瑞士塞拉拱壩的修復(fù)

茹 欣，魯一暉，戴海旭

（中國水利水電科學(xué)研究院 水利部水工程建設(shè)與安全重點實驗室，北京 100038）

1 原塞拉拱壩的特性和現(xiàn)狀

瑞士塞拉拱壩位于瓦萊州新普倫山口南側(cè)，始建于1951年，1952年建成，電站配有3臺設(shè)計流量為11.5m3/s的沖擊式渦輪發(fā)電機(jī)，全年發(fā)電量為1.77億kW·h，能夠保證貢多市全年的用電需求。已建成的塞拉拱壩從垂直方向看是一個高約20m的柱形拱面。拱壩水平拱圈線型為多心圓，其半徑從拱冠處的28.0m變化到近岸處的170.0m。拱壩上部厚度為1.0m，拱壩下部的厚度逐漸加厚，其平均值約為3.5m。在拱壩建設(shè)時分了6個獨立的壩段，每個壩段長為11.0m，壩段間用1.0m寬的收縮縫連接[1]。此外拱壩設(shè)計時，其下游沒有像上游那樣設(shè)置用于承受拉應(yīng)力的鋼筋。拱壩混凝土總方量為2 300m3。大壩的柔度系數(shù)[2]（細(xì)長比）C接近40，其值相比于其它條件類似的拱壩偏高。C=A2/（VH），其中C為柔度系數(shù)；A為壩體迎水面展開面積，因迎水面展開面積比較難算，常用中面展開面積替代；V為壩體方量；H為最大壩高。

拱壩壩頂高程為1 280.40m，處于拱壩中間的溢洪道寬32.60m，高程1 278.00m。當(dāng)水庫處于最大蓄水位1 279.84m時溢洪道的設(shè)計泄流量為175m3/s。拱壩在右岸有一個直徑為1.10m的圓形底孔，底孔由位于上游面的水下閘門控制。拱壩在右岸還建有一條導(dǎo)流能力為40m3/s的導(dǎo)流洞用來宣泄流域洪水并避免水庫淤積。

自從1952年開始使用大地測量監(jiān)控以來就發(fā)現(xiàn)拱壩的位置逐漸發(fā)生變化。網(wǎng)絡(luò)測繪測量的是位于下游面的16個目標(biāo)點。19世紀(jì)70年代首次使用網(wǎng)絡(luò)測繪方法觀測到了大壩的永久性位移。綜合之前的人工觀測數(shù)據(jù)結(jié)果，顯示從1952—2009年，壩體垂直方向的位移膨脹量一般與其所處的高度成正比。在大壩的中央?yún)^(qū)域，總位移超過20mm[1]。

頂部高層測量到的最大水平位移達(dá)到65mm，而在拱圈相同高程處的溢流前緣的位移也達(dá)到了50mm，過去幾年徑向位移增長在逐年加快。這些永久位移都導(dǎo)致壩體出現(xiàn)裂縫，特別是在下游壩趾周圍和與之對應(yīng)的同一高程處的上游基巖處也出現(xiàn)了裂縫。周邊縫可能是導(dǎo)致壩體傾斜的原因，更大的難題是這些裂縫在壩體內(nèi)部的延伸情況還沒有辦法可以明確測定。

2000年10月，一場特大洪水使壩頂出現(xiàn)溢流，洪水的洪峰流量達(dá)到了320～340m3/s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過水電站溢洪道的泄洪能力。這次特大洪水修改了大壩原有的水文數(shù)據(jù)，大壩防洪安全將千年一遇的洪水流量提高到了540m3/s，塞拉拱壩溢洪道的原泄流量175m3/s已經(jīng)不能滿足新的水文標(biāo)準(zhǔn)要求。但是根據(jù)瑞士法律的規(guī)定，大壩必須保證在面對可能最大洪水的情況下安全運行，因此塞拉拱壩的安全等級已經(jīng)不滿足法律要求。

基于以上安全因素考慮，塞拉拱壩不僅需要對其泄洪能力和壩體裂縫進(jìn)行全面修復(fù)，還要想辦法解決壩體過大位移問題。這些修復(fù)工作都可能面臨各種不確定因素和具有難度較大的施工技術(shù)，即使這些問題可以克服，其修復(fù)結(jié)構(gòu)也很難得到保證。經(jīng)過慎重考慮，最終決定拆除原有拱壩重建新壩。

