雅礱江流域高壩群運行安全關鍵問題研究

楊 弘，馮永祥

（1.雅礱江流域水電開發(fā)公司錦屏建設管理局，四川涼山615012；2.雅礱江流域水電開發(fā)公司大壩中心，四川成都610051）

雅礱江流域規(guī)劃的21個梯級電站中，壩高超過100 m的有10座，其中包括世界第一高壩錦屏一級拱壩以及二灘、兩河口等世界級工程。高壩大庫的安全不僅是水能資源高效利用的基礎，更關系到電站本身及水庫上下游人民群眾的生命財產(chǎn)安全。隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，大壩安全管理已經(jīng)超出了業(yè)主的職責，上升為一項社會公共安全事務。

隨著官地、錦屏蓄水安全鑒定工作的全面展開，雅礱江下游梯級電站群已初步形成。梯級電站群在發(fā)揮流域綜合效益的同時，大壩運行安全的風險也成倍增加。分析研究各電站大壩運行安全風險特性和復雜環(huán)境下大壩群運行安全關鍵問題，以便采取必要的技術和管理措施，保障高壩群的運行安全，為流域可持續(xù)發(fā)展夯實基礎。

1 幾項關鍵技術

1.1 復雜環(huán)境下的過水建筑物運行安全

（1）隨著超高壩的建設，壩身孔口泄洪加下游消能水墊塘的結構形式廣泛采用（二灘、錦屏），水墊塘底板磨蝕嚴重，現(xiàn)今主要依賴于定期抽干檢查，耗時長、成本巨大[1]；桐子林水電站泄洪閘下游護坦基礎深覆蓋層滲透性好，長期遭受洪水沖刷和可能的較大浮托力，而且無法排干檢查，這些都迫切需要開發(fā)相應的水下探測技術，并應重視抗沖耐磨新材料的研發(fā)和應用。同時，水流-底板-錨桿-地基的相互作用是個復雜的耦聯(lián)系統(tǒng)，止水破壞到底板發(fā)生揭底破壞是個很短的過程，須開發(fā)相應的動態(tài)監(jiān)測技術。

（2）對于流域高水頭、大流量泄洪洞，泄洪水流流速高達40 m/s以上，嚴重的空化空蝕問題時有發(fā)生，常規(guī)水力學監(jiān)測儀器在高速水流的條件下極易損壞，無法實現(xiàn)連續(xù)、穩(wěn)定運行。由于對空蝕破壞機理認識的局限，尚未找到可靠的敏感量監(jiān)測指標，必須尋求新的監(jiān)測手段，如開展分布式光纖監(jiān)測技術研究等。

（3）錦屏工程高地應力、高水壓力、超長距離引水隧洞的建成投運，如何減少隧洞排空檢修的次數(shù)，是一個嶄新的課題。須開展敏感量識別和研制高空間分辨率、高精度、測量時間短的分布式監(jiān)測儀器。

（4）官地有泄洪水頭最高的底流消力池，但由于高速水流、水氣二相流、水流-結構相互作用的異常復雜性，且泄洪消能結構安全儲備較大壩低，官地工程只具備日調(diào)節(jié)能力，運行期使用將會非常頻繁，遭到破壞的幾率更大。國內(nèi)外已經(jīng)發(fā)生多起底流消力池結構破壞的實例，如俄羅斯的薩揚水電站和我國的五強溪、安康等水電站的消力塘防護結構的嚴重破壞[2]。因此，應高度重視官地工程的泄洪消能安全運行問題，提前采取必要的監(jiān)測和優(yōu)化運行措施。

1.2 動力診斷與物探檢測技術的綜合應用

為保障已建大壩的運行安全，對大壩進行老化、損傷程度的精確檢測與診斷是工程十分關注的課題，也是工程技術難題。由于水工結構物的復雜性和特殊性，傳統(tǒng)的結構無損診斷方法大多是局部損傷檢測方法，應用于水工結構損傷檢測中存在很大的局限性。將動力診斷技術與物探技術相結合將是工程健康性態(tài)檢測與診斷的必然發(fā)展趨勢。

基于環(huán)境激勵（如泄流過程中的泄流荷載激勵）的結構無損動態(tài)檢測方法則較適用于水工結構的現(xiàn)場無損檢測。該方法通過對其進行環(huán)境激勵下的原型振動測試，檢測各類水工結構的動力特性，根據(jù)其動力特性變化來分析、識別、判定其損傷情況及運行健康狀態(tài)，能夠真正實現(xiàn)結構的無損評估和實時監(jiān)測，并且該方法是一種結構整體動態(tài)檢測與損傷診斷方法，可以檢測水工結構隱蔽部位或水下部位的損傷。在物探檢測技術方面，自20世紀末在意大利、美國和日本開始采用大壩聲波層析成像檢測（大壩CT）、電阻率成像儀和探地雷達等物探技術進行大壩檢測，特別是大壩CT已得到廣泛應用，被認為是一種“簡單的、可靠的檢測混凝土壩健康狀態(tài)最好的工具”。

