楊光偉,李西瑤

(中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,四川 成都 610072)

1 工程概況

1.1 工程簡(jiǎn)介

2008年 5月 12日 14時(shí) 28分四川汶川發(fā)生8.0級(jí)地震,導(dǎo)致通口河中上游山體垮塌,在唐家山形成特大型堰塞湖,交通中斷。建于典型的巖溶地段的通口水電站大壩在堰塞湖下游約 23km處,電站位于涪江右岸一級(jí)支流通口河中游末段的北川羌族自治縣通口鎮(zhèn)上游 2km,左岸屬江油市,右岸屬北川縣,與北川縣城及江油市均有公路相通。

壩、廠區(qū)河道平均比降為 5‰,壩址多年平均流量為 93.4m3/s。樞紐工程主要由攔河壩、右岸引水系統(tǒng)、地面主(副)廠房和升壓站等組成,電站主要任務(wù)是發(fā)電。工程等別為Ⅲ等,主要永久性建筑物按 3級(jí)設(shè)計(jì),次要建筑物按 4級(jí)設(shè)計(jì)。水庫(kù)正常蓄水位 598.00m,總庫(kù)容 3610萬(wàn) m3,調(diào)節(jié)庫(kù)容 97萬(wàn)m3,具日調(diào)節(jié)性能。電站設(shè)計(jì)水頭 48.0m,引用流量 106.504m3/s,電站裝機(jī) 45MW,保證出力9.60MW,多年平均發(fā)電量 2.31億 kW·h,年利用小時(shí)數(shù) 5133h。上游干流上的漩平水電站年調(diào)節(jié)水庫(kù)建成后,通口水電站的年發(fā)電量將增加到 2.972億 kW·h,年利用小時(shí)數(shù)增為 6604h。

通口水電站于 2002年 9月 8日正式開工建設(shè),2004年 8月第一臺(tái)機(jī)組發(fā)電,2004年 12月第二臺(tái)機(jī)組發(fā)電,2005年 5月工程全部完工。

1.2 地震對(duì)河段與電站的影響

通口水電站位于前龍門山褶斷帶中段北端,北川映秀斷裂與江油、灌縣斷裂挾持的斷塊上,區(qū)域穩(wěn)定屬次穩(wěn)定區(qū),工程區(qū)歷史地震主要受茂汶、北川、江油三個(gè)震源區(qū)的影響。據(jù)國(guó)家地震局 1990年的1∶400萬(wàn)《中國(guó)地震烈度區(qū)劃圖》標(biāo)定及綿陽(yáng)地震局復(fù)核,工程區(qū)地震基本烈度為Ⅶ度,樞紐建筑物按Ⅶ度設(shè)防。2008年 5月 12日的汶川大地震后,根據(jù)GB 18306-2001《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》第 1號(hào)修改單,工程區(qū)地震基本烈度達(dá)Ⅷ度。經(jīng)震后檢查和安全評(píng)估,電站為輕微震損,主體結(jié)構(gòu)沒(méi)有受到損壞,且震后很快就恢復(fù)了發(fā)電,大壩、廠房一些部位的次要結(jié)構(gòu)、附屬結(jié)構(gòu)和部分填充墻受到了損壞,但對(duì)發(fā)電沒(méi)有影響。

汶川大地震在唐家山形成了特大堰塞湖,5月14日上級(jí)要求通口水電站停止發(fā)電并放空水庫(kù)為唐家山泄洪預(yù)留滯洪庫(kù)容。6月 10日堰塞湖泄洪時(shí)洪水超過(guò)了百年一遇的洪水,電站承受了這次大洪水考驗(yàn),泄洪洪峰過(guò)后,電站即蓄水發(fā)電,經(jīng)檢查壩前無(wú)淤積,泄洪消能系統(tǒng)完好。震后基礎(chǔ)廊道集水井滲水量增加,現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)增大滲水主要來(lái)自兩岸及下游反滲,未形成上、下游貫通的滲水通道。

唐家山堰塞湖泄流過(guò)程中夾帶大量崩塌物沿河道下泄至通口電站水庫(kù)內(nèi),加上河道沿岸在地震中的垮塌物也沖入庫(kù)內(nèi),通過(guò)通口電站沖沙底孔及表孔下泄。泄洪后檢查電站壩前及取水口前基本沒(méi)有淤積物,未形成淤積堆積,表明沖沙底孔及束水墻的拉沙效果和沖沙效果顯著。

2 電站設(shè)計(jì)特點(diǎn)

工程設(shè)計(jì)的技術(shù)水平和難點(diǎn)主要體現(xiàn)在巖溶地區(qū)基礎(chǔ)處理和泄洪消能設(shè)計(jì)理念等方面,以及對(duì)地下巖溶通道的探查、防滲線路布置走向、對(duì)巖溶通道的封堵、泄洪消能工的布置、戽式消力池的參數(shù)擬定、上下游水面的銜接等方面進(jìn)行綜合研究。

2.1 設(shè)計(jì)基本條件

通口水電站修建在四川典型的灰?guī)r巖溶地質(zhì)區(qū),溶洞、溶槽、溶溝、落水洞、溶隙發(fā)育,連通性好,給防滲布置設(shè)計(jì)和防滲施工均帶來(lái)很大難度,技術(shù)設(shè)計(jì)以壩工專業(yè)為主對(duì)壩基基礎(chǔ)處理、開挖基面和開挖坡面處理作了大量設(shè)計(jì)研究工作,對(duì)防滲方案經(jīng)過(guò)了多次調(diào)整,根據(jù)巖層的走向、相對(duì)隔水層的位置、巖溶發(fā)育的特點(diǎn),確定左岸防滲線向下游轉(zhuǎn)向,右岸防滲線向上游轉(zhuǎn)向,以較短的防滲線和防滲工程處理量截?cái)酀B漏通道。

