大壩安全發(fā)展趨勢

美國·Michael F.Rogers

（美國美華集團）

大壩安全發(fā)展趨勢

美國·Michael F.Rogers

（美國美華集團）

大壩安全是壩工界永恒的主題。結合美國國內目前的管理實踐和經驗，介紹了未來大壩安全領域需重點關注的方面，比如風險分析、大壩老化等，供參考。

大壩安全；運行；風險；老化

大壩安全是一個并不新鮮的專業(yè)話題，對業(yè)主、監(jiān)管者和全世界的工程界人士來說，在眾多沖突性事務中，保持該主題的首要性是非常關鍵的。人們必須互相交流和分享來自全世界的經驗教訓（有些甚至是悲劇性的經驗教訓），以維護運營這些世界上最重要的基礎設施，保護公眾并服務公眾是第一要務。即使規(guī)模再小的大壩，保障其安全、最小化其風險且永不自滿是相關工作人員的重大責任。應意識到所有的人造建筑物都有其有效的服役年限，必須充分理解和尊重這一點，甚至還要考慮其服役年限期滿后的退役。

1　應對厄爾尼諾現象

目前太平洋的厄爾尼諾氣候型態(tài)對北美的大壩影響巨大，特別是加利福尼亞州。過去4年中，美國西部大部分地區(qū)都經歷了干旱，加利福尼亞州受災最為嚴重。2014年以來，加利福尼亞州大部分地區(qū)都遭遇了“特別”乃至“極度”的干旱。最近的幾場大雨逐步緩解了該州的缺水現狀，但水庫遠遠未能蓄滿。

因確信厄爾尼諾氣候會在2015～2016年的冬天大大緩解加利福尼亞州的極度干旱，在2015年，對加州南部幾座重要的大壩進行了全面的大壩安全檢查工作。這對確定水庫和大壩業(yè)主需要做哪些工作來迎接可能增加的入庫流量是非常關鍵的。這些工作對確保大壩從設備（比如弧形閘門和低水位出水口）和儀器兩方面準備好迎接預期的運行狀態(tài)的大改變是一個有力的推動。

預期的氣候型態(tài)為大壩性態(tài)和大壩安全設備全面評估提供了一個絕好的機會。有的大壩自幾十年前的初次蓄水以來，從未經歷過如此低的水位，但其也可能在一個季度內就完全蓄滿。庫水位的范圍預期很大，因此，確認儀器的完備性是非常重要的（比如，確認滲壓計正常運行，以及確認揚壓力對混凝土壩的潛在影響）。

圖1　熊谷大壩Fig.1 Bear Valley Dam

熊谷大壩位于加利福尼亞南部，為一座壩高92英尺（約28.04 m）的連拱壩。對該大壩，要求開展相關工作以保證其閘門在因厄爾尼諾現象帶來的大暴雨事件中能正常運行。

對熊谷大壩，之前開展了相關工作。熊溪是圣安娜河的一條支流，因熊溪上建造了熊谷大壩，加利福尼亞南部圣伯納第山脈中形成了著名的大熊湖。2015年秋天，熊谷水庫的庫水位比正常蓄水位低13英尺（約3.96 m），是近十幾年來的最低水位。熊谷水庫流域面積巨大，為38平方英里（約98.42 km2），相對于水庫的有效庫容，可能一兩場大雨就可以讓水庫蓄滿。因此，美國美華集團與熊谷大壩的業(yè)主——大熊市政水利局為保證溢洪道閘門的正常運行共同開展了相關工作，并且還制定了可供執(zhí)行的操作計劃。

2015年，位于美國中西部的某座大壩，因其弧形閘門在暴雨中無法開啟，發(fā)生了大壩潰決，這說明了此項工作的重要性和相關性。該土壩因閘門失效發(fā)生了漫頂和潰決，若當時閘門能正常運行，這一慘劇或許可以避免。

某些大壩閘門的關閉時間太久，一直未運行過，對這樣的情況，在大暴雨來臨之前，確保其能正常運行是非常重要的。位于加利福尼亞州北部的Shasta大壩和Oroville大壩就是這樣的情況，其閘門靜止關閉了5～8年。2015年秋天，加利福尼亞水資源部和美國內政部墾務局花費了大量時間來操作這些閘門，以確保其能正常運行。最后，通過調整與關鍵溢洪道閘門失效或誤操作相關的理論潛在潰壩模式（Potential Failure Modes，PFM），將這些工程的風險降到了最低。

