貢建兵,皮軍華
(湖北清江水電開發(fā)有限責任公司,湖北 宜昌,443000)
水布埡水電站位于湖北省巴東縣境內(nèi),是清江梯級開發(fā)的龍頭水庫,工程以發(fā)電、防洪為主,兼顧其他功能,由清江公司開發(fā)建設和經(jīng)營管理。電站裝機1 840 MW,設計年發(fā)電量39.84億kW·h。樞紐工程屬一等大(1)型工程,主要建筑物由混凝土面板堆石壩、左岸溢洪道、右岸地下電站、右岸放空洞以及兩岸滲控工程等組成。大壩是目前世界上最高的混凝土面板堆石壩,壩頂高程409m,壩頂長度674.66 m,最大壩高233.2 m。溢洪道采用5孔5槽階梯式窄縫鼻坎消能工加下游河道兩岸防淘墻的消能防沖布置。水庫總庫容45.8億m3,正常蓄水位400 m,汛期限制水位391.8 m,死水位350 m。
工程于2002年1月開工,2007年4月下閘蓄水,2008年8月4臺機組全部投產(chǎn)發(fā)電,2010年9月完成工程竣工安全鑒定,2011年4月通過樞紐工程專項驗收。2013年1月,通過了大壩初始甲級注冊,2017年大壩首次定期檢查為正常壩。
水布埡水利樞紐壩址區(qū)河段兩岸為峽谷型高陡岸坡,巖溶化程度高,大壩下游邊坡滑坡群等環(huán)境地質問題突出,均進行了專項設計治理。從上游到下游,左岸依次是溢洪道進出口邊坡、鄒家溝、大巖淌滑坡體(588萬m3)、臺子上滑坡體(780萬m3)、叢家灣小滑坡體、古樹包滑坡體(221萬m3)、廟王溝等;右岸依次是放空洞進口邊坡、壩子溝、發(fā)電進水口邊坡、馬崖高邊坡、馬巖灣滑坡體(170萬m3)等,樞紐主要建筑物在邊坡滑坡群環(huán)抱之中,兩岸1~6號對外交通公路從邊坡滑坡群前緣和中部穿過,下游大橋連接兩岸交通。樞紐工程全貌詳見圖1。
圖1 水布埡樞紐工程全貌Fig.1 Full view of Shuibuya hydropower station
2016年7月1 9日,水布埡水電站以上流域48 h面平均降雨160 mm,最大入庫流量13 100 m3/s,重現(xiàn)期約50年,庫水位從19日8時的387 m漲至20日10時的397 m。19日5時~20日5時水布埡雨量站3 h、6 h、12 h、24 h降水量分別為64 mm、84 mm、132 mm、160 mm,24 h暴雨重現(xiàn)期約100年。19日18時~23日14時,溢洪道兩次開閘泄洪,最大泄洪流量4 520 m3/s,歷時65 h,總泄量5.6億m3。
受“7·19”強降雨及泄洪影響,壩區(qū)多個排洪溝發(fā)生山洪泥石流,主要公路邊坡多處坍塌,嚴重堵塞交通,大小兩個地下廠房對外交通短時中斷。物資倉庫圍墻和庫房玻璃被叢家灣滑坡體泥石流沖壞,一樓庫房物資遭雨水浸泡。強霧化區(qū)工程邊坡和護岸遭受不同程度的破壞,泄洪影響區(qū)觀測設施多處損毀。地下廠房多處滲水,霧雨危及小電站抽水電源,可能引發(fā)水淹廠房風險。左右岸邊坡、滑坡、公路局部排水系統(tǒng)嚴重損毀、幾乎癱瘓,水布埡大橋左岸橋頭護岸也被山洪沖垮。正常電力生產(chǎn)和樞紐運行安全均受到嚴重威脅。
由于首次正式泄洪、庫水位短時陡漲、庫壩區(qū)滑坡、廠房滲水、暴雨泥石流等諸多不利工況疊加,公司層面迅速啟動防汛應急二級響應,水布埡片區(qū)啟動泄洪現(xiàn)場應急處置方案,各單位按照預案分工,各司其職。第一時間監(jiān)測分析水雨情并加密監(jiān)測大壩,第一時間發(fā)布汛情預警;第一時間上報大壩運行安全信息和險情、災情,拉網(wǎng)式排查泄洪對樞紐周圍建筑物的影響程度;第一時間組織應急搶險隊進行地下廠房的防滲搶險以及一系列的應急自救;第一時間組織大型機械清障以快速打通交通要道;第一時間分析論證小電站水淹廠房的可能性;第一時間到滑坡現(xiàn)場排查險情。與此同時,公司聯(lián)系大壩設計單位長江水利委員會專家坐鎮(zhèn)現(xiàn)場參謀,得到武警官兵大力支援,成功應對“7·19”暴雨和洪水。