根據(jù)工程樞紐河段的地形、地質(zhì)條件,壩址布置可選擇的范圍相當(dāng)有限,壩后緊鄰河彎處,下泄水流受彎道影響,對(duì)河岸沖刷影響很大,經(jīng)河岸阻擋后折沖水流對(duì)電站尾水渠出流影響很大,且易在尾水渠出口范圍形成沖積堆積。溢流壩采用挑流消能,雖結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單,但易使廠房尾水波動(dòng)加大,淤積加重;如采用底流消能,消力池長(zhǎng)度較長(zhǎng),無(wú)法合理布置。經(jīng)多方案比較研究和綜合考慮后,采用了寬尾墩加臺(tái)階和戽式消力池方案。

2.2 基本資料

通口水電站控制流域面積 3989km2,通口河洪水由暴雨形成,流域中上游地處龍門山暴雨區(qū),洪水過(guò)程具有陡漲陡落的特點(diǎn),一次洪水過(guò)程線多為單峰型,歷時(shí) 3～5日。壩址處多年平均輸沙量 515萬(wàn)t,多年平均含沙量 1.45kg/m3,多年汛期平均含沙量 2.25kg/m3,汛期輸沙量占全年輸沙量的 72.2%。

大壩設(shè)計(jì)洪水重現(xiàn)期為 50年,相應(yīng)洪水流量6240m3/s,水庫(kù)水位 596.31m;校核洪水重現(xiàn)期為500年,相應(yīng)洪水流量 9700m3/s,水庫(kù)水位 601.01m,壩前最大壅水高度 68.0m,水庫(kù)回水長(zhǎng)度 13.8 km。廠房設(shè)計(jì)洪水重現(xiàn)期為 50年,相應(yīng)洪水流量6240m3/s,河床水位 568.15m;校核洪水重現(xiàn)期為100年,相應(yīng)洪水流量 7290m3/s,河床水位570.39m。消能防沖建筑物的洪水重現(xiàn)期為 30年,相應(yīng)洪水流量為5480m3/s。電站引用流量為110 m3/s。

2.3 首部樞紐布置設(shè)計(jì)

通口河為多泥沙河流,電站庫(kù)容相對(duì)較小,壩體溢流堰頂相對(duì)較高,水庫(kù)因淤積而壽命較短,樞紐布置考慮水庫(kù)排沙和引水防沙措施,以延長(zhǎng)水庫(kù)運(yùn)行壽命和減小過(guò)機(jī)泥沙含量。結(jié)合本工程的入庫(kù)水沙特性,確定首部樞紐建筑物布置遵循汛期設(shè)置汛限水位,降水沖沙。電站進(jìn)水口設(shè)置攔沙坎、沖沙道,并結(jié)合沖沙底孔的布置,確定電站引水防沙、水庫(kù)沖沙的樞紐布置原則和水庫(kù)合理運(yùn)行調(diào)度原則。

根據(jù)地形、地質(zhì)條件,在選定壩址位置布置攔河碾壓混凝土重力壩,大壩由溢流壩段與非溢流壩段組成,在右岸擋水壩前布置取水口,取水角為 110°。樞紐建筑物布置見圖1。壩頂高程 601.50m,壩軸線總長(zhǎng) 220.69m,最大壩高 71.5m。溢流壩段泄水建筑物由 5孔開敞式表孔組成,底部順?biāo)飨蜷L(zhǎng)56.0m,堰頂高程 583.50m,表孔弧形工作閘門正常擋水高度 14.5m,寬度 14.0m,具有一定超泄能力。溢流壩典型斷面見圖2。

根據(jù)地形條件,布置底流消力池的場(chǎng)地條件有限,為減短消力池的長(zhǎng)度、增強(qiáng)消能效果,在每個(gè)閘孔兩側(cè)的閘墩上布置了寬尾墩結(jié)構(gòu)型式,將閘墩尾端加寬,閘室出口縮窄,達(dá)到使壩面水流沿橫向收縮和豎向擴(kuò)散,形成三元水流以達(dá)到增強(qiáng)消能的目的。水工模型試驗(yàn)研究了多種形式的寬尾墩,最后確定本樞紐寬尾墩體型的幾何參數(shù)為:閘孔收縮比 β=0.5,寬尾墩長(zhǎng)度 L=9m,閘室末端寬度 B'=7m,尾端折角θ=21.25°,始擴(kuò)點(diǎn)位置參數(shù) ξ1=0.34、ξ2=0.22。

2.4 引水防沙

根據(jù)電站首部樞紐處通口河河段的水、沙基本資料,壩前設(shè)置沖沙道,首部樞紐布置主要需解決引水防沙與泄洪沖沙的問(wèn)題。根據(jù)地形條件,采用“側(cè)向取水、正向攻沙”的引水防沙結(jié)構(gòu)布置形式。取水口前緣進(jìn)口底板高程 571.00m,束水墻頂高程為 567.00m,厚度 3.0m,長(zhǎng)度 26.3m,沖沙道底板上游側(cè)高程為 557.00m,下游端與沖沙底孔底板相接,高程為 556.00m。束水墻與水流方向約 9.2°夾角,沖沙道上游側(cè)寬 9.0m,下游側(cè)與沖沙底孔寬度一致,以利于束水沖沙效果,庫(kù)區(qū)溯源沖刷。

