某水電站大壩運(yùn)行安全突發(fā)事件分析

孟相君，薛 洋，童景輝

（國家能源局大壩安全監(jiān)察中心，浙江杭州，311122）

0 引言

大壩安全突發(fā)事件指突然發(fā)生的造成或者可能造成大壩及上下游人民群眾生命、財(cái)產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)損失和嚴(yán)重環(huán)境危害，需要采取應(yīng)急處置方案予以應(yīng)對(duì)的緊急事件。對(duì)大壩安全突發(fā)事件進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析是編制水電站大壩運(yùn)行安全應(yīng)急預(yù)案或潰/垮壩應(yīng)急預(yù)案的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。突發(fā)事件的分類分級(jí)必須結(jié)合水電站大壩實(shí)際情況，對(duì)突發(fā)事件進(jìn)行危險(xiǎn)因素辨識(shí)和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，明確可能發(fā)生的突發(fā)事件類型，分析對(duì)大壩運(yùn)行安全的影響和后果嚴(yán)重程度。

根據(jù)DL/T 1901—2018《水電站大壩運(yùn)行安全應(yīng)急預(yù)案編制導(dǎo)則》，大壩安全突發(fā)事件主要分為以下四類：

（1）自然災(zāi)害類：洪水、凌汛、地震、地質(zhì)災(zāi)害等。

（2）事故災(zāi)難類：上游潰壩或上游水電站非正常泄水；水庫大體積漂浮物或失控船舶撞擊大壩或堵塞泄洪設(shè)施；大壩結(jié)構(gòu)或壩基、壩肩的缺陷、隱患突然惡化；泄洪設(shè)施和相關(guān)設(shè)備不能正常運(yùn)用；水庫調(diào)度不當(dāng)，水電站運(yùn)行、維護(hù)及檢修不當(dāng)。

（3）社會(huì)安全事件類：戰(zhàn)爭、恐怖襲擊、人為破壞事件。

（4）其他突發(fā)事件。

1 工程概況

某工程樞紐由攔河壩、泄洪排沙建筑物和混合式發(fā)電廠房組成，設(shè)計(jì)洪水重現(xiàn)期1 000年，校核洪水重現(xiàn)期10 000年，死水位1 694.00 m，設(shè)計(jì)汛限水位1 726.00 m，設(shè)計(jì)洪水位（正常蓄水位）1 735.00 m，校核洪水位1 738.00 m，為不完全年調(diào)節(jié)水庫。

攔河壩由混凝土重力壩和右岸土壩組成，壩頂高程1 739.00 m，最大壩高147.0 m。泄洪排沙建筑物包括溢洪道、泄洪洞、泄水道、排沙洞和新建排沙洞。溢洪道共3孔，堰頂高程1 715.00 m，挑流消能；泄洪洞進(jìn)口底板高程1 675.00 m，挑流消能；泄水道進(jìn)口分為2孔，底板高程1 665.00 m，挑流消能；排沙洞進(jìn)口底板高程1 665.00 m，平射擴(kuò)散消能；新建排沙洞進(jìn)口底板高程1 665.00 m，挑流消能；泄洪建筑物最大下泄流量8 790 m3/s。

原設(shè)計(jì)工程區(qū)地震基本烈度為Ⅶ度，主壩按9度設(shè)防，右岸土壩按8.5度設(shè)防，聯(lián)接副壩及兩岸混凝土副壩按8度設(shè)防。

