淺談水工建筑物的破壞原因及其防治措施
2008-11-14 00:00
關鍵詞：大壩; 泄水建筑物; 水工建筑物; 防治措施
我國是世界上建壩最多的國家，已建各類大壩82900多座，其中大、型水庫2800多座其余97%均為小型水庫。據統(tǒng)計，到1989年為止，全國累計己有3.4%的各類水庫潰決，其中85%的潰壩低于20-25m，40m的壩罕有潰決，50m以上的壩則無一潰決，以上情況表明，潰壩的絕大多數屬土石壩為主而質量欠佳的中小型水庫。在潰壩原因方面，屬于裂縫、沖蝕引起的占到潰壩總數的38%，屬于溢洪道滑塌或設施引起不當引起的占4.6%，再從壩工非潰決事故的概率統(tǒng)計來看，屬于沖刷破壞的事故占到11.2%，屬于護坡破壞的事故占6.5%。從世界來看，己有兩座大壩失事報廢，造成了巨大生命及財產的損失。在水工建筑物破壞中，泄水建筑物的破壞最為普遍。泄水建筑物承擔宣泄上游來水的作用，同時它受到下泄水流、特別是高速水流的沖刷作用，其本身及下游河道中，水流沖刷造成的破壞隨處可見而又難以避免，有時甚至是大壩失事的主要原因。泄水建筑物的破壞往往是多種因素造成的，如沖刷、磨損、空蝕、振動等，對于具體的工程而言，往往是某一種因素在起主導作用，其它作用兼而有之。目前國內外水工界在建壩過程中遇到的問題，隨著大壩高度的不斷刷新，尤其是對于高泄量、高流速的泄洪設施的設計，如泄流面的抗沖刷問題、抗磨蝕問題、抗氣蝕問題。通常的辦法是在設計前委托科研單位針對突出技術問題進行科技攻關或模型試驗，但由于受科技發(fā)展及模型比尺效應的影響，很難真實反映實際的情況。解決問題方面盡管取得了一些進展，但一直尚無切實可行的措施。水工建筑物、尤其是泄水建筑物的損壞、破壞時有發(fā)生，有的工程造成了巨大的經濟損失。
1. 水工建筑物分類
按照為社會服務的目標分為水庫和水電站建筑物。按照功能的不同分為:水閘、大壩、引水渠、引水隧洞、導流洞、泄洪洞、溢洪道、廠房、沖砂洞、尾水隧洞等。
1.1 國內外高壩建設進展
隨著材料科學、施工技術的不斷進步以及施工設備的先進化，水工大壩的高度不斷被刷新。據不完全統(tǒng)計，世界上己經建成200m以上的高壩29座，其中壩高在200m-250m的有23座，250m-300m的有6座。這些高壩所在的國家是:前蘇聯6座，美國4座，瑞士4座，伊朗2座，加拿大2座，哥倫比亞2座，中國1座，意大利l座，印度l座，西班牙1座，土耳其1座，南斯拉夫1座，奧地利1座，墨西哥1座，洪都拉斯1座。按類型分:拱壩14座，重力拱壩3座，土石壩3座，重力壩4座，連拱壩1座。二灘水電開發(fā)有限責任公司即將開發(fā)的錦屏一級電站為混凝土雙曲拱壩壩型，高305m，為世界第一高拱壩。從高壩建設的地質條件看:部分壩處于狹窄河谷、強地震區(qū)，而電站的泄洪流量大，巖溶發(fā)育，地質復雜，此反映了高壩建設的技術水平和特點。從己建高壩實踐看，絕大多數高壩建設是很成功的，提供了寶貴的經驗，但也有少數高壩由于種種原因，發(fā)生過嚴重問題和重大事故，這些教訓值得重視和總結。大壩安全一直是國家安全的重要組成部分，大壩的失事，造成的人民生命和財產的損失一般均較大。
1.2 大壩的破壞原因
大壩可能的失事原因:地震、人為的蓄意破壞、隕石墜落、附近的爆炸影響;泄水的振動及沖刷、大壩的施工質量、大壩的設計錯誤;不可抗力(超設計標準的洪水、戰(zhàn)爭等)的影響等。大壩一旦在短時間由于以上原因潰壩，下游很難逃避，若電站下游工農業(yè)及居住人口較多，造成的損失將無法估量。如：意大利的瓦依昂拱壩水庫區(qū)在1963年10月9日發(fā)生一次大規(guī)模的山體滑動事故滑動體將壩上游1.8km的水庫全部填滿并高出水面150m，距壩最近處僅50m。導致大壩和電站報廢，人員死亡近2000人。這次事故成為有史以來世界上最大的一次水庫失事災難，引起了全球壩工界的重視?