李 健，王輝義

（國(guó)家能源局大壩安全監(jiān)察中心，浙江杭州，311122）

1 概述

奧洛維爾水庫(kù)位于美國(guó)加利福尼亞州北部菲澤河上，工程開發(fā)任務(wù)主要為防洪、灌溉，并兼有發(fā)電等功能，于1968年建成投運(yùn)。壩址以上流域面積9 360 km2，水庫(kù)總庫(kù)容43.62億m3，電站總裝機(jī)容量675 MW。樞紐建筑物包括攔河壩、泄洪建筑物、引水發(fā)電系統(tǒng)等。攔河壩為斜心墻土石壩，最大壩高234.7 m，是美國(guó)最高的土石壩。泄洪建筑物由主溢洪道和非常溢洪道組成，位置見圖1。

圖1 主溢洪道、非常溢洪道相對(duì)位置圖Fig.1 Locations of service and emergency spillways

溢洪道泄槽沖刷破壞過程如下：受上游降雨影響，為保持庫(kù)水位低于汛限水位850 ft，主溢洪道開閘泄洪，2月6日下泄流量達(dá)到1 096 m3/s，2月7日停止泄洪后檢查發(fā)現(xiàn)混凝土泄槽中下部陡坡段出現(xiàn)沖刷破壞。隨著入庫(kù)流量持續(xù)增大，主溢洪道恢復(fù)泄洪，至2月10日下泄流量增大到1717m3/s，泄槽沖刷部位擴(kuò)大到91.4 m寬、152.4 m長(zhǎng)、13.7 m深。為避免沖刷加劇，主溢洪道下泄流量降至1 600 m3/s。2月11日庫(kù)水位超過非常溢洪道堰頂開始自由溢流，最大下泄流量360 m3/s，2月12日非常溢洪道下游山坡沖刷已影響堰體基礎(chǔ)安全，加州政府緊急撤離下游居民并再次增大主溢洪道泄量，當(dāng)晚庫(kù)水降至非常溢洪道堰頂以下。2月13日對(duì)非常溢洪道下游山坡較大沖坑進(jìn)行拋投沙袋、石塊及采取混凝土砂漿等加固措施，主溢洪道繼續(xù)泄洪至2月27日，其中13～16日下泄流量保持在2 800 m3/s左右，18～24日保持在1 500～1 700 m3/s，泄槽沖刷破壞范圍繼續(xù)擴(kuò)大，該處左側(cè)邊墻沖毀，水流經(jīng)該處沖刷邊墻外側(cè)山坡，見圖2。

2 泄洪建筑物設(shè)計(jì)及對(duì)比

2.1 奧洛維爾水庫(kù)泄洪設(shè)施

圖2 主溢洪道泄洪時(shí)泄槽沖刷破壞狀況Fig.2 Scour of chute during discharge

奧洛維爾水庫(kù)泄洪建筑物由主溢洪道和非常溢洪道組成。主溢洪道布置在大壩右岸山坡上，由進(jìn)水渠、控制段、泄槽段、消能工組成。一般洪水通過主溢洪道下泄，設(shè)計(jì)泄流量4 200 m3/s，設(shè)計(jì)最大流速47 m/s?？刂贫卧O(shè)8扇5.4 m寬、10.1 m高的弧形工作閘門。泄槽為等寬矩形斷面，寬54.5 m，長(zhǎng)930 m，坡度采用先緩后陡的連接方式。消能工設(shè)有分流高齒坎。泄槽底板設(shè)縱橫結(jié)構(gòu)縫，最小厚度約38 cm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)以高程865 ft為界，該高程以上約20 MPa、以下約27 MPa，泄槽未設(shè)摻氣設(shè)施。泄槽底板多建基于風(fēng)化較嚴(yán)重基巖，設(shè)置有錨桿與基礎(chǔ)連接，底板下設(shè)排水網(wǎng)管，排水管直徑約15 cm。非常溢洪道緊靠主溢洪道右側(cè)布置，為開敞式無(wú)閘門控制溢流堰，堰頂長(zhǎng)度527.5 m，堰頂高程901 ft，最大堰高15.24 m，設(shè)計(jì)泄流量8 500 m3/s。堰體下游為自然山坡，未進(jìn)行開挖與襯護(hù)。