緊鄰右岸擋水壩段設(shè) 1沖沙底孔壩段,沖沙底孔底板高程 556.00m,寬 5.0m,孔高 5.0m。沖沙底孔壩段順?biāo)飨蜷L(zhǎng) 58.0m,壩段總寬 11.0m,最大高度 66.5m。底孔后部設(shè)一道弧形工作閘門,門后為明流泄槽。沖沙底孔兼顧沖沙、泄洪和水庫(kù)放空的多重作用。沖沙底孔弧門后為長(zhǎng)約 90.72m的排沙消能泄槽,寬 5.0m,底板高程為 540.00m,尾部設(shè)挑流坎,坎頂高程 545.00m。

圖1 樞紐建筑物布置平面

圖2 溢流壩典型斷面

經(jīng)模型試驗(yàn)驗(yàn)證和歷年的運(yùn)行檢驗(yàn),以及 2008年 5·12地震后唐家山堰塞湖泄洪過(guò)程中的考驗(yàn),未見泥沙進(jìn)入取水口,均證明首部樞紐設(shè)計(jì)采用“側(cè)向取水、正向泄洪沖沙”的布置及運(yùn)行方式是正確合理的,整個(gè)引水防沙效果較好。

2.5 泄洪消能設(shè)計(jì)

電站采用寬尾墩、臺(tái)階溢流面與戽式消力池聯(lián)合泄洪消能效果明顯。

由于受地形、地質(zhì)條件限制,樞紐總體布置位置選擇余地不大,場(chǎng)地緊張,盡管進(jìn)行了多方案布置比較,但壩軸線與下游主河槽夾角仍較大,下泄水流受左岸坡影響,易形成橫向折沖水流,使下游水流混亂、紊動(dòng)強(qiáng)烈,引起廠房尾水波動(dòng)較大,并易使尾水渠出口形成河床沖刷質(zhì)堆積。

在后期設(shè)計(jì)過(guò)程中,對(duì)方案進(jìn)行了研究調(diào)整。經(jīng)過(guò)多次現(xiàn)場(chǎng)綜合查勘研究,根據(jù)壩區(qū)河床兩岸特點(diǎn),確定壩區(qū)地形條件不適合修建拱壩,應(yīng)選擇重力壩方案和底流消能較為合適。

2.5.1 泄洪消能布置多方案研究

電站下泄流量大,進(jìn)口單寬流量達(dá) 138.6m2/s,下游水位變幅大,泄洪消能和泄洪水位的銜接是技術(shù)難點(diǎn),在四川這類聯(lián)合消能方式應(yīng)用還不多。通口河洪水過(guò)程具有陡漲陡落的特點(diǎn),洪水過(guò)程歷時(shí)短。受地形限制壩址布置可選擇的范圍相當(dāng)有限,壩后緊鄰河彎處,河道向右轉(zhuǎn),下泄水流受彎道影響,沖刷左岸并易在尾水渠出口范圍形成沖積堆積,挑流對(duì)電站尾水渠出流影響很大。

早期設(shè)計(jì)的泄洪消能型式為挑流消能,結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單,但經(jīng)水工模型試驗(yàn)驗(yàn)證其與寬尾墩加戽式消力池對(duì)比,表明采用寬尾墩加跌坎和戽式消力池的泄洪消能方式,能較好地解決消能率、池內(nèi)流態(tài)、出池流速等問(wèn)題。消能防沖按 30年一遇洪水設(shè)計(jì),下游水位為 566.00m。采用寬尾墩加跌坎和戽式消力池方案,消力池長(zhǎng)度減至 45m。

根據(jù)泄洪、沖沙和消能防沖要求,戽式消力池結(jié)構(gòu)順?biāo)飨蜷L(zhǎng) 44.5m,消力池底高程 540.00m,底板基礎(chǔ)高程 535.00m,底板厚 5.0m,消力池末端設(shè)有1∶2.5的反坡尾坎,坎頂高程 545.00m。

2.5.2 消能效果顯著

經(jīng)模型試驗(yàn)驗(yàn)證和運(yùn)行情況表明,采用階梯式溢流壩面與寬尾墩和戽式消力池共同構(gòu)成的大壩泄洪消能系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理,階梯式溢流壩對(duì)中小流量有良好的消能特性,流量增大時(shí)受寬尾墩的作用,閘室尾部水面壅高,水面切線與壩面的夾角逐漸增大,水流沿豎向擴(kuò)散,底部高速水流受戽式消力池尾坎的阻擋,紊動(dòng)更加強(qiáng)烈,消力池尾端呈現(xiàn)戽式水流特有的涌浪,尾端以下河道流速迅速減小。在各級(jí)流量下,消力池內(nèi)水流擴(kuò)散均勻,消能效果良好,出池水流平穩(wěn),基本不對(duì)河床和河道兩岸邊坡產(chǎn)生沖刷,電廠尾水平穩(wěn),不受泄洪消能的影響,保證了發(fā)電機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行和機(jī)組出力。經(jīng)過(guò) 5年的洪水期運(yùn)行實(shí)際考驗(yàn),證明這種消能方式成功地解決了各流量等級(jí)下泄洪消能的問(wèn)題,很好地解決了在山區(qū)受地形、地質(zhì)條件限制給樞紐布置帶來(lái)的矛盾和困難。