“7·19”洪水過后,公司組織對水布埡工程進行了全面詳查,統(tǒng)計水毀損失,及時請保險公司派人到現(xiàn)場測量取證。實施緊急清理等項目恢復生產(chǎn),共清理石渣約8 200 m3,修復滑坡體排水溝約300 m。對壩子溝泥石流進行地質勘察,對下游沖淤和壩前淤積進行水下地形測量,對發(fā)電尾水洞出口、壩前面板、發(fā)電進水口、放空洞進口進行水下檢查,對下游河床進行清淤,小電站地下廠房增設排水泵,選址重建物質倉庫,外委長江設計院在徹查現(xiàn)場和原設計基礎上對所有水毀項目進行修復設計,公開招標實施水毀修復。
“7·19”發(fā)生嚴重水毀的典型沖溝主要有壩子溝、鄒家溝和廟王溝3條。
(1)壩子溝下游緊挨著發(fā)電進水口,布局詳見圖2。由地質勘察成果[1]可知,泥石流溝匯水面積1.46 km2,溝道溝床比降293‰,洪峰流量約45 m3/s,為泥石流的暴發(fā)提供了有利的地形條件及水能;壩子溝可供給泥石流的物源總方量21.59萬m3,提供了物源條件;毀林開荒、陡坡耕作、過度放牧、修建公路、溝渠等引發(fā)坡面水土流失。2016年7月19日5時~20日5時水布埡站最大降雨量達160 mm,為中下游泥石流形成提供了強勁的水動力條件。在暴雨條件激發(fā)下,活動物源向溝內(nèi)垮塌,水流對溝內(nèi)的沖刷使供給泥石流的固體物源進一步增加,最終暴發(fā)泥石流。工程建成以來,從未對治理工程范圍內(nèi)的泥石流石渣進行清理?!?·19”泥石流沖垮治理工程集石坑擋墻,導致公路涵洞堵塞、路面漫水,泥漿水沖上進水塔頂部,石渣淤積在進水口底坎前面,嚴重影響設備運行、發(fā)電引水、交通安全。后續(xù)泥石流清理總方量達3 913 m3。
圖2 壩子溝區(qū)域布置圖Fig.2 Engineering layout around Bazi gully
(2)鄒家溝匯水面積約 11.9 km2,“7·19”最大1 h暴雨對應流量約100 m3/s,治理工程水平直線距離約500 m,高差約100 m,溝槽寬7 m。鄒家溝治理工程上游溝谷在前期用作大壩存料場,后期用作棄渣場。棄渣場在工程后期被當?shù)厝穗S地棄渣,又無匯流措施,加上運行期未定期檢修和清理,導致暴雨時山洪沖壞公路防護欄桿和路基擋墻、漿砌石溝墻及其邊坡、混凝土泄槽邊墻基礎和底板。
圖3 鄒家溝沿線布置圖Fig.3 Engineering layout around Zoujia gully
(3)毗鄰古樹包滑坡體下游側的廟王溝由間隔約150 m的上下游兩條古沖溝組成,總匯水面積約0.8 km2,“7·19”最大 1 h 暴雨對應流量約 6.5 m3/s。山坡體厚約20 m,由風化的志留系砂巖、頁巖堆積而成。“7·19”暴雨導致約2 000 m3沖積物堆積在1號公路,路面積水達1 m以上,引發(fā)交通中斷。主要原因是邊坡穩(wěn)定性差,開挖后支護不到位,加上治理工程未定期維修和清理,往低處流的山洪甚至將橋頭護岸也沖垮約3 200 m3。