2 突發(fā)事件分析

2.1 自然災(zāi)害類

2.1.1 洪水

大壩設(shè)計(jì)洪水洪峰流量8 860 m3/s，校核洪水洪峰流量10 800 m3/s，對(duì)應(yīng)庫水位分別為1 735.00 m和1 738.00 m。大壩日常運(yùn)行時(shí)，與上游龍頭水庫進(jìn)行聯(lián)合防洪調(diào)度，經(jīng)聯(lián)合調(diào)度后，大壩防洪標(biāo)準(zhǔn)可達(dá)到可能最大洪水（PMF）標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)2019年5月汛限水位論證報(bào)告，將洪水系列延長至2015年進(jìn)行洪水復(fù)核，其設(shè)計(jì)洪峰流量9 110 m3/s，校核洪峰流量11 230 m3/s，與原設(shè)計(jì)成果相差在5%以內(nèi)。根據(jù)2013年實(shí)測庫容，調(diào)洪庫容因淤積損失4.47%。采用聯(lián)合防洪調(diào)度，該壩在遭遇洪峰流量為13 300 m3/s的可能最大洪水時(shí)，最高庫水位為1 737.18 m，低于原校核洪水位1 738.00 m，上游龍頭水庫的調(diào)蓄作用提高了該壩的防洪能力。

該壩與龍頭水庫間河段長333 km，區(qū)間流域面積占該壩壩址控制流域面積的28%，區(qū)間環(huán)境復(fù)雜、不確定因素多，支流上還有已建的一系列大中型水電站。該壩上游干流、支流上的水電站大多以發(fā)電為主，除龍頭水庫外基本都沒有防洪任務(wù)和洪水調(diào)蓄能力。干流洪水期間，如果區(qū)間支流受局地暴雨等極端天氣影響出現(xiàn)較高標(biāo)準(zhǔn)的洪水，則將顯著影響該壩的防洪安全。

因此，在上游龍頭水庫安全運(yùn)行、兩庫聯(lián)合調(diào)度方案正常實(shí)施的情況下，該壩具備抵御可能最大洪水的能力，不會(huì)發(fā)生漫壩。但在龍頭水庫大壩因自身險(xiǎn)情無法保證下泄流量控制，聯(lián)合調(diào)度不能正常實(shí)施，干流洪水期間支流水電站因各種原因而加大泄水甚至潰壩等情況下，仍可能導(dǎo)致該壩發(fā)生漫壩，甚至潰壩。

2.1.2 凌汛

該壩所在河流凌汛主要發(fā)生在上游寧蒙河段、中游北干流河段、下游河段及上中游水庫庫尾河段，凌汛期為11月1日至翌年3月31日。該壩不處于河流凌汛河段，而且凌汛威脅主要取決于氣溫變化、河道槽蓄水增量、上游來水情況等，在上游梯級(jí)電站投運(yùn)、兩庫聯(lián)合調(diào)度運(yùn)行后，流域調(diào)洪能力增強(qiáng)，凌汛期的流量保證率提高，該壩發(fā)生冰凌堆積、冰塞、冰壩的可能性很低。

2.1.3 地震

該壩壩址無區(qū)域性深大且具有活動(dòng)性的斷裂構(gòu)造通過，不具備發(fā)生強(qiáng)烈地震的地質(zhì)構(gòu)造背景，在區(qū)域地質(zhì)上屬于穩(wěn)定地塊。水庫蓄水后未發(fā)生水庫誘發(fā)有感地震。

原水利電力部關(guān)于該壩地震烈度的批復(fù)為：“壩址區(qū)地震基本烈度為Ⅶ度；混凝土主壩、右岸土壩及刺墻、擋土墻結(jié)構(gòu)設(shè)防烈度為9度；左右岸混凝土重力副壩及電站廠房設(shè)防烈度為8度；其他附屬建筑物為7度”。設(shè)計(jì)實(shí)際采用的設(shè)防烈度為主壩9度，右岸土壩8.5度，其他建筑物8度。

根據(jù)GB 18306—2015《中國地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》，壩址區(qū)50年超越概率10%的地震動(dòng)峰值加速度為0.15g，相應(yīng)基本烈度仍為Ⅶ度。根據(jù)DL 5180—2003《水電樞紐工程等級(jí)劃分及設(shè)計(jì)安全標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定，本工程抗震設(shè)防烈度為8度，大壩抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。

