軟管和分配閥門也在大洪水時浸泡在過流洪水中，無法保證液壓啟閉機安全，其安全性也較難評價。

4 結(jié)語

一座上萬泄流量的泄水建筑物，如何保證它在各種工況下都能順利安全泄流，這是一個參與設(shè)計的工作者必須首先要考慮的問題，因為這是涉及到整個樞紐工程安全的大問題，必須慎重對待。因此安全應(yīng)是樞紐布置設(shè)計時首要考慮的因素。