右岸大電站地下廠房對外交通有4號、6號和壩后共3條公路。4號公路在江邊,霧雨影響不能通行。壩后公路因霧雨造成局部路面積水1 m多深,也無法通行。6號公路沿線沖溝發(fā)育,分布較多深溝陡坎,原施工期間對6號公路邊坡進行了素噴混凝土防護處理,局部采用掛網(wǎng)噴錨和擋墻加固處理,在垮塌處僅布置了素噴混凝土;“7·19”雨水滲至原垮塌處,而原表面邊坡位于卸荷帶外,巖體較松散,當下滑力超過巖體間摩擦力和粘聚力時,加上山洪對邊坡表面沖刷,引起局部松散塊體沿層面滑動,發(fā)生2處垮塌,方量約720 m3,直接導致6號公路短時中斷。
左岸小電站地下廠房位于溢洪道出口邊坡內(nèi),對外交通有前門、后門和相連的上下層灌漿平洞出口共3條,見圖4、圖5。前門外是強霧化區(qū),7月23日實測最大降雨強度超過10 000 mm/h[2],無法通行;后門外壩腳仍是霧化區(qū),實測最大降雨強度405 mm/h[2],勉強通行;平洞出口實測最大降雨強度52 mm/h[2],最大風速18 m/h[2](8級大風),勉強通行。總體上,小電站對外交通受限。
圖4 小電站對外交通(泄洪開始)Fig.4 External traffic of small power station(initial stage of flood discharge)
圖5 小電站對外交通(泄洪工況)Fig.5 External traffic of small power station during flood dis?charge
小電站滲漏集水井排水系統(tǒng)遠程IO柜和動力電源布置在前門出口下游54 m處的地面控制房內(nèi),控制房正下方40 m處為集水井。7月20日3時17分,泄洪流量4 520 m3/s,在集水井站房發(fā)現(xiàn)上部控制房大量霧雨沿豎井流下,同時集水井所在廊道(比下游水位低11 m)來水量也增大,全部兩臺泵連續(xù)運行80 min,停10 min后必須再次啟動,排水能力明顯不足。門窗損壞后,若不及時進行封堵,強霧雨極可能造成控制系統(tǒng)癱瘓,直接導致小電站滲漏抽排水癱瘓,進而引發(fā)水淹廠房。此時庫水位仍在上漲,4時47分,防汛指揮部果斷下令短時關閘檢查,發(fā)現(xiàn)門窗全部損壞,搶險人員用沙袋將窗戶全部封死并關閉窗戶內(nèi)側防雨門,在外部壘起1.5 m高雙層沙袋墻將損壞房門封住。險情排除人員安全撤離后,加大了下泄流量。
水布埡物資倉庫建于工程下游左岸1號公路北側叢家灣滑坡體范圍內(nèi)(其位置詳見圖1),未進行工程治理,其上、下游方向緊鄰臺子上和古樹包滑坡體?!?·19”大暴雨引發(fā)叢家灣滑坡體泥石流,使倉庫周邊和底部排水溝嚴重堵塞,沖毀了倉庫多處圍墻及擋土墻,洪水超過窗臺直接漫入倉庫一樓,導致一樓庫房物資遭雨水浸泡,倉庫大院裝卸場和倉庫四周淤滿泥漿和石渣,倉庫建筑物及重要機電物資安全直接受到威脅。
水布埡地下廠房滲水原因,一方面源自地下電站廠內(nèi)被動防滲體系故障,另一方面源自外部主廠房區(qū)域馬崖高邊坡主動防滲體系故障。
3.5.1 地下電站廠內(nèi)被動防滲體系
“7·19”期間,主廠房頂拱、暖通機房通風廊道、封閉母線下平洞交通廊道與發(fā)電機層間環(huán)縫、3F勵磁盤柜后墻面、主變室、GIS室、UPS室、直流室、電站管理樓屋面及交通豎井樓梯間等多處出現(xiàn)滲水,嚴重威脅機組安全運行。主要滲水原因是在暴雨和強霧化雨雙重作用下,廠房外圍山體處于飽和滲流狀態(tài),導致地下水抬高且壓力增大,滲點與附近排水孔之間存在不密實巖體結構面,加上排水孔堵塞,使地下水滲過噴混凝土,在頂拱臨空面出現(xiàn)散漏點,滲水無組織沿頂拱面往兩側邊墻流動,或向天花板滴落,滲水再從頂拱流到發(fā)電機層,乃至水輪機層,該范圍內(nèi)的任一排水孔、排水管、排水溝等設施損壞,流水又會再次滲出,嚴重危及周圍的發(fā)電設備。
