我国水库深孔泄水建筑物统计与闸门前堆积物现状调研分析

江 超 ，盛金保 ，朱沁夏 ，范磊然

（1.南京水利科学研究院，210029，南京；2.水利部大坝安全管理中心，210029，南京）

据不完全统计，我国现已建成坝高100 m及以上高坝大库200余座。深孔泄水建筑物对保障高坝大库安全至关重要，但随着运行时间的增长推移，较多水库（或水电站）深孔泄水建筑物闸门前堆积物不断增加，导致闸门在启闭时无法顺利完成，严重影响工程安全运行。如陕西省王瑶水库无溢洪道，泄洪洞为工程唯一的泄洪设施，水库自1972年建成投入运行以来，泄洪洞频繁堵塞，给工程安全运行带来巨大安全隐患，威胁着下游人民生命财产安全。龙口水利枢纽为黄河万家寨水利枢纽配套工程，其泄水建筑物以底孔为主，泄洪排沙洞淤堵现象比较严重，在2014年4月1日落#2泄洪排沙洞进口事故门时，经过反复起落试验，仍有约2.5 m不能闭合，造成蓄水量流失，影响工程经济效益。

2016年10月，南京水利科学研究院联合中国长江三峡集团公司、中国水利水电科学研究院、长江勘测规划设计研究有限责任公司、黄河水利委员会黄河水利科学研究院、大连理工大学、四川大学、河海大学、郑州大学等十多家单位承担了国家重点研发计划项目“重大水利工程大坝深水检测及突发事件监测预警与应急处置”。为做好项目中“深孔泄水建筑物疏堵与闸门修复技术及装备”的课题研究，全面了解我国水库深孔泄水建筑物进口闸门前堆积物的堆积现状及其对闸门安全运行的影响程度，以为下一步项目研究奠定基础，课题组采用调研问卷与现场实地考察相结合的方式开展了调研。

一、深孔泄水建筑物统计分析

当前我国坝高30 m（含）以上且有深孔泄水建筑物的水库共有约1062座。

1.按坝高统计

在上述水库中，坝高小于70 m的有938座；高于70 m（含）而小于100 m的有89座；高于100 m（含）的有35座。其中，有深孔泄水建筑物的水库以低于70 m的大坝为主，占总数的88%，与我国水库大坝坝高分布比例基本一致，符合我国水库实际情况。

2.按规模统计

坝高30 m及以上有深孔泄水建筑物的水库中，大 （1）型水库有35座，大（2）型水库有113座，中型水库有 477 座，小（1）型水库有 363 座，小（2）型水库有74座。其中，有深孔泄水建筑物的中型水库在此类水库中所占比例最大，为45%；其次为小型水 库 ， 小 （1） 型 与 小 （2） 型 合 计 占41%，小型水库虽占我国水库数量的90%以上，但坝高超过30 m的水库较少，故在此类水库中数量要小于中型水库；大型水库所占比重最小，大（1）型与大（2）型合计占14%，主要因大型水库占水库总数的比例本身较小。

3.按坝型统计

坝高30 m及以上有深孔泄水建筑物的水库中，重力坝有201座，土石坝有713座，拱坝有148座。其中，土石坝在此类水库中所占比重最大，为67%，重力坝与拱坝合计占33%。土石坝约占我国水库大坝总数的95%，重力坝与拱坝只占水库大坝总数的5%，但土石坝与其他坝型占此类水库的比例分别为67%、33%，表明混凝土坝、拱坝两种坝型设置深孔泄水建筑物的比例远高于土石坝。

4.按地区统计

坝高30 m及以上有深孔泄水建筑物的水库中云南省数量最多，有149座，排名2～10位的依次为浙江、陕西、山西、广东、福建、四川、河南、新疆、河北， 分别有该类水库 98、94、63、62、55、47、46、46、43 座。 按省份统计见图 1。

