江 超 ，盛金保 ，朱沁夏 ，范磊然

（1.南京水利科學(xué)研究院，210029，南京；2.水利部大壩安全管理中心，210029，南京）

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)現(xiàn)已建成壩高100 m及以上高壩大庫(kù)200余座。深孔泄水建筑物對(duì)保障高壩大庫(kù)安全至關(guān)重要，但隨著運(yùn)行時(shí)間的增長(zhǎng)推移，較多水庫(kù)（或水電站）深孔泄水建筑物閘門前堆積物不斷增加，導(dǎo)致閘門在啟閉時(shí)無(wú)法順利完成，嚴(yán)重影響工程安全運(yùn)行。如陜西省王瑤水庫(kù)無(wú)溢洪道，泄洪洞為工程唯一的泄洪設(shè)施，水庫(kù)自1972年建成投入運(yùn)行以來(lái)，泄洪洞頻繁堵塞，給工程安全運(yùn)行帶來(lái)巨大安全隱患，威脅著下游人民生命財(cái)產(chǎn)安全。龍口水利樞紐為黃河萬(wàn)家寨水利樞紐配套工程，其泄水建筑物以底孔為主，泄洪排沙洞淤堵現(xiàn)象比較嚴(yán)重，在2014年4月1日落#2泄洪排沙洞進(jìn)口事故門時(shí)，經(jīng)過(guò)反復(fù)起落試驗(yàn)，仍有約2.5 m不能閉合，造成蓄水量流失，影響工程經(jīng)濟(jì)效益。

2016年10月，南京水利科學(xué)研究院聯(lián)合中國(guó)長(zhǎng)江三峽集團(tuán)公司、中國(guó)水利水電科學(xué)研究院、長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司、黃河水利委員會(huì)黃河水利科學(xué)研究院、大連理工大學(xué)、四川大學(xué)、河海大學(xué)、鄭州大學(xué)等十多家單位承擔(dān)了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“重大水利工程大壩深水檢測(cè)及突發(fā)事件監(jiān)測(cè)預(yù)警與應(yīng)急處置”。為做好項(xiàng)目中“深孔泄水建筑物疏堵與閘門修復(fù)技術(shù)及裝備”的課題研究，全面了解我國(guó)水庫(kù)深孔泄水建筑物進(jìn)口閘門前堆積物的堆積現(xiàn)狀及其對(duì)閘門安全運(yùn)行的影響程度，以為下一步項(xiàng)目研究奠定基礎(chǔ)，課題組采用調(diào)研問(wèn)卷與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地考察相結(jié)合的方式開(kāi)展了調(diào)研。

一、深孔泄水建筑物統(tǒng)計(jì)分析

當(dāng)前我國(guó)壩高30 m（含）以上且有深孔泄水建筑物的水庫(kù)共有約1062座。

1.按壩高統(tǒng)計(jì)

在上述水庫(kù)中，壩高小于70 m的有938座；高于70 m（含）而小于100 m的有89座；高于100 m（含）的有35座。其中，有深孔泄水建筑物的水庫(kù)以低于70 m的大壩為主，占總數(shù)的88%，與我國(guó)水庫(kù)大壩壩高分布比例基本一致，符合我國(guó)水庫(kù)實(shí)際情況。

2.按規(guī)模統(tǒng)計(jì)

壩高30 m及以上有深孔泄水建筑物的水庫(kù)中，大 （1）型水庫(kù)有35座，大（2）型水庫(kù)有113座，中型水庫(kù)有 477 座，?。?）型水庫(kù)有 363 座，?。?）型水庫(kù)有74座。其中，有深孔泄水建筑物的中型水庫(kù)在此類水庫(kù)中所占比例最大，為45%；其次為小型水 庫(kù) ， 小 （1） 型 與 小 （2） 型 合 計(jì) 占41%，小型水庫(kù)雖占我國(guó)水庫(kù)數(shù)量的90%以上，但壩高超過(guò)30 m的水庫(kù)較少，故在此類水庫(kù)中數(shù)量要小于中型水庫(kù)；大型水庫(kù)所占比重最小，大（1）型與大（2）型合計(jì)占14%，主要因大型水庫(kù)占水庫(kù)總數(shù)的比例本身較小。

3.按壩型統(tǒng)計(jì)