原設(shè)計(jì)主壩、左右副壩和右岸土壩在地震工況下的抗滑穩(wěn)定和壩基應(yīng)力滿足規(guī)范要求。1989年大壩安全首次定檢時(shí)，按實(shí)測揚(yáng)壓力、淤沙高程進(jìn)行了抗震復(fù)核，主壩在9度地震工況下，抗滑穩(wěn)定和壩基應(yīng)力滿足規(guī)范要求，左、右岸混凝土副壩的穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求。但右岸土壩以8.5度地震工況（水位1 735 m+地震）復(fù)核時(shí)，其穩(wěn)定安全系數(shù)Kcmin=1.04，略小于規(guī)范要求的Kcmin≥1.05。如果在高水位遭遇8.5度及以上的地震工況，有可能發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞，甚至有潰壩風(fēng)險(xiǎn)。

因此，遭遇設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)以內(nèi)的地震時(shí)，該壩總體上是安全的。一旦遭遇超設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)的地震，極易造成右岸土壩結(jié)構(gòu)破壞以至潰壩，同時(shí)地震可能造成混凝土壩上部結(jié)構(gòu)破壞、閘門變形、邊坡垮塌，引發(fā)閘門無法正常啟閉、庫水無法正常下泄等問題，導(dǎo)致發(fā)生漫壩、潰壩事故。

2.1.4 地質(zhì)災(zāi)害

2017年廠區(qū)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)估表明，區(qū)內(nèi)發(fā)育有3處滑坡、25處不穩(wěn)定邊坡。3處滑坡災(zāi)害中，2處危險(xiǎn)性中等（分別為Ⅰ號(hào)和Ⅱ號(hào)滑坡體）、1處危險(xiǎn)性小；25處不穩(wěn)定邊坡災(zāi)害中，2處危險(xiǎn)性大（分別對(duì)應(yīng)壩后右岸出線場邊坡及泄洪洞出口邊坡）、12處危險(xiǎn)性中等、11處危險(xiǎn)性小。

近壩庫岸邊坡總體穩(wěn)定性較好，庫區(qū)支流河谷左岸發(fā)育Ⅰ號(hào)、Ⅱ號(hào)2處滑坡體，分別距壩1 600 m和2 000 m。Ⅰ號(hào)滑坡體為巖質(zhì)滑坡，部分滑體已滑入庫內(nèi)，滑坡體后緣發(fā)育一條長約75 m、寬8~10 cm的拉裂縫。后緣高程1 800 m（高于正常蓄水位65 m），總體積約3.2萬m3。Ⅱ號(hào)滑坡體為巖質(zhì)滑坡，滑坡體后緣發(fā)育1條長約120 m、寬10~15 cm的拉裂縫。后緣高程1 785 m（高于正常蓄水位50 m），總體積約13萬m3。兩滑坡體都有過較大幅度的坐落式滑移，目前后緣仍發(fā)育有拉裂縫，在暴雨、地震等特殊工況下，Ⅰ號(hào)和Ⅱ號(hào)滑坡均有失穩(wěn)下滑可能。由于兩滑坡規(guī)模較小，且距離大壩較遠(yuǎn)，對(duì)大壩及相關(guān)建筑物無明顯影響。

右岸壩肩邊坡發(fā)育Ⅳ級(jí)階地，地層巖性從上至下依次為第四系黃土、砂礫石、第三系紅砂巖和前震旦系變質(zhì)巖，副壩壩頂高程以上則主要為黃土層，邊坡穩(wěn)定性好。右岸壩后邊坡整體穩(wěn)定，其中：尾水區(qū)邊坡裸露基巖已經(jīng)進(jìn)行了噴錨處理，穩(wěn)定性好；出線場邊坡頂部基巖裸露，巖石堅(jiān)硬且較完整，邊坡及周邊基巖產(chǎn)狀穩(wěn)定，局部可能出現(xiàn)松動(dòng)掉塊；泄洪洞出口邊坡巖層走向與洞臉邊坡夾角?。ɑ緦夙樝蚱拢露容^緩，坡面平直光滑，坡面已做錨固支護(hù)處理，但側(cè)向邊坡陡峻，局部呈倒坡，巖體中斷層發(fā)育，表部風(fēng)化卸荷較嚴(yán)重，側(cè)坡上部巖體卸荷松弛，穩(wěn)定條件較差，存在掉塊的可能。

