美国奥洛维尔水库溢洪道事故的反思

李 健，王辉义

（国家能源局大坝安全监察中心，浙江杭州，311122）

1 概述

奥洛维尔水库位于美国加利福尼亚州北部菲泽河上，工程开发任务主要为防洪、灌溉，并兼有发电等功能，于1968年建成投运。坝址以上流域面积9 360 km2，水库总库容43.62亿m3，电站总装机容量675 MW。枢纽建筑物包括拦河坝、泄洪建筑物、引水发电系统等。拦河坝为斜心墙土石坝，最大坝高234.7 m，是美国最高的土石坝。泄洪建筑物由主溢洪道和非常溢洪道组成，位置见图1。

图1 主溢洪道、非常溢洪道相对位置图Fig.1 Locations of service and emergency spillways

溢洪道泄槽冲刷破坏过程如下：受上游降雨影响，为保持库水位低于汛限水位850 ft，主溢洪道开闸泄洪，2月6日下泄流量达到1 096 m3/s，2月7日停止泄洪后检查发现混凝土泄槽中下部陡坡段出现冲刷破坏。随着入库流量持续增大，主溢洪道恢复泄洪，至2月10日下泄流量增大到1717m3/s，泄槽冲刷部位扩大到91.4 m宽、152.4 m长、13.7 m深。为避免冲刷加剧，主溢洪道下泄流量降至1 600 m3/s。2月11日库水位超过非常溢洪道堰顶开始自由溢流，最大下泄流量360 m3/s，2月12日非常溢洪道下游山坡冲刷已影响堰体基础安全，加州政府紧急撤离下游居民并再次增大主溢洪道泄量，当晚库水降至非常溢洪道堰顶以下。2月13日对非常溢洪道下游山坡较大冲坑进行抛投沙袋、石块及采取混凝土砂浆等加固措施，主溢洪道继续泄洪至2月27日，其中13～16日下泄流量保持在2 800 m3/s左右，18～24日保持在1 500～1 700 m3/s，泄槽冲刷破坏范围继续扩大，该处左侧边墙冲毁，水流经该处冲刷边墙外侧山坡，见图2。

2 泄洪建筑物设计及对比

2.1 奥洛维尔水库泄洪设施

图2 主溢洪道泄洪时泄槽冲刷破坏状况Fig.2 Scour of chute during discharge

奥洛维尔水库泄洪建筑物由主溢洪道和非常溢洪道组成。主溢洪道布置在大坝右岸山坡上，由进水渠、控制段、泄槽段、消能工组成。一般洪水通过主溢洪道下泄，设计泄流量4 200 m3/s，设计最大流速47 m/s。控制段设8扇5.4 m宽、10.1 m高的弧形工作闸门。泄槽为等宽矩形断面，宽54.5 m，长930 m，坡度采用先缓后陡的连接方式。消能工设有分流高齿坎。泄槽底板设纵横结构缝，最小厚度约38 cm，混凝土强度等级以高程865 ft为界，该高程以上约20 MPa、以下约27 MPa，泄槽未设掺气设施。泄槽底板多建基于风化较严重基岩，设置有锚杆与基础连接，底板下设排水网管，排水管直径约15 cm。非常溢洪道紧靠主溢洪道右侧布置，为开敞式无闸门控制溢流堰，堰顶长度527.5 m，堰顶高程901 ft，最大堰高15.24 m，设计泄流量8 500 m3/s。堰体下游为自然山坡，未进行开挖与衬护。

2.2 国内工程泄洪设施

土石坝坝型以对地质条件要求低、充分利用开挖料、工程投资相对低等优点得到广泛采用，该类工程泄洪建筑物通常采用岸边溢洪道、泄洪洞等泄洪设施，国内部分类似工程泄洪建筑物设计情况见表1。

3 对泄洪建筑物设计的思考

3.1 泄洪建筑物型式选择

奥洛维尔水库主溢洪道和非常溢洪道均采用开敞式溢流堰的泄洪方式。主溢洪道设闸门控制，通常下泄小洪水，使用较频繁；非常溢洪道无闸门控制，自由溢流，大洪水时启用，使用机会相对较少。该工程选择小洪水通过闸门控制泄流、大洪水采用自由溢流作为主要泄洪通道的设计理念可有效减少设计难度和工程投资，且开敞式溢流堰超泄能力强、无闸门控制溢流堰运行管理相对简单，可降低因超标准洪水、人为调度失误等因素造成的土石坝漫顶溃坝风险。