1.3 復雜邊界條件超高壩長期安全運行本質(zhì)規(guī)律研究

高拱壩的長期安全運行本質(zhì)規(guī)律還沒有被完全掌握，二灘高拱壩變形已經(jīng)超出設計給定的監(jiān)控指標，其原因和趨勢目前尚不很清楚；下游面的裂縫雖已有初步結論，但仍存在爭議。以錦屏為代表的正在修建的一批300 m級高拱壩，很多設計指標都已突破現(xiàn)有規(guī)范，且其長期安全運行本質(zhì)規(guī)律無類比經(jīng)驗可以參考，運行期將面臨更加復雜的問題。因此，須深入研究混凝土材料的長期疲勞特性、大體積混凝土的溫度特性、堿骨料長效反應機制、高烈度區(qū)壩體動力破壞機制等，在充分揭示地質(zhì)條件的基礎上，研究超高壩長期安全運行本質(zhì)規(guī)律。

1.4 基于流域壩群相似性和差異性分析的核心建模方法研究

雅礱江干流上布置著不同體型、不同材料的各類大壩，有著不同的設計思路和理念。如錦屏、二灘同為高拱壩，投運時間相差15年，可以充分利用相似溫度環(huán)境（攀西地區(qū)）、相似筑壩材料、相似壩址環(huán)境、不同運行階段、不同壩高等相似和差異化條件，對于大壩安全各項敏感參數(shù)，展開針對性對比分析，有利于從根源上解決一些困擾多年的問題，如二灘大壩裂縫成因等；深刻、徹底認識正、反分析的關鍵參數(shù)長期演變機制，解決復雜約束條件下有限元網(wǎng)格職能劃分等技術，構建基于壩群相似性和差異性的正、反分析核心模型，以指導壩群的長期運行。

另外，由于碾壓混凝土結構獨特的本構關系，且層與層間實質(zhì)上存在一個過渡帶，其力學和滲流特性較為獨特，目前尚未找到合適的監(jiān)控模型建立方法。因此，官地碾壓混凝土壩的監(jiān)控建模方法也應該給予充分重視。

1.5 高壩地震安全快速診斷技術

雅礱江流域位于青藏高原東南部，屬川西南、滇東北侵蝕高山高原區(qū)，活動斷裂發(fā)育，天然構造地震頻繁。二灘、錦屏等幾座電站壩址雖沒有活斷層穿越，但在壩址周邊多有活斷層發(fā)育，很多是在第四紀以來有活動記錄的。且整個流域電站均位于鮮水河斷裂帶、安寧河斷裂帶、則木河－小江斷裂帶及金沙江－紅河斷裂帶所圍限的“川滇菱形塊體”內(nèi)，周邊這些大斷裂帶構造活動劇烈，歷史上有記載的5.0級以上地震共140余次，其中7.0級以上強震達11次。未來百年內(nèi)仍有發(fā)生多次7～8級地震的可能。隨著流域高壩建成蓄水，水庫誘發(fā)地震也應引起足夠的關注。

建設期已經(jīng)采取了很多工程抗震措施，但由于梯級電站工程場地范圍潛在震源區(qū)的最大震級是通過構造類比原則確定，抗震設防烈度多是參考經(jīng)驗公式得到，存在一定的局限性，梯級電站的抗震安全并非萬無一失。在運行期，如何在地震發(fā)生后快速評估地震對大壩等造成的影響是一個非常關鍵的問題。當發(fā)生對壩址區(qū)域有影響的強烈地震，能夠?qū)崟r獲得地震動時程和觸發(fā)時刻大壩的瞬時變形、應力、滲流等信息，并利用預先設置的力學和數(shù)學模型庫，快速計算工程結構不同部位在地震力作用下的受力情況及可能遭受破壞的程度，一旦發(fā)現(xiàn)對大壩等產(chǎn)生破壞性的作用，即快速啟動應急預案，為決策部門抗震減災、防止次生災害、制定震后工程加固措施等提供科學依據(jù)。在錦屏、官地的大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)建設過程中，已經(jīng)明確要求實現(xiàn)強震監(jiān)測系統(tǒng)和變形、滲流等常規(guī)監(jiān)測系統(tǒng)的聯(lián)合運行，以觀測地震波到達瞬時對大壩造成的影響；下一階段仍需開發(fā)地震安全快速評估的力學和數(shù)學模型庫，并綜合利用三維交互式計算機技術，建立快速評估系統(tǒng)；還需要精心編制地震應急預案，重視預案的全面性和可操作性。