3.5.2 主廠房區(qū)域馬崖高邊坡主動防滲體系
地下廠房完全置于馬崖高邊坡山腹內(nèi),主動防滲體系包括兩部分,一是馬崖高邊坡從230~490 m高程范圍內(nèi)設置了周邊截水溝、馬道排水溝、縱向排水溝等地表排水溝,二是高程300 m以下設置230 m、260 m、290 m三層地下排水洞。外水內(nèi)滲的主要原因有五點:(1)主廠房區(qū)域馬崖高邊坡范圍內(nèi),“7·19”降水強度遠遠超出原有排水設計標準;(2)高程400 m以上周邊截水溝、縱向排水溝、馬道排水溝多處堵塞或毀壞,導致400 m高程平臺積水下滲;(3)400 m高程平臺至315 m高程平臺逐級排水因明溝改成管溝(詳見圖6)、溝道堵塞、無分流措施等,導致排水能力嚴重不足,暴雨時外溢水形成雨簾濺射至變電所外墻(詳見圖7),墜落至315 m高程平臺形成積水;(4)315 m高程平臺因溝道裂縫、無分流措施而造成積水下滲;(5)290 m高程地下排水洞不能自流排水,造成洞內(nèi)積水下滲。
圖6 315 m高程變電所后邊坡排水系統(tǒng)Fig.6 Slope drainage system behind substation at 315 m ele?vation
圖7 315 m高程變電所后邊坡形成雨簾(“7·19”當天)Fig.7 Rain at slope behind substation on July 19
下游左岸溢洪道出口邊坡高程230~270 m噴錨支護混凝土坡面約5 800 m2范圍,以及下游右岸馬崖高邊坡下部尾水平臺上游側(高程290 m以下)掛網(wǎng)噴混凝土坡面約5 600 m2范圍,均處于Ⅰ級霧化降雨區(qū),受強霧化雨及水舌風影響,大風攜水直接導致邊坡支護體系損壞,加上邊坡巖體長期應力調(diào)整及日曬雨淋,多處巖體和噴混凝土受到不同程度的破壞。
左護岸混凝土破損部位分布在泄洪期間下游水位以下,面積約160 m2,破損表面可見明顯的水平向磨損痕跡,深約20~60 cm(如圖8所示)。破損處護岸處于左岸凹塘及右岸河灣對岸的特殊河道,泄洪消能模型試驗[3]表明,各級泄洪流量下該處河道區(qū)域均產(chǎn)生回流,且左岸凹塘貼岸處逆時針回流速度較大,約3~4 m/s,回流導致河道淘刷攜帶的砂石對該處護岸混凝土造成異常磨損,這是造成“7·19”泄洪左護岸破損的直接原因,間接原因是該處護岸為C25素混凝土結構,強度較低,抗沖耐磨性能較差。
圖8 下游左護岸混凝土破損情況Fig.8 Damage of concrete at downstream left bank
壩區(qū)滑坡體及工區(qū)道路地表排水溝受“7·19”暴雨影響,地表徑流具有匯水快、流速大等特點,嚴重淘刷排水溝附近地表土石,水流裹挾著大量土石沖進排水溝,滑坡體和公路的排水溝及跨路大型箱涵因淤堵失去正常排水功能。其中,1號公路、6號公路、2號公路路面沿線土石沖積物淤積厚度約30 cm,造成路面交通一度中斷;大巖淌、臺子上滑坡體受1號公路匯水影響后,溝內(nèi)匯水量遠超設計排水量,加之排水溝邊墻設計結構為抗沖刷能力較差的漿砌石結構,底板混凝土僅10 cm左右,兩個滑坡體長約300 m段排水溝在陡坡、轉彎處出現(xiàn)嚴重淘刷,溝底最大沖坑深1.5 m。
受“7·19”泄洪影響,量水堰自動化監(jiān)測及視頻監(jiān)控裝置全部報廢,防淘墻4個監(jiān)測站被摧毀,25支儀器電纜連根拔起。主要原因是量水堰、左右岸損毀測站均處于霧化最強烈區(qū)域,強水舌風與強霧雨相結合,直接將砌體觀測站及其儀器吹落江中,量水堰無論傳感器還是電源、通訊裝置的安裝高程均偏低,泄洪時下游水位漫過壩后量水堰堰頂5 m,遭水浸泡的量水堰電子設備全部損壞。
