孟相君,薛 洋,童景輝
(國家能源局大壩安全監(jiān)察中心,浙江杭州,311122)
大壩安全突發(fā)事件指突然發(fā)生的造成或者可能造成大壩及上下游人民群眾生命、財產(chǎn)、經(jīng)濟損失和嚴重環(huán)境危害,需要采取應急處置方案予以應對的緊急事件。對大壩安全突發(fā)事件進行風險分析是編制水電站大壩運行安全應急預案或潰/垮壩應急預案的關鍵環(huán)節(jié)。突發(fā)事件的分類分級必須結(jié)合水電站大壩實際情況,對突發(fā)事件進行危險因素辨識和風險評估,明確可能發(fā)生的突發(fā)事件類型,分析對大壩運行安全的影響和后果嚴重程度。
根據(jù)DL/T 1901—2018《水電站大壩運行安全應急預案編制導則》,大壩安全突發(fā)事件主要分為以下四類:
(1)自然災害類:洪水、凌汛、地震、地質(zhì)災害等。
(2)事故災難類:上游潰壩或上游水電站非正常泄水;水庫大體積漂浮物或失控船舶撞擊大壩或堵塞泄洪設施;大壩結(jié)構或壩基、壩肩的缺陷、隱患突然惡化;泄洪設施和相關設備不能正常運用;水庫調(diào)度不當,水電站運行、維護及檢修不當。
(3)社會安全事件類:戰(zhàn)爭、恐怖襲擊、人為破壞事件。
(4)其他突發(fā)事件。
某工程樞紐由攔河壩、泄洪排沙建筑物和混合式發(fā)電廠房組成,設計洪水重現(xiàn)期1 000年,校核洪水重現(xiàn)期10 000年,死水位1 694.00 m,設計汛限水位1 726.00 m,設計洪水位(正常蓄水位)1 735.00 m,校核洪水位1 738.00 m,為不完全年調(diào)節(jié)水庫。
攔河壩由混凝土重力壩和右岸土壩組成,壩頂高程1 739.00 m,最大壩高147.0 m。泄洪排沙建筑物包括溢洪道、泄洪洞、泄水道、排沙洞和新建排沙洞。溢洪道共3孔,堰頂高程1 715.00 m,挑流消能;泄洪洞進口底板高程1 675.00 m,挑流消能;泄水道進口分為2孔,底板高程1 665.00 m,挑流消能;排沙洞進口底板高程1 665.00 m,平射擴散消能;新建排沙洞進口底板高程1 665.00 m,挑流消能;泄洪建筑物最大下泄流量8 790 m3/s。
原設計工程區(qū)地震基本烈度為Ⅶ度,主壩按9度設防,右岸土壩按8.5度設防,聯(lián)接副壩及兩岸混凝土副壩按8度設防。
2.1.1 洪水
大壩設計洪水洪峰流量8 860 m3/s,校核洪水洪峰流量10 800 m3/s,對應庫水位分別為1 735.00 m和1 738.00 m。大壩日常運行時,與上游龍頭水庫進行聯(lián)合防洪調(diào)度,經(jīng)聯(lián)合調(diào)度后,大壩防洪標準可達到可能最大洪水(PMF)標準。
根據(jù)2019年5月汛限水位論證報告,將洪水系列延長至2015年進行洪水復核,其設計洪峰流量9 110 m3/s,校核洪峰流量11 230 m3/s,與原設計成果相差在5%以內(nèi)。根據(jù)2013年實測庫容,調(diào)洪庫容因淤積損失4.47%。采用聯(lián)合防洪調(diào)度,該壩在遭遇洪峰流量為13 300 m3/s的可能最大洪水時,最高庫水位為1 737.18 m,低于原校核洪水位1 738.00 m,上游龍頭水庫的調(diào)蓄作用提高了該壩的防洪能力。