2.2 國(guó)內(nèi)工程泄洪設(shè)施

土石壩壩型以對(duì)地質(zhì)條件要求低、充分利用開挖料、工程投資相對(duì)低等優(yōu)點(diǎn)得到廣泛采用，該類工程泄洪建筑物通常采用岸邊溢洪道、泄洪洞等泄洪設(shè)施，國(guó)內(nèi)部分類似工程泄洪建筑物設(shè)計(jì)情況見表1。

3 對(duì)泄洪建筑物設(shè)計(jì)的思考

3.1 泄洪建筑物型式選擇

奧洛維爾水庫(kù)主溢洪道和非常溢洪道均采用開敞式溢流堰的泄洪方式。主溢洪道設(shè)閘門控制，通常下泄小洪水，使用較頻繁；非常溢洪道無(wú)閘門控制，自由溢流，大洪水時(shí)啟用，使用機(jī)會(huì)相對(duì)較少。該工程選擇小洪水通過閘門控制泄流、大洪水采用自由溢流作為主要泄洪通道的設(shè)計(jì)理念可有效減少設(shè)計(jì)難度和工程投資，且開敞式溢流堰超泄能力強(qiáng)、無(wú)閘門控制溢流堰運(yùn)行管理相對(duì)簡(jiǎn)單，可降低因超標(biāo)準(zhǔn)洪水、人為調(diào)度失誤等因素造成的土石壩漫頂潰壩風(fēng)險(xiǎn)。

國(guó)內(nèi)土石壩工程多采用溢洪道和泄洪洞聯(lián)合泄洪方式。溢洪道多采用開敞式溢流堰，超泄能力強(qiáng)，為主要泄洪通道。泄洪洞孔口高程相對(duì)較低，一般在較大洪水時(shí)啟用，泄洪機(jī)會(huì)很少。選擇表、深孔結(jié)合的泄洪方式，既充分利用了開敞式溢流堰超泄能力強(qiáng)的特點(diǎn)，又兼顧了在非常情況下可有效降低庫(kù)水位的優(yōu)勢(shì)，調(diào)度運(yùn)用更加靈活。但此類工程泄洪建筑物的工程投資占比相對(duì)較大，設(shè)計(jì)、運(yùn)行管理難度也相對(duì)較大。

3.2 基礎(chǔ)處理及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.2.1 基礎(chǔ)處理

奧洛維爾水庫(kù)泄洪建筑物基礎(chǔ)處理相對(duì)較簡(jiǎn)單：主溢洪道泄槽基礎(chǔ)設(shè)置了錨筋和排水網(wǎng)管，以加強(qiáng)底板與基礎(chǔ)的連接和抗浮穩(wěn)定，但從泄槽沖刷破壞部位揭示來(lái)看，地基巖石風(fēng)化較嚴(yán)重，也存在建基面巖體較破碎、未進(jìn)行相應(yīng)處理、浮渣清理不夠徹底等問題。非常溢洪道堰腳未做任何保護(hù)，存在淘刷堰腳基礎(chǔ)風(fēng)險(xiǎn)。

國(guó)內(nèi)工程溢洪道泄槽一般建基于弱風(fēng)化巖體，斷層、破碎巖體等一般采取刻槽混凝土置換和固結(jié)灌漿處理，以提高地基承載能力和均一性；同時(shí)設(shè)置基礎(chǔ)錨筋與底板混凝土面層鋼筋可靠連接，并在基礎(chǔ)面設(shè)置縱、橫排水管網(wǎng)降低底板滲壓。消能工下游往往設(shè)有預(yù)挖沖坑，并采取貼坡混凝土或護(hù)坦保護(hù)，以防止沖刷，進(jìn)而影響挑流鼻坎的基礎(chǔ)安全。

