放空設施在黔中平寨水庫混凝土面板壩工程中的運用

歐 波 羅代明 向國興

(貴州省水利水電勘測設計研究院有限公司，貴州 貴陽 550002)

自20世紀80年代以來，混凝土面板堆石壩在我國發展十分迅速，當前無論在工程規模、建設數量、經驗，還是設計理念、技術研究、施工工藝和設備等方面，均已處于世界領先水平。比如已建成運行的湖北巴東水布埡面板壩(H=233m)、貴州錦屏三板溪面板壩(H=185.5m)、貴州黔西洪家渡面板壩(H=179.5m)，在建的新疆大石峽面板壩(H=247m)、四川康定猴子巖面板壩(H=223.5m)、湖北鶴峰江坪河面板壩(H=219m)等，都已成為世界高壩大庫的代表作。面板壩作為一種經驗壩型，其理論研究和技術水平也得到了不斷提高和積累。由于一些已建工程在實際運行中出現了不少危及水庫和大壩安全的突出問題，設置水庫低部位的放空設施成為了近年來值得研究和思考的問題。

1 混凝土面板壩工程發展初期對水庫放空的認識和運行后出現的問題

1.1 混凝土面板壩發展初期對水庫放空的認識

進入2000年以來，我國混凝土面板堆石壩工程發展較快，在位于西南地區的貴州，一大批“西電東送”的電站工程蜂擁而上，如洪家渡電站、引子渡電站、三板溪電站和董箐電站等，依托貴州得天獨厚豐富的天然石料，響應當時壩型發展的潮流，不約而同地選擇了混凝土面板壩。隨后，日益興起的水利工程也大量采用了面板壩這種壩型。不管是水利還是水電工程，當時業界普遍認為，混凝土面板壩根據自身的結構型式和特點，在其上游面面板混凝土表面設置細料鋪蓋和蓋重填料，即使壩體面板或止水發生破壞滲漏，附著于面板表面的填料(粉土或粉煤灰)也可以迅速進入滲漏通道起到封堵自愈的作用，并不需要專門設置水庫放空設施進行檢修，有些工程即使設置了泄洪兼放空建筑物，進口底板也設置于鋪蓋蓋重區頂部以上高程。因此，普遍認為面板壩工程是沒有必要設置水庫放空設施的，以往的規程規范對此也沒有明確規定和要求；許多工程在設計和建設過程中也沒有考慮水庫放空設施，一些工程即使設置了放空設施，設置的底板高程也較高：如芹山電站、三板溪水電站等工程就沒有設置專門的放空設施；湖南白云電站、株樹橋電站等工程采用發電隧洞兼作放空，進口高程設置較高，并不能完全實現水庫放空。

1.2 工程蓄水運行后出現的問題

隨著我國混凝土面板壩工程的建成和運行，近年來一些工程出現了因壩體變形、面板脫空引起開裂、止水破壞、產生滲漏等涉及水庫大壩安全的問題，放空水庫、查找滲漏和搶險修復成為快速消除水庫安全隱患的首要選擇。但由于一些面板壩工程并沒有設置放空措施或者設置的高程較高，造成無法實現水庫放空，這就給查找和處理隱患帶來了極大的困難。有些工程只能大面積地水下拋填封堵材料，耗費大量時間、精力和費用，有些工程甚至炸開導流洞堵頭，才能達到放空庫水、檢修滲漏的目的；尤其針對高壩大庫工程，若沒有設置低部位放空設施，一旦出現壩前下部的滲漏而需要檢修的時候，水庫卻無法放空降低庫水。芹山、三板溪等上述提及的電站工程就存在這樣的問題，水庫后期運行出現大壩面板低部位破損滲漏，由于沒有專門的放空設施從而造成查找和檢修困難，導致無法徹底消除滲漏問題。當然，也有一些工程由于在低部位設置了專門放空設施，為后期運行放空庫水和及時順利地檢修滲漏破壞問題創造了較好的施工條件，為工程水庫安全運行提供了重要的保障，如四川紫坪鋪水庫、云南的茄子山水庫等。

2 現階段工程建設對水庫放空認識的轉變

近年來，在高面板壩水庫的建設運行過程中出現了不少運行安全問題，如因面板的裂縫、面板擠壓、止水破壞等帶來的水庫大壩滲漏問題比較普遍，尤其在承受高水頭壓力的較低部位出現滲漏破壞的概率較大，一旦出現滲漏破壞問題就需要進行檢查、搶修處理，但如果在水庫運行期間出現較低部位的問題會給修復工作帶來較大的難度，這時就需要降低甚至放空庫水，提供必要的檢修條件，如果工程沒有設置放空設施或設置的高程較高，就難以滿足順利檢修或搶修的要求，這確實是目前高面板壩工程亟待研究和解決的問題；水庫在投運幾年、十幾年后，不少工程因壩體產生不均勻變形導致滲漏、破壞，從而更加顯現出水庫設置放空設施滿足水庫放空和檢修的必要性和重要性。

