杜雪珍，王櫻畯，汪 振

（1.國家能源局大壩安全監(jiān)察中心，浙江 杭州，311122；2.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州，311122；3.浙江省抽水蓄能工程技術研究中心，浙江 杭州，311122）

1 概述

河岸式溢洪道是土石壩或河床狹窄、壩身溢流空間受限的混凝土壩常見的泄洪建筑物型式。河岸式溢洪道總體可靠性較好，但長期運行中，有些問題會不同程度影響正常運行，也有運行中缺陷驟然加劇導致泄洪結構局部水毀、嚴重影響泄洪安全的情況。這些問題的出現(xiàn)可能與河岸式溢洪道的選址、平面布置、結構設計、施工質量及材料抗沖蝕性能等諸多因素有關，也可能是由于運行調度不當，忽視運行維護造成的。筆者對河岸式溢洪道運行過程中的常見問題進行統(tǒng)計，對比較典型的問題，結合具體工程分析原因。在此基礎上介紹針對性的解決措施或對策，以供類似工程借鑒。

2 存在的主要問題及原因分析

根據最近幾年水電站定期檢查等資料，包括水布埡、公伯峽、天荒坪等51個國內大中型水電站的河岸式溢洪道檢查中發(fā)現(xiàn)的不同程度、不同類型的問題及特點，將常見的主要問題分為結構和體型設計缺陷、下游沖刷及回流淘刷、混凝土空蝕沖蝕、其他混凝土缺陷（包括裂縫、滲水、凍融及老化等問題）、泄洪霧化5個種類，出現(xiàn)相關問題的頻次統(tǒng)計見圖1。以下結合統(tǒng)計結果，分別對各類問題的性狀表現(xiàn)、發(fā)生原因和危害性進行分析。

圖1 河岸式溢洪道存在問題分類統(tǒng)計Fig.1 Classification and statistics of existing problems of chute spillways

2.1 結構和體型設計缺陷

本次統(tǒng)計歸于體型和結構設計問題的主要有泄槽底板破壞和小流量挑流困難兩種形式，共有7例，在51個工程中占比并不高，但因泄槽底板一旦發(fā)生破壞，損壞范圍和程度易迅速發(fā)展，尤其是小于設計泄量時發(fā)生受損將嚴重影響工程安全，因此可見體型和結構設計的重要性。

2.1.1泄槽底板破壞

泄槽底板破壞主要原因是底板混凝土厚度不足，或底板與基巖膠結或錨固不良，其次是泄槽體型不合理、表面不平整、底板排水不暢、止水缺陷等。

貴州某水電站河岸式溢洪道共3孔，挑流消能，最大泄量9 410 m3/s。2006年5月泄洪歷時約167 h，最大泄量3 507 m3/s，泄洪后發(fā)現(xiàn)泄槽底板中間偏右側發(fā)生大面積破壞，水毀總面積950 m2，最大沖深約7.0 m，見圖2（a）。

湖北某水電站河岸式溢洪道共4孔，挑流消能，最大泄量7 020 m3/s。2007年6月泄洪最大泄量604 m3/s，檢查發(fā)現(xiàn)泄槽底板部分被沖毀，最大沖深約6 m，被沖毀的底板下基巖外露，損壞面積約540 m2，見圖2（b）。

圖2 溢洪道泄槽底板破壞典型案例Fig.2 Typical bottom plate damage of spillway chute

2.1.2 小流量挑流困難

岸邊式溢洪道多采用挑流消能，流道體型設計一般重點關注設計流量下的挑流沖刷坑位置，并且盡量避免溢洪道鼻坎末端基礎局部沖刷破壞。但實際運行中泄量達到設計流量的機會較少，因此溢洪道體型和結構考慮不周，常遇洪水泄洪時，小流量水流挑流不到位甚至不能起挑，這也是岸邊式溢洪道較多見的問題，可能直接造成挑坎地基局部淘刷，甚至影響挑坎等結構的整體穩(wěn)定。

