小水電站落石災害事故分析及安全檢測

王 楠

(國網湖北省電力有限公司電力科學研究院，湖北 武漢 430077)

每逢汛期，鄂西北地區持續普降暴雨及大暴雨，山洪、泥石流、落石等山體災害不斷[1- 3]。而鄂西北地區由于地質地貌及水資源豐富，建設有大量徑流式小水電站，這類小水電站由于引水渠道、前池、輸水管道等多建于山體上，極易受山洪、泥石流、落石災害影響，造成水電站結構損壞。近年來，由于山體次生災害造成的水電站設備損毀事故頻發，嚴重威脅著電站工作人員人身及設備財產安全[4- 9]。文章以鄂西北地區某小型水電站發生的山體落石災害事故為例，深入分析了該事故產生原因、事故造成的影響，并開展了現場受損結構的安全檢測，針對檢測及評估結果提出了除險加固建議，為小水電站管理部門開展科學合理的結構運行維護提供了重要參考依據，最大程度保障電站結構的安全運行[10- 11]。

1 事故滾石災害發生經過

2020年4月21日下午3時許，鄂西北某小水電站后山斜坡發生危石滾落災害，滾落危石方量約6m3，危石順坡滾向坡腳水電站廠區，將壓力鋼管砸變形5處，壓力鋼管支墩損壞1處，壓力鋼管過橋損壞1處，9m電桿損壞1根，管道槽保垱損壞3處，主機房、開關間屋頂女兒墻及屋檐損壞16m，前池水位及監控光纜損壞。事件發生后，電站生產未受到大的影響，各機組均能正常發電上網，但存在很大的安全隱患。

2 災害發生位置及地貌特征

本次落石滾石區位于電站后山斜坡，地理坐標是E 111°3′24″、N 30°7′40″。該區上覆第四系坡積碎塊石土，碎塊石成分為灰巖、石英砂巖，大小一般為10～80cm(坡表局部分布有塊徑為3～5m的崩落巨塊石)，土石比為6∶4，層厚0.5～2m，主要分布于溝槽及緩坡地帶。第四系下伏地層為泥盆系中統云臺觀組(D2y)，巖性為厚層狀石英巖、石英砂巖，巖性硬脆、裂隙較發育，陡坎、山脊一帶多有出露。

滾石發生處位于水電站后山斜坡上部—北東向凹槽右側，距坡腳高差約80余米；該處斜坡傾向北東，坡面高陡，坡角一般為30°～50°。從危石滾落后形成的缺口判斷，滾落塊石高約2.3m、橫寬1.4m、均厚1.8m，方量約6m3，主崩方向25°。

3 滾石災害處現場檢測及分析

3.1 檢測結果

宏觀檢查未發現鋼管表面存在裂紋缺陷，僅表現為三處凹坑，受雨水影響，滾石砸傷部位防腐層破壞，出現銹蝕痕跡。

對落石損傷部位的3處鋼管內壁及2～3號支墩之間的焊縫進行超聲波探傷檢測，未發現評定線及以上缺陷，質量等級為I級，合格。

3.2 有限元仿真計算結果

對落石損傷部位進行有限元分析，分析條件見表1。

有限元計算結果如圖3所示，③④部位的最大應力值為147.678MPa，利用屈服強度計算的安全系數為Ks=235MPa/147.678MPa=1.59。

表1 有限元分析條件

圖1 鋼管截面形狀圖(單位：mm)

圖2 有限元模型

圖3 鋼管應力分布圖

3.3 檢測結論及建議

(1)經檢測，鋼管落石損傷部位的內外壁均未發現裂紋等危險性缺陷，按照落石損傷最嚴重部位的變形程度進行有限元計算，其最大應力為147.678MPa，而A3鋼的屈服強度下限值為235MPa，目前鋼管使用屈服強度計算的安全系數為1.59。

(2)盡快更換第8號支墩處損傷的一段鋼管，需采用機械切割法切除損傷的管段(不得使用火焰切割)，再焊接一段規格和材質相同的管子，焊口示意如圖4所示，為了保證焊接質量，焊接施工完成后需要對環焊縫進行超聲和磁粉檢測。

圖4 更換鋼管焊口拼接示意圖

(3)危石伴隨廠房頂碎石跌落于開關間后，堵塞了山體排水通道，建議盡快對落石開展清理，疏通堵塞渠道，并組織人員對部分山林進行巡查，將有可能影響安全的浮石轉移到安全地段，不能轉移的浮石采用漿砌石保垱防護。

(4)為以后便于觀察壓力鋼管及附近山體情況，建議在壓力鋼管8#、9#鎮墩增設攝像頭2只、機房后山危巖增設攝像頭3只。

4 結語

文章通過對某水電站落石災害事故的分析，完成了對受損部位結構現場檢測及仿真計算，真實、科學地反映出受損結構的安全狀況，并對受損結構提出了除險加固建議，為山區小水電管理部門開展地質災害隱患防護工作提供了重要的理論及經驗支撐。然而山區地貌復雜，地質災害種類繁多，偶然性和隨機性較大。如何更加全面與系統地開展隱患排查及危險源整治，更加合理地開展提前監督及防護工作，需要行業工作者進一步的深入研究。