伊拉克摩蘇爾大壩潰壩危機(jī)與解決方案

瑞典·Nasrat Adamo，Nadhir Al-Ansari，Sven Knutsson，Jan Laue，伊拉克·Varoujan Sissakian

（1.瑞典呂勒奧理工大學(xué)；2.私人顧問）

伊拉克摩蘇爾大壩潰壩危機(jī)與解決方案

瑞典·Nasrat Adamo1，Nadhir Al-Ansari1，Sven Knutsson1，Jan Laue1，伊拉克·Varoujan Sissakian2

（1.瑞典呂勒奧理工大學(xué)；2.私人顧問）

摩蘇爾大壩是一座多用途填土壩，長3.4 km，高113 m，庫容11.11 km3，死庫容2.95 km3。大壩位于伊拉克北部的底格里斯河，距離摩蘇爾城西北約60 km。大壩建在熔巖高度巖溶的石膏、泥巖和石灰?guī)r床上。大壩于1986年開始運(yùn)行，從那時(shí)，由于石膏床溶解、存在巖溶作用、以及地下水的影響，滲流問題就開始顯現(xiàn)了。為停止?jié)B流，確保大壩的穩(wěn)定，防滲灌漿的方案一直未停止。2014年，ISIS占領(lǐng)了大壩地區(qū)，停止了灌漿作業(yè)，情況惡化。對(duì)近期狀況的評(píng)估表明，大壩有隨時(shí)潰壩風(fēng)險(xiǎn)。一旦潰壩，將有600萬人受災(zāi)、7 202 km2的土地被淹沒。為了阻止這場災(zāi)難，灌漿作業(yè)應(yīng)該繼續(xù)進(jìn)行，以延長大壩壽命。水庫內(nèi)水位應(yīng)保持低位，以減少潰壩造成的危害。作為永久解決方案，應(yīng)在摩蘇爾大壩下游建造另一座大壩，以抵擋摩蘇爾潰壩的下泄洪水。

伊拉克；底格里斯河；摩蘇爾大壩；灌漿；巖溶作用

1 簡介

摩蘇爾大壩是中東最大的大壩之一，總庫容為111億m3，其中29.5億m3為死庫容，蓄水量為81.6億m3。在伊拉克這樣的干旱國家，這一水量可灌溉100萬ha土地。同時(shí)，大壩發(fā)電裝機(jī)容量為750 MW，不包括反調(diào)節(jié)水庫（主壩南8 km處）的60 MW裝機(jī)以及右側(cè)200 MW的抽水蓄能電站裝機(jī)。

摩蘇爾水壩位于伊拉克北部（42?49'19''E,36? 37'48''N），大壩的基礎(chǔ)問題與地質(zhì)有關(guān)，伊拉克北部的地質(zhì)主要為泥巖、石灰?guī)r、石膏和硬石膏。由于地下水的流動(dòng)，摩蘇爾大壩壩基巖石巖溶發(fā)育高度成熟，導(dǎo)致當(dāng)前壩基嚴(yán)重侵蝕、隨時(shí)有潰壩風(fēng)險(xiǎn)。

2 歷史回顧

1952年伊拉克發(fā)展委員會(huì)提出建設(shè)該大壩，兩家英國公司的合資企業(yè)進(jìn)行了初步研究，選出了壩址并制定了最終設(shè)計(jì)。那時(shí)，大壩的目的是防洪及為Al Jazera節(jié)水灌溉項(xiàng)目供水。后來又增加了灌溉面積，并要求發(fā)電。三家咨詢公司先后參與設(shè)計(jì)，1978年瑞士咨詢聯(lián)盟完成了設(shè)計(jì)及招標(biāo)文件。所有咨詢公司都意識(shí)到了壩基中存在可溶性石膏，雖然大壩壩體位置和設(shè)計(jì)方案各有不同，但都認(rèn)為灌漿可以解決石膏溶解問題。盡管進(jìn)行了廣泛的地質(zhì)調(diào)查，但他們都對(duì)這些情況產(chǎn)生了同樣的誤判。

圖1 堤壩及附屬建筑物，抽水蓄能上水庫和一部分庫容Fig.1 Embankment and appurtenant structures,pump storage upper reservoir and part of the reservoir

3 大壩壩基地質(zhì)條件

大壩設(shè)計(jì)使用灌漿來保護(hù)壩基，防止?jié)B漏和石膏溶解，但未考慮大壩周圍的地質(zhì)溶解。施工采取的防滲措施是在泥巖下進(jìn)行覆蓋層灌漿，壩下設(shè)有超深帷幕灌漿。外邊緣覆蓋層深度約10 m，中心線覆蓋層深度達(dá)25 m。

河床深處巖溶化最嚴(yán)重的巖層處鋪設(shè)超深帷幕灌漿，深度達(dá)80～100 m?？辈祀A段確定了大壩主體下的巖溶水平線，顯示了風(fēng)化和喀斯特程度及演化。這條線以上受影響最嚴(yán)重的地層是石膏/硬石膏層和過渡性膏溶角礫巖（GB），以及角礫泥灰土（含石膏水泥）。四個(gè)膏溶角礫巖層的厚度在8～18 m之間，由下往上稱為GB0、GB1、GB2和GB3。這些巖層很難灌漿，并且由于滲水的侵蝕和溶解，灌漿材料會(huì)很快流失。圖2顯示了大壩軸線東向西的地質(zhì)剖面圖。圖3為帷幕灌漿深度圖。

左岸和副壩下的基礎(chǔ)也不比主壩好（圖4）。盡管受喀斯特作用影響不大，但上層30 m處的石灰?guī)r層（F-Bed）破碎、開裂嚴(yán)重，形成了開放通道，水將滲透至河岸及其下面更堅(jiān)固的GB3層。在溢洪道基礎(chǔ)的開挖過程中，這一地層被揭開，裂縫和節(jié)理非常寬，存在巖溶的危險(xiǎn)，如圖4所示。

圖2 從東至西的地質(zhì)剖面Fig.2 Geological section starts from East at upper left corner to West at bottom lower corner

圖3 大壩下的喀斯特線/巖溶水平線Fig.3 Karst line location under the dam

圖4 在左岸溢洪道基礎(chǔ)GB3層中發(fā)現(xiàn)了嚴(yán)重的裂縫和節(jié)理Fig.4 Badly jointed and fissured GB3 layer found in the left bank in