1.6 近壩邊坡穩(wěn)定性反饋分析和預警系統(tǒng)

近壩高邊坡穩(wěn)定性反饋分析和預警系統(tǒng)是水電工程建設中的關鍵技術難題。我國西南地區(qū)復雜的地質(zhì)賦存演化環(huán)境、高應力條件下邊坡的巖體結構及變形破壞特征、高強度巖體開挖引起的復雜工程作用效應，使得巖石高邊坡工程的勘測、設計、施工與控制異常復雜，遠超出了現(xiàn)有設計規(guī)范的范圍，高邊坡監(jiān)測反饋分析以及安全預警更是邊坡安全評價研究的前沿課題。目前，巖石高邊坡安全監(jiān)測分析多是建立在統(tǒng)計趨勢預測和工程經(jīng)驗基礎上，有關監(jiān)測預警預報研究，無論是其理論研究，還是技術手段既不完善，亦不成熟。開展邊坡安全監(jiān)測設計及監(jiān)測分析，建立反分析算法，反演典型巖體力學參數(shù)，進行邊坡穩(wěn)定性反饋分析，研究邊坡巖體時效變形特征，為邊坡長期安全評價提供重要技術支撐。

同時，為了滿足流域化、科學化的需求，減少投資，探索GPS、INsar、光纖、無人機等新型監(jiān)測技術，改進、完善和發(fā)展工程類比的預警方法、邊坡變形安全度的預警方法以及多源監(jiān)測信息的趨勢預警方法，為最終建立流域邊坡安全監(jiān)測和預警預報系統(tǒng)打下堅實基礎。

2 幾項重要的保障措施

2.1 向?qū)＜倚蛦T工轉(zhuǎn)變

國內(nèi)多數(shù)水電企業(yè)成立了水工（觀測）班組，負責水工建筑物運行期的安全監(jiān)測的系列工作——定期進行安全監(jiān)測和觀測，整理監(jiān)測數(shù)據(jù)，按月度或季度提出報告，年末進行整編提出年度報告；然后在每五年的定期安全檢查時，委托專業(yè)機構進行長系列監(jiān)測資料的分析，才能對大壩作出安全性評價。開展的工作只是進行現(xiàn)場測量、巡查和相對初級的數(shù)據(jù)整編工作，缺乏對監(jiān)測數(shù)據(jù)深入解讀的能力，在等待定檢的五年中，可能錯失對大壩安全至關重要的信息，從而貽誤治理隱患的最佳時機，導致風險擴大。

隨著梯級高壩、高水頭泄洪洞、大功率底流消能消力池、長水工隧洞的陸續(xù)投運，一批未曾預計的運行難題可能相繼出現(xiàn)，處理難度也會越來越大，雅礱江公司肩負的大壩安全管理責任日益重大，要求員工必須跟上技術進步的步伐，提升自我，具備復雜問題的分析、判斷和處理能力。可以通過開展自主科研項目等措施，為員工在技術上發(fā)展提供更好的環(huán)境，培養(yǎng)專家型員工，這不僅是提高大壩安全管理水平的需要，也是員工自我發(fā)展的重要途徑。

2.2 向工程師責任制轉(zhuǎn)變

根據(jù)國際慣例，大壩業(yè)主負責大壩安全，每座大壩應指派一名富有經(jīng)驗的工程師負責，并明確規(guī)定所有大壩安全工作人員的資格要求和職責任務。當然，各水庫的規(guī)模差異很大，對有些中小型大壩，一個工程師可以負責幾座；而對于一些大型、情況復雜的大壩，一位工程師只能負責一座，甚至還需要配備相應的助手，組成一個小組負責其安全。

工程師負責制可以使長期管理某座大壩的工程師擁有對特定大壩的全面而熟練的經(jīng)驗，并且提高了工作責任感。目前，中國大壩安全管理體制不要求每座大壩都有指定的工程師負責其安全，管理的現(xiàn)狀也做不到指定專門的工程師對某一座大壩的安全負責，但每座大壩至少應配備若干骨干人員，并盡量保持其穩(wěn)定的崗位。

