水電站廠房水淹風險分析及防范措施

譚 可 奇

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司， 四川 成都 610072)

0 前 言

近十年來，隨著國民經濟的飛速發展和“低碳環保”理念的深入人心，我國的水電事業得到飛速發展。據最新數據，我國目前已開發和擬開發的水電站達到6 994座，總裝機容量達到5.42 kW。然而，隨著電站數量的增加、規模的擴大和建成時間的久遠，水電站發生的安全事故也逐漸增多。除了水電站廠房內常見的火災、爆炸、電傷害、機械傷害、墜落傷害等安全事故外，水電站廠房的水淹事故也屢見不鮮。

對于水電站廠房，水淹事故相對于其他事故所造成的危害面更廣、持續時間更長，修復重建難度大、恢復投產周期長，造成的人員及財產損失巨大。2009年8月17日在薩楊-舒申斯克水電站發生的水淹廠房，導致變壓器發生爆炸，水電站墻體損毀，機房進水，造成75個工作人員傷亡，直接經濟損失超過40億美元。由此可見，水淹廠房事故在水電站中危害性極大。

同時，我國是個自然災害頻發的國家，特別是在西南高山峽谷地區，震后邊坡，植被損毀嚴重，坡面表部松散崩積物穩定性較差，容易造成風沙和小型滾石；在暴雨天氣下，容易發生滑坡或泥石流，堵塞河道，形成堰塞湖，導致水淹廠房事故發生，岷江上漁子溪、映秀灣、耿達等電站均是此類型的例證，由此帶來較為嚴重的損失，修復難度巨大。

為了避免水淹水電站廠房事故，本文從水電站廠房的設計和運行角度，分析了建設和運行期水淹廠房的風險源，提出了防止或減小水淹廠房的總體布置措施、細部結構措施和日常運行維護要求，并提出了災害預警預報及應急預案要求。

1 水電站水淹廠房風險分析

1.1 外部影響

(1)超標準洪水。流域上游有強降水或其它特殊原因，導致洪水超設計(校核)洪水位，造成水電站漫壩(潰壩)、廠房進水、水工建筑損害等，全站停電和跳閘等事故；或下游水位猛漲時，水從廠房進廠交通門、洞，尾水渠交通洞進入廠房。

(2)超標準降雨。廠區短期連續集中強降雨，可能引發山洪暴發，廠房周邊山體滑坡，導致洪水大量涌入廠房，全廠排水系統無法滿足排水需要；或雨水從頂棚排水溝、門窗、電纜溝、排水溝等部位灌入或倒灌入廠內。

(3)超標準泥石流。廠區附近的超標準泥石流，可能超過排導能力，破壞攔擋結構，導致廠區內建筑物損壞、交通中斷和排水結構失效，可能直接破壞廠房結構或導致水淹廠房。

(4)超標準地震情況。超標準地震可能造成廠房擋水結構裂縫或結構局部破壞導致漏水，或廠房擋水結構等水工建筑物發生坍塌，或庫區邊坡失穩導致涌浪、漫壩等，或電力設備損壞導致泵站失控不能抽水。

(5)外部電源故障。當全廠發生停電事故，內部應急電源也不能正常使用，而外部電力供應也中斷時，則可能導致泄洪及排水設備無法正常運行。

1.2 機組或設備故障

(1)廠房內部水輪發電機組故障或零件破損。如：運行或備用機組尾水管進人門、蝸殼進人門損壞、水輪機主軸損壞造成水淹廠房。

(2)廠房供排水設備故障。滲流集水井水泵或閥門故障，或電源設備故障，抽排停止或抽排能力不足，導致水淹廠房；廠房清潔水，消防水系統，因管道接頭或閥門破裂造成局部地面及廊道淹沒；技術供排水系統因管路及部件損壞,水輪機主軸密封損壞造成局部地面及廊道淹沒；公用排水系統(檢修、滲漏排水、排污)因地漏堵塞，排水不暢、排水系統故障及逆止閥損壞造成局部地面及廊道淹沒。

(3)泄洪啟閉設施故障。如：液壓啟閉機或閘門設備機械故障，電源故障，閘門不能打開或開度不足，導致水庫泄洪能力不足；或者因水庫漂浮物過多，或泥沙淤積較嚴重，閘門啟閉力余度不夠，不能正常開啟或開度不夠，導致水庫泄洪能力不足。