；掠僧數氐膮^(qū)域地質條件、水庫庫岸內原有的大斷層(老滑面)和庫水位升高后引起的揚壓力等因素組合造成，導致整個滑動體內醞育有一個巨大的地下滑動力。美國德沃歇克重力壩，壩高219m，1973年建成。同年9月水庫開始蓄水，自1972年3月到1976年6月間，在9個壩段的上游壩面陸續(xù)發(fā)生了嚴重的垂直裂縫，裂縫最大開度為1.65mm，滲水較大。據調查分析，發(fā)生裂縫的原因為:與大壩表層混凝土水泥用量多有關，嚴寒氣溫和低溫庫水產生的極限溫度變化，使混凝土表面發(fā)生拉應力和裂縫張開，再加上滿庫時水壓力很大，在裂縫內形成一劈力，使張開裂縫發(fā)展到延伸裂縫。從這些裂縫的性質看是屬于溫度裂縫。最后采用在水下作壩面貼乙烯樹脂薄片處理。由于裂縫事故嚴重，造成了較大的經濟損失。
大壩采用現代技術理論進行設計和施工的歷史近150年，實踐證明拱壩是各種擋水壩中最為安全的一種。根據國際大壩委員會的統(tǒng)計，全世界已建1600多座拱壩中，真正潰壩失事的僅2座，失事率僅0.125%。由于這種良好的安全記錄，本世紀以來，隨著經驗的累積和科學技術水平的不斷提高，拱壩建設發(fā)展的總趨勢是壩的高度不斷地刷新記錄。
2. 泄水建筑物的分類及其破壞的原因
泄水建筑物在水利水電工程中占有極其重要的位置。它的主要功能是將來自上游河道的洪水順暢地泄入下游河道，以確保主體工程的安全。
2.1 泄水建筑物分類
2.1.1 按設置的位置分
(1) 壩體泄水建筑物：對于混凝土壩，大都采用壩頂泄水或壩體內設置泄水孔。
(2) 岸邊泄水建筑物：岸邊溢洪道是在兩岸岸邊設置的泄水建筑物。主要有岸邊溢洪道和泄洪隧洞。
(3) 壩體與岸邊組合泄水建筑物：壩體與岸邊溢洪道(泄洪洞)組合運用是國內采用較多的型式。
2.1.2 按消能方式分
(1) 挑流消能：大多數泄水建筑物采用挑流消能，尤其是重力壩。較多的重力拱壩、支墩壩也采用這種方式。
(2) 底流消能：泄水建筑物采用底流消能，主要消能工程為消力池。
(3) 面流消能：有的泄水建筑物采用面流消能，其中絕大部分是跌坎面流消能。也有采用戽斗面流消能。一般面流消能適應于中低落差的泄水建筑物，且其下游應有較深的尾水和巖石河床。
2.2 泄水建筑物的破壞原因
從103座水電站泄水建筑物的調查表明，泄水建筑物在水流作用下特別是高速水流作用下，造成破壞的共有67座水電站泄水建筑物，占103座總數的65%，其破壞可分:泄水建筑物的沖刷破壞；泄水建筑物的空蝕破壞；泄水建筑物的磨蝕破壞；泄水建筑物的振動破壞；泄水建筑物的凍害；泄水建筑物的冰害等。
3. 水工建筑物破壞的防治措施
3.1 防治大壩破壞的措施
（1） 大壩設計、施工符合現行規(guī)范；
（2） 大壩運行管理遵守安全程序；
（3） 預防性的維護工作正常進行；
（4） 大壩安全監(jiān)察按計劃進行，業(yè)主對大壩安全狀況有清楚的了解；
（5） 定期對大壩安全進行復查，對不安全因素進行及時修補;
（6） 大壩安全計劃執(zhí)行人員具有足夠的素質，有培訓計劃；
（7） 有關各方責任明確，經費到位，等等。
3.2 防治泄水建筑物破壞的措施
（1） 泄洪消能布置的優(yōu)化組合，可減免沖刷破壞泄洪消能布置采用多種形式的泄水建筑物組合，對高水頭水電站尤為重要。
（2） 采用通氣減蝕設施和新型消能工，可減免空蝕破壞。
（3） 體型設計要合理。
（4） 保證施工質量。施工質量差主要表現在以下幾方面，即混凝土強度不滿足設計要求，新老混凝土結合不好，混凝土表面平整度未嚴格控制和竣工后未進行認真的驗收等。
（5） 對于明流消能工程，閘門均勻開啟尤為重要。
（6） 加強工程管理是泄水建筑物安全運行的關鍵。
（7） 工程破壞后，宜采用綜合修補和改建措施。
（8） 閘門要合理的調度及運用。
參考文獻：
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