2 新塞拉拱壩的特征

通過現(xiàn)場勘查發(fā)現(xiàn)，在原有大壩壩址下游幾十米處有一處較深的懸崖，為了防止新壩向下游移動，決定在毗鄰原有拱壩壩址處修建新拱壩。新壩采用雙曲拱壩形式，考慮到新壩結(jié)構(gòu)尺寸的限制，壩體采用簡單的幾何形狀，垂直方向以混凝土接縫處曲率確定基準(zhǔn)線，水平方面拱壩是橢圓形的。新壩在建設(shè)時同樣劃分成6個獨立的壩段，每個壩段的寬度從12.0m到14.4m不等，每個壩段之間待壩身混凝土冷卻后用水泥漿進(jìn)行施工縫的灌漿連接。

新壩的壩頂高程為1 282.70m，比原壩高1.30m，新壩壩高為22m，混凝土總方量為3 500m3。新壩的柔度系數(shù)（細(xì)長比）C值相當(dāng)?shù)蛢H為17。新增的6.0m壩高可以大大增加水庫的蓄水能力。根據(jù)規(guī)劃，為了進(jìn)一步降低堿骨料反應(yīng)的風(fēng)險，制備新壩混凝土非活性骨料所用的采石場距離施工現(xiàn)場50km?；炷僚浜媳仍O(shè)計中計劃使用礦渣水泥CEMⅢ/B42.5（220kg/m3）。出于安全考慮，新壩增加了溢洪道出口挑檻長度并且新壩挑檻高度比原壩高1.30m，新壩的底孔截面為邊長1.60m的正方形，底孔中心線與河道中心線的縱坡交角為10°，這使得新壩的溢洪道泄流效率有了很大的提高。

3 工程施工

3.1 施工安排項目審批是由瑞士聯(lián)邦能源辦公室的大壩安全部進(jìn)行，而后在2009年7月由大壩所在的州政府頒發(fā)了施工許可證。施工現(xiàn)場的準(zhǔn)備工作在2009年的8～9月進(jìn)行。施工現(xiàn)場修建了混凝土拌合場，為新壩混凝土提供非活性骨料的采石場距離施工現(xiàn)場50km，在那里進(jìn)行骨料篩分并分成5個不同的量級。使用容量為1m3的塔式起重機(jī)對主要壩段的混凝土進(jìn)行澆筑。

正式施工從2009年秋天開始，先在左岸進(jìn)行開挖及壩體澆筑。期間曾在2009年12月中旬到2010年3月底期間停工，停工期間，施工方優(yōu)化了澆筑程序并在車間完成模板的制作調(diào)配工作，同時進(jìn)行的還有鋼筋和底孔閘門這些構(gòu)件的設(shè)計生產(chǎn)工作。2010年4月開始進(jìn)行新壩右岸的基礎(chǔ)開挖。整個挖掘工作的工期較長，一方面是由于挖掘方法，因為沒有類似條件的施工經(jīng)驗可以借鑒，所以挖掘方法的選擇十分謹(jǐn)慎；另一方面是因為要將開挖出的土石方運出施工現(xiàn)場，施工機(jī)械的調(diào)配需要時間。2010年5月挖掘工作結(jié)束前就已開始澆筑右岸混凝土。2010年6月導(dǎo)流底孔閘門在車間制作后，運達(dá)施工現(xiàn)場進(jìn)行組裝安設(shè)?；炷林黧w的澆筑工作在2010年的9月份結(jié)束。在2010年的9～10月份進(jìn)行了基礎(chǔ)灌漿（接觸灌漿和帷幕灌漿）。

2010年11月，在結(jié)束施工縫的灌漿工作后放空原壩水庫，開始原壩的拆除工作。拆除工作首先將大壩垂直切割成10m寬的塊體，然后用挖掘機(jī)將大塊體推翻在水庫中，用氣錘分解后運走。

3.2 基礎(chǔ)開挖新壩要在運行中的大壩壩趾處進(jìn)行基礎(chǔ)開挖，施工過程中通過劇烈震動臨界值[3]了解運行中的大壩壩基處的安全狀況。為了進(jìn)一步減少開挖階段對原壩的震動影響，在新壩上下游邊緣垂直開挖了長約10m的防震溝。