在唐家山堰塞湖泄洪過(guò)程中,通口電站的過(guò)壩流量超過(guò)了設(shè)計(jì)洪水,并夾帶大量漂浮物和泥沙,經(jīng)泄洪后檢查,庫(kù)內(nèi)壩前和取水口前沒(méi)有淤積,泄洪系統(tǒng)和消力池沒(méi)有受到破壞,尾水出口沒(méi)有出現(xiàn)因泄洪導(dǎo)致淤積的情況。

2.6 典型巖溶地區(qū)的基礎(chǔ)防滲處理設(shè)計(jì)與效果

首部樞紐攔河壩最大高度 71.5m,壩基以上最大壅水高度 68.0m,正常運(yùn)行工況時(shí)上、下游水頭差為50.31m。

通口水電站修建在灰?guī)r巖溶地質(zhì)區(qū),溶洞、溶隙發(fā)育,左右岸溶洞存在聯(lián)系,溶洞分布廣泛,分布高差大,連通性好,給防滲布置設(shè)計(jì)和防滲施工均帶來(lái)很大難度。

2.6.1 壩區(qū)防滲設(shè)計(jì)

根據(jù)巖溶發(fā)育情況,對(duì)左、右岸防滲軸線布置的走向均進(jìn)行了向下游轉(zhuǎn)向、與壩軸線一致、向上游轉(zhuǎn)向等多方案比較研究。經(jīng)反復(fù)論證,最終確定將右岸防滲帷幕線轉(zhuǎn)向上游,左岸帷幕向岸坡內(nèi)延伸一定長(zhǎng)度后折向下游,兩者均與巖溶不發(fā)育的相對(duì)隔水層相接。

庫(kù)區(qū)廣泛分布碳酸鹽巖,巖溶較為發(fā)育。為查明巖溶水庫(kù)滲漏問(wèn)題,地勘、科研人員進(jìn)行了庫(kù)水滲漏巖溶水文地質(zhì)研究。結(jié)合各類資料和現(xiàn)場(chǎng)情況,認(rèn)為水庫(kù)的鄰谷滲漏問(wèn)題總體上不影響水電站的建設(shè),在后期則應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)。在施工期間,設(shè)計(jì)人員及時(shí)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)揭示情況和物探資料進(jìn)行研究分析,并比照防滲設(shè)計(jì)方案,對(duì)特殊孔段的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行適時(shí)調(diào)整,驗(yàn)證防滲設(shè)計(jì)方案的準(zhǔn)確性。對(duì)樞紐區(qū)的溶洞特別是下游 2km內(nèi)的幾處大型溶洞進(jìn)行了檢查和實(shí)測(cè),未發(fā)現(xiàn)水量增大。經(jīng)運(yùn)行后 4年多的蓄水考驗(yàn),至今未發(fā)現(xiàn)庫(kù)水存在滲漏的通道。

2.6.2 大壩防滲系統(tǒng)防滲效果顯著

為檢驗(yàn)帷幕灌漿的最終效果,在灌漿結(jié)束后 14天進(jìn)行檢查孔壓水試驗(yàn),共布置 25個(gè)檢查孔。試驗(yàn)表明,各灌漿單元的全孔透水率 1.0～2.9Lu,平均透水率 1.35～1.89Lu,防滲效果達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

經(jīng) 5個(gè)汛期的考驗(yàn),大壩樞紐、引水發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行正常,壩體及基礎(chǔ)滲漏量總體較少,據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè),其滲漏總量不足 18m3/h,兩岸邊坡無(wú)滲流出現(xiàn)。壩基礎(chǔ)防滲帷幕設(shè) 1排灌漿孔,為減少壩體基礎(chǔ)和消力池基礎(chǔ)內(nèi)的滲透壓力,在壩體廊道內(nèi)設(shè)有主、副排水孔。運(yùn)行表明,防滲排水處理措施效果良好。

在汶川特大地震中,建在典型巖溶地段的通口電站大壩防滲系統(tǒng)未受到破壞,震后檢查表明,廊道內(nèi)帷幕后的排水孔排水量、滲壓未增加,排水廊道增加的水量為帷幕后兩岸地下水及下游反滲,與庫(kù)水沒(méi)有聯(lián)系,對(duì)發(fā)電及發(fā)電效益沒(méi)有影響,經(jīng)必要的常規(guī)處理后即可恢復(fù)到與震前情況一樣。

3 通口水庫(kù)在唐家山堰塞湖泄洪過(guò)程中所起的作用

3.1 滯洪作用

地震引起通口河右岸唐家山山體整體下滑,堆積于通口河河谷,堵塞通口河而形成唐家山堰塞壩,堰塞湖蓄積水量達(dá) 2.5億 m3,嚴(yán)重威脅下游沿岸和城市人民的生命、財(cái)產(chǎn)安全。在唐家山堰塞湖形成后,電站距堰塞湖較近約 23km,是堰塞湖泄洪經(jīng)下游的第一個(gè)在地震后能發(fā)揮作用的電站,在唐家山堰塞湖泄洪過(guò)程中,通口水庫(kù)的滯洪作用對(duì)下游沿岸和城市的保護(hù)起了很大的作用。

3.2 遭遇洪水后的大壩安全問(wèn)題分析

由于通口電站空庫(kù)預(yù)留滯洪庫(kù)容,庫(kù)內(nèi)沒(méi)有蓄積庫(kù)水,堰塞壩潰壩下泄洪水進(jìn)入通口電站庫(kù)內(nèi),壩前水位上升較快,洪水可能翻壩,壩頂設(shè)施設(shè)備、泄洪消能系統(tǒng)可能受到破壞,大量漂浮物可能危及壩體結(jié)構(gòu)的安全,