云南省有此类水库数量最多，主要因云南为我国水电开发基地，不仅水库数量多，且高坝大库多分布于此，较多高坝大库都设置了深孔泄水建筑物；陕西、山西、河南、新疆、河北等水土流失相对较严重省份此类水库数量同样较多，主要因这些区域的水库多有排沙需求，通过设置深孔泄水建筑物泄水排沙，减缓水库淤积速度。浙江、广东、福建、四川等省水电开发程度高，高坝大库同样较多，相应此类水库数量也多。

5.按闸门型式统计

坝高30 m及以上有深孔泄水建筑物的水库中，深孔泄水建筑物进口闸门为平板闸门的有560座，为弧形闸门的有427座，其他型式闸门的有75座。平板闸门与弧形闸门为深孔泄水建筑物进口闸门型式的主体，占93%，其中平板闸门所占比例比弧形闸门更高，两类闸门所占比重分别为53%与40%。

二、深孔闸门前堆积现状调研分析

2017年11月，水利部大坝安全管理中心以公函形式印发 《关于协助填写水库（或水电站）深孔泄水建筑物门前堆积情况调研问卷的函》，组织各相关水库（或水电站）填写调研问卷。调研对象为部分坝高70 m且有深孔泄水建筑物的水库，调研内容包括工程基本情况、深孔泄水建筑物基本情况、闸门前堆积程度、堆积物主要成分、闸门前堆积清理情况、闸门前堆积监测情况、闸门前堆积预防与清理建议等。共发放问卷58份，回收问卷32份，占发放问卷总数的55%。

1.深孔闸门前堆积整体情况

闸门前堆积严重程度定义为：堆积物影响到闸门启闭操作的为 “严重”，不影响启闭操作但存在堆积问题的为“轻微”，介于“严重”和“轻微”间的为“中等”，不存在堆积问题的为“无”。提交问卷的32座水库中，共有13座水库存在闸门前堆积问题，占调研水库总数的41%，其中10座水库堆积轻微，1座水库堆积中等，2座水库堆积严重。

当前在有深孔泄水建筑物的水库中，闸前存在堆积问题的水库比例较高，为41%，闸前堆积主要受入库泥沙含量、流速、水深、时间、运行方式等因素影响。堆积严重程度中等以上的水库只占9%，主要因较多工程建成时间不长，闸前泥沙堆积问题暂不突出。随着工程运行时间的推移，我国将会有越来越多的水库存在深孔闸前泥沙堆积问题。

2.堆积物主要成分与来源

根据问卷调研结果，堆积物主要成分为碎石和泥沙。如新疆石门水电站堆积物主要成分为沉积泥沙及小石，丹江口、湖北芭蕉河、云南茄子山、黄河三门峡、陕西石门、嘉陵江亭子口、四川武都、黄河小浪底水库堆积物主要成分为泥沙，重庆鲤鱼塘、四川升钟水库堆积物主要成分为淤泥，新疆石门子水库堆积物主要成分为上游河道推移质。经分析其主要来源包括：①上游库区水土流失带来的泥沙；②施工期遗留的建筑垃圾，如混凝土、脚手架钢管、卡扣件、施工模板、焊条、钢筋等；③上游洪水带来的冲积物；④上游滑坡、泥石流等地质灾害带来的碎石与泥沙。

3.堆积物影响闸门启闭事故

提交问卷的32座水库中，共有4座水库曾经发生过影响闸门启闭的事故，但并未产生严重后果，占调研水库总数的13%。事故共可分为2类，一类为闸门前堆积物过多导致启

图1 有深孔泄水建筑物水库省份统计情况

门力增加，致使闸门无法顺利提升；另一类为闸门门槛或门槽因石子、泥沙堆积或卡阻，致使闭门不严而导致水量流失。

4.堆积物清理工作开展情况

提交问卷的32座水库中，共有6座水库开展过闸门前堆积物清理工作，约占调研水库总数的20%。当前这些水库采用的主要清理手段可总结为3类：①采用机械设备或人工潜入水下进行清理；②通过泄洪或泄水冲刷底孔闸门前堆积物；③上述2种方式相结合使用。