隨著200m、300m級的高壩大庫工程在我國不斷興起，人們越來越重視和關注大壩將來運行期間的安全穩定，因此設置水庫放空設施具備放空條件在認識上已經得到了轉變；特別在現行的《混凝土面板堆石壩設計規范》中設置水庫放空設施已作為強制性條文進行了明確規定，尤其對高壩、重要工程和地震在8、9級及以上的工程應設置放空設施。

2009年貴州省批復開工建設的黔中水利樞紐一期工程，水庫右岸設置了泄洪放空隧洞，隧洞進口為1260m，位于面板壩鋪蓋、蓋重區頂部高程(1259m)以上，其最多也只能放到底板高程，距離水庫河床高程1185m仍然還有75m的水頭無法放空，剩余庫容達1.4億m3，相當于一個大(2)型水庫，若后期出現低部位滲漏問題，即使考慮潛水員下水檢修，也難以達到較低的部位；因此，在工程建設期間結合新規范的要求提出了新增低部位放空設施的問題，這個問題的提出對本工程而言不僅僅屬于新老規程規范的交替，更重要的是混凝土面板壩建設認識上的轉變。

3 放空設施在黔中平寨水庫混凝土面板壩工程中的運用

貴州省黔中水利樞紐一期工程平寨水庫壩址位于烏江上游三岔河中游六枝與織金交界的平寨河段；壩址以上集雨面積為3492km2，水庫總庫容10.89億m3，正常蓄水位以下庫容10.34億m3，調節庫容4.48億m3，屬年調節水庫；工程等別為Ⅰ等，規模為大⑴型水庫。水源樞紐工程平寨水庫主要由混凝土面板壩、開敞式溢洪洞、泄洪放空洞、發電引水隧洞、導流洞、灌溉引水隧洞、電站等建筑物組成。

3.1 水庫原放空設施的布置

平寨水庫右岸泄洪放空洞布置于開敞式溢洪洞和發電引水洞之間，由進口引渠及漸變段、有壓洞身段、事故檢修豎井段、工作閘室段、無壓洞身段、出口挑流消能工段組成，水平總長約823.7m。泄洪放空洞進口底板高程為1260.0m。設計階段考慮到本工程的重要性，水庫布置的泄洪放空設施，與右岸溢洪洞聯合承擔泄洪任務的同時也具備一定的放空能力，根據泄洪放空洞的布置，可從水庫最高水位1333.52m(庫容10.89億m3)，經泄洪放空洞降低水位到1260m，對應庫容1.4億m3，最大放空水庫庫容9.49億m3，放空程度雖然也達到了87.1%，但1260m以下尚有75m未能放空，長期運行時一旦該高程以下的面板、止水、帷幕等較低部位出現破壞、滲漏等問題需要檢修，即使利用潛水員下水也難以到達這樣深的水下進行操作。因此原放空洞難以滿足水庫低部位的放空檢修要求，長期運行存在安全隱患。

3.2 新增低部位放空設施的論證和設計

按照現行的規范要求，作為貴州省首個大(1)型水利樞紐工程，黔中平寨水庫總庫容10.89億m3，混凝土面板堆石壩壩高157.5m，顯然屬于高壩大庫的重要工程，原先泄洪放空洞難以滿足新規范的要求和工程運行的需要，因此，為保證水庫長期安全穩定運行的需要、滿足今后可能出現的放空檢修要求，在水庫樞紐主要建筑物已基本完建的基礎上，開展了新增放空設施的論證與研究工作，提出建設期間新增低部位放空設施的方案。

3.2.1 新增低部位放空設施的論證

由于水庫擋水、帷幕、泄水、發電和灌溉等主體建筑物已基本施工完成，在此基礎上新增低部位放空設施，需要既要滿足放空功能，也要考慮在施工期間對已建建筑物的不利影響。因此新增放空設施的方案布置和設計主要從以下幾方面進行論證和研究。

