5　枢纽布置中的重大风险规避

5.1　白河水电站枢纽布置选择与风险规避

水电站的挡水、发电、泄水三大系统布置及相应各建筑物关系协调,是枢纽布置中的核心问题。为了充分发挥工程效益,减少工程投资,我们常在狭窄河谷上建坝,形成较大库容,但如果河道洪水流量较大,河床式厂房及船闸、鱼道等占用了相当一部分溢流前缘,就会给泄水建筑物的布置带来较大困难。新安江、乌江渡、漫湾等重力坝加坝后式厂房,采用厂房顶溢流方式解决这一矛盾。厂房顶溢流这种布置型式紧凑,节省投资,但施工干扰较大,还会带来结构振动、流道空蚀、厂房内渗水,以及厂房下游消能对发电尾水位的影响等问题,特别是当厂房顶溢流与发电同步运行时,人们更担心振动对机组和电器设备的影响,因此这种布置型式未得到推广。

2008年在黄河干流上建成的柄灵水电站,坝址狭窄,校核洪水6270m3/s,布置5台48MW贯流机组。因河床式厂房占用溢流前缘,泄水建筑物布置困难,为此利用贯流机组上部空间建成厂房内溢流道(图2.5-1),成为我国第一座贯流机组厂房内溢流的发电站。这种电站枢纽布置紧凑,较好地解决了河床式厂房发电与泄水的矛盾,之后相继在汉江建成蜀河水电站,并计划在蜀河水电站下游建设白河贯流机组厂房内溢流发电站(表2.5-1)。

白河电站也位于汉江上,坝基岩体为石英绢云母千枚岩,坝轴长396.5m,4台45MW贯流机组厂房长123m,扣除船闸及岸边重力坝,溢流前缘仅112m,布置7孔泄洪闸时,不足以宣泄50年一遇设计洪水26400m3/s,500年一遇校核洪水34500m3/s,只得在厂房内的贯流机组上方设溢流道,成为厂内溢流式厂房(图2.5-1)。

鉴于蜀河水电站除设5孔泄洪闸外,另有21000m3/s洪水须从贯流机组的顶部泄洪,最大单宽流量250m3/(s·m),2009年下闸蓄水后,除了泄水时厂房振动问题外,还出现厂房前后水力学条件恶化、厂房前泥沙淤积、厂房下游水流翻滚冲刷严重,以及泄洪闸的闸墩振动及预应力锚索应力较大损失等问题；考虑到汉江是我国著名的暴雨中心,一年内多次暴发大洪水,洪峰大,洪量多,洪水历时长,白河电站的泄洪机遇多,且泄量远比柄灵电站大,同时考虑到柄灵贯流机组顶部泄洪后,流道内止水和防渗等设施破坏较多,厂房内泄洪表孔中的进人孔及设备孔钢盖板漏水,造成发电机工作层渗水,起吊钢板锈蚀；为了规避风险,白河电站最终采取两岸削坡、增设4孔泄洪闸的常规式布置,规避了贯流机组厂房内泄洪所带来的风险。

5.2　平江抽水蓄能电站上下库泄洪方式选择与风险规避

湖南平江抽水蓄能电站装机1400MW,额定水头675m,上下水库调节库容分别为556.80万m3和568.10万m3,沥青混凝土心墙坝高分别54m和76m,副坝26m。

坝址和库盆区岩体均为燕山早期侵入花岗岩,蚀变严重,坝址区所有钻孔均可见岩体蚀变现象。蚀变带主要沿断裂结构面、流线流面及岩脉发育,表现为高岭土化、绿泥石化等蚀变现象,具有较强的阻水性。岩体风化较重,全风化带、强风化带下限的埋深分别为16～66m、20～82m。岩体断裂构造发育,裸露卸荷后具有崩解特性。在断裂及蚀变岩发育的花岗岩体上建筑水工建筑物会带来洞室围岩失稳、边坡失稳、接触渗流破坏、不均匀变形、冲刷等风险。

平江地区为我国暴雨中心,上下库设计与校核洪水重现期分别为200年和1000年,相应洪峰流量分别为93.2m3/s、115m3/s和236m3/s、293m3/s。