2　水文測量

大熊工程還為當今市場提供了另一個大壩安全教訓。水資源在加利福尼亞州是寶貴的商品，因此不能浪費。在大熊湖地區(qū)，當地經濟非常依賴夏日水庫高水位時的旅游休閑收入。大熊市政水利局必須持續(xù)地測評當其流域發(fā)生大暴雨時，水庫水位的上升幅度，以期能平衡水庫的入流和出流，避免發(fā)生大壩漫頂。

確定流域的水文條件是非常困難的，因為這意味著要做學術性的猜測：對一定量的降雨、降雪或融雪，會形成多少徑流量，其中多少會被吸收？對庫水位的影響有多大？特別是，若流域周圍未安裝大量監(jiān)測儀器，則很難測定降雨對庫水位上升的影響。大熊市政水利局借這次機會，利用來自附近機場和滑雪公園的地區(qū)數據，增強了其天氣數據庫。面臨預報的大暴雨時，首先要降低庫水位防止漫頂。地區(qū)總管說：“這是一個微妙的過程，因為水資源是寶貴的，因此并不希望多泄放庫水，但又必須保持一種平衡，即保證大壩安全又將水蓄留在水庫中?！比粼谡_的地方安裝了合適的儀器，則能找到在這些極端工況中更合理的大壩和水庫的運行方案。

3　風險分析

提及大壩安全實踐中正流行的新思想，風險評估和高風險大壩的可能最大洪水（Probable Maxi?mum Floods，PMF）概念是一個重要方面。越來越多的大壩業(yè)主希望利用風險評估的概念，通過使用極端水文和地震工況（即可能最大洪水和最大可信地震）來對大壩安全預算進行優(yōu)先排序，并將大壩安全改造的重點放在那些可以將保護大壩和下游居民的投資收益最大化的工程上。目前，行業(yè)中正在對這些工程開展大量的工作，以進行徹底的風險評估，特別是那些擁有多個工程或一系列大壩的業(yè)主。具有代表性的就是南加州愛迪生電力公司、美國墾務局、美國陸軍工程師兵團和太平洋電氣公司，它們在西海岸都擁有高風險的大壩。

這些擁有高風險工程的業(yè)主深知對工程進行定期更新改造和維護的必要性。在審視大壩安全時，總是試圖找出那些需要立即采取降低風險措施的工程，然后通過有針對性的投資，來解決其重大的風險問題。當前業(yè)主最想實現的工程目標是如何將工程和其資產組合的整體風險降低到行業(yè)可接受水平。大壩專家、業(yè)主、監(jiān)管者和工程咨詢師目前在該領域工作做得不錯。聯邦政府主導開展了許多工作，主要是美國陸軍工程師兵團和墾務局以及他們的風險評估方法?？偟膩碚f，就風險確定的決策制定過程，風險評估工作提升了行業(yè)的穩(wěn)健性，使工程更安全，也讓生活在大壩下游的居民更安全。

目前，國際上對這一方法非常感興趣，特別是在大壩安全中使用了潛在潰壩模式方法的風險評估，以提高全世界工程的安全性。對大壩安全投資進行優(yōu)先排序時，對當代及下一代大壩專業(yè)人員來說，廣泛審視工程獨有特性和工況的潛在潰壩模式方法近乎是全球標準。

美國國內大壩數量超過了84 000座，其平均壩齡約為55年。和人需要定期健康檢查一樣，55年壩齡（甚至更老）的大壩也需要進行定期檢查。但許多大壩業(yè)主自20世紀70年代或80年代以來，就未對大壩安全（包括水文條件）進行過新的檢查。隨著降雨預報技術的進步，現在可獲知流域的變化。之前可能最大洪水研究的重點一直都放在可能最大降雨部分、氣象學部分，而不是流域的變化部分。獲取關于流域特性的最新信息（包括開發(fā)、徑流）并在流域區(qū)域水庫周圍實際安裝上可遠程操控連接的測量儀器以驗證各種假設，這樣可使控制中心實時獲取可用于評估和監(jiān)測的數據。這些數據可用于預測水庫未來的工況，以幫助實現對大壩安全和對大壩下游居民生命財產安全來說更優(yōu)的運行方式。