按照唐家山堰塞壩潰壩分析,當(dāng)潰口形狀、起始潰決水位相同時(shí),潰決歷時(shí)越短,潰壩洪峰流量越大,沿程衰減也越快。如 1/3潰壩方案,1小時(shí)潰決潰口流量為 28503m3/s,基本為 6小時(shí)潰決的 1倍以上,傳播至涪江橋,1小時(shí)潰決流量衰減了約55%,而 6小時(shí)潰決僅衰減了 11%。按 1小時(shí)潰決則在通口壩址處的洪峰流量為 21144m3/s。

如果潰口歷時(shí)、起始潰決水位相同時(shí),潰決口門越大、潰口底高程越低,潰壩洪峰流量就越大,沿程衰減也越快。如潰決歷時(shí)考慮 2小時(shí),1/3潰壩方案潰口處流量為 22554m3/s,基本為半潰方案的42%,為全潰方案的 29%。如果潰決起始潰決水位不同、其它潰決條件相同時(shí),水位越高,蓄水量越大,潰決風(fēng)險(xiǎn)也越大,形成的潰壩洪峰也越大。如潰決歷時(shí)考慮 2小時(shí),從 752m高程全潰時(shí),潰口處流量為 76699m3/s,為從 730m高程開始全潰的 1.86倍。按 2小時(shí)潰決則在通口壩址處的洪峰流量為70776m3/s。

堰塞壩全潰、半潰、1/3潰決的洪水均遠(yuǎn)大于通口電站大壩的校核設(shè)計(jì)洪水流量,對(duì)大壩構(gòu)成嚴(yán)重威脅,如經(jīng)電站水庫(kù)滯洪調(diào)峰后按 12800m3/s過(guò)壩流量考慮也遠(yuǎn)超過(guò)校核洪水流量,洪水將漫過(guò)壩頂。根據(jù)計(jì)算,在這一流量下,從潰壩開始約 1小時(shí)洪水將漫過(guò)通口壩頂,對(duì)大壩及其附屬建筑物均存在很大的潛在威脅。

3.3 唐家山堰塞湖泄洪過(guò)程及通口壩址洪水情況

3.3.1 潰口潰決過(guò)程驗(yàn)證

根據(jù)實(shí)測(cè)潰決過(guò)程,唐家山堰塞壩潰決開始時(shí)間約在 6月 10日凌晨 4～5點(diǎn),至 14點(diǎn)形成寬145m、底高程為 721.4m的最大矩形口門。潰決歷時(shí)約 10小時(shí)。由于 6月 10日前后的天然河道來(lái)流量在 50～100m3/s左右,鑒于此種情況,考慮通口河入庫(kù)流量為 100m3/s,涪江橋 6月 10日 8點(diǎn)時(shí)流量為 192m3/s,因此考慮涪江天然河道的來(lái)流量為192m3/s。

算得模型潰口處最大峰值流量為 6637m3/s,與實(shí)測(cè)值 6500m3/s比較接近,僅偏大 2.1%(見圖3)。

圖3 唐家山潰壩潰口處洪水過(guò)程線比較

從圖3可以看出,潰口的實(shí)測(cè)流量上漲較計(jì)算值略偏后,消落也偏慢,但總體過(guò)程還是基本接近。潰決初期流量上漲偏后的原因,主要是模型中采用的潰口形成過(guò)程為直線型均勻潰決,而實(shí)際堰塞壩為非均質(zhì)體,碎礫土中夾有部分大孤塊石,這些大孤塊石抗沖能力較強(qiáng),致使初始潰決時(shí)較為緩慢。

3.3.2 壩址處洪水情況

在6月10日唐家山堰塞湖流量開始增大,13:40左右電站庫(kù)內(nèi)水位開始迅速增高,沖沙底孔泄洪,至 14:15庫(kù)內(nèi)死庫(kù)容蓄滿,溢流表孔開始泄洪,初期疊加了區(qū)間的 4座小堰塞湖洪水,入庫(kù)洪峰流量遠(yuǎn)大于堰塞體泄口處的峰值流量,經(jīng)通口電站水庫(kù)滯洪后過(guò)壩洪水流量超過(guò)工程設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn),并夾雜大量漂浮物,壩址處實(shí)測(cè)的最大洪峰流量超過(guò)6680m3/s。

4 滯洪作用分析

4.1 洪水歷時(shí)

唐家山堰塞湖潰壩洪水演進(jìn)驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果見表1。在洪水演進(jìn)計(jì)算中,河道糙率根據(jù) 6月 10日實(shí)際的潰壩沿程水位及洪水演進(jìn)時(shí)間綜合率定,其值為0.036～0.08。因河谷較窄,河道沿程攤化洪峰流量較弱。計(jì)算中未考慮疊加 4個(gè)小堰塞湖的水量。

表1 唐家山堰塞湖潰壩驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果

實(shí)際記錄表明,6月 10日洪峰從潰口傳播至通口水文站歷時(shí) 2小時(shí) 54分,從通口水文站傳播至涪江橋歷時(shí) 2小時(shí) 54分。而在驗(yàn)證計(jì)算中,洪峰從潰口傳播至通口水位站歷時(shí) 1小時(shí) 18分,從通口水文站傳播至涪江橋歷時(shí) 3小時(shí) 30分。

