瑞典達(dá)布斯克壩閘控與非閘控溢洪道的聯(lián)合運用

運行與管理

瑞典達(dá)布斯克壩閘控與非閘控溢洪道的聯(lián)合運用

分區(qū)填筑的土石壩安全主要取決于安全設(shè)計和溢洪道運行情況，經(jīng)驗表明許多大壩的潰決是在洪水未達(dá)到設(shè)計洪水時發(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，通過實例說明了同時設(shè)置閘控和非閘控溢洪道對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

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

溢洪道設(shè)計應(yīng)考慮不同級別洪水和各種運行模式，因此溢洪道類型和功能不同，設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)也不同。

1 溢洪道的用途與分類

溢洪道的主要作用是通過調(diào)控設(shè)計洪水來保護大壩安全，常按功能進(jìn)行如下分類：正常洪水條件下運行的溢洪道為主溢洪道或正常溢洪道；只在超設(shè)計洪水條件下運行或在主溢洪道無法正常工作情況下運行的溢洪道為輔助溢洪道；主要調(diào)控超大洪水、保護大壩安全的溢洪道為應(yīng)急溢洪道。輔助溢洪道和應(yīng)急溢洪道具有運行時間短、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。

2 閘控與非閘控溢洪道的優(yōu)缺點

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

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

總體來說，閘控溢洪道的優(yōu)點便是固定堰頂式溢洪道的缺點，反之亦然。鑒于評估的復(fù)雜性和不可預(yù)測性，主要應(yīng)從安全性和經(jīng)濟效益對兩者進(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安全措施的成本與效益比值。在大多數(shù)國家，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：

(1) 單位泄洪量大，狹谷河段所建壩庫容大；

(2) 能在洪水早期階段開始泄洪；

(3) 能利用的庫容大。

非閘控溢洪道主要優(yōu)點有：

(1) 在偏遠(yuǎn)地區(qū)和各種環(huán)境下可靠性高；

(2) 無需機械設(shè)備維修或其他補救措施；

(3) 單位泄洪量低，設(shè)施不易損壞；

(4) 不會被垃圾和其他漂浮物堵塞。

當(dāng)兩種溢洪道聯(lián)合運用時，可以同時對兩者的優(yōu)勢加以利用。同一座水庫使用兩種溢洪道，必須為它們設(shè)置不同的高程，否則在閘控溢洪道優(yōu)勢還沒得到發(fā)揮就開始泄流了。簡而言之，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，同時提高了大壩安全度。

3 溢洪道設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)

在當(dāng)今許多國家，設(shè)計洪水是根據(jù)洪水期間潛在潰壩風(fēng)險級別確定的。例如，在瑞典和挪威大壩安全管理中，風(fēng)險級別高的大壩設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)為萬年一遇，在這種情況下不會對大壩造成嚴(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)計洪水決定。

設(shè)計時假設(shè)只有洪水超過設(shè)計洪水才會對建筑物造成損壞，但實踐經(jīng)驗表明許多破壞由比設(shè)計洪水小的洪水引起，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580 m，心墻坐落在巖基上，調(diào)節(jié)庫容3.4億m3。閘控溢洪道位于左岸，2扇滑動式閘門，單扇閘門寬8 m、高5.25 m。

最新洪水計算結(jié)果顯示，百年一遇和萬年一遇洪峰流量分別是290 m3/s和730 m3/s。庫水位達(dá)到417 m時，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，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)計洪水無法安全通過溢洪道，尚有200～250 m3/s的差額，占溢洪道設(shè)計泄洪能力的34%。這樣的洪水流量對閘下游溢洪道右側(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)計除了要遵守國家權(quán)威機構(gòu)有關(guān)設(shè)計洪水的規(guī)定外，還應(yīng)考慮如下因素：

(1) 下游居民的人身和財產(chǎn)安全;

(2) 設(shè)計洪水計算方法的可靠性;

(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)計和運行中，也應(yīng)考慮溢洪道的各種受損情況，從而減小溢洪道運行的不確定性。

4 溢洪道運行

2011年，在達(dá)布斯克壩溢洪道進(jìn)行了一項試驗，對溢洪道的運行有了更好的理解，泄洪量為280 m3/s，遠(yuǎn)低于設(shè)計洪水，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能，水流躍出溢洪道沖刷壩趾，開始沖刷下游壩坡。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，大壩管理者對各種可能的補救措施進(jìn)行了調(diào)研。

一項措施是在特隆赫姆的挪威水力實驗室建立物理模型，找到最佳設(shè)計方案，并對其進(jìn)行物理模型試驗。

5 閘控與非閘控溢洪道聯(lián)合運行

隨著氣候變化和洪水風(fēng)險的日益增加，河水中經(jīng)常會有大樹一類的漂浮物堵塞閘門，雷電造成閘門失靈，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)合運用是最佳設(shè)計方案。

對達(dá)布斯克壩不同設(shè)計方案的設(shè)計洪水和大壩安全度進(jìn)行了評估。在建設(shè)早期階段，對溢洪道增加第三扇閘門作為比較方案進(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。

為了攔蓄超額洪水，增加庫容，提出了在大壩右側(cè)增加非閘控輔助溢洪道方案。挪威水力實驗室對新提出的溢洪道方案進(jìn)行了物理模型試驗，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，進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化，評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非閘控溢洪道泄洪能力進(jìn)行了模擬試驗。當(dāng)庫水位達(dá)到大壩防滲心墻頂部418 m高程時，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運行風(fēng)險方面，閘控與非閘控溢洪道聯(lián)合運用具有優(yōu)勢。

最終方案是開挖一條連續(xù)泄洪渠。每一次修改設(shè)計都是分步實施的，直至最優(yōu)。根據(jù)初始模型試驗中觀察到的問題，對模型進(jìn)行了修改完善，然后進(jìn)行終審。大壩現(xiàn)場實施了模型試驗獲得的最終方案。

6 實 施

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

針對特大洪水，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。溢洪道建設(shè)要求精度很高，開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

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

在氣候變化導(dǎo)致未來水庫運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)合運用是一個安全的選項。基于模型試驗的優(yōu)化設(shè)計為達(dá)布斯克壩業(yè)主節(jié)省了大量開支，改進(jìn)的閘控溢洪道和新的非閘控溢洪道使水庫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

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(編輯朱曉紅)