浅谈水工建筑物的破坏原因及其防治措施
2008-11-14 00:00
关键词：大坝; 泄水建筑物; 水工建筑物; 防治措施
我国是世界上建坝最多的国家，已建各类大坝82900多座，其中大、型水库2800多座其余97%均为小型水库。据统计，到1989年为止，全国累计己有3.4%的各类水库溃决，其中85%的溃坝低于20-25m，40m的坝罕有溃决，50m以上的坝则无一溃决，以上情况表明，溃坝的绝大多数属土石坝为主而质量欠佳的中小型水库。在溃坝原因方面，属于裂缝、冲蚀引起的占到溃坝总数的38%，属于溢洪道滑塌或设施引起不当引起的占4.6%，再从坝工非溃决事故的概率统计来看，属于冲刷破坏的事故占到11.2%，属于护坡破坏的事故占6.5%。从世界来看，己有两座大坝失事报废，造成了巨大生命及财产的损失。在水工建筑物破坏中，泄水建筑物的破坏最为普遍。泄水建筑物承担宣泄上游来水的作用，同时它受到下泄水流、特别是高速水流的冲刷作用，其本身及下游河道中，水流冲刷造成的破坏随处可见而又难以避免，有时甚至是大坝失事的主要原因。泄水建筑物的破坏往往是多种因素造成的，如冲刷、磨损、空蚀、振动等，对于具体的工程而言，往往是某一种因素在起主导作用，其它作用兼而有之。目前国内外水工界在建坝过程中遇到的问题，随着大坝高度的不断刷新，尤其是对于高泄量、高流速的泄洪设施的设计，如泄流面的抗冲刷问题、抗磨蚀问题、抗气蚀问题。通常的办法是在设计前委托科研单位针对突出技术问题进行科技攻关或模型试验，但由于受科技发展及模型比尺效应的影响，很难真实反映实际的情况。解决问题方面尽管取得了一些进展，但一直尚无切实可行的措施。水工建筑物、尤其是泄水建筑物的损坏、破坏时有发生，有的工程造成了巨大的经济损失。
1. 水工建筑物分类
按照为社会服务的目标分为水库和水电站建筑物。按照功能的不同分为:水闸、大坝、引水渠、引水隧洞、导流洞、泄洪洞、溢洪道、厂房、冲砂洞、尾水隧洞等。
1.1 国内外高坝建设进展
随着材料科学、施工技术的不断进步以及施工设备的先进化，水工大坝的高度不断被刷新。据不完全统计，世界上己经建成200m以上的高坝29座，其中坝高在200m-250m的有23座，250m-300m的有6座。这些高坝所在的国家是:前苏联6座，美国4座，瑞士4座，伊朗2座，加拿大2座，哥伦比亚2座，中国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，奥地利1座，墨西哥1座，洪都拉斯1座。按类型分:拱坝14座，重力拱坝3座，土石坝3座，重力坝4座，连拱坝1座。二滩水电开发有限责任公司即将开发的锦屏一级电站为混凝土双曲拱坝坝型，高305m，为世界第一高拱坝。从高坝建设的地质条件看:部分坝处于狭窄河谷、强地震区，而电站的泄洪流量大，岩溶发育，地质复杂，此反映了高坝建设的技术水平和特点。从己建高坝实践看，绝大多数高坝建设是很成功的，提供了宝贵的经验，但也有少数高坝由于种种原因，发生过严重问题和重大事故，这些教训值得重视和总结。大坝安全一直是国家安全的重要组成部分，大坝的失事，造成的人民生命和财产的损失一般均较大。
1.2 大坝的破坏原因
大坝可能的失事原因:地震、人为的蓄意破坏、陨石坠落、附近的爆炸影响;泄水的振动及冲刷、大坝的施工质量、大坝的设计错误;不可抗力(超设计标准的洪水、战争等)的影响等。大坝一旦在短时间由于以上原因溃坝，下游很难逃避，若电站下游工农业及居住人口较多，造成的损失将无法估量。如：意大利的瓦依昂拱坝水库区在1963年10月9日发生一次大规模的山体滑动事故滑动体将坝上游1.8km的水库全部填满并高出水面150m，距坝最近处仅50m。导致大坝和电站报废，人员死亡近2000人。这次事故成为有史以来世界上最大的一次水库失事灾难，引起了全球坝工界的重视。滑坡由当地的区域地质条件、水库库岸内原有的大断层(老滑面)和库水位升高后引起的扬压力等因素组合造成，导致整个滑动体内酝育有一个巨大的地下滑动力。美国德沃歇克重力坝，坝高219m，1973年建成。同年9月水库开始蓄水，自1972年3月到1976年6月间，在9个坝段的上游坝面陆续发生了严重的垂直裂缝，裂缝最大开度为1.65mm，渗水较大。据调查分析，发生裂缝的原因为:与大坝表层混凝土水泥用量多有关，严寒气温和低温库水产生的极限温度变化，使混凝土表面发生拉应力和裂缝张开，再加上满库时水压力很大，在裂缝内形成一劈力，使张开裂缝发展到延伸裂缝。从这些裂缝的性质看是属于温度裂缝。最后采用在水下作坝面贴乙烯树脂薄片处理。由于裂缝事故严重，造成了较大的经济损失。