4.2 洪峰入庫(kù)情況

由于電站水庫(kù)空庫(kù)預(yù)留了滯洪庫(kù)容,當(dāng) 6月 10日電站泄洪前堰塞湖下泄流量并疊加區(qū)間 4個(gè)小型堰塞湖洪水后,電站入庫(kù)洪峰大于堰塞體泄口處峰值流量,水庫(kù)死庫(kù)容很快蓄滿。在 10日 13:28左右,水庫(kù)水位急劇上漲,經(jīng)沖沙底孔有限下泄后半小時(shí)庫(kù)內(nèi)蓄至死水位,并在半個(gè)小時(shí)內(nèi)就漲滿了電站水庫(kù) 1806萬(wàn) m3的死庫(kù)容,閘門全部打開泄洪,14:10左右開始泄洪,通過(guò)表孔下泄洪水,水位逐步上升至高程 596m以上,泄洪水霧揚(yáng)起上百米高,14:30觀測(cè)到 10日的最大水流量為 6680m3/s。經(jīng)過(guò)水庫(kù)的滯洪調(diào)峰作用,大壩對(duì)洪水進(jìn)行了有效攔阻。

4.3 滯洪作用分析

洪峰傳播至通口水文站的時(shí)間計(jì)算值與實(shí)測(cè)值差 1小時(shí) 36分,差異較大。在潰口至通口水文站29.5km的河段內(nèi),實(shí)測(cè)傳播速度為 2.83m/s,計(jì)算傳播速度為 6.3m/s,唐家山至通口水文站河段平均比降為 4.44‰,一般同類山區(qū)河道的洪水傳播速度在 4～6m/s左右,分析兩者差別的原因,主要是通口電站水庫(kù)、唐家山至通口水文站河段上由于地震形成的 4個(gè)小堰塞湖,對(duì)減緩洪水傳播速度起到了很大的作用,為下游沿岸和城市的群眾、財(cái)產(chǎn)轉(zhuǎn)移、其他事件處理贏得了寶貴時(shí)間。

5 震后及滯洪后的安全檢查

5.1 震后檢查情況

根據(jù)震后檢查和評(píng)估,電站主體結(jié)構(gòu)完好,僅是局部次要結(jié)構(gòu)和附屬結(jié)構(gòu)如壩頂欄桿、壩頂橋面板兩端路面層、填充墻及表面裝飾、壩頂監(jiān)測(cè)設(shè)備松動(dòng)、生活區(qū)瓦屋頂、部分磚砌圍墻等受到輕微損壞;除庫(kù)尾左岸邊坡原有滑坡區(qū)出現(xiàn)垮方外,壩區(qū)和庫(kù)區(qū)兩岸邊坡沒(méi)有垮方,庫(kù)尾的垮方除減小一點(diǎn)庫(kù)容外對(duì)水庫(kù)運(yùn)行沒(méi)有影響;因此電站工程為輕微震損,地震和唐家山堰塞湖泄洪對(duì)通口電站主體結(jié)構(gòu)和發(fā)電沒(méi)有造成大的影響,在電站蓄水恢復(fù)發(fā)電的同時(shí)進(jìn)行必要的修復(fù)后即可達(dá)到原設(shè)計(jì)要求。

5.2 經(jīng)歷洪水后的檢查情況

唐家山堰塞湖 6月 10日泄洪的特大洪水超過(guò)了電站建成后歷年的洪水,初期疊加區(qū)間 4個(gè)小堰塞湖的洪水后,入庫(kù)洪峰流量大于堰塞體泄口處峰值流量,經(jīng)通口電站水庫(kù)滯洪后過(guò)壩洪水流量仍超過(guò)工程設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn),電站承受了這次特大洪水考驗(yàn)。唐家山堰塞湖泄洪洪峰過(guò)后,再次空庫(kù)對(duì)壩前及庫(kù)內(nèi)淤積情況進(jìn)行檢查,發(fā)現(xiàn)與泄洪前空庫(kù)情況沒(méi)有差別,與模型試驗(yàn)情況對(duì)比也很吻合,壩前及取水口前沒(méi)有淤積物,隨即電站水庫(kù)開始蓄水。

電站于 6月 14日蓄水恢復(fù)發(fā)電,水庫(kù)在正常蓄水位 598.00m運(yùn)行,兩臺(tái)機(jī)組滿發(fā)供電四川主網(wǎng)。發(fā)電后抽排壩體廊道積水后,對(duì)壩體主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了全面檢查,大壩主體結(jié)構(gòu)和消力池完好。

5.3 復(fù)核計(jì)算情況

在地震后對(duì)電站溢流壩段、底孔壩段、擋水壩段三個(gè)典型壩段的洪水漫頂、正常水位運(yùn)行遇Ⅷ度地震、正常水位運(yùn)行而防滲排水全部失效、正常水位運(yùn)行 +防滲排水全部失效遇Ⅷ度地震時(shí)四種工況的穩(wěn)定、應(yīng)力進(jìn)行了復(fù)核計(jì)算。當(dāng)洪水剛漫頂時(shí),上游水位為壩頂高程,通過(guò)水位—流量關(guān)系曲線查得下游水位為 578.08m;防滲排水全部失效時(shí)揚(yáng)壓力不折減,參考實(shí)測(cè)資料,通口電站在大地震后防滲未遭破壞,其余工況揚(yáng)壓力折減系數(shù)仍按 0.25控制。