由此可見，庫區(qū)左岸滑坡體距離壩址較遠(yuǎn)、規(guī)模不大，即使失穩(wěn)對(duì)大壩安全影響也不大。下游河岸地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)多，發(fā)生小規(guī)模塌方和掉塊的可能性大。大壩下游河道狹窄、兩岸山高坡陡，加上水電站泄水設(shè)施采取挑流消能，大流量泄洪時(shí)下游霧化問題嚴(yán)重，容易引發(fā)霧化導(dǎo)致的邊坡滑塌，可能威脅新廠房、泄水道、進(jìn)廠公路等建筑物安全。

2.2 事故災(zāi)難類

2.2.1 上游水庫大壩潰決

該壩上游干流、支流上已建設(shè)一系列梯級(jí)水電站。上游干流已建梯級(jí)水庫（水電站）12座，包括大型水庫5座，庫容分別為272.6億m3、10.79億m3、17.5億m3、6.2億m3和2.635億m3；上游支流有大中型水電站3座，庫容分別為9.85億m3、0.085億m3和0.174億m3。其中，3座大壩的校核洪水設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)低于該工程，當(dāng)流域遭遇重現(xiàn)期10 000年的洪水時(shí)，有些大壩可能因超過其設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)而潰決。一旦上述大型水庫發(fā)生垮壩，潰壩洪水將對(duì)該壩運(yùn)行安全造成重大影響，甚至導(dǎo)致該壩潰壩。

2.2.2 水庫大體積漂浮物、失控船只撞擊堵塞泄洪設(shè)施

該工程水庫面積131 km2、回水長度66 km，庫區(qū)兼有航運(yùn)、旅游功能，庫區(qū)水域船只較多，平時(shí)大多停泊于壩址上游右岸碼頭，存在船只因水庫泄洪或其他原因出現(xiàn)故障而失控或沉船的可能。若船只失控，可能沖撞壩體，堵塞溢洪道，或沉船影響泄水道、泄洪洞、排沙洞的正常運(yùn)行，影響庫水下泄，甚至導(dǎo)致漫壩、潰壩。

2.2.3 大壩基礎(chǔ)破壞

壩址為前震旦系云母石英片巖，主壩及地下廠房區(qū)多屬微風(fēng)化整體結(jié)構(gòu)或塊狀結(jié)構(gòu)巖體，透水性小。巖層產(chǎn)狀受背斜控制，總體傾向下游偏右岸。通過壩基的斷層有10多條；壩基內(nèi)構(gòu)造裂隙發(fā)育，層面裂隙和順層構(gòu)造擠壓破碎帶在左壩肩較為發(fā)育，河床壩段也有一定數(shù)量分布。

左岸副壩壩基巖性主要為云母石英片巖，大部為弱風(fēng)化巖體，近壩頂處局部為強(qiáng)風(fēng)化云母石英片巖和第三系紅砂巖；右岸混凝土副壩壩基出露的巖石為前震旦系云母石英片巖，巖體中小斷層發(fā)育，并發(fā)育四組構(gòu)造裂隙，呈弱風(fēng)化；聯(lián)接副壩壩基巖性以云母石英片巖為主，巖體中構(gòu)造裂隙及順層構(gòu)造擠壓破碎帶較發(fā)育；右岸土壩部分壩基為前震旦系云母石英片巖，部分壩基為階地砂礫石層。

施工開挖過程中，對(duì)壩基淺表層的薄層狀及松動(dòng)巖體均進(jìn)行了清除，對(duì)壩基范圍內(nèi)較明顯的構(gòu)造擠壓破碎帶進(jìn)行了刻槽深挖并回填混凝土，對(duì)壩基巖體進(jìn)行了系統(tǒng)固結(jié)和帷幕灌漿處理，并設(shè)三排縱向排水幕和兩排橫向排水幕。對(duì)右岸土壩，在壩體填筑前進(jìn)行了水泥黏土防滲帷幕灌漿，砂礫石層上的心墻基礎(chǔ)設(shè)截水槽，截水槽基礎(chǔ)開挖至前震旦系云母石英片巖或紅砂巖層中。