5.堆积物监测情况

提交问卷的32座水库中，共有7座水库开展过进口堆积物监测工作，占调研水库总数的22%。当前深孔闸门前堆积物监测手段主要有：①坝前布置断面与测点测量深孔泄水建筑物进水口淤沙高程，测量方式又分人工和自动化测量两类。如黄河三门峡水利枢纽一般在汛期人工使用皮尺测量深孔闸门前堆积情况，小浪底水利枢纽则在排沙洞进水口上方安装了一套SES-2000浅地层剖面仪，实现了进水塔前泥沙堆积高程实时监测。②在深孔泄水建筑物进水口前安装水下监控设备如水下电视、水下摄像头，实时监控闸门前堆积物情况。③采用上述2种方式联合监测。

6.堆积物清理建议与对策

提交问卷的32座水库中，共有11座水库就深孔闸门前堆积物清理工作提供了意见与建议，占调研水库总数的35%。经归纳总结，有益建议与对策如下：

①开展深孔闸门前堆积物清理专项设计研究。设计一套带高压冲水和大功率抽水功能的沉箱系统，在深孔未运行期间，定期提出水面分析堆积物成分及堆积速率，确定清理方案并实施；设计一套带视频监控（或声呐）、测量、堆积物取样及冲吸堆积物的智能水下机器人系统，实现在线监测、按需清理。

②加强深孔闸门前堆积物监测。采用水下地形实时测量与水下监控设备相结合的方式，在深孔泄水建筑物进水口位置设置堆积物监测项目，实时监测门前堆积状况，为制定相应的清理方案提供科学支撑。

③强化闸门运行调度，以泄水（洪）排沙为主，必要时采取人工或机械清理措施。深孔闸门前堆积的泥沙，大多可以通过闸门优化调度泄水（洪）清理，对于板结程度高的泥沙或水流无法清理的堆积物，可借助人工和机械清理措施进行彻底清理。

三、展 望

针对当前存在且将来可能更加严重的深孔闸门前堆积物影响闸门安全运行问题，建议下一步重点开展以下方面的研究工作：

①通过文献调研方式，必要时选取深孔闸门前堆积严重的典型水库进行堆积物取样分析，研究我国不同流域水库深孔闸门前堆积物组成与特点，提出深孔闸门前堆积物分类方法，为研究制定不同类堆积物的清理措施奠定基础。

②在调研与取样分析基础上，挖掘影响闸门前堆积物形成的主要因子，包括水深、流速、时间、泥沙含量、进水口型式与尺寸、运行方式等，并分析各因子对堆积物形成的影响过程与机理。以各影响因子为主要评价指标，构建深孔闸门前堆积物严重程度评价指标体系，用于快速定性评价门前堆积物对闸门启闭的影响程度。

③在前人研究基础上，开展堆积物影响闸门启闭机理的基础理论研究，通过模型试验，分析确定不同泥沙堆积高度、颗粒级配组成、泥沙板结程度对闸门启闭的影响，进而确定不影响闸门正常启闭的不同堆积物临界堆积高度，用于指导制定科学合理的闸门调度运用方式。

④开展深孔闸门前堆积物监测方法研究。当前《混凝土坝安全监测技术规范》（SL 601—2013）、《土石坝安全监测技术规范》（SL 551—2012）均包含“坝前堆积”监测技术方法，但相较“变形监测”“渗流监测”等监测项目内容明显偏少，只规范了总体的布置原则与推荐方法，且用于指导监测深孔闸门前堆积物的针对性与可操作性不强，建议开展相关专题研究。

⑤研制100 m级深水环境下的深孔自推进疏堵成套装备。在100 m级深水环境下，不仅水压大、可见度差，且水下环境复杂，采用常规的人工和机械清淤手段较难取得实效。因此，亟需研究一套能够在深水环境下自推进的清淤设备，通过远程遥控其高效行进至堆积物周围并进行堆积物清理，可极大提高堆积物清理效率。 ■