1.3 水工建筑物事故或缺陷

(1)水文地質條件超預期，防滲帷幕失效。廠房地基基礎水文地質條件較預期變化較大，廠房防滲帷幕失效、滲漏量超預期，導致集水井和水泵容量不足。

(2)水工結構質量事故。引水隧洞、壓力前池、壓力鋼管、調壓室、尾水隧洞和廠房蝸殼、擋水墻等水工結構質量事故，導致結構垮塌、爆裂。

(3)水工結構質量缺陷。防滲帷幕、引水隧洞、壓力前池、壓力鋼管、調壓室、尾水隧洞和廠房蝸殼、擋水墻等施工結構質量缺陷，導致較大漏水。

(4)廠內和廠區排水溝渠結構破壞、堵塞。

1.4 電廠運行中的誤操作

(1)機組檢修中的誤操作，機組檢修且蝸殼進人門或尾水管進人門開啟狀態下，誤提快速閘門(檢修閘門)、尾水閘門、廠內供水閥門，導致水淹廠房。

(2)水情調度錯誤，洪水來不及開閘宣泄漫壩。

2 水電站水淹廠房防范措施

2.1 廠房防淹總體布置設計

2.1.1 廠址選擇及廠區樞紐布置要求

廠區樞紐布置，一方面應按規范要求確保勘察設計深度，增加對各種滑坡體、泥石流溝等地質災害的風險識別，在廠址選擇和廠區樞紐布置時，避開風險等級較高的可能風險源。廠址選擇及廠區樞紐布置，一般應遵循以下原則。

(1)地面廠房位置宜避開沖溝及泥石流溝，對可能發生的山洪淤積、泥石流或崩塌體堵江等應采取相應的防御措施，可采用支擋及排導措施。

(2)當地震基本烈度為8度及以上、河谷狹窄、兩岸山體邊坡陡峻時，宜優先選用地下廠房。

(3)廠房邊坡設計應符合《水電水利邊坡設計規范》(DL/T5353-2006)的規定。廠房位于高陡坡下時，應設有安全防護措施及排水措施。

(4)壓力前池及調壓井應布置在牢固基礎上，在條件允許的前提下，加大泄水渠的尺寸。

(5)當壓力管道采用明管布置時，宜將廠房布置在免受事故水流直接沖擊的方向；不可避開時，應采取有效保護措施。管槽下部設置截水溝，將積水引至廠外。

(6)岸邊式地面廠房的尾水渠一般應與河道斜交，斜向河道下游，使得水流平順接入河道；尾水渠出口宜布置于溝口上游，并加強對可能發生淘刷或淤積部位的防護措施；應考慮樞紐泄洪建筑物泄洪及下游梯級回水引起河床變化所造成的影響；尾水渠出口布置應注意減少河道水流和泥沙對尾水的影響，保持水流順暢，必要時可設置導水墻。

2.1.2 廠區防洪及排水系統設計要求

應根據《水電站廠房設計規范》(NB/T35011-2016)、《水電樞紐工程等級劃分及設計安全標準》(DL5180-2018)和《室外排水設計規范》(GB 50014-2016)的要求，進行廠區防洪及排水設計，主要包括以下各項。

(1)應保證主副廠房和主變壓器場地及開關站在設防水位條件下不受淹沒。

(2)廠區的排水量、管溝布置、排水方式及排水設施，應根據水電站廠房的重要性、本地區氣候特征、設計暴雨強度、降雨歷時、暴雨設計重現期、匯水地區性質、地形特點及其他核能的集水量綜合考慮確定。設計降雨重現期可取3～5 a，設計降雨歷時為5～15 min。

(3)應采取可靠措施防止洪水倒灌。

(4)對泄洪、降水和霧化對廠區造成的不利影響，應采取相應的防護措施。

(5)對可能導致水淹廠房的孔洞、管溝、通道、預留缺口等應采取必要的封堵和引排措施。

(6)廠區防滲排水措施應綜合應用。岸邊地面廠房和河床式廠房，應設置可靠的防滲系統，特別是河床式廠房應注意防滲帷幕的各項參數滿足規范的要求，廠區防排系統應以防為主。地下廠房應全面考慮廠外滲水的可能通道，防滲系統應設計成平面上和垂直方上的封閉系統，將廠區主要建筑物包納其中；同時，應在防滲系統的下游側(滲水方向)設置若干層排水廊道，盡量使排水廊道匯集的滲水通過自排的方式排入直接排至廠外，以降低滲漏集水井的負荷，廠區防排系統以排為主。