3.2.1.1 地形地質條件

平寨水庫水源樞紐處于峽谷河段，兩岸左緩右陡呈“V”形谷，河谷寬高比2.2，大壩下游河床兩岸山體地形相對陡峭，尤其是左岸多為直立懸崖；兩岸巖性基本相同，主要分布三疊系永寧鎮組第一段(T1yn1)至第三段(T1yn3)，大壩及下游主要以第一段(T1yn1)至第二段(T1yn2)為主，以灰巖、泥質灰巖、泥巖、泥巖夾灰巖為主，巖石強度相對較高。左岸受上壩洼地、躲兵洞等多條巖溶系統影響，水文地質條件相對右岸復雜，巖溶極為發育，泥巖、泥質灰巖層相對較厚，存在斷層、裂隙、溶洞、落水洞、溶蝕塌陷、崩塌體等不良地質，故水源樞紐建筑物中導流洞、發電洞、泄洪放空洞、溢洪洞及右岸灌漿平支洞等建筑物集中于右岸山體布置，左岸山體僅布置了灌溉引水隧洞和左岸灌漿平支洞，因此，地形地質方面新增放空設施布置于右岸相對較好。

3.2.1.2 樞紐建筑物布置條件

由于水源樞紐處于狹窄河谷，兩岸地形陡峭，地形地質條件上左岸布置條件不如右岸，且無現成的交通條件；大部分建筑物以洞室形式布置于右岸山體內，但也在右岸山體內形成了空間網狀洞室交錯結構，若考慮布置一條獨立的放空隧洞，同時也需要配套的放空控制系統和交通系統等，布置空間較為有限，施工過程中對在建、已建洞室造成的施工干擾較大且對已建結構存在較大安全隱患和不利影響。因此本工程不宜單獨設置低部位放空設施，可利用新增結合已建隧洞設置低部位放空設施，在達到低部位放空功能的要求，使水庫安全運行的基本條件下，盡可能減小新建放空設施對工程和主要建筑物的干擾，同時滿足工程建設工期任務。

3.2.1.3 方案的擬定與布置

根據工程建設情況，新增低部位放空設施布置于右岸，擬定了結合右岸導流洞改建低部位放空設施方案(方案1)和導流洞封堵堵頭設置放空設施方案(方案2)。

方案1：在右岸導流洞進口段上方(高程為1230m)新增一段放空洞，前段事故、工作閘門共用同一豎井控制放空，后段采用“龍抬頭”的型式與導流洞堵頭后段結合放空，考慮與已建泄洪建筑物聯合完成放空任務，達到水庫正常蓄水位1331～1230m左右之間的放空目的。

方案2：在右岸導流洞堵頭段埋設放空管聯合泄洪建筑物，共同完成水庫放空任務；即在導流洞帷幕附近的堵頭段埋設高壓放空管，并在后段設置控制閘閥，需要放空時，打開閘閥，將庫水通過預埋管排至下游河道。

兩種方案對比分析情況見表1。

表1 新增低部位放空設施方案對比分析

根據各方面對比分析，從安全、穩定、可靠的角度選擇了方案1(新增隧洞結合已建導流洞的放空設施)作為推薦的方案。

3.2.2 新增低部位放空設施的設計

平寨水庫新增低部位放空設施布置于大壩右岸，其新增的放空隧洞軸線位于已建大壩和發電洞之間，平面上與導流洞軸線重合，放空隧洞前洞段是在已建右岸導流洞正上方新增一段放空洞并在導流洞堵頭下游段采用“龍抬頭”斜井型式與導流洞后洞段結合，其中新增隧洞長約為430m；考慮導流洞合二為一后的整個流道全長約827m；放空隧洞進口底板高程為1230m，由進口引渠段、閥前有壓洞段、閥前鋼管段、閥前岔管及支管段、閥門控制室、閥后支管段、閥后“龍抬頭”無壓隧洞段、導流洞改造段等部分組成，另外在閥室及其下游還布置了應急排水洞、閥室交通洞、灌漿平洞交通支洞等建筑物，布置詳見圖1～圖3。

圖1 新增低部位放空設施平面布置

圖2 新增低部位放空設施縱剖面布置

圖3 新增低部位放空“龍抬頭”段剖面布置

閥門控制室內布置檢修及工作閥門，閥門布置在經上游岔管分岔的兩根支管上，采用雙管平行布置，每管上布置檢修閥門及工作閥門各一套，閥門均采用偏心半球閥(口徑2m)，共2套檢修閥門和2套工作閥門。為滿足高水頭下的運行要求，檢修閥門及工作閥門均配備有旁通設施及復合式高速進排氣閥，閥門均采用液控，兩組閥門需同步控制和運行，操作方式采用遠程控制及現地控制。

新增低部位放空設施針對當時右岸建筑物硐室群密集且基本完工的實際，客觀存在一定的設計和施工難度，采取以導流洞“龍抬頭”改造方式，減震爆破、后期帷幕補強等措施，最大程度地降低了增設低部位放空洞施工帶來的影響。整個低部位應急放空設施現今處于擋水運行狀態，承受100m的擋水水頭，目前運行正常。低部位放空設施的設置為平寨水庫長期安全穩定運行和萬一情況下低部位面板等部位的檢修提供了基本保障措施。