2.3 向以風險管理為主的大壩安全管理新模式轉(zhuǎn)變

我國的大壩安全管理目前還停留在傳統(tǒng)的模式上，即在評判大壩是否安全的時候，往往都偏重于工程結構安全系數(shù)的復核，并以此作為決策的依據(jù)[3]；而發(fā)達國家的大壩安全管理理念是安全的大壩首先是它的風險可以被公眾接受，其次才是完成預定的功能；并把風險評價作為一種決策工具，用以指導運行和維修資金的使用，發(fā)展了一套較為成熟的以風險管理為主的大壩安全管理模式。

如國外的防洪設計標準已經(jīng)發(fā)展到了第三代標準——風險標準，比較起來，我國的防洪設計標準則顯得保守。目前基于風險管理的大壩安全管理已經(jīng)有了具體的實踐，雅礱江公司在建工程圍堰和已建的大壩都已開展了潰壩洪水分析。但在風險的充分評估、處置預案及相應的決策支持建設方面存在較大欠缺。如今，向以風險管理為主的大壩安全管理新模式轉(zhuǎn)變也越發(fā)有著現(xiàn)實的需要。梯級壩群形成后，在資金有限的前提下，梯級大壩的維修加固順序如何確定；隨著《長江流域綜合利用規(guī)劃》的出臺，給雅礱江梯級壩群規(guī)定了50億的防洪庫容，汛期必須提前騰空庫容，但這又增大了汛后蓄水的風險，怎么使洪水資源化、又確保大壩安全，這些問題就必須采用風險管理技術來科學解決。

大壩風險管理技術專業(yè)性很強，我國的管理體制要求不能直接照搬國外的經(jīng)驗。在大壩運行風險識別方面，根據(jù)工程特點，不能只關心可能最大洪水和最大可信地震，應充分挖掘正常荷載組合下，大壩失事的各種隱患。風險分析方面，需要通曉概率論和模糊邏輯等評價方法的專家和大量詳細的歷史統(tǒng)計資料，而我國恰恰缺少相關方面的統(tǒng)計資料，應借助數(shù)字化大壩建設，在實現(xiàn)自身信息化的同時，積極收集國內(nèi)大壩破壞的工程資料，形成自己的數(shù)據(jù)庫。風險評價過程中必須將專家經(jīng)驗和觀測信息融合，實現(xiàn)主客觀權重融合，國內(nèi)缺乏既富有工程技術經(jīng)驗又通曉風險管理的專家，大壩安全管理者在積累工程技術經(jīng)驗的同時，應深入學習風險管理知識，構建一支風險管理專家團隊。最后，在風險管理體系確立后，應建立流域水庫群風險控制標準和應急管理體系，大壩的除險加固等措施必須以風險評價為基礎。

2.4 向數(shù)字化大壩安全管理轉(zhuǎn)變

大壩設計、施工和運行過程中涉及眾多動靜態(tài)信息，以往由于信息技術水平和管理水平限制，工程信息（材料情況、監(jiān)測數(shù)據(jù)等）管理是分散、凌亂的，大壩的力/數(shù)模型是靜態(tài)的，這樣就將大壩安全管理工作人為分解成了若干階段，各階段之間聯(lián)系性較差，不能反映大壩運行的真實性態(tài)，導致決策科學性不足。如何把設計、施工和運行信息進行綜合集成和有效管理，實現(xiàn)遠程、移動、便捷的管理與快速決策，是工程建設和運行管理中需要解決的重要問題。隨著數(shù)字流域技術、智能化電廠技術的逐步成熟，大壩安全管理應向數(shù)字化管理轉(zhuǎn)變，實現(xiàn)對設計過程、施工過程、運行過程的實時、在線、全過程的管理。

數(shù)字化大壩安全管理分為幾個階段：勘查設計階段即充分利用平面繪圖技術、三維顯示技術、數(shù)據(jù)庫技術等實現(xiàn)工程地質(zhì)信息、大壩形體三維建模及設計信息數(shù)據(jù)庫建立；施工期的數(shù)字化建設是一項核心工作，要充分利用智能手持終端技術、現(xiàn)場無線傳輸覆蓋技術、軟件與信息集成等技術實現(xiàn)大壩澆筑進度、材料控制、溫度控制、安全監(jiān)測、基礎防滲等的信息完整入庫，并根據(jù)基礎信息實時校正三維力學模型，實時進行反饋分析，形成數(shù)字大壩的三維力學模型庫；運行期要將設計、施工期的數(shù)字化成果進行集成，將大壩安全監(jiān)測、地震監(jiān)測、水情監(jiān)測等進行集成，依托互聯(lián)網(wǎng)、計算機技術建立流域遠程數(shù)字化大壩安全管理系統(tǒng)，并根據(jù)運行實際性態(tài)，充分利用大壩模型庫開展安全預警預報。