基礎(chǔ)開挖初期通常使用炸藥進(jìn)行爆破，但在這種特殊工況下即使炸藥的用量控制到最小也無法保證產(chǎn)生的振動在規(guī)定范圍內(nèi)。據(jù)此，決定放棄炸藥爆破作業(yè)而采用在挖掘機(jī)上安裝氣動錘的方式進(jìn)行挖掘，以放緩?fù)诰蛩俣葹榇鷥r保證挖掘過程的安全。同時，為了確保原壩壩趾處的安全穩(wěn)定，還在原壩的壩基處埋設(shè)了錨筋。

3.3 原壩在施工中的運行狀況在施工期間，特別是在新壩的基礎(chǔ)開挖期間，對原壩采用了一套特別的監(jiān)控方案。方案包括：（1）用在壩頂部設(shè)置的3臺測斜儀和在壩體中部溢洪道處安置的臨時擺來測量壩的位移；（2）每兩個月對原壩進(jìn)行一次大地測量。監(jiān)測結(jié)果表明，原壩在整個施工期間沒有發(fā)生任何異常位移。從這個工程的施工監(jiān)測數(shù)據(jù)中可以看出，制定一個完善的水庫水位管理計劃可以有效避免異常位移產(chǎn)生。

3.4 基礎(chǔ)灌漿采用水泥漿混合物對基巖進(jìn)行灌漿處理，有兩種不同的操作方法。第一種為覆蓋全部壩基表面的接觸灌漿。這種灌漿的深度可以達(dá)到基巖下3m，灌漿孔孔深2.5m，總共需要85個。接觸灌漿主要分為兩個階段：（1）第一階段是在比較低的地方，即在基礎(chǔ)下面承受壓力最大的3處鋼筋附近進(jìn)行孔深為1m的灌漿；（2）第二階段是對靠近壩基混凝土和基巖表面的2根鋼筋附近進(jìn)行灌漿處理。除個別灌漿孔外，灌漿孔所需的灌漿量（鉆孔平均20L/m）都很低。可以看出在基礎(chǔ)開挖過程中沒有使用炸藥，既降低了巖體開裂的風(fēng)險也減少了灌漿量。

第二種為帷幕灌漿。接觸灌漿結(jié)束后，進(jìn)行了帷幕灌漿，這次灌漿包括36個深度達(dá)到30m的灌漿孔（11個一序孔，12個二序孔，13個三序孔）。一序孔、二序孔和三序孔分別鉆孔，然后根據(jù)GIN標(biāo)準(zhǔn)灌漿。每個灌漿孔都單獨鉆孔，從底部到頂部灌漿，每三米進(jìn)行一次充氣單封隔離[1]。

4 水電站在施工期間的運行

4.1 施工期間的洪水管理自從新壩在原壩的壩址處開工建設(shè)以來，對來水的處理是主要考慮的問題之一。對上游貢多水電站的管理目標(biāo)很明確，就是在施工過程中可以順利度過汛期。需要考慮的一個重要方面是在運行方案中涉及到的蓄水量和實際集水區(qū)域來水量相比是很少的。事實上，在融雪期貢多水電站是以徑流方式運行，通常不會出現(xiàn)壩頂溢流。用貢多廠房的渦輪機(jī)和調(diào)節(jié)導(dǎo)流洞的閘門對來水流量進(jìn)行調(diào)節(jié)是完全滿足要求的（現(xiàn)場操作或者在電場中遠(yuǎn)程控制）。為了在遇到更大洪水時，水庫中能留有一個滯洪區(qū)來保護(hù)施工現(xiàn)場或者是保證有充足的時間去疏散施工現(xiàn)場，將施工期間最高運行水位定在了1 274.00m[1]。在原壩的頂部安裝了可視聽的報警裝置，一旦水位超過了警戒水位就會提醒現(xiàn)場工作人員撤離。方案中對現(xiàn)場施工的安全做了充分的考慮，同時還建立了一個水文預(yù)報模型對集水區(qū)來水量進(jìn)行評估。