(7)應進行各建筑物邊坡地表水和地下水的排水設計。

2.1.3 進廠交通和應急逃生通道布置

對可能發生水淹的廠房，應采取多通道設計，至少應有兩個獨立的通道。岸邊地面廠房可考慮在廠房的兩側均設置出入通道，河床式廠房可考慮從下游尾水平臺高程進廠和從上游壩頂垂直進廠；地下廠房可考慮從下游岸邊進廠和山頂垂直進廠。

水電站廠房一旦發生水淹事故，通常造成常規交通癱瘓，也極易造成人員傷害。因此，除應設置常規交通通道外，還應按要求設置可靠的應急逃生通道。

逃生通道的總體設計思路為“脫離-轉移-等待救援”，即：盡快脫離災情，轉移至地勢較高的安全地帶并等待后續救援，不推薦獨自脫困。通常應依托電站所在地形地質條件，岸邊地面廠房多采用后坡壓力管道檢修便道或設置連接電站最高建筑物至臨近地勢較高處的索橋(吊橋)等結構作為應急通道，河床式廠房一般選擇上游壩頂垂直進廠作為應急通道，地下廠房一般采用出口高程較高的通風洞(豎井)和出線平洞(或出線豎井)作為應急通道。有條件的電站，可在適當位置設置直升機停機坪作為應急交通。

2.2 廠房細部結構防淹設計

2.2.1 增加廠內滲漏集水井容量

目前水電站廠房的滲漏集水井容積，是將降水集雨量、基礎滲漏量、水工結構滲漏量及機組滲漏量疊加計算確定的。因降水集雨量設計標準較低，同時基礎滲漏量、水工結構滲漏量及機組滲漏量的準確計算較為困難。因此，水電站集水井容積的確定，都是在上述計算量的基礎上，再根據工程類比，并考慮一定的余度來確定。

鑒于近年來極端氣候頻現，地質災害較多，水淹廠房的事故經常出現的情況，可在條件許可的情況下，盡量增大滲漏集水井容積，以應對各種特殊情況。增大滲漏集水井容積的方法較多，除可在廠內設計較大尺寸的集水井外，還可結合實際地形地質條件，在廠外選擇選擇廢棄的洞、坑，設置附加的滲流集水井；同時，還可考慮將傳統的滲漏集水井和檢修集水井有條件連通使用，即采用閥門將兩個集水井連通，在平時或遇特殊情況時，檢修集水井可做滲漏集水井用，以增大滲流集水井的總容量；而在機組檢修時，關閉兩個井之間的連通閥門，兩個集水井又單獨使用。

2.2.2 增加廠區抽排能力

增加廠區抽排能力的措施，主要包括增加水泵抽水能力和排水溝渠的排水能力。

廠房的排水溝渠、排水廊道的設計，還應考慮將其作為應急排水通道。一般情況下，廠房蝸殼層及以下各層內電氣設備相對較少，電氣夾層及以上各層內電氣設備較多。在廠房內蝸殼層或以下的尾水管操作廊道層等合適部位可設置排水廊道，以便在廠內發生爆管等突發涌水事故時，涌水得以迅速進入排水廊道，再排入滲漏集水井，以便有效地控制廠房內水位的快速上漲。

2.2.3 加強擋水措施設計

在廠房遭遇超過設計標準的洪水、強降雨、泥石流時，或尾水下游河段發生大型山體滑坡等自然災害導致河道壅塞形成堰塞湖時，雨水、河水可能會通過進廠通道進入廠區，造成廠房被淹事故。擋水措施設計，主要包括在廠房進廠通道進口設置防洪墻(門)，進廠通道在進口設置一段傾向廠外的斜坡，在泥石流影響區域設置擋排措施，適當加高河床式廠房的防浪墻高度等。

2.2.4 提高結構的防滲等級

對廠房重點部位的混凝土結構，應適當提高其防滲等級。對采用混凝土蝸殼的，可考慮在混凝土蝸殼內設置鋼板，以避免蝸殼內水通過蝸殼裂縫或細小通道，滲漏進入廠房。對承受水壓力的混凝土結構，除應按規范的要求確定混凝土的防滲等級外，還應考慮到目前施工缺陷通病常見，應在關鍵部位適當提高混凝土結構的防滲標準，特別是河床式廠房承受水壓力的上下游胸墻、閘墩、蝸殼、尾水管等部位。