3.2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

奧洛維爾水庫(kù)主溢洪道的泄槽底坡、斷面及分縫設(shè)計(jì)與國(guó)內(nèi)工程較一致：泄槽底坡先緩后陡的銜接方式，將高流速水流段集中在下游，遠(yuǎn)離主體建筑物；泄槽采用較為簡(jiǎn)單的等寬矩形斷面，以保持水流相對(duì)平順且便于施工；泄槽底板設(shè)有縱、橫縫，以減少基礎(chǔ)約束等引起的混凝土底板裂縫。而國(guó)內(nèi)有些工程（如糯扎渡、灘坑、苗尾等）泄槽底板采用設(shè)縱縫、不設(shè)橫縫，僅在摻氣槽結(jié)合部位設(shè)結(jié)構(gòu)縫的分縫形式，以減少橫縫連接部位不平整度超標(biāo)、橫縫部位發(fā)生高速水流集中沖刷等問題。此外，國(guó)內(nèi)部分工程（如糯扎渡、水布埡）溢洪道泄槽內(nèi)設(shè)置中隔墩以進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)水流流態(tài)控制。

表1 國(guó)內(nèi)部分類似工程泄洪建筑物實(shí)例Table 1 Design of flood discharge structure of similar projects in China

國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)規(guī)范要求泄槽底板滿足不透水、有足夠的剛度和強(qiáng)度抵抗壓曲，底板厚度根據(jù)工程類比確定，大、中型溢洪道泄槽底板厚度不應(yīng)小于30 cm。表1中所列工程的溢洪道泄槽底板厚度一般在60～200 cm之間，而奧洛維爾水庫(kù)主溢洪道泄槽底板厚度最小38 cm，相對(duì)偏薄。

3.3 摻氣減蝕

奧洛維爾水庫(kù)建成年代較早，雖然主溢洪道泄槽內(nèi)水流設(shè)計(jì)最大流速高達(dá)47 m/s，但受限于當(dāng)時(shí)的認(rèn)知水平，對(duì)高速水流空蝕破壞的危害預(yù)估不足，泄槽未設(shè)摻氣設(shè)施，也未對(duì)過流面不平整度提出嚴(yán)格要求，主溢洪道泄槽底板混凝土高速水流段采用抗壓強(qiáng)度27 MPa，強(qiáng)度等級(jí)明顯偏低。

國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)規(guī)范要求水流流速達(dá)到30 m/s應(yīng)設(shè)摻氣設(shè)施。國(guó)內(nèi)工程溢洪道泄槽高速水流段、結(jié)構(gòu)突變部位、陡曲線段等部位除根據(jù)模型試驗(yàn)成果設(shè)置摻氣設(shè)施外，對(duì)過流面的不平整度也按流速分段提出嚴(yán)格要求，且過流面混凝土強(qiáng)度等級(jí)一般不低于C40，并摻加鋼纖維或硅粉等材料提高混凝土抗沖磨性能。

4 結(jié)語(yǔ)

回顧奧洛維爾水庫(kù)溢洪道失事過程，并從設(shè)計(jì)角度與國(guó)內(nèi)工程進(jìn)行對(duì)比分析后，主要啟示如下：

（1）泄洪建筑物是水電工程的泄洪咽喉，尤其是對(duì)于土石壩工程，泄洪建筑物能否正常泄洪直接關(guān)系著大壩安全。只有對(duì)泄洪建筑物進(jìn)行周密設(shè)計(jì)、科學(xué)調(diào)度、及時(shí)檢查維護(hù)，才能確保大壩安全運(yùn)行和社會(huì)公共安全。

（2）奧洛維爾水庫(kù)溢洪道事故與泄槽地基巖石風(fēng)化嚴(yán)重、地基處理不到位、底板厚度薄且混凝土強(qiáng)度低、泄槽未設(shè)置摻氣設(shè)施等因素有直接關(guān)系，與對(duì)高速水流空蝕破壞的認(rèn)識(shí)不足、水庫(kù)調(diào)度決策失當(dāng)有間接關(guān)系。

（3）對(duì)于高水頭和高流速的溢洪道設(shè)計(jì)，加強(qiáng)泄槽地基處理、保證足夠的底板厚度、設(shè)置摻氣設(shè)施、嚴(yán)格控制不平整度、采用高強(qiáng)抗沖磨混凝土等措施是必要的。