據(jù)對(duì)計(jì)算結(jié)果分析,通口電站的抗滑穩(wěn)定仍有一定的安全裕度,即使考慮洪水漫頂、排水失效、Ⅷ度地震等情況疊加后,溢流壩段、底孔壩段、擋水壩段的安全系數(shù)仍大于 1.0,滿足規(guī)范要求。

6 處理措施

6.1 加固處理的必要性

大地震對(duì)通口水電站造成了輕微震損,雖然電站主體結(jié)構(gòu)沒(méi)有受到損壞,且震后很快就恢復(fù)了發(fā)電,但大壩、廠房一些受損的次要結(jié)構(gòu)、附屬結(jié)構(gòu)和部分填充墻,以及要使電站今后能長(zhǎng)期安全運(yùn)行,對(duì)壩基滲漏量增大等均需要進(jìn)行必要的處理。地震后用于大壩監(jiān)測(cè)的設(shè)備已有震動(dòng)位移、松動(dòng)和脫落等現(xiàn)象,應(yīng)及時(shí)重新調(diào)試投入運(yùn)行,對(duì)大壩加強(qiáng)測(cè)壓管水位、應(yīng)力應(yīng)變、引張線上下游位移、繞壩滲漏、壩基滲漏等的檢測(cè),并作好觀測(cè)記錄,與震前數(shù)據(jù)對(duì)比分析,發(fā)現(xiàn)異常應(yīng)及時(shí)分析原因,采取措施。

6.2 補(bǔ)強(qiáng)及修復(fù)處理方案

由于“5·12”大地震并未對(duì)通口電站大壩結(jié)構(gòu)造成破壞,壩體的受力條件也沒(méi)有發(fā)生根本變化,對(duì)大壩安全影響不大,故本次加固設(shè)計(jì)主要針對(duì)壩體內(nèi)部排水廊道滲水加大的情況及廠房尾水導(dǎo)墻處的施工縫開裂等情況進(jìn)行灌漿處理。

通過(guò)地震后的一段時(shí)間的觀測(cè)發(fā)現(xiàn),排水廊道中排水孔滲水量的大小與上游庫(kù)水位的升降的關(guān)系不大,但與降雨和下游水位有較為密切的聯(lián)系。由此可以肯定大壩帷幕在這次地震中并未受到大的影響,但壩體與基礎(chǔ)的結(jié)合緊密度較地震前有所削弱,排水孔中滲水量增大部分主要來(lái)源于山體坡面滲水和下游河道滲水。針對(duì)這種情況,在縱向排水廊道和下游排水廊道外側(cè)增設(shè)一排帷幕灌漿,帷幕灌漿孔距 1.5m,孔深按深入基巖 30m控制,其中一部分孔利用原排水孔進(jìn)行掃孔后繼續(xù)下鉆至設(shè)計(jì)孔深成孔。由于縱向排水廊道中原排水孔與豎向成 10°交角 ,為方便鉆孔成孔因此在縱向排水廊道中新增的帷幕灌漿孔也與豎向成 10°交角。

由于新增帷幕已將原基礎(chǔ)排水通道侵占,故需在新增帷幕后方增設(shè)一排排水孔,排除基巖滲水、減小基礎(chǔ)揚(yáng)壓力。排水孔參數(shù)仍參照原設(shè)計(jì)排水孔,孔距 3.0m,固結(jié)灌漿范圍內(nèi)的排水孔深入基巖13m,固結(jié)灌漿范圍外的深入基巖 10m,孔徑100mm。排水孔應(yīng)在帷幕施工完成后再行施工。排水孔應(yīng)埋孔口管,孔口管頂部應(yīng)高出孔口 20cm。

右岸 4號(hào)與 5號(hào)溢流壩下游排水廊道約 0+061.40m附近廊道頂有幾處漏水,漏水均在原大壩縱向結(jié)構(gòu)縫位置,估計(jì)是地震造成了結(jié)構(gòu)縫局部拉開,止水松動(dòng),使?jié)B水量有所加大。采取在縫兩側(cè)打斜孔灌漿處理,灌漿孔布置在距縫 30cm處,在縫兩側(cè)交錯(cuò)布置,孔距 1.0m,孔深 3.0m,灌漿孔與混凝土面呈 25°交角,并穿過(guò)混凝土結(jié)構(gòu)分縫。此外,對(duì)沖沙底孔與溢流壩結(jié)構(gòu)縫應(yīng)進(jìn)行壩頂灌漿處理,在壩頂結(jié)構(gòu)縫位置原豎向止水上游側(cè)鉆豎向孔進(jìn)行灌漿,并保證灌漿深入基巖一定深度。

對(duì)左岸交通聯(lián)系廊道約(壩)0+014.00m處廊道頂拱預(yù)制板與邊墻相接處漏水也進(jìn)行灌漿處理,以漏水點(diǎn)為中心,布置一定數(shù)量的灌漿孔進(jìn)行灌漿,間、排距 1.0m,灌漿深度 10m,深入基巖 6m。

對(duì)廠房第一副廠房、第二副廠房、吊物豎井等損壞的填充墻建議拆除后重新裝修,抹灰層在滿足規(guī)范要求情況下宜盡量薄,表面采用涂料或輕質(zhì)抗震材料。對(duì)震損破壞的填充墻、玻璃窗、外墻磚、壩體欄桿應(yīng)進(jìn)行修復(fù)。損壞的壩頂路面裝修層需進(jìn)行修補(bǔ),在結(jié)構(gòu)縫處應(yīng)留接縫,并用瀝青填實(shí)。