2.2.5 提高結構的剛強度

對廠房的重點部位，應提高結構的剛強度。一般情況下，岸邊地面廠房發電機層以上邊墻多采用砌體填充墻，該結構的整體性及防水密閉性較差，在水淹廠房(區)情況下極易破壞和滲水。泥石流、強降雨頻發的區域，可將發電機層以上一定高程范圍內的磚墻結構改為混凝土結構，增加結構的剛度和強度，可降低泥石流、邊坡滾石、掉塊和水淹對廠房邊墻結構的損壞。

對直接承受水壓力的混凝土結構，比如混凝土蝸殼、擋水墻、閘墩等結構，適當提高其剛強度，可有效減小裂縫寬度，便于結構的長期安全運行，同時也能夠提高結構應對超標準荷載的承載力。

2.2.6 提高設備的防水等級

出于經濟指標考慮，目前廠內各機電設備基本未進行防水設計，一旦遭遇濺水甚至浸泡等事故，損失將較大。考慮到水電站廠房的復雜環境條件，水淹廠房風險等級較大，應對受到水淹影響風險較大的設備，適當提高防水等級，對于短時、輕度的水淹廠房災情具有一定的抵御能力。例如，將傳統的水泵(含配套線路)改為潛水泵，將水廠內低高程的各種設備防水等級提升至IP46等，以便在它們短暫水淹的情況下依然正常運行。

2.3 電站日常運行維護要求

2.3.1 水工建筑物維護要求

加強廠房建筑物的日常巡視和監測，當發現監測數據異常時，及時分析原因，廠房建筑物出現結構破損的，應立即修復，確保廠房結構能夠正常使用。加強廠房內滲漏流量的觀測，當發現滲漏流量有大幅度增加時應及時反饋，分析其原因，并及時采取應對措施。

對廠區排水溝渠、排水廊道、防洪墻(門)等防排水設施，應加強巡視和維護，對已破損、堵塞的，應及時修復處理。

2.3.2 廠房周圍環境維護要求

對廠房周圍環境的日常維護，主要包括對廠房周圍環境邊坡的巡視維護、對泥石流溝的巡視維護，對廠區河道的巡視疏浚等。根據“5·12”汶川特大地震后的修復經驗來看，強震區的水電站廠房容易因大型滑坡、泥石流、堰塞湖等次生災害造成河水大幅上漲而被淹。因此，為了保證電站地下廠房的安全正常運行，除應對大型滑坡、泥石流等地質災害采取主動治理措施，還應加強日常巡視維護，及時消除隱患。

對廠房周圍環境邊坡的巡視維護，應重點檢查邊坡支護結構的運行狀況，確保邊坡穩定；及時清理邊坡中的孤塊石，避免強降雨時這些孤塊石滑落、掉落，進而影響廠房結構。

對泥石流溝的巡視維護，應注意及時清除泥石流溝內的臨時松散堆積體，檢查泥石流溝的防排措施。

對廠區河道的巡視疏浚。應定期檢查廠區河道的行洪能力，并按需要對電站廠區及上下游一定范圍內的河道進行清淤疏浚。

2.3.3 機電設備維護要求

加強防洪機電設備、電源設備的檢查維護，確保汛期各項防洪設備運行正常；加強廠區抽排設備的維護，確保各排水泵正常可靠運行及各項信號報警及啟動裝置正常。

3 災害預警預報及應急預案

3.1 加強洪水和強降雨預警預報

鑒于水淹廠房可能帶來的嚴重后果，加強洪水和強降雨預報預警系統建設十分必要。洪水和強降雨預報，作為廠房防水淹的一項重要非工程措施，它投資少、見效快和效益高，日漸受到普遍的重視和關注，作為防汛斗爭的“耳目”和“參謀”。準確及時的洪水和強降雨預報，為正確做出防汛決策提供了科學依據，可以獲得減免洪災損失的巨大經濟效益和社會效益。

傳統的洪水和強降雨預報技術多建立在經驗相關的基礎上，近代隨著系統論、信息論、控制論等新理論和計算機技術的滲透，洪水和強降雨預報在信息處理技術以及預報方法上較以往傳統的方法都有所突破，明顯地提高了預報精度，增長了有效預見期。建立流域統一的洪水和強降雨預報預警系統，能夠協調流域各樞紐統一調度，提高調度的有效性。