圖2　熊谷大壩的上游視圖，清楚地顯示了去年秋天的庫水位，比正常蓄水位低了13英尺（約3.96 m），是近十幾年來的最低水位Fig.2 The upstream view of Bear Valley Dam shows the level of the reservoir,which was 13 feet down from normal pool last fall,the lowest the reservoir has been in more than a decade

4　合理的儀器布設

中國在流域監(jiān)測方面有一些創(chuàng)新應用。中國三峽公司目前的項目包括中國國內和國外。三峽公司當前在建有梯級大壩和水電站的大流域上所進行的工作包括在流域上游段安裝高質量的儀器設備，這樣可以預測流量，并及時對洪水工況做好準備。中國的山區(qū)和流域徑流豐富，因此必需知道特定梯級沿河向下的徑流數據，且具有較高的準確性。三峽公司目前也在開展這方面的工作，同時還參與了國際大壩委員會技術委員會新公報《水電站和水庫的整體運營》的編寫工作。

5　建筑物的老化

大壩業(yè)主遇到的最常見的問題就是其建筑物和設備的剩余有效服役年限。美國許多工程都建于50～100年前，已經超過了其設計年限。業(yè)主們提出疑問：“混凝土壩或土石壩，如何才能將其壽命再延長50～100年?！睂S護保養(yǎng)良好的工程，要做的事情不多。這類似于老的汽車模型或老房子，或一位老人，需要做的就是進行日常的保養(yǎng)維護（或日常鍛煉），偶爾需要進行一次大修，以保持健康和生產力。

美國許多工程都在準備大修，或至少對結構物的高風險方面要進行一次重要的檢查或審查。通過對混凝土壩的大修工程，可檢查混凝土隨時間所受到的侵蝕，特別是在易受凍融凍脹的區(qū)域，需檢查還有多少混凝土能承受原有的設計荷載?？赡苄枰ㄟ^一次檢修來清除被侵蝕的混凝土、橋梁或溢洪道閘墩。更薄型的混凝土結構通常更易遭受侵蝕帶來的原料損失。有的案例中，這些工程可通過檢修來更新或讓它們停止服役。在未來的十年左右，業(yè)主需要考慮維護保養(yǎng)一座老壩的成本和收益是否值得繼續(xù)投資進行定期的更新改造，可能需要對整個或部分建筑物進行改造，或讓整個工程退役。

作為專業(yè)人士，可能最不合適的就是試圖保留那些已經達到其設計年限末尾的老舊工程，通過最少的投資保證其運行，而未能合理地評估整體建筑物的工況和在達到其設計年限后仍保留這些工程讓其服役的風險。這樣會增大對工程、環(huán)境和下游居民及財產的風險，因為潛在潰壩模式隨時間變化和增大。許多工程面臨的最終風險是結構物失事，或損失有限，或是災難性的。隨著時間的推移，失事風險會逐漸增大，業(yè)主必須加大投入和提高警惕。

就風險而言，世界上許多大壩都達到了不可接受的風險水平，不幸的是，經常會聽見大壩潰決的消息。作為專業(yè)人士，應盡力達到可能的最高的安全標準，使全世界大壩的風險都最小化。尋求合理評估的業(yè)主、監(jiān)管者和工程師，需意識到其專業(yè)職責是保證公眾的安全，可以在大壩設計服役年限的最后將其替換掉或拆除。

文獻來源：Hydro World North America翻譯：崔弘毅

校核：許傳桂

Title:Trends in dam safety

by Michael F.Rogers∕MWH Global,Inc.

Dam safety is always a big concern of engineering profession.Combined with the manage?ment practice and experience in America,the paper introduces the key aspects which should be high?lighted,such as risk analysis,dam aging and so on,for reference.

dam safety;operation;risk;aging

TV697.2

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1671-1092（2016）04-0071-03

2016-07-11