国内土石坝工程多采用溢洪道和泄洪洞联合泄洪方式。溢洪道多采用开敞式溢流堰，超泄能力强，为主要泄洪通道。泄洪洞孔口高程相对较低，一般在较大洪水时启用，泄洪机会很少。选择表、深孔结合的泄洪方式，既充分利用了开敞式溢流堰超泄能力强的特点，又兼顾了在非常情况下可有效降低库水位的优势，调度运用更加灵活。但此类工程泄洪建筑物的工程投资占比相对较大，设计、运行管理难度也相对较大。

3.2 基础处理及结构设计

3.2.1 基础处理

奥洛维尔水库泄洪建筑物基础处理相对较简单：主溢洪道泄槽基础设置了锚筋和排水网管，以加强底板与基础的连接和抗浮稳定，但从泄槽冲刷破坏部位揭示来看，地基岩石风化较严重，也存在建基面岩体较破碎、未进行相应处理、浮渣清理不够彻底等问题。非常溢洪道堰脚未做任何保护，存在淘刷堰脚基础风险。

国内工程溢洪道泄槽一般建基于弱风化岩体，断层、破碎岩体等一般采取刻槽混凝土置换和固结灌浆处理，以提高地基承载能力和均一性；同时设置基础锚筋与底板混凝土面层钢筋可靠连接，并在基础面设置纵、横排水管网降低底板渗压。消能工下游往往设有预挖冲坑，并采取贴坡混凝土或护坦保护，以防止冲刷，进而影响挑流鼻坎的基础安全。

3.2.2 结构设计

奥洛维尔水库主溢洪道的泄槽底坡、断面及分缝设计与国内工程较一致：泄槽底坡先缓后陡的衔接方式，将高流速水流段集中在下游，远离主体建筑物；泄槽采用较为简单的等宽矩形断面，以保持水流相对平顺且便于施工；泄槽底板设有纵、横缝，以减少基础约束等引起的混凝土底板裂缝。而国内有些工程（如糯扎渡、滩坑、苗尾等）泄槽底板采用设纵缝、不设横缝，仅在掺气槽结合部位设结构缝的分缝形式，以减少横缝连接部位不平整度超标、横缝部位发生高速水流集中冲刷等问题。此外，国内部分工程（如糯扎渡、水布垭）溢洪道泄槽内设置中隔墩以进一步加强对水流流态控制。

表1 国内部分类似工程泄洪建筑物实例Table 1 Design of flood discharge structure of similar projects in China

国内设计规范要求泄槽底板满足不透水、有足够的刚度和强度抵抗压曲，底板厚度根据工程类比确定，大、中型溢洪道泄槽底板厚度不应小于30 cm。表1中所列工程的溢洪道泄槽底板厚度一般在60～200 cm之间，而奥洛维尔水库主溢洪道泄槽底板厚度最小38 cm，相对偏薄。

3.3 掺气减蚀

奥洛维尔水库建成年代较早，虽然主溢洪道泄槽内水流设计最大流速高达47 m/s，但受限于当时的认知水平，对高速水流空蚀破坏的危害预估不足，泄槽未设掺气设施，也未对过流面不平整度提出严格要求，主溢洪道泄槽底板混凝土高速水流段采用抗压强度27 MPa，强度等级明显偏低。

国内设计规范要求水流流速达到30 m/s应设掺气设施。国内工程溢洪道泄槽高速水流段、结构突变部位、陡曲线段等部位除根据模型试验成果设置掺气设施外，对过流面的不平整度也按流速分段提出严格要求，且过流面混凝土强度等级一般不低于C40，并掺加钢纤维或硅粉等材料提高混凝土抗冲磨性能。

4 结语

回顾奥洛维尔水库溢洪道失事过程，并从设计角度与国内工程进行对比分析后，主要启示如下：

（1）泄洪建筑物是水电工程的泄洪咽喉，尤其是对于土石坝工程，泄洪建筑物能否正常泄洪直接关系着大坝安全。只有对泄洪建筑物进行周密设计、科学调度、及时检查维护，才能确保大坝安全运行和社会公共安全。

（2）奥洛维尔水库溢洪道事故与泄槽地基岩石风化严重、地基处理不到位、底板厚度薄且混凝土强度低、泄槽未设置掺气设施等因素有直接关系，与对高速水流空蚀破坏的认识不足、水库调度决策失当有间接关系。

（3）对于高水头和高流速的溢洪道设计，加强泄槽地基处理、保证足够的底板厚度、设置掺气设施、严格控制不平整度、采用高强抗冲磨混凝土等措施是必要的。