壩高30 m及以上有深孔泄水建筑物的水庫(kù)中，重力壩有201座，土石壩有713座，拱壩有148座。其中，土石壩在此類水庫(kù)中所占比重最大，為67%，重力壩與拱壩合計(jì)占33%。土石壩約占我國(guó)水庫(kù)大壩總數(shù)的95%，重力壩與拱壩只占水庫(kù)大壩總數(shù)的5%，但土石壩與其他壩型占此類水庫(kù)的比例分別為67%、33%，表明混凝土壩、拱壩兩種壩型設(shè)置深孔泄水建筑物的比例遠(yuǎn)高于土石壩。

4.按地區(qū)統(tǒng)計(jì)

壩高30 m及以上有深孔泄水建筑物的水庫(kù)中云南省數(shù)量最多，有149座，排名2～10位的依次為浙江、陜西、山西、廣東、福建、四川、河南、新疆、河北， 分別有該類水庫(kù) 98、94、63、62、55、47、46、46、43 座。 按省份統(tǒng)計(jì)見(jiàn)圖 1。

云南省有此類水庫(kù)數(shù)量最多，主要因云南為我國(guó)水電開(kāi)發(fā)基地，不僅水庫(kù)數(shù)量多，且高壩大庫(kù)多分布于此，較多高壩大庫(kù)都設(shè)置了深孔泄水建筑物；陜西、山西、河南、新疆、河北等水土流失相對(duì)較嚴(yán)重省份此類水庫(kù)數(shù)量同樣較多，主要因這些區(qū)域的水庫(kù)多有排沙需求，通過(guò)設(shè)置深孔泄水建筑物泄水排沙，減緩水庫(kù)淤積速度。浙江、廣東、福建、四川等省水電開(kāi)發(fā)程度高，高壩大庫(kù)同樣較多，相應(yīng)此類水庫(kù)數(shù)量也多。

5.按閘門型式統(tǒng)計(jì)

壩高30 m及以上有深孔泄水建筑物的水庫(kù)中，深孔泄水建筑物進(jìn)口閘門為平板閘門的有560座，為弧形閘門的有427座，其他型式閘門的有75座。平板閘門與弧形閘門為深孔泄水建筑物進(jìn)口閘門型式的主體，占93%，其中平板閘門所占比例比弧形閘門更高，兩類閘門所占比重分別為53%與40%。

二、深孔閘門前堆積現(xiàn)狀調(diào)研分析

2017年11月，水利部大壩安全管理中心以公函形式印發(fā) 《關(guān)于協(xié)助填寫水庫(kù)（或水電站）深孔泄水建筑物門前堆積情況調(diào)研問(wèn)卷的函》，組織各相關(guān)水庫(kù)（或水電站）填寫調(diào)研問(wèn)卷。調(diào)研對(duì)象為部分壩高70 m且有深孔泄水建筑物的水庫(kù)，調(diào)研內(nèi)容包括工程基本情況、深孔泄水建筑物基本情況、閘門前堆積程度、堆積物主要成分、閘門前堆積清理情況、閘門前堆積監(jiān)測(cè)情況、閘門前堆積預(yù)防與清理建議等。共發(fā)放問(wèn)卷58份，回收問(wèn)卷32份，占發(fā)放問(wèn)卷總數(shù)的55%。

1.深孔閘門前堆積整體情況

閘門前堆積嚴(yán)重程度定義為：堆積物影響到閘門啟閉操作的為 “嚴(yán)重”，不影響啟閉操作但存在堆積問(wèn)題的為“輕微”，介于“嚴(yán)重”和“輕微”間的為“中等”，不存在堆積問(wèn)題的為“無(wú)”。提交問(wèn)卷的32座水庫(kù)中，共有13座水庫(kù)存在閘門前堆積問(wèn)題，占調(diào)研水庫(kù)總數(shù)的41%，其中10座水庫(kù)堆積輕微，1座水庫(kù)堆積中等，2座水庫(kù)堆積嚴(yán)重。

當(dāng)前在有深孔泄水建筑物的水庫(kù)中，閘前存在堆積問(wèn)題的水庫(kù)比例較高，為41%，閘前堆積主要受入庫(kù)泥沙含量、流速、水深、時(shí)間、運(yùn)行方式等因素影響。堆積嚴(yán)重程度中等以上的水庫(kù)只占9%，主要因較多工程建成時(shí)間不長(zhǎng)，閘前泥沙堆積問(wèn)題暫不突出。隨著工程運(yùn)行時(shí)間的推移，我國(guó)將會(huì)有越來(lái)越多的水庫(kù)存在深孔閘前泥沙堆積問(wèn)題。