根據(jù)2020年大壩安全第五次定期檢查報(bào)告，主壩壩基河床部位部分壩段實(shí)測最大揚(yáng)壓系數(shù)大于設(shè)計(jì)值0.20。由于帷幕后揚(yáng)壓力測點(diǎn)監(jiān)測區(qū)域有限，不排除多個(gè)局部位置揚(yáng)壓力水頭超過設(shè)計(jì)值的可能性；右岸土壩實(shí)測壩基砂礫石層內(nèi)最大水力坡降為0.23，接近設(shè)計(jì)允許值0.25。地下廠房上游壁地下水位偏高，雖采取多項(xiàng)措施后有所降低，但仍高于設(shè)計(jì)值。

因此，該壩長期運(yùn)行仍不能排除主壩及混凝土副壩壩基防滲體系弱化、滲漏加重的可能，以及右岸土壩因壩基防滲體系損壞，滲漏大幅增加，進(jìn)而發(fā)生下游坡腳大量涌水翻砂等滲透破壞的可能。一旦發(fā)現(xiàn)、處理不及時(shí)，或疊加地震、高水位荷載作用，可能導(dǎo)致其他重大險(xiǎn)情，甚至潰壩。

2.2.4 結(jié)構(gòu)破壞

壩址地震烈度較高，主壩設(shè)防烈度達(dá)9度。為增加陡坡壩塊的側(cè)向穩(wěn)定性，提高抗震能力，工程建設(shè)時(shí)采取了對(duì)1 715 m高程以下橫縫進(jìn)行灌漿，形成整體式重力壩，并在部分壩段下游增加補(bǔ)角，提高邊坡壩塊的混凝土標(biāo)號(hào)等綜合措施。自1989年首次定檢以來，該大壩已經(jīng)過五次定檢，均被評(píng)定為正常壩。

右岸土壩用當(dāng)?shù)夭牧希S土、石碴、砂礫料）堆筑而成，為擋水建筑物中相對(duì)薄弱壩段。土石壩運(yùn)行期間，其材料強(qiáng)度和防滲性能可能下降，不排除產(chǎn)生滑坡、裂縫、滲流破壞的可能。

該壩泄水設(shè)施種類多、作用水頭大、工作條件復(fù)雜，投運(yùn)最早的泄水道自1967年投運(yùn)以來，運(yùn)行時(shí)間已經(jīng)超過50年，加上泄水道、泄洪洞、排沙洞的檢修門槽及前段進(jìn)水口常年處于水下，沒有條件進(jìn)行日常檢查維修，更容易發(fā)生嚴(yán)重的空蝕和磨蝕破壞，甚至出現(xiàn)閘門等金屬結(jié)構(gòu)破壞。溢洪道未設(shè)置事故檢修門，運(yùn)行中閘門一旦破壞、垮塌，容易引發(fā)庫水無控制泄放。

綜上所述，該大壩混凝土壩段本身安全裕度較大，正常運(yùn)行發(fā)生破壞的可能性不大。除右岸土壩可能因各種原因發(fā)生滑坡、滲透破壞等事故外，泄水建筑物的缺陷問題較多，不排除在長期運(yùn)行過程中發(fā)生氣蝕破壞等事件的可能，如果發(fā)現(xiàn)、處理不及時(shí)，極易引起泄洪安全事故，最終導(dǎo)致漫壩、潰壩。

2.2.5 水庫泥沙淤堵泄洪設(shè)施

庫區(qū)來水含沙量大，年輸沙量0.89億t，存在泥沙在閘門前淤積的情況，可能會(huì)影響閘門啟閉和水庫泄水能力，影響大壩正常泄洪，最終可能導(dǎo)致漫壩、潰壩事故發(fā)生。

2.2.6 運(yùn)行管理事故

大壩長期運(yùn)行管理過程中，人為疏漏或設(shè)備儀器故障會(huì)影響對(duì)壩體運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測，不能及時(shí)反映壩體真實(shí)工作狀態(tài)，因此難以對(duì)大壩運(yùn)行異常作出及時(shí)反應(yīng)，一旦事態(tài)擴(kuò)大，可能引發(fā)大壩安全事故。