壩子溝后建鄉(xiāng)村公路在設計上與先建2號公路箱涵沒有銜接好,壩子溝、廟王溝等部分邊坡未采取有效支護,這些大型或深埋的排水設施未設計永久安全檢查通道和機械作業(yè)通道。6號公路邊坡垮塌導致大電站交通中斷,原因是設計時未排查出邊坡局部存在松散體,邊坡頂部未設置截水溝。小電站排水系統(tǒng)的地面控制房不應布置在強霧化區(qū)。物資倉庫背后叢家灣小滑坡體未做地勘,設計溝涵排水能力不足。主廠房區(qū)域馬崖高邊坡范圍內(nèi)排水設計標準偏低,廠房頂拱部位滲水集中區(qū)域排水孔明顯偏少,廠房頂拱、吊車梁、發(fā)電機層、水輪機層等排水溝布置空間太窄,不便于日常檢查、維護。左岸強霧化區(qū)工程邊坡防護標準不夠,暴雨和霧化雨通過已經(jīng)損毀的噴護邊坡巖石裂隙滲入小電站地下洞室,使其滲水加大。泄洪回流區(qū)護岸混凝土標號設計較低,且未布置鋼筋?;麦w和公路排水溝底板混凝土厚度設計較薄且未植筋,尤其在陡坡、轉彎處未采取特殊措施。監(jiān)測設施的安裝部位在設計上未避開泄洪影響區(qū),要么高標準建造測站站房,要么將儀器電纜引到不受泄洪影響區(qū)域。
通過對主廠房區(qū)域馬崖高邊坡的多次實地踏勘及與原設計圖紙對比,發(fā)現(xiàn)400 m高程平臺以上部分周邊截水溝未按設計圖紙施工、400 m高程平臺交通路側和靠山側排水溝未施工、400 m高程平臺集水井至壩后截水溝的斜坡明渠改成了?500的排水鋼管且多處拐彎,大壩與315 m高程平臺間銜接道路右側排水溝斷面尺寸未達到設計要求,在290 m高程部位也未按原設計直接排入江中。200~230 m高程之間混凝土護岸的11個區(qū)域破損原因與施工質量也有關系。
鑒于壩區(qū)3條排洪溝位于紅線范圍以外,加上對其危害性認識不足,運行期未納入正常運行管理范圍,未采取巡檢、清理、檢修等有效措施。運行期未定期對壩子溝泥石流、6號公路等邊坡、物資倉庫背后滑坡體、地下廠房水淹、泄洪影響區(qū)監(jiān)測設施等風險因素進行辨識、分析、評價并提出防范措施。馬崖高邊坡觀測道路和壩子溝鄉(xiāng)村公路等新建改造工程未充分考慮已建工程的設計理念,不僅未合理銜接,反而破壞了正發(fā)揮有效作用的工程措施。馬崖高邊坡、滑坡體、公路等排水系統(tǒng)問題不僅暴露出在工程收尾期及運行準備期,運行管理單位對工程的參與深度不夠,而且明顯反映出日常運行管理中巡查不到位、維護不到位、責任不到位等情況。“7·19”諸多水毀損失也暴露出運行單位人員在汛前和泄洪前的檢查、準備工作不充分,大橋左岸橋頭護岸被沖垮就是因為未提前采取措施將廟王溝山洪引排所致,損毀監(jiān)測設施完全可以在泄洪前加固或拆回,地下廠房險情危急是因為防滲堵漏物資儲備不足且沒有特制快速接水引排裝置所致。壩區(qū)公路及大部分土地已經(jīng)移交地方政府,包括主體建筑物周圍的9個滑坡體,由于公司與地方政府未建立聯(lián)動機制,未明確責任,公路排水溝缺陷未及時修補,滑坡體排水系統(tǒng)因墾殖而嚴重破壞,大大增加了工程安全風險。
水布埡“7·19”水毀事件是自工程投運以來發(fā)生的首次災害,以往在設計、施工、運行管理等過程中存在的紕漏,在大暴雨、大洪水、強霧化等特殊工況的考驗下一一暴露,引發(fā)了泥石流、邊坡垮塌、交通中斷、水淹廠房等風險,因應急響應及時,未出現(xiàn)人身傷亡和重大設備事故,但險情已十分危急,若暴雨、泄洪等工況加劇,后果將不堪設想。根據(jù)上述水毀成因分析與總結,提出如下相關經(jīng)驗和對策,供業(yè)內(nèi)借鑒。