貴州某工程2007年7月26日首次泄洪時，發(fā)現(xiàn)水流流態(tài)差，水經泄槽段從導墻挑流段頂部溢出，未形成挑流狀態(tài)，見圖3（a）。該工程原設計在泄槽內設置了中導墻，以滿足運行調度要求。設計優(yōu)化時取消了中導墻，導致常遇洪水時因單寬流量較小，水舌無法充分挑起，只有當泄量增大到一定流量（約4 000 m3/s）時，水流才能正常挑出。

云南某水電站河岸式溢洪道共3孔，挑流消能，最大聯(lián)合泄量5 730 m3/s。2010年8月18日，因泄量小于1 000 m3/s，挑流鼻坎無法實現(xiàn)挑流，導致水體翻過泄槽邊墻，威脅邊墻基礎安全，見圖3（b）。后將連續(xù)式鼻坎切槽改為差動式鼻坎后，才解決了小流量下的挑流問題。

圖3 溢洪道體型設計導致小流量泄洪困難典型案例Fig.3 Typical difficulties in discharge of small flood flow caused by improper spillway shape design

2.2 下游沖刷及回流淘刷

發(fā)生下游沖刷及回流淘刷問題的工程共有17例，在51個工程中占比相對較高。泄洪時不論采用何種消能方式，鄰近河道及兩岸的沖刷一般較難避免，有挑射水流直接沖刷，也有水流回流淘刷。沖刷對工程的整體安全影響主要取決于沖刷部位、程度和發(fā)展速率。如果挑流沖刷坑上緣、回流淘刷的部位接近壩基或者溢洪道基礎，或淘刷程度出現(xiàn)加速趨勢，則對泄洪運行安全有較大影響。

黑龍江某工程右岸溢洪道2002年8月4日首次泄洪，最大泄量2 000 m3/s，泄洪歷時14 d，挑流鼻坎底部長20 m的出水平臺基礎被嚴重沖刷，最大沖坑深度20余m；出水渠段左、右岸坡嚴重沖刷淘蝕，寬度達160余m，長度共計2 000余m，見圖4（a）。

吉林某工程溢洪道泄洪水流出口處較狹窄，導致下游水位抬高，并產生回流，致使溢洪道出口兩側砌石護坡及鼻坎基礎被沖刷破壞，見圖4（b）。

2.3 混凝土缺陷

混凝土缺陷主要有空蝕、沖蝕和其他缺陷（包括裂縫、滲水、析鈣、凍融破壞及混凝土老化導致細骨料脫落、流道糙率加大等）。本次統(tǒng)計出現(xiàn)空蝕、沖蝕缺陷24例，其他混凝土缺陷28例，說明在51個工程中一半左右會存在一種或多種混凝土缺陷，可見混凝土缺陷發(fā)生的頻率很高?；炷寥毕莩私档徒Y構的耐久性和適用性外，多數有漸進發(fā)展的特點。混凝土缺陷發(fā)展累計到一定程度后，若遇高速水流運行工況，局部缺陷在水流作用下可能急劇發(fā)展而發(fā)生危害性的后果，因此也必須予以持續(xù)重視。

2.3.1 混凝土空蝕、沖蝕

河岸式溢洪道泄槽混凝土在高速水流的空蝕、沖蝕作用下，易出現(xiàn)混凝土表面不平整、粗骨料裸露，甚至鋼筋外露等缺陷。其中陡槽、反弧段、鼻坎等高流速區(qū)及結構體型突變部位是空蝕、沖蝕的高發(fā)部位。發(fā)生空蝕、沖蝕除了與溢洪道水力體型設計和高速水流（流速大于20 m/s）有關外，主要的直接原因是固體邊壁不平整和混凝土抗沖性能不足。