4.2 水文預(yù)報模型為了土建工程安全，用一個流量預(yù)測體系來對未來幾天可能出現(xiàn)的洪水信息進(jìn)行有效分析。本工程中應(yīng)用RS3.0軟件建立河水流量預(yù)報模型[1]。在RS3.0中的GMS-SOCONT降水徑流模型包含了在復(fù)雜山地積水條件下很多水文活動的進(jìn)程統(tǒng)計。預(yù)測未來的進(jìn)程統(tǒng)計計算由這個模型完成，包括：降水的空間分布和溫度、積雪的位置和融雪、地表徑流和冰川融水、土壤滲流。結(jié)合水文數(shù)據(jù)，模擬出了水力發(fā)電廠的引水建筑物、水庫、溢洪道和底孔以及發(fā)電用的渦輪機(jī)。這個模型包括整個集水區(qū)域流量計算，這些計算都遵循流量的演變規(guī)律。

這些復(fù)雜的信息都是通過帶有最新地理圖像設(shè)備的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)平臺進(jìn)行發(fā)布。每種數(shù)據(jù)都由用戶容易操作的三維界面組成，例如在假定氣象站的觀測和預(yù)報天氣，分-集水點出口處的流量，模擬河段的流量、枯水位和水力發(fā)電量。通過最新的預(yù)測結(jié)果和以有數(shù)據(jù)統(tǒng)計可以更準(zhǔn)確的判斷3天內(nèi)是否會發(fā)生洪水。系統(tǒng)還可以通過對最新流入量的預(yù)測和水庫的實際水位設(shè)計水庫上游最優(yōu)引流方案。

塞拉拱壩的流量預(yù)測是基于瑞士氣象局提供的3種不同數(shù)字天氣預(yù)報模型（頻率為12h）進(jìn)行的，用于預(yù)測未來24h的COSMO2模型、用于未來72h的COSMO7模型和用于未來240h預(yù)測的ECMWF模型[1]。水文模型中還包括降水和溫度的預(yù)測。這個模型利用了建立在集水區(qū)的流量監(jiān)控站的數(shù)據(jù)。每隔一個小時，模型會根據(jù)收到的新的數(shù)據(jù)在網(wǎng)上發(fā)布新的流量預(yù)測。

5 結(jié)語

我國水利水電工程分布面積廣，壩型眾多，它們中的大多數(shù)既擔(dān)負(fù)著防洪減災(zāi)的任務(wù)又要保證農(nóng)業(yè)灌溉和城鎮(zhèn)生活生產(chǎn)用水，在國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)揮了重要作用，但是由于這些水利水電工程在建設(shè)初期都不同程度的受到技術(shù)或歷史等因素的影響，加之多年的運行，近年來大壩老化和安全情況突出。目前我國水利水電工程的修復(fù)方案通常是對原結(jié)構(gòu)進(jìn)行除險加固，拆除重建的例子比較少。通過塞拉拱壩拆除修復(fù)的案例可以看出，當(dāng)簡單修復(fù)難以維持水電站正常運行或無法滿足新的防洪標(biāo)準(zhǔn)時，拆除重建亦是保證水電站安全運行的方案。通過對塞拉拱壩修復(fù)重建的過程分析可知，在拆舊建新的過程中要盡量滿足：（1）在原壩發(fā)生溢流前盡量利用原壩蓄水防洪；（2）當(dāng)遇到原壩不能阻擋的洪水來襲時要保證現(xiàn)場施工人員的安全；（3）在施工期間不能一味降低最低庫水位，要盡量減少水力發(fā)電的損失；（4）新壩施工期間要密切關(guān)注原壩的壩址安全；（5）建立安全可靠的水文模型，以便降低洪水風(fēng)險。

[1]GaelMicoulet，F(xiàn)abio Tognola.Dams in Switzerland Source for Worldwide Swiss Dam Engineering[C]//Swiss Committee on Dams.Swiss：Grove Press，2011：239-243.

[2]任青文，王伯樂.關(guān)于拱壩龍巴迪曲線的修正[C]//全國拱壩新技術(shù)研討會論文集.北京：中國水利水電出版社，2001：186-189.

[3]Kovari K.Detection and monitoring of structure deficientics in the rock doundation of large dams[J].Lansanne，1985，15（3）：33-37.