該壩與龍頭水庫間河段長333 km,區(qū)間流域面積占該壩壩址控制流域面積的28%,區(qū)間環(huán)境復雜、不確定因素多,支流上還有已建的一系列大中型水電站。該壩上游干流、支流上的水電站大多以發(fā)電為主,除龍頭水庫外基本都沒有防洪任務和洪水調(diào)蓄能力。干流洪水期間,如果區(qū)間支流受局地暴雨等極端天氣影響出現(xiàn)較高標準的洪水,則將顯著影響該壩的防洪安全。
因此,在上游龍頭水庫安全運行、兩庫聯(lián)合調(diào)度方案正常實施的情況下,該壩具備抵御可能最大洪水的能力,不會發(fā)生漫壩。但在龍頭水庫大壩因自身險情無法保證下泄流量控制,聯(lián)合調(diào)度不能正常實施,干流洪水期間支流水電站因各種原因而加大泄水甚至潰壩等情況下,仍可能導致該壩發(fā)生漫壩,甚至潰壩。
2.1.2 凌汛
該壩所在河流凌汛主要發(fā)生在上游寧蒙河段、中游北干流河段、下游河段及上中游水庫庫尾河段,凌汛期為11月1日至翌年3月31日。該壩不處于河流凌汛河段,而且凌汛威脅主要取決于氣溫變化、河道槽蓄水增量、上游來水情況等,在上游梯級電站投運、兩庫聯(lián)合調(diào)度運行后,流域調(diào)洪能力增強,凌汛期的流量保證率提高,該壩發(fā)生冰凌堆積、冰塞、冰壩的可能性很低。
2.1.3 地震
該壩壩址無區(qū)域性深大且具有活動性的斷裂構造通過,不具備發(fā)生強烈地震的地質(zhì)構造背景,在區(qū)域地質(zhì)上屬于穩(wěn)定地塊。水庫蓄水后未發(fā)生水庫誘發(fā)有感地震。
原水利電力部關于該壩地震烈度的批復為:“壩址區(qū)地震基本烈度為Ⅶ度;混凝土主壩、右岸土壩及刺墻、擋土墻結(jié)構設防烈度為9度;左右岸混凝土重力副壩及電站廠房設防烈度為8度;其他附屬建筑物為7度”。設計實際采用的設防烈度為主壩9度,右岸土壩8.5度,其他建筑物8度。
根據(jù)GB 18306—2015《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》,壩址區(qū)50年超越概率10%的地震動峰值加速度為0.15g,相應基本烈度仍為Ⅶ度。根據(jù)DL 5180—2003《水電樞紐工程等級劃分及設計安全標準》的規(guī)定,本工程抗震設防烈度為8度,大壩抗震設計標準滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。
原設計主壩、左右副壩和右岸土壩在地震工況下的抗滑穩(wěn)定和壩基應力滿足規(guī)范要求。1989年大壩安全首次定檢時,按實測揚壓力、淤沙高程進行了抗震復核,主壩在9度地震工況下,抗滑穩(wěn)定和壩基應力滿足規(guī)范要求,左、右岸混凝土副壩的穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求。但右岸土壩以8.5度地震工況(水位1 735 m+地震)復核時,其穩(wěn)定安全系數(shù)Kcmin=1.04,略小于規(guī)范要求的Kcmin≥1.05。如果在高水位遭遇8.5度及以上的地震工況,有可能發(fā)生結(jié)構破壞,甚至有潰壩風險。
因此,遭遇設防標準以內(nèi)的地震時,該壩總體上是安全的。一旦遭遇超設防標準的地震,極易造成右岸土壩結(jié)構破壞以至潰壩,同時地震可能造成混凝土壩上部結(jié)構破壞、閘門變形、邊坡垮塌,引發(fā)閘門無法正常啟閉、庫水無法正常下泄等問題,導致發(fā)生漫壩、潰壩事故。