湖北某工程河岸式溢洪道采用挑流消能，鼻坎最大流速約30 m/s，經多次泄洪，溢洪道泄槽段過流面4條水平伸縮縫和鼻坎挑流段過流面混凝土均出現(xiàn)不同程度的破損、局部沖蝕破壞，見圖5（a），局部混凝土出現(xiàn)脫空層，見圖5（b）。破損部位深15~20 cm，最大寬度達2.5 m；反弧段局部嚴重破損，深度約30 cm。

圖5 溢洪道流道混凝土空蝕、沖蝕典型案例Fig.5 Typical cavitation and erosion of spillway concrete

2.3.2 其他混凝土缺陷

其他混凝土缺陷細分種類多，性狀表現(xiàn)各式各樣，成因也有所不同。其中裂縫、滲水、析鈣缺陷主要起因是原施工質量問題，并可能隨時間發(fā)展；而凍融、老化則是長期運行后受環(huán)境影響、混凝土性能逐步劣化所致?？傮w而言，這類缺陷呈漸進發(fā)展的特點，缺陷發(fā)生初期程度輕、直接危害較小，但是對結構長期服役壽命影響大，而且存在與其他缺陷和運行條件耦合導致危害突然加劇的可能。

江西某工程于1958年開工，3孔溢洪道采用底流消能，2009年檢測發(fā)現(xiàn)閘墻混凝土強度等級較低，牛腿、溢洪道堰頂混凝土強度等級略低于設計值，存在明顯老化現(xiàn)象，見圖6（a）。

西藏某工程冬季最低氣溫在-30℃以下，2014年發(fā)現(xiàn)溢洪道堰頂及進水渠水位變動區(qū)混凝土表層局部存在淺層凍融剝蝕現(xiàn)象，消力池兩側邊墻及泄槽末端導墻在水位變動區(qū)存在凍融剝蝕現(xiàn)象，見圖6（b）。

云南某工程左岸3孔河岸式溢洪道采用挑流消能，2009年汛后檢查發(fā)現(xiàn)閘室段及泄槽段底板有裂縫，且有滲水，見圖6（c）。

圖6 溢洪道其他典型混凝土缺陷Fig.6 Other typicaldefects of spillway concrete

2.4 泄洪霧化問題

泄流時常會發(fā)生霧化現(xiàn)象，形成臨近泄洪建筑物的下游局部區(qū)域非自然的狂風、降雨和霧流等。高水頭河岸式溢洪道大流量泄洪時，泄洪霧化一般對樞紐建筑物、兩岸交通及邊坡影響范圍較大，其中下泄水舌裂散降雨及水舌入水濺擊降雨有局部雨強大、雨強分布變化快等特征，容易引起邊坡垮塌、泥石流、水石流等危害，影響下游樞紐建筑和電站運行安全，也會給社會交通和居民生活帶來不利影響。本次統(tǒng)計歸于泄洪霧化問題的共有2例，在51個工程中占比不高，因此應主要針對高水頭、地形條件特殊、樞紐建筑物布置集中的工程在設計和后期運行中予以重點關注。

湖北某水電站大壩高、泄量大，溢洪道采用窄縫消能工。2016年7月原型觀測試驗時，最大泄量3 848 m3/s，泄水歷時5 h 45 min。泄洪引起的霧化現(xiàn)象較為嚴重，強霧化降雨區(qū)主要集中在溢洪道出口下游500 m范圍內的峽谷及兩岸，右岸實測最大降雨強度2 760 mm/h，左岸超過10 000 mm/h，強降雨及水舌風造成下游滑坡體和高邊坡局部噴層混凝土脫落，觀測儀器也有一定破壞，見圖7（a）。