大坝采用现代技术理论进行设计和施工的历史近150年，实践证明拱坝是各种挡水坝中最为安全的一种。根据国际大坝委员会的统计，全世界已建1600多座拱坝中，真正溃坝失事的仅2座，失事率仅0.125%。由于这种良好的安全记录，本世纪以来，随着经验的累积和科学技术水平的不断提高，拱坝建设发展的总趋势是坝的高度不断地刷新记录。
2. 泄水建筑物的分类及其破坏的原因
泄水建筑物在水利水电工程中占有极其重要的位置。它的主要功能是将来自上游河道的洪水顺畅地泄入下游河道，以确保主体工程的安全。
2.1 泄水建筑物分类
2.1.1 按设置的位置分
(1) 坝体泄水建筑物：对于混凝土坝，大都采用坝顶泄水或坝体内设置泄水孔。
(2) 岸边泄水建筑物：岸边溢洪道是在两岸岸边设置的泄水建筑物。主要有岸边溢洪道和泄洪隧洞。
(3) 坝体与岸边组合泄水建筑物：坝体与岸边溢洪道(泄洪洞)组合运用是国内采用较多的型式。
2.1.2 按消能方式分
(1) 挑流消能：大多数泄水建筑物采用挑流消能，尤其是重力坝。较多的重力拱坝、支墩坝也采用这种方式。
(2) 底流消能：泄水建筑物采用底流消能，主要消能工程为消力池。
(3) 面流消能：有的泄水建筑物采用面流消能，其中绝大部分是跌坎面流消能。也有采用戽斗面流消能。一般面流消能适应于中低落差的泄水建筑物，且其下游应有较深的尾水和岩石河床。
2.2 泄水建筑物的破坏原因
从103座水电站泄水建筑物的调查表明，泄水建筑物在水流作用下特别是高速水流作用下，造成破坏的共有67座水电站泄水建筑物，占103座总数的65%，其破坏可分:泄水建筑物的冲刷破坏；泄水建筑物的空蚀破坏；泄水建筑物的磨蚀破坏；泄水建筑物的振动破坏；泄水建筑物的冻害；泄水建筑物的冰害等。
3. 水工建筑物破坏的防治措施
3.1 防治大坝破坏的措施
（1） 大坝设计、施工符合现行规范；
（2） 大坝运行管理遵守安全程序；
（3） 预防性的维护工作正常进行；
（4） 大坝安全监察按计划进行，业主对大坝安全状况有清楚的了解；
（5） 定期对大坝安全进行复查，对不安全因素进行及时修补;
（6） 大坝安全计划执行人员具有足够的素质，有培训计划；
（7） 有关各方责任明确，经费到位，等等。
3.2 防治泄水建筑物破坏的措施
（1） 泄洪消能布置的优化组合，可减免冲刷破坏泄洪消能布置采用多种形式的泄水建筑物组合，对高水头水电站尤为重要。
（2） 采用通气减蚀设施和新型消能工，可减免空蚀破坏。
（3） 体型设计要合理。
（4） 保证施工质量。施工质量差主要表现在以下几方面，即混凝土强度不满足设计要求，新老混凝土结合不好，混凝土表面平整度未严格控制和竣工后未进行认真的验收等。
（5） 对于明流消能工程，闸门均匀开启尤为重要。
（6） 加强工程管理是泄水建筑物安全运行的关键。
（7） 工程破坏后，宜采用综合修补和改建措施。
（8） 闸门要合理的调度及运用。
参考文献：
[1] 郑大琼, 等. 四川省几座水电站泄水建筑物运行现状调查报告[J]. 水利水电科学研究院水力学研究所, 1993.2.
[2] 戴成器. 部分能源部属水电站消能设施破坏情况表[J]. 能源部大坝安全监察中心, 1992.7.
[3] 汪秀丽. 国外大坝安全管理[J]. 北京: 利电力科技, 2006.3.
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