大中型水電站廠房應依據規范配置有1～2套安全可靠的水情測報或安全預警系統。當災害來臨時，能及時、有效地進行預警，以便于采取合理的應對措施，以確保水工建筑物的工程安全和電廠工作人員及周圍群眾的生命財產安全。對于新建和已建的小型電站，也應適當提高災害預警機制，確保建立至少2套(含一套視頻)監控預警系統，以應對可能的災害。對布設有監測設備的部位，尤其是工程區附近的大型滑坡、泥石流溝內的監測設備應定期收集整理和上報監測成果，對重要的工程部位，加強汛期巡視。

建立汛期24 h值班制度、安全巡視制度、定期檢查制度，便于及時發現、及時處理各種險情。在汛前應公布防汛值班專用電話，并確保通訊暢通。

當預測到有大洪水和強降雨時，應提前做好水庫調度計劃，提前降低庫水位，避免水庫水位超過設計標準，做好廠房建筑物防洪雨水措施，廠房的壩頂、尾水平臺和進廠通道等重點部位，準備足夠的草袋、沙土、破布、速凝水泥以阻止水流滲入或漫頂。當班運行人員應及時對廠區建筑物各重點部位進行巡視，確保排水溝槽的正常運行，發現問題及時處理。洪水和暴雨過后，仍需加強巡視和檢修。

3.2 建立完善的應急預案

在電站的施工期及運行期，應成立多方參與的應急預案小組，積極與地方應急救援部門保持聯系，并應根據水淹廠房的風險分級，確定各風險源的應急預案，明確突發事件時職工、群眾撤離及應急搶險措施。

制定應急預案后，應全廠傳達、定期演練，確保各位工作人員熟悉掌握各種應急預案措施。根據應急預案，電廠應準備應急裝備、設施、設備，比如應備用一定數量的應急備用電源和抽、排水設備以及挖掘、裝運設備。

當遇到緊急情況時，應按統一指揮、統一協調、統一行動的原則，及時實施各項預案。水淹廠房事故發生后，若發電設備受損，運行值班人員應迅速隔離故障點和受損設備，盡快恢復正常設備，發電設備搶修應急組應迅速組織人力搶修受損設備，以便盡快恢復故障設備。在事故中，如果全公司對外停電、廠用電消失，則立即啟動黑啟動應急預案，逐步恢復各機組和各線路。

加強災害救援組織，降低或避免次生災害。

4 結 語

隨著國民經濟水平以及全民安全生產意識的提高，水電站運行安全也更加受到重視。近年來水電行業的水淹廠房事件偶有發生，引起政府主管部門及從業人員的高度重視和反思，總結經驗和建議如下：

(1)水電站水淹廠房的風險較多，按照風險源分析，將風險分為“外部條件、機組或設備故障、水工建筑物事故或缺陷、電廠運行中的誤操作”四類。

(2)除嚴格執行現行各類設計規范、防洪標準外，應根據項目所在河道的地形、地質、水文、人類活動等多種影響因素，采取“適度超前、安全第一”的設計思路應對廠區防淹問題，根據情況適當提高防淹設計標準。

(3)應重視廠房防淹的總體布置設計。重視潛在地質災害造成安全威脅，重視設計勘查階段的地勘、災害調查評估工作，一旦識別出水淹廠房風險等級較高時，應采取積極穩妥的避讓措施或工程措施，盡量降低或消除風險。

(4)在細部結構設計過程中，積極采用一些技術經濟指標較好的設計改進措施，在投資造價許可的前提下，提高廠房應對水淹事故的能力，例如增加廠內滲漏集水井容量，增加廠區抽排能力，加強擋水措施設計，提高結構的防滲等級，提高結構的剛強度和提高設備的防水等級等。

(5)電站正常運行期，應加強維護。特別注意主要水工建筑物、廠房周圍環境和重要設備的維護，確保各項設備和水工建筑物的正常運行。

(6)重視水淹廠房事故發生時的安全預報預警系統建設，完善應急預案，災害發生時及時組織救援。

(7)鑒于水淹廠房的風險等級較高，各個廠房因地形地質和水文氣象條件不一致，采取的防淹措施也完全不一樣。因地制宜地選擇合適的防淹措施，是設計考慮的重點。今后，需在考察目前已有各種工程措施效果的基礎上，進一步提高各種措施的針對性和有效性。