廣西某水電站自2007年起，每年泄洪約2個月，最大泄量約1 000 m3/s。泄洪霧化嚴重影響下游對岸居民的日常生活，見圖7（b）。

圖7 溢洪道泄洪霧化問題典型案例Fig.7 Typical atomization during flood discharge by spillway

3 河岸式溢洪道典型水毀案例分析

溢洪道設計規(guī)范允許消能防沖建筑物在泄流量大于設計泄量的校核工況下出現(xiàn)局部破壞，但不得危及大壩及其他主要建筑物的安全或長期影響樞紐運行。但實際工程中，河岸式溢洪道也有泄量小于設計泄量即發(fā)生較嚴重結構破壞的情況，2021年鄂坪水電站溢洪道發(fā)生局部水毀就是較為典型的例子。發(fā)生這種情況的原因往往不是單一的，對樞紐安全的威脅較大，因此以鄂坪水電站作為典型案例進行分析，并簡介實際采用的修復措施。

3.1 破壞經過

湖北鄂坪水電站大壩為鋼筋混凝土面板堆石壩，最大壩高125.6 m。泄洪建筑物為右岸3孔岸邊開敞式溢洪道，最大泄量5 990 m3/s。

2021年8月25—30日、9月5—11日、9月19—20日，流域上游經歷特大暴雨，最大入庫洪峰流量2 958 m3/s（重現(xiàn)期超過20年），溢洪道最大泄量2 330 m3/s。溢洪道因長時間、大流量泄洪，樁號0+146 m橫縫下游側泄槽末段及鼻坎段左側底板被沖毀，水流淘刷基礎形成長45 m、寬35 m、深15 m的沖坑，沖坑面積約1 800 m2，沖毀部分體積預估約4 800 m3，右側邊墻外山體局部垮塌沉陷，見圖8（a）。同時受溢洪道出口回流、涌浪淘刷及挑流霧化影響，下游壩腳和部分河道岸坡、局部公路邊坡發(fā)生坍塌失穩(wěn)。

圖8 鄂坪溢洪道處理前后對比Fig.8 Comparison of Eping spillway before and after treatment

3.2 成因分析

3.2.1 溢洪道

在高速水流沖刷和脈動水壓作用下，反弧段摻氣坎混凝土和止水被破損、擊穿，進而淘刷、沖擊泄槽底板基礎，導致底板和邊墻局部沖毀，使水流條件更加紊亂，混凝土、基巖和兩岸邊坡的淘刷持續(xù)向上部發(fā)展，沖毀范圍進一步擴大。據上述分析，泄槽沖毀的主要原因是反弧段混凝土強度不足或有施工質量缺陷，也可能有橡膠止水材料質量和安裝工藝方面的問題。

泄槽樁號0+80～0+165 m段建基巖體為弱～強風化或傾倒變形體，巖性為粉砂質絹云母板巖，巖體破碎，該段泄槽底板地質條件較差也是沖損持續(xù)發(fā)展的原因。

3.2.2 消能區(qū)

挑流鼻坎段體型不合理，導致下游河道回流強度較大，持續(xù)淘刷周邊護岸基礎，對未深入基巖的壩腳量水堰和附近護岸結構造成破壞。

3.3 溢洪道修補處理

（1）拆除原泄槽底板，對基礎進行固結灌漿，重新澆筑80 cm厚C35抗沖耐磨混凝土，設頂底兩層鋼筋網，底板用錨筋與地基連接。在樁號0+094 m處重新設摻氣坎，采用挑跌坎型式，坎高2.4 m，寬3.9 m，兩側邊墻增設斷面尺寸為2 m×1.8 m的通氣孔。鼻坎調整為燕尾式，將水流分散，在空中消能。

（2）拆除樁號0+090~0+104 m段兩側邊墻及鼻坎兩側邊墻，恢復衡重式鋼筋混凝土擋墻。泄槽底板與邊墻為分離式結構，靠近邊墻2 m處及底板中部共設置5條縱縫，從控制段至鼻坎，以14 m為間隔設置10條橫縫，縱縫通條布置，縫面涂抹瀝青，縫間設紫銅止水。在分縫底部設置透水軟管，外裹工業(yè)濾布。對控制段底板和未拆除的泄槽邊墻，涂抹一層抗沖磨材料。