(1)持之以恒、規(guī)范開展監(jiān)測、檢查、維護、加固、定檢、注冊、信息報送等常態(tài)工作。
(2)汛期實時收集上游主要水庫水位及運行情況,綜合自身實際,科學研判是否可能發(fā)生汛情,提前啟動水位消落計劃,降低汛限水位控制目標,利用預留防洪庫容攔蓄洪水,嚴格按批復調(diào)度運用計劃和省防總調(diào)度令進行水庫調(diào)度。
(3)建立健全應急預案體系,明確應急管理[4]原則,每年進行實戰(zhàn)演練,將預防、準備、響應、恢復、改進等工作落到實處。
(4)實施水電站“建管結合,無縫交接”模式。運行管理人員要全方位全過程參與工程建設,深入了解設計、施工等情況,尤其是在尾工階段,都要有針對性地提出有利于運行管理的設計要求和整改要求。樞紐工程投入運行時,應請設計方給運行方進行較為系統(tǒng)、全面的工程運行應用技術交底。交接前,建設方、運行方、設計方要三方一起排查運行期作業(yè)活動的風險點,對風險點內(nèi)的不同危險源實施必要的工程控制措施。
(5)大壩安全檢查務必有的放矢,務必先弄清檢查部位的設計意圖、施工缺陷、周邊環(huán)境后再作針對性檢查。每一個監(jiān)測點、檢查點都務必設置專用通道,消除沿途安全隱患,確保檢查人員安全。尤其要將主體建筑物邊緣地帶的治理工程納入日常檢查范圍,重要部位務必設置樁號、高程、標尺等大字號遠觀標牌。務必引進先進檢查裝備,對壩區(qū)實施全方位視頻監(jiān)控,如使用高清望遠鏡檢查人難以到達的部位,用無人機實時監(jiān)視泄洪影響區(qū)情況等。
(6)汛期尤其是極端降雨情況下要加大檢查力度,結合工程出現(xiàn)情況,進一步復核和檢驗已采取的各項措施的有效性。
(7)運行期要高度重視暴雨和泄洪霧化的影響,尤其要重視工程頭幾次泄洪霧化原型觀測以及霧化影響綜合監(jiān)測分析工作,根據(jù)其結果及時采取相應防護措施,優(yōu)化閘門操作規(guī)程。
(8)每年結合汛后檢查和年度詳查,采用風險評價指數(shù)矩陣法(RAC法)[5],對壩區(qū)自然環(huán)境、交通、邊坡、滑坡、沖溝、渣場、地下洞室等進行風險分析和評價,從運行管理角度提出相應的對策措施建議,形成電站壩區(qū)年度安全評價報告,為次年汛前準備和應急處置方案提供參考。
(9)水毀工程修復治理務必弄清原設計意圖,從系統(tǒng)層面分析原因,反復對比實況和原圖之后,尋求最佳設計方案。無論水毀修復還是日常維護,都應遵循“隨壞隨修”、“修必修好”的原則,不低于原設計標準,必要時進行專項設計。
(10)運行單位不僅要建立大壩安全在線監(jiān)控系統(tǒng),還要構建水電站安全風險分級管控和隱患排查治理雙重預防機制,確保盡早發(fā)現(xiàn)風險,消除隱患,降低大壩安全風險到可接受程度。 ■
[1]長江三峽勘測研究院有限公司.湖北省清江水布埡水電站壩子溝泥石流工程地質專題研究報告[R].2017.
[2]長江科學院.湖北清江水布埡溢洪道2016年度泄洪水力學原型觀測報告[R].2016.
[3]長江科學院.水布埡水利樞紐泄洪消能終結方案1∶100水工整體模型試驗研究報告[R].2003.
[4]杜德進.水電站大壩運行安全應急管理芻議[J].大壩與安全,2015(2):21-26.
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