2.1.4 地質(zhì)災害
2017年廠區(qū)地質(zhì)災害危險性評估表明,區(qū)內(nèi)發(fā)育有3處滑坡、25處不穩(wěn)定邊坡。3處滑坡災害中,2處危險性中等(分別為Ⅰ號和Ⅱ號滑坡體)、1處危險性?。?5處不穩(wěn)定邊坡災害中,2處危險性大(分別對應壩后右岸出線場邊坡及泄洪洞出口邊坡)、12處危險性中等、11處危險性小。
近壩庫岸邊坡總體穩(wěn)定性較好,庫區(qū)支流河谷左岸發(fā)育Ⅰ號、Ⅱ號2處滑坡體,分別距壩1 600 m和2 000 m。Ⅰ號滑坡體為巖質(zhì)滑坡,部分滑體已滑入庫內(nèi),滑坡體后緣發(fā)育一條長約75 m、寬8~10 cm的拉裂縫。后緣高程1 800 m(高于正常蓄水位65 m),總體積約3.2萬m3。Ⅱ號滑坡體為巖質(zhì)滑坡,滑坡體后緣發(fā)育1條長約120 m、寬10~15 cm的拉裂縫。后緣高程1 785 m(高于正常蓄水位50 m),總體積約13萬m3。兩滑坡體都有過較大幅度的坐落式滑移,目前后緣仍發(fā)育有拉裂縫,在暴雨、地震等特殊工況下,Ⅰ號和Ⅱ號滑坡均有失穩(wěn)下滑可能。由于兩滑坡規(guī)模較小,且距離大壩較遠,對大壩及相關建筑物無明顯影響。
右岸壩肩邊坡發(fā)育Ⅳ級階地,地層巖性從上至下依次為第四系黃土、砂礫石、第三系紅砂巖和前震旦系變質(zhì)巖,副壩壩頂高程以上則主要為黃土層,邊坡穩(wěn)定性好。右岸壩后邊坡整體穩(wěn)定,其中:尾水區(qū)邊坡裸露基巖已經(jīng)進行了噴錨處理,穩(wěn)定性好;出線場邊坡頂部基巖裸露,巖石堅硬且較完整,邊坡及周邊基巖產(chǎn)狀穩(wěn)定,局部可能出現(xiàn)松動掉塊;泄洪洞出口邊坡巖層走向與洞臉邊坡夾角?。ɑ緦夙樝蚱拢?,坡度較緩,坡面平直光滑,坡面已做錨固支護處理,但側(cè)向邊坡陡峻,局部呈倒坡,巖體中斷層發(fā)育,表部風化卸荷較嚴重,側(cè)坡上部巖體卸荷松弛,穩(wěn)定條件較差,存在掉塊的可能。
由此可見,庫區(qū)左岸滑坡體距離壩址較遠、規(guī)模不大,即使失穩(wěn)對大壩安全影響也不大。下游河岸地質(zhì)災害點多,發(fā)生小規(guī)模塌方和掉塊的可能性大。大壩下游河道狹窄、兩岸山高坡陡,加上水電站泄水設施采取挑流消能,大流量泄洪時下游霧化問題嚴重,容易引發(fā)霧化導致的邊坡滑塌,可能威脅新廠房、泄水道、進廠公路等建筑物安全。
2.2.1 上游水庫大壩潰決
該壩上游干流、支流上已建設一系列梯級水電站。上游干流已建梯級水庫(水電站)12座,包括大型水庫5座,庫容分別為272.6億m3、10.79億m3、17.5億m3、6.2億m3和2.635億m3;上游支流有大中型水電站3座,庫容分別為9.85億m3、0.085億m3和0.174億m3。其中,3座大壩的校核洪水設防標準低于該工程,當流域遭遇重現(xiàn)期10 000年的洪水時,有些大壩可能因超過其設防標準而潰決。一旦上述大型水庫發(fā)生垮壩,潰壩洪水將對該壩運行安全造成重大影響,甚至導致該壩潰壩。
2.2.2 水庫大體積漂浮物、失控船只撞擊堵塞泄洪設施