4 主要解決對策措施

4.1 設計施工

（1）溢洪道設計時，除了布置時應綜合考慮選址，平面上盡量保持平順銜接，避免在泄槽中形成折沖水流和沖損下游河床等問題，還需重視體型、摻氣構造和底板分縫等設計，以盡量減輕混凝土空蝕、氣蝕。

（2）設計應重視泄槽底板和末端挑坎等部位的結構穩(wěn)定性和材料強度，除了保證底板厚度和錨筋數量，也應重視分縫、止水及排水等構造的合理性和可靠性。受高速水流沖刷的重點部位盡量采用高標號混凝土，并選用抗沖磨性能好的混凝土骨料。混凝土施工時嚴控不平整度和溫度裂縫等缺陷。

（3）泄槽底板設計應保證底板抗浮穩(wěn)定，對于軟巖地基（如頁巖或板巖）或不良地質構造，還應加強地基的整體性，可考慮加密加深固結灌漿、增設較深的錨筋樁、加強排水等措施，必要時可設置底板揚壓力監(jiān)測項目。

（4）針對小流量泄洪困難問題，設計時可盡量減小泄洪挑射角度，或采用差動式鼻坎，滿足小流量挑流要求，同時加強挑坎下游的護坦及地基的穩(wěn)定性。

（5）高水頭的河岸式溢洪道采用挑流消能時，應充分研究泄洪霧化的不利影響和對策，根據工程具體情況對霧化影響范圍的邊坡、沖溝采取加強支護、排水和沖溝泥石流治理等工程措施，受霧化影響的居民必要時應考慮遷移。

4.2 運行維護和管理

（1）河岸式溢洪道應嚴格按照閘門運行規(guī)程操作并制定相應的應急預案，泄洪運行中除觀察閘門啟閉是否符合同步、均勻、對稱等要求，還應對閘門控制段上下游、泄槽、挑坎各部位流態(tài)和下游消能區(qū)進行全過程、多角度的巡視檢查，若有泄槽水流突變、挑流和回流不正常等異常情況，應及時處理。

（2）應重視溢洪道和閘門的自身性態(tài)、水庫上下游行洪條件或防洪調度等外部條件的變化，若運行條件發(fā)生變化，或照規(guī)程運行時出現(xiàn)流態(tài)與原水力設計明顯不符、沖蝕沖刷病害顯著加劇等情況，應在分析原因和充分論證的基礎上，優(yōu)化閘門調度規(guī)程，并按規(guī)定上報主管部門批準后實施。

（3）混凝土缺陷及其發(fā)展是河岸式溢洪道運行中最為普遍的問題，這類問題一般漸進發(fā)展，輕微表面沖蝕短期對運行影響較小，且維護修復的效果不一定好。因此運行檢查的要點在于重點部位的缺陷發(fā)展速率是否加劇，特別是相對大流量、長歷時的單次泄洪后的檢查尤為重要，重點部位應建臺賬，對缺陷有數據量化研判。若發(fā)現(xiàn)沖蝕速率加快、裂縫擴展、明顯露筋和下游顯著淘空等不利情況，根據情況適時或及時采取相應的維護處理措施，才能做到既安全可靠，又可行有效，還經濟合理。

5 結語

河岸式溢洪道運行期普遍出現(xiàn)各類不同程度的問題，國內51座溢洪道所遇見的各類問題及其原因在大中型水電站中具有相當的代表性。根據問題的成因和后果嚴重性，分別研究對策措施的思路，提出各種設計施工方面的技術措施、全面和重點檢查相結合的動態(tài)管理措施，以及恰如其分地對漸進缺陷采用及時檢查、適時維護等對策，可供設計施工借鑒，也可供運行維護參考。