2.堆積物主要成分與來(lái)源

根據(jù)問(wèn)卷調(diào)研結(jié)果，堆積物主要成分為碎石和泥沙。如新疆石門水電站堆積物主要成分為沉積泥沙及小石，丹江口、湖北芭蕉河、云南茄子山、黃河三門峽、陜西石門、嘉陵江亭子口、四川武都、黃河小浪底水庫(kù)堆積物主要成分為泥沙，重慶鯉魚(yú)塘、四川升鐘水庫(kù)堆積物主要成分為淤泥，新疆石門子水庫(kù)堆積物主要成分為上游河道推移質(zhì)。經(jīng)分析其主要來(lái)源包括：①上游庫(kù)區(qū)水土流失帶來(lái)的泥沙；②施工期遺留的建筑垃圾，如混凝土、腳手架鋼管、卡扣件、施工模板、焊條、鋼筋等；③上游洪水帶來(lái)的沖積物；④上游滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害帶來(lái)的碎石與泥沙。

3.堆積物影響閘門啟閉事故

提交問(wèn)卷的32座水庫(kù)中，共有4座水庫(kù)曾經(jīng)發(fā)生過(guò)影響閘門啟閉的事故，但并未產(chǎn)生嚴(yán)重后果，占調(diào)研水庫(kù)總數(shù)的13%。事故共可分為2類，一類為閘門前堆積物過(guò)多導(dǎo)致啟

圖1 有深孔泄水建筑物水庫(kù)省份統(tǒng)計(jì)情況

門力增加，致使閘門無(wú)法順利提升；另一類為閘門門檻或門槽因石子、泥沙堆積或卡阻，致使閉門不嚴(yán)而導(dǎo)致水量流失。

4.堆積物清理工作開(kāi)展情況

提交問(wèn)卷的32座水庫(kù)中，共有6座水庫(kù)開(kāi)展過(guò)閘門前堆積物清理工作，約占調(diào)研水庫(kù)總數(shù)的20%。當(dāng)前這些水庫(kù)采用的主要清理手段可總結(jié)為3類：①采用機(jī)械設(shè)備或人工潛入水下進(jìn)行清理；②通過(guò)泄洪或泄水沖刷底孔閘門前堆積物；③上述2種方式相結(jié)合使用。

5.堆積物監(jiān)測(cè)情況

提交問(wèn)卷的32座水庫(kù)中，共有7座水庫(kù)開(kāi)展過(guò)進(jìn)口堆積物監(jiān)測(cè)工作，占調(diào)研水庫(kù)總數(shù)的22%。當(dāng)前深孔閘門前堆積物監(jiān)測(cè)手段主要有：①壩前布置斷面與測(cè)點(diǎn)測(cè)量深孔泄水建筑物進(jìn)水口淤沙高程，測(cè)量方式又分人工和自動(dòng)化測(cè)量?jī)深?。如黃河三門峽水利樞紐一般在汛期人工使用皮尺測(cè)量深孔閘門前堆積情況，小浪底水利樞紐則在排沙洞進(jìn)水口上方安裝了一套SES-2000淺地層剖面儀，實(shí)現(xiàn)了進(jìn)水塔前泥沙堆積高程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。②在深孔泄水建筑物進(jìn)水口前安裝水下監(jiān)控設(shè)備如水下電視、水下攝像頭，實(shí)時(shí)監(jiān)控閘門前堆積物情況。③采用上述2種方式聯(lián)合監(jiān)測(cè)。

6.堆積物清理建議與對(duì)策

提交問(wèn)卷的32座水庫(kù)中，共有11座水庫(kù)就深孔閘門前堆積物清理工作提供了意見(jiàn)與建議，占調(diào)研水庫(kù)總數(shù)的35%。經(jīng)歸納總結(jié)，有益建議與對(duì)策如下：