數(shù)字化大壩安全管理能夠?qū)崿F(xiàn)大壩安全管理各個環(huán)節(jié)的精細化、個性化，使管理水平上升一個新的臺階。這不僅需要一個數(shù)字化的技術平臺，更是一項復雜的組織管理工作。

2.5 向全生命周期大壩管理轉(zhuǎn)變

水利水電工程運行維護期長達上百年，但大壩基本的力學性能在設計和施工期就固化了下來。因此，為了確保大壩工程的長效安全，必須站在工程全生命周期角度來研究大壩安全管理，實現(xiàn)工程設計合理、施工質(zhì)量可靠、運行安全高效、綜合成本最低的目標。

向全生命周期大壩安全管理轉(zhuǎn)變包涵了兩個方面的內(nèi)容：一是通過數(shù)字化大壩的建設，對分散在各個階段和各參與單位手中的信息進行有效采集、動態(tài)管理、科學分析，并在工程全生命周期內(nèi)及時反饋到設計、制造、施工和運行單位，以及時改進設計施工、優(yōu)化運行方案、有效監(jiān)測工程安全，保證工程設計、建設質(zhì)量及運行安全得到有效控制。二是流域公司應有一個機構從一座大壩的勘測設計階段即參與其中的一部分工作（如安全監(jiān)測），這項工作應能貫穿設計、施工、運行的全過程，并且是事關大壩安全的一項基礎性的工作，以期通過一個機構參與全過程的某項工作達到對大壩全生命周期特性的深刻認知，實現(xiàn)全生命周期大壩管理。

2.6 向流域壩群集中管理轉(zhuǎn)變

隨著流域壩群的形成，大壩安全演變?yōu)榱饔蛳到y(tǒng)的安全問題，形成更加復雜的串聯(lián)效應。一座問題水壩失事，會將其它完好水壩拖入連鎖反應中，單個工程已經(jīng)不能獨善其身，必須上下兼顧、群防群治，達到流域安全才能確保自身安全；反過來，單個工程的安全也是系統(tǒng)安全的一部分和基礎。這種情況下，流域壩群安全管理的責任主體也起了微妙變化，安全管理的責任方不簡單是各個電廠廠長的集合，顯然應該有一個更高的層次作為流域梯級大壩安全的第一責任方，即流域公司，具體對口管理則由一個獨立的部門、機構負責。這樣，電廠對單一大壩安全負責，流域公司則對流域壩群安全負責。同時，由于現(xiàn)代企業(yè)對于人力資源成本和效率的要求越來越高，每個電廠都配備大量的大壩安全管理人員是不理性的，電廠配備少量人員完成數(shù)據(jù)采集、巡視檢查，分析診斷則由流域公司專門機構統(tǒng)一進行，并實現(xiàn)監(jiān)測系統(tǒng)硬件、軟件的配置統(tǒng)一，可以有效節(jié)約企業(yè)成本。

現(xiàn)階段，壩群的集中管理已經(jīng)是西方發(fā)達國家主流的管理模式。借助計算機網(wǎng)絡及現(xiàn)代通信手段，通過建立區(qū)域性或全國性的大壩群安全監(jiān)控中心，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程傳輸、遠程分析評價、遠程會診反饋和遠程決策，以及提供網(wǎng)上查詢及報表發(fā)布等，對大壩實現(xiàn)集中統(tǒng)一和高效的管理。如美國墾務局下設的丹佛中心，負責墾務局所建大壩的監(jiān)測資料整編分析和大壩安全評價；加拿大BC Hydro公司負責管理BC省的43座大壩。隨著金沙江、大渡河、瀾滄江、雅礱江等流域梯級壩群的建成，向流域壩群集中管理轉(zhuǎn)變將是流域壩群管理的必然趨勢。

3 結語

隨著雅礱江流域壩群的初步形成，應高度重視其運行的復雜性，提前思考運行期的關鍵問題，采取必要的技術和行政措施，確保高壩群的絕對安全，為流域可持續(xù)發(fā)展夯實基礎。

[1]馮永祥.二灘水電站泄洪消能建筑物缺陷及處理[J].大壩安全監(jiān)測，2004（1）：56-61.

[2]練繼建，楊敏.高壩泄流工程[M].北京：中國水利水電出版社.2008：19-25.

[3]吳世勇，陳建康，鄧建輝.水電工程安全監(jiān)測與管理[M].北京：中國水利水電出版社.2009:260-261.