2.3 社會(huì)安全事件類

該水電站大壩地處西北要道，所在地是內(nèi)地連接新疆和西藏的重要經(jīng)濟(jì)通道，且水庫距離下游省會(huì)城市僅100 km。該省會(huì)城市是西北地區(qū)重要的工業(yè)基地和綜合交通樞紐、西部地區(qū)重要的中心城市之一、絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶的重要節(jié)點(diǎn)城市，戰(zhàn)略價(jià)值高。當(dāng)?shù)厣鐣?huì)穩(wěn)定，但依然面臨著恐怖主義、境外非法勢力滲透等安全問題。

大壩戰(zhàn)略價(jià)值高，不排除發(fā)生戰(zhàn)爭時(shí)遭遇空襲的可能，一旦大壩受到戰(zhàn)亂波及，可能會(huì)造成大壩結(jié)構(gòu)損毀重大險(xiǎn)情，甚至潰壩，直接威脅下游城市安全。因此，存在因戰(zhàn)爭、恐怖襲擊或人為破壞等社會(huì)因素導(dǎo)致潰壩或重大險(xiǎn)情的可能。

2.4 小結(jié)

按照上述分析，根據(jù)該壩工程實(shí)際情況，其受凌汛影響或地質(zhì)災(zāi)害影響發(fā)生潰壩的可能性基本不存在，但遭遇超標(biāo)準(zhǔn)洪水、強(qiáng)震、上游水庫潰壩、水庫大型漂浮物失控、大壩結(jié)構(gòu)缺陷持續(xù)惡化、運(yùn)行管理事故及戰(zhàn)爭、恐怖襲擊或人為破壞等突發(fā)事件均可能導(dǎo)致漫壩或潰壩。因此，可能導(dǎo)致該大壩漫壩或潰決的突發(fā)事件主要有以下幾類：

（1）遭遇超標(biāo)準(zhǔn)洪水，或與上游龍頭水庫聯(lián)合調(diào)度無法正常實(shí)施；

（2）壩址遭遇超過設(shè)防烈度的地震，導(dǎo)致大壩、尤其是右岸土壩破壞；

（3）副壩防滲措施或壩體結(jié)構(gòu)缺陷持續(xù)惡化，發(fā)生滲透破壞，導(dǎo)致副壩破壞或垮塌；

（4）閘門，尤其是溢洪道工作閘門破壞導(dǎo)致庫水無控制泄放，或泄水設(shè)施泄洪過程發(fā)生氣蝕破壞，影響大壩正常泄洪；

（5）壩址上游干流、支流大中型水庫發(fā)生潰壩事故，引發(fā)漫壩、潰壩，或上游龍頭水庫泄水失控；

（6）庫區(qū)船舶等大型漂浮物失控、沉沒而堵塞泄水建筑物進(jìn)水口，導(dǎo)致泄流設(shè)施堵塞或無法開啟；

（7）庫區(qū)來水含沙量大，泥沙淤積嚴(yán)重時(shí)可能淤堵泄洪設(shè)施，影響水庫泄水能力；

（8）戰(zhàn)爭、恐怖襲擊或人為破壞導(dǎo)致潰壩或溢洪道等上部結(jié)構(gòu)嚴(yán)重?fù)p壞，導(dǎo)致庫水無控制泄放。

3 結(jié)語

筆者結(jié)合某水電站的工程樞紐布置和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、運(yùn)行特性，對(duì)大壩可能遭遇的突發(fā)事件進(jìn)行了詳細(xì)的分析，明確了突發(fā)事件發(fā)生的可能性、特點(diǎn)和其對(duì)大壩安全的影響和后果嚴(yán)重程度，為編制水電站大壩運(yùn)行安全應(yīng)急預(yù)案或潰/垮壩應(yīng)急預(yù)案提供依據(jù)。根據(jù)分析結(jié)果，編制應(yīng)急預(yù)案時(shí)可以更加有針對(duì)性地建立監(jiān)測預(yù)警、信息報(bào)告、應(yīng)急響應(yīng)、搶險(xiǎn)處置機(jī)制，滿足科學(xué)、實(shí)用、便于操作等要求?！?/p>