①開(kāi)展深孔閘門前堆積物清理專項(xiàng)設(shè)計(jì)研究。設(shè)計(jì)一套帶高壓沖水和大功率抽水功能的沉箱系統(tǒng)，在深孔未運(yùn)行期間，定期提出水面分析堆積物成分及堆積速率，確定清理方案并實(shí)施；設(shè)計(jì)一套帶視頻監(jiān)控（或聲吶）、測(cè)量、堆積物取樣及沖吸堆積物的智能水下機(jī)器人系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)、按需清理。

②加強(qiáng)深孔閘門前堆積物監(jiān)測(cè)。采用水下地形實(shí)時(shí)測(cè)量與水下監(jiān)控設(shè)備相結(jié)合的方式，在深孔泄水建筑物進(jìn)水口位置設(shè)置堆積物監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)門前堆積狀況，為制定相應(yīng)的清理方案提供科學(xué)支撐。

③強(qiáng)化閘門運(yùn)行調(diào)度，以泄水（洪）排沙為主，必要時(shí)采取人工或機(jī)械清理措施。深孔閘門前堆積的泥沙，大多可以通過(guò)閘門優(yōu)化調(diào)度泄水（洪）清理，對(duì)于板結(jié)程度高的泥沙或水流無(wú)法清理的堆積物，可借助人工和機(jī)械清理措施進(jìn)行徹底清理。

三、展 望

針對(duì)當(dāng)前存在且將來(lái)可能更加嚴(yán)重的深孔閘門前堆積物影響閘門安全運(yùn)行問(wèn)題，建議下一步重點(diǎn)開(kāi)展以下方面的研究工作：

①通過(guò)文獻(xiàn)調(diào)研方式，必要時(shí)選取深孔閘門前堆積嚴(yán)重的典型水庫(kù)進(jìn)行堆積物取樣分析，研究我國(guó)不同流域水庫(kù)深孔閘門前堆積物組成與特點(diǎn)，提出深孔閘門前堆積物分類方法，為研究制定不同類堆積物的清理措施奠定基礎(chǔ)。

②在調(diào)研與取樣分析基礎(chǔ)上，挖掘影響閘門前堆積物形成的主要因子，包括水深、流速、時(shí)間、泥沙含量、進(jìn)水口型式與尺寸、運(yùn)行方式等，并分析各因子對(duì)堆積物形成的影響過(guò)程與機(jī)理。以各影響因子為主要評(píng)價(jià)指標(biāo)，構(gòu)建深孔閘門前堆積物嚴(yán)重程度評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，用于快速定性評(píng)價(jià)門前堆積物對(duì)閘門啟閉的影響程度。

③在前人研究基礎(chǔ)上，開(kāi)展堆積物影響閘門啟閉機(jī)理的基礎(chǔ)理論研究，通過(guò)模型試驗(yàn)，分析確定不同泥沙堆積高度、顆粒級(jí)配組成、泥沙板結(jié)程度對(duì)閘門啟閉的影響，進(jìn)而確定不影響閘門正常啟閉的不同堆積物臨界堆積高度，用于指導(dǎo)制定科學(xué)合理的閘門調(diào)度運(yùn)用方式。

④開(kāi)展深孔閘門前堆積物監(jiān)測(cè)方法研究。當(dāng)前《混凝土壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》（SL 601—2013）、《土石壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》（SL 551—2012）均包含“壩前堆積”監(jiān)測(cè)技術(shù)方法，但相較“變形監(jiān)測(cè)”“滲流監(jiān)測(cè)”等監(jiān)測(cè)項(xiàng)目?jī)?nèi)容明顯偏少，只規(guī)范了總體的布置原則與推薦方法，且用于指導(dǎo)監(jiān)測(cè)深孔閘門前堆積物的針對(duì)性與可操作性不強(qiáng)，建議開(kāi)展相關(guān)專題研究。

⑤研制100 m級(jí)深水環(huán)境下的深孔自推進(jìn)疏堵成套裝備。在100 m級(jí)深水環(huán)境下，不僅水壓大、可見(jiàn)度差，且水下環(huán)境復(fù)雜，采用常規(guī)的人工和機(jī)械清淤手段較難取得實(shí)效。因此，亟需研究一套能夠在深水環(huán)境下自推進(jìn)的清淤設(shè)備，通過(guò)遠(yuǎn)程遙控其高效行進(jìn)至堆積物周圍并進(jìn)行堆積物清理，可極大提高堆積物清理效率。 ■