該工程水庫面積131 km2、回水長度66 km,庫區(qū)兼有航運、旅游功能,庫區(qū)水域船只較多,平時大多停泊于壩址上游右岸碼頭,存在船只因水庫泄洪或其他原因出現(xiàn)故障而失控或沉船的可能。若船只失控,可能沖撞壩體,堵塞溢洪道,或沉船影響泄水道、泄洪洞、排沙洞的正常運行,影響庫水下泄,甚至導致漫壩、潰壩。
2.2.3 大壩基礎破壞
壩址為前震旦系云母石英片巖,主壩及地下廠房區(qū)多屬微風化整體結(jié)構或塊狀結(jié)構巖體,透水性小。巖層產(chǎn)狀受背斜控制,總體傾向下游偏右岸。通過壩基的斷層有10多條;壩基內(nèi)構造裂隙發(fā)育,層面裂隙和順層構造擠壓破碎帶在左壩肩較為發(fā)育,河床壩段也有一定數(shù)量分布。
左岸副壩壩基巖性主要為云母石英片巖,大部為弱風化巖體,近壩頂處局部為強風化云母石英片巖和第三系紅砂巖;右岸混凝土副壩壩基出露的巖石為前震旦系云母石英片巖,巖體中小斷層發(fā)育,并發(fā)育四組構造裂隙,呈弱風化;聯(lián)接副壩壩基巖性以云母石英片巖為主,巖體中構造裂隙及順層構造擠壓破碎帶較發(fā)育;右岸土壩部分壩基為前震旦系云母石英片巖,部分壩基為階地砂礫石層。
施工開挖過程中,對壩基淺表層的薄層狀及松動巖體均進行了清除,對壩基范圍內(nèi)較明顯的構造擠壓破碎帶進行了刻槽深挖并回填混凝土,對壩基巖體進行了系統(tǒng)固結(jié)和帷幕灌漿處理,并設三排縱向排水幕和兩排橫向排水幕。對右岸土壩,在壩體填筑前進行了水泥黏土防滲帷幕灌漿,砂礫石層上的心墻基礎設截水槽,截水槽基礎開挖至前震旦系云母石英片巖或紅砂巖層中。
根據(jù)2020年大壩安全第五次定期檢查報告,主壩壩基河床部位部分壩段實測最大揚壓系數(shù)大于設計值0.20。由于帷幕后揚壓力測點監(jiān)測區(qū)域有限,不排除多個局部位置揚壓力水頭超過設計值的可能性;右岸土壩實測壩基砂礫石層內(nèi)最大水力坡降為0.23,接近設計允許值0.25。地下廠房上游壁地下水位偏高,雖采取多項措施后有所降低,但仍高于設計值。
因此,該壩長期運行仍不能排除主壩及混凝土副壩壩基防滲體系弱化、滲漏加重的可能,以及右岸土壩因壩基防滲體系損壞,滲漏大幅增加,進而發(fā)生下游坡腳大量涌水翻砂等滲透破壞的可能。一旦發(fā)現(xiàn)、處理不及時,或疊加地震、高水位荷載作用,可能導致其他重大險情,甚至潰壩。
2.2.4 結(jié)構破壞
壩址地震烈度較高,主壩設防烈度達9度。為增加陡坡壩塊的側(cè)向穩(wěn)定性,提高抗震能力,工程建設時采取了對1 715 m高程以下橫縫進行灌漿,形成整體式重力壩,并在部分壩段下游增加補角,提高邊坡壩塊的混凝土標號等綜合措施。自1989年首次定檢以來,該大壩已經(jīng)過五次定檢,均被評定為正常壩。
右岸土壩用當?shù)夭牧希S土、石碴、砂礫料)堆筑而成,為擋水建筑物中相對薄弱壩段。土石壩運行期間,其材料強度和防滲性能可能下降,不排除產(chǎn)生滑坡、裂縫、滲流破壞的可能。
該壩泄水設施種類多、作用水頭大、工作條件復雜,投運最早的泄水道自1967年投運以來,運行時間已經(jīng)超過50年,加上泄水道、泄洪洞、排沙洞的檢修門槽及前段進水口常年處于水下,沒有條件進行日常檢查維修,更容易發(fā)生嚴重的空蝕和磨蝕破壞,甚至出現(xiàn)閘門等金屬結(jié)構破壞。溢洪道未設置事故檢修門,運行中閘門一旦破壞、垮塌,容易引發(fā)庫水無控制泄放。