6.3 施工進(jìn)度計(jì)劃及施工技術(shù)要求

為了降低在雨季大壩基礎(chǔ)的排水量,減輕排水壓力,保證電站第二年汛期能夠安全度汛,灌漿施工安排在枯期進(jìn)行,即在第二年汛前施工完成。大壩灌漿施工順序?yàn)?先行對(duì)滲水部位較大的排水孔和廊道邊墻進(jìn)行灌漿處理,再行系統(tǒng)地進(jìn)行帷幕灌漿施工,最后為排水孔的施工。

廊道內(nèi)帷幕灌漿鉆孔設(shè)備主要為 XU-100型地質(zhì)鉆機(jī),采用分段灌漿并按分序加密的原則進(jìn)行,使用 YBS-250/120型灌漿泵灌漿;廊道邊墻灌漿采用手風(fēng)鉆鉆孔、BW-200/40灌漿泵分段灌漿。

欄桿、填充墻等部位的修復(fù)則安排在灌漿補(bǔ)強(qiáng)時(shí)一同進(jìn)行或在灌漿補(bǔ)強(qiáng)完成后進(jìn)行。

7 結(jié)論及建議

模型試驗(yàn)和運(yùn)行情況表明,本工程采用階梯式溢流壩和寬尾墩與戽式消力池共同構(gòu)成的大壩泄洪消能系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理。采用寬尾墩后,消力池由原來(lái)的長(zhǎng) 100m左右的底流消力池減短至 45m,在各級(jí)流量下,消力池內(nèi)水流擴(kuò)散均勻,消能效果顯著,下游水面銜接平順,對(duì)左岸沖刷輕微,對(duì)廠房尾水渠水流基本無(wú)影響,消力池內(nèi)也沒(méi)有殘留物,池內(nèi)磨損輕微。在 2006年年初放空庫(kù)后進(jìn)行檢查和檢修,大壩沒(méi)有發(fā)現(xiàn)異常情況,壩前及取水口前沒(méi)有淤積。唐家山堰塞湖泄洪后庫(kù)內(nèi)未產(chǎn)生淤積。

通口水電站經(jīng) 5年多的運(yùn)行歷經(jīng) 6個(gè)汛期和堰塞湖泄洪的考驗(yàn),大壩樞紐、引水發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行正常,壩體及基礎(chǔ)滲漏量總體較少,現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)資料表明,滲漏總量不足 30m3/h,大壩防滲效果明顯。

通口水電站按Ⅶ抗震設(shè)防,壩址處實(shí)際烈度達(dá)到了Ⅸ度,電站經(jīng)受了這次特大地震的考驗(yàn)。在唐家山堰塞湖形成后,電站空庫(kù)為堰塞湖泄洪預(yù)留了滯洪庫(kù)容,在唐家山堰塞湖泄洪過(guò)程中,通口電站大壩不僅承受住了大地震后第一次 6680m3/s的洪水考驗(yàn),而且通過(guò)大壩調(diào)節(jié)洪峰,緩解了洪水對(duì)下游的壓力。通口水庫(kù)的滯洪削峰作用對(duì)下游沿岸和城市的保護(hù)起了很大的作用,堰塞湖泄洪后電站即蓄水至正常蓄水位發(fā)電。

經(jīng)過(guò)汶川特大地震和唐家山堰塞湖泄洪的考驗(yàn),表明大壩穩(wěn)定安全能經(jīng)受強(qiáng)震檢驗(yàn),電站引水防沙效果良好,泄洪消能建筑物經(jīng)受了設(shè)計(jì)洪水的考驗(yàn)。在唐家山堰塞湖泄洪過(guò)程中,電站對(duì)泄洪洪水的滯洪、削峰作用明顯,對(duì)下游沿岸和城市的保護(hù)以及人員財(cái)產(chǎn)轉(zhuǎn)移發(fā)揮了很大的作用。電站除發(fā)電創(chuàng)造了很好的經(jīng)濟(jì)效益外,也發(fā)揮了巨大的社會(huì)效益。

在這次特大地震中,通口水電站大壩工程經(jīng)受住了遠(yuǎn)超設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)的強(qiáng)震考驗(yàn),說(shuō)明采用現(xiàn)行水電工程設(shè)計(jì)理論和方法進(jìn)行的設(shè)計(jì)是成熟的、安全可靠的,在復(fù)雜地質(zhì)條件下、高烈度地區(qū)建壩是可行的;電站工程經(jīng)得起設(shè)計(jì)洪水和 8級(jí)地震的考驗(yàn),成為在巖溶地區(qū)修建高壩大庫(kù)的典型成功實(shí)例。

經(jīng)過(guò)這次特大地震,水電工程的設(shè)計(jì)將更加注重細(xì)節(jié)上的完善,建議對(duì)主體結(jié)構(gòu)的次要建筑物和附屬建筑物應(yīng)盡量采用輕質(zhì)牢固的材料,特別是上部建筑物更應(yīng)采用高強(qiáng)、輕質(zhì)、整體性好的結(jié)構(gòu)及材料;在壩和廠區(qū)應(yīng)配備性能良好、足夠容量的備用供電設(shè)備,確保應(yīng)急條件下使用;壩址應(yīng)盡量選在斷裂的下盤,并遠(yuǎn)離存在較大地質(zhì)危害隱患的邊坡,近壩庫(kù)岸的邊坡應(yīng)較穩(wěn)定或得到有效的必要的處理。