4 新增放空設施在黔中工程需注意的幾個方面

黔中平寨水庫工程新增低部位放空設施是工程建設期主體建筑物基本已施工完成之后進行的，因此在設計和施工建設中需要注意以下幾個方面的問題。

4.1 方案的選擇和擬定需滿足工程布置和建設的實際需要

低部位放空設施的新增在滿足基本建設條件和建筑物正常運行的前提下，建筑物的布置盡可能不對其他已建主體建筑物造成較大的干擾和影響；本工程左岸因地質原因成洞條件相對較差，放空設施考慮布置于右岸，但右岸布置有導流、發電、泄洪等地下建筑物，布置緊湊集中，因此這給新增放空設施帶來一定困難，本工程設計上在考慮上述不利因素，并經充分論證后，圍繞著與右岸導流洞合二為一及導流洞洞內埋設的方案進行進一步的比選，最終從建筑物的安全穩定運行、建設需要等方面擬定了方案1作為推薦方案。

4.2 放空建筑物型式的比選

4.2.1 放空控制位置的比選

放空控制位置可布置于進口段、洞身段和出口段等部位，總體上需結合本工程的實際情況而定。選擇進口段布置，需要在進口新增進水口井筒和控制設施，控制設施后為無壓隧洞段，因此相比有壓圓形隧洞，無壓隧洞較長，斷面較大，工程投資較高，此外斷面型式上也不宜承受較高的外水水壓；選擇出口段布置，不宜與導流洞結合布置，需要獨立設置放空隧洞，隧洞太長，施工影響和干擾更大，工期也較長，同樣存在工程投資大等不利因素。故本工程新增放空設施的放空控制選擇在洞身段進行，為保障控制室的結構安全和合理布置，將控制室放置在右岸防滲帷幕下游，大大減小了庫水的影響。

4.2.2 放空控制設施的比選

放空控制設施可以選擇閘門和閥門等形式，本工程新增放空隧洞承受的最大水頭為100m，采用閘門形式對閘門和門槽的要求較高，閘門長期高水頭擋水易出現滲水，且在洞身段設置檢修和工作閘門控制室需要的空間尺寸較大，經比選推薦采用閥門形式。閥門有蝶閥、活塞閥、錐形閥、偏心半球閥等形式，對各種形式的閥門適用條件和優劣點又作了進一步分析，通過綜合對比，檢修和工作閥門最終選擇了偏心半球閥，這種閥門不僅滿足高水頭運行下的擋水要求，而且放空運行時閥門的過流能力強、水阻小、受雜物影響小、振動小、運行穩定、維修簡單、自身尺寸相對小等特點更加適用于本工程的需求。

4.3 減小對已建建筑物破壞和影響的措施

4.3.1 控制爆破措施

在開挖施工過程中，開挖面與已建建筑物較近的范圍需控制爆破，尤其是新建隧洞與導流洞及堵頭、新建隧洞與灌漿平洞、下游新建交通洞與右岸壩體、新建建筑物與已成帷幕等，避免由于開挖爆破震動帶來的大面積破壞及影響。

4.3.2 帷幕補強措施

低部位放空隧洞在新建隧洞段上平洞的閘閥室與原右岸第三層灌漿平洞形成了交叉，洞線也穿過右岸中部帷幕，隧洞和閥室的開挖爆破顯然破壞了已施工完成的灌漿帷幕，因此在放空設施開挖施工完成后，對隧洞施工與右岸帷幕交叉處的一定范圍內(開挖輪廓外延40m范圍)的帷幕進行補灌補強加固處理，分別在影響范圍內的第二、第三層灌漿平洞及閘閥室內進行了灌漿補強搭接處理。

5 結 論

近年來一些混凝土面板堆石壩工程運行期間由于止水或面板破壞出現了低部位滲漏問題，檢查和維修需要降低庫水，放空水庫；部分工程前期未設置專門的放空設施或設置的放空設施高程較高，造成無法放空庫水并滿足檢修大壩的要求。此類問題涉及工程和水庫的安全穩定運行，因此越來越得到重視和關注。黔中水利樞紐一期平寨水庫在工程建設期間，為保障工程運行期的安全穩定，結合自身的實際情況，依據相關規范的規定，施工期新增了低部位放空設施，通過放空方案和建筑物型式的綜合比選論證，擬選了滿足水庫放空需要和工程建設要求相對合適的方案，本工程的低部位放空設施目前已處于長期擋水運行狀態，常規的泄洪、放空運行由位于上部的溢洪洞、泄洪放空洞承擔，只有在水庫或大壩低部位出現滲漏危及工程安全的情況下，才啟用低部位放空設施放空，設施雖不常用，但卻為工程提供了應急情況下的安全保障措施。