该电站的上下库拟采用竖井式消力井泄洪消能。其中,上库消力井泄洪流量74.2m3/s,消能水头72m,消力井直径4m,消力井深6m,建于全强风化岩中；下库消力井泄洪流量271m3/s,消能水头41.5m,消力井直径8m,消力井深8m,消能功率近11.2万kW,建于下库副坝下的全强风化岩中,且F1穿过消力井。

隧洞内消能是20世纪发展起来的一种新消能型式。它有孔板消能、漩流消能及消力井消能等方式。该消能型式可将导流洞后期改为消能隧洞,投资省,消能效率高、布置紧凑。我国小浪底曾建成孔板泄洪洞消能设施,沙牌和公伯峡也建成漩流式洞内消能设施,但由于种种原因,上述洞内消能设施仅做辅助泄水设施或非常泄洪设施,使用频次远低于常规泄洪设施(表2.5-2)。

消力井消能是一种洞内消能方式,俄罗斯罗卡姆巴托金水电站建成泄洪流量750m3/s、直径10m、消能水头48.3m的竖井式消力井溢洪道。曾有人在引黄入晋北干线大梁水库研究过竖井式消力井溢洪洞(泄洪流量20m3/s,消能水头154.59m,消力井直径2m,消力井深21m),但最终未被采用。由于种种原因,目前我国消力井式泄洪消能设施尚无实例,更无经验。

鉴于巨大的能量将在隧洞内消散,这种消能设施的使用条件必须是：消力井附近围岩质量要好,要能承受住巨大能量的冲蚀与空蚀破坏。平江抽水蓄能电站的上下库均采用无闸竖井式消力井溢洪道泄洪和消能,其中竖井式消力井溢洪道是上库唯一的泄水通道。平江上库竖井式消力井围岩风化较深,蚀变较严重,地质构造较发育,主要有F1、F4、F17、F18、F19、F20等断层穿过,竖井井身段处于全—弱风化岩体内,全、强风化岩体段井壁围岩类别为Ⅴ类,弱风化及以下岩体段以Ⅲ类为主,竖井底部消力井位于弱风化—新鲜花岗岩内,围岩类别以Ⅱ～Ⅲ类为主；下库竖井式消力井布置于副坝的上游坡,溢洪洞将穿过防渗墙,消力井下部处于全—弱风化岩体内,且有NEE向F11断层斜穿竖井井壁,竖井底部消力井位于弱风化花岗岩内,但岩体多具蚀变。一旦竖井式消力井围岩失稳、或消力井或溢洪道或山体振动过大、或漂浮物卡住进水竖井、或出现异常水力学现象、或溢洪洞与防渗墙接头处出了问题,后果很难设想。鉴于湖南系我国暴雨中心之一,泄洪机会较多,国内尚无消力井消能的实践经验,利用消力井作为泄水的唯一通道,对消力井本身和沥青混凝土心墙坝安全威胁较大,本着对待新技术积极慎重的态度,正进一步研究能较好规避风险的泄洪消能方案。

总之,要规避重大风险,正确认识工程特点和主要工程问题,必须要识别风险,区分重大风险和一般风险,对于那些可能影响工程及人身安全、可能影响工程建设及安全管理且尚难于防控的重大风险,应研究规避的可行性。在方案比选中,既看到各参选方案在技术上是可行的,又看到各方案中风险的差异性；既看到各参选方案在经济上是合理的,也看到随着淹没及占地赔偿费用的提高,各方案直接工程费用间的差异在逐步缩小,在方案比选阶段中,宜适度提高各方案的风险和管理的权重,详细分析,认真论证,科学比选,努力规避重大风险。

参考资料

[1]汪易森,庞进武,刘世煌.水利水电工程若干问题的调研与探讨.北京：中国水利水电出版社,2006.

[2]王民浩,杨志刚,刘世煌.水电水利工程风险辨识与典型案例分析.北京：中国电力出版社,2010.

[3]中国水利水电建设工程咨询公司.汉江白河水电站工程安全预评价报告.2008.

[4]中国水利水电建设工程咨询公司.甘肃白龙江锁儿头水电站工程安全预评价报告.2006.

[5]中国水利水电建设工程咨询公司.湖南平江抽水蓄能电站工程安全预评价报告.2015.