淺談水工建筑物的破壞原因及其防治措施
2008-11-14 00:00
關(guān)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(jù)統(tǒng)計(jì)，到1989年為止，全國累計(jì)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(shù)屬土石壩為主而質(zhì)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(shù)的38%，屬于溢洪道滑塌或設(shè)施引起不當(dāng)引起的占4.6%，再從壩工非潰決事故的概率統(tǒng)計(jì)來看，屬于沖刷破壞的事故占到11.2%，屬于護(hù)坡破壞的事故占6.5%。從世界來看，己有兩座大壩失事報(bào)廢，造成了巨大生命及財(cái)產(chǎn)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(dān)宣泄上游來水的作用，同時(shí)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(shí)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(dòng)等，對于具體的工程而言，往往是某一種因素在起主導(dǎo)作用，其它作用兼而有之。目前國內(nèi)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(shè)施的設(shè)計(jì)，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(shè)計(jì)前委托科研單位針對突出技術(shù)問題進(jìn)行科技攻關(guān)或模型試驗(yàn)，但由于受科技發(fā)展及模型比尺效應(yīng)的影響，很難真實(shí)反映實(shí)際的情況。解決問題方面盡管取得了一些進(jìn)展，但一直尚無切實(shí)可行的措施。水工建筑物、尤其是泄水建筑物的損壞、破壞時(shí)有發(fā)生，有的工程造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。
1. 水工建筑物分類
按照為社會(huì)服務(wù)的目標(biāo)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(dǎo)流洞、泄洪洞、溢洪道、廠房、沖砂洞、尾水隧洞等。
1.1 國內(nèi)外高壩建設(shè)進(jìn)展
隨著材料科學(xué)、施工技術(shù)的不斷進(jìn)步以及施工設(shè)備的先進(jìn)化，水工大壩的高度不斷被刷新。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，世界上己經(jīng)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(lián)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(zé)任公司即將開發(fā)的錦屏一級(jí)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(shè)的地質(zhì)條件看:部分壩處于狹窄河谷、強(qiáng)地震區(qū)，而電站的泄洪流量大，巖溶發(fā)育，地質(zhì)復(fù)雜，此反映了高壩建設(shè)的技術(shù)水平和特點(diǎn)。從己建高壩實(shí)踐看，絕大多數(shù)高壩建設(shè)是很成功的，提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)，但也有少數(shù)高壩由于種種原因，發(fā)生過嚴(yán)重問題和重大事故，這些教訓(xùn)值得重視和總結(jié)。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(cái)產(chǎn)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(dòng)及沖刷、大壩的施工質(zhì)量、大壩的設(shè)計(jì)錯(cuò)誤;不可抗力(超設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的洪水、戰(zhàn)爭等)的影響等。大壩一旦在短時(shí)間由于以上原因潰壩，下游很難逃避，若電站下游工農(nóng)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(dòng)事故滑動(dòng)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(dǎo)致大壩和電站報(bào)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(zāi)難，引起了全球壩工界的重視?；掠僧?dāng)?shù)氐膮^(qū)域地質(zhì)條件、水庫庫岸內(nèi)原有的大斷層(老滑面)和庫水位升高后引起的揚(yáng)壓力等因素組合造成，導(dǎo)致整個(gè)滑動(dòng)體內(nèi)醞育有一個(gè)巨大的地下滑動(dòng)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(gè)壩段的上游壩面陸續(xù)發(fā)生了嚴(yán)重的垂直裂縫，裂縫最大開度為1.65mm，滲水較大。據(jù)調(diào)查分析，發(fā)生裂縫的原因?yàn)?與大壩表層混凝土水泥用量多有關(guān)，嚴(yán)寒氣溫和低溫庫水產(chǎn)生的極限溫度變化，使混凝土表面發(fā)生拉應(yīng)力和裂縫張開，再加上滿庫時(shí)水壓力很大，在裂縫內(nèi)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(zhì)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(yán)重，造成了較大的經(jīng)濟(jì)損失。
大壩采用現(xiàn)代技術(shù)理論進(jìn)行設(shè)計(jì)和施工的歷史近150年，實(shí)踐證明拱壩是各種擋水壩中最為安全的一種。根據(jù)國際大壩委員會(huì)的統(tǒng)計(jì)，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(jì)以來，隨著經(jīng)驗(yàn)的累積和科學(xué)技術(shù)水平的不斷提高，拱壩建設(shè)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(shè)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(nèi)設(shè)置泄水孔。
(2) 岸邊泄水建筑物：岸邊溢洪道是在兩岸岸邊設(shè)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(yùn)用是國內(nèi)采用較多的型式。
2.1.2 按消能方式分
(1) 挑流消能：大多數(shù)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(yīng)于中低落差的泄水建筑物，且其下游應(yīng)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(diào)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(shù)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(dòng)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(shè)計(jì)、施工符合現(xiàn)行規(guī)范；
（2） 大壩運(yùn)行管理遵守安全程序；
（3） 預(yù)防性的維護(hù)工作正常進(jìn)行；
（4） 大壩安全監(jiān)察按計(jì)劃進(jìn)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(jìn)行復(fù)查，對不安全因素進(jìn)行及時(shí)修補(bǔ);
（6） 大壩安全計(jì)劃執(zhí)行人員具有足夠的素質(zhì)，有培訓(xùn)計(jì)劃；
（7） 有關(guān)各方責(zé)任明確，經(jīng)費(fèi)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(shè)施和新型消能工，可減免空蝕破壞。
（3） 體型設(shè)計(jì)要合理。
（4） 保證施工質(zhì)量。施工質(zhì)量差主要表現(xiàn)在以下幾方面，即混凝土強(qiáng)度不滿足設(shè)計(jì)要求，新老混凝土結(jié)合不好，混凝土表面平整度未嚴(yán)格控制和竣工后未進(jìn)行認(rèn)真的驗(yàn)收等。
（5） 對于明流消能工程，閘門均勻開啟尤為重要。
（6） 加強(qiáng)工程管理是泄水建筑物安全運(yùn)行的關(guān)鍵。
（7） 工程破壞后，宜采用綜合修補(bǔ)和改建措施。
（8） 閘門要合理的調(diào)度及運(yùn)用。
參考文獻(xiàn)：
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