綜上所述,該大壩混凝土壩段本身安全裕度較大,正常運行發(fā)生破壞的可能性不大。除右岸土壩可能因各種原因發(fā)生滑坡、滲透破壞等事故外,泄水建筑物的缺陷問題較多,不排除在長期運行過程中發(fā)生氣蝕破壞等事件的可能,如果發(fā)現(xiàn)、處理不及時,極易引起泄洪安全事故,最終導致漫壩、潰壩。
2.2.5 水庫泥沙淤堵泄洪設施
庫區(qū)來水含沙量大,年輸沙量0.89億t,存在泥沙在閘門前淤積的情況,可能會影響閘門啟閉和水庫泄水能力,影響大壩正常泄洪,最終可能導致漫壩、潰壩事故發(fā)生。
2.2.6 運行管理事故
大壩長期運行管理過程中,人為疏漏或設備儀器故障會影響對壩體運行狀態(tài)的實時監(jiān)測,不能及時反映壩體真實工作狀態(tài),因此難以對大壩運行異常作出及時反應,一旦事態(tài)擴大,可能引發(fā)大壩安全事故。
該水電站大壩地處西北要道,所在地是內(nèi)地連接新疆和西藏的重要經(jīng)濟通道,且水庫距離下游省會城市僅100 km。該省會城市是西北地區(qū)重要的工業(yè)基地和綜合交通樞紐、西部地區(qū)重要的中心城市之一、絲綢之路經(jīng)濟帶的重要節(jié)點城市,戰(zhàn)略價值高。當?shù)厣鐣€(wěn)定,但依然面臨著恐怖主義、境外非法勢力滲透等安全問題。
大壩戰(zhàn)略價值高,不排除發(fā)生戰(zhàn)爭時遭遇空襲的可能,一旦大壩受到戰(zhàn)亂波及,可能會造成大壩結(jié)構損毀重大險情,甚至潰壩,直接威脅下游城市安全。因此,存在因戰(zhàn)爭、恐怖襲擊或人為破壞等社會因素導致潰壩或重大險情的可能。
按照上述分析,根據(jù)該壩工程實際情況,其受凌汛影響或地質(zhì)災害影響發(fā)生潰壩的可能性基本不存在,但遭遇超標準洪水、強震、上游水庫潰壩、水庫大型漂浮物失控、大壩結(jié)構缺陷持續(xù)惡化、運行管理事故及戰(zhàn)爭、恐怖襲擊或人為破壞等突發(fā)事件均可能導致漫壩或潰壩。因此,可能導致該大壩漫壩或潰決的突發(fā)事件主要有以下幾類:
(1)遭遇超標準洪水,或與上游龍頭水庫聯(lián)合調(diào)度無法正常實施;
(2)壩址遭遇超過設防烈度的地震,導致大壩、尤其是右岸土壩破壞;
(3)副壩防滲措施或壩體結(jié)構缺陷持續(xù)惡化,發(fā)生滲透破壞,導致副壩破壞或垮塌;
(4)閘門,尤其是溢洪道工作閘門破壞導致庫水無控制泄放,或泄水設施泄洪過程發(fā)生氣蝕破壞,影響大壩正常泄洪;
(5)壩址上游干流、支流大中型水庫發(fā)生潰壩事故,引發(fā)漫壩、潰壩,或上游龍頭水庫泄水失控;
(6)庫區(qū)船舶等大型漂浮物失控、沉沒而堵塞泄水建筑物進水口,導致泄流設施堵塞或無法開啟;
(7)庫區(qū)來水含沙量大,泥沙淤積嚴重時可能淤堵泄洪設施,影響水庫泄水能力;
(8)戰(zhàn)爭、恐怖襲擊或人為破壞導致潰壩或溢洪道等上部結(jié)構嚴重損壞,導致庫水無控制泄放。
筆者結(jié)合某水電站的工程樞紐布置和結(jié)構特點、運行特性,對大壩可能遭遇的突發(fā)事件進行了詳細的分析,明確了突發(fā)事件發(fā)生的可能性、特點和其對大壩安全的影響和后果嚴重程度,為編制水電站大壩運行安全應急預案或潰/垮壩應急預案提供依據(jù)。根據(jù)分析結(jié)果,編制應急預案時可以更加有針對性地建立監(jiān)測預警、信息報告、應急響應、搶險處置機制,滿足科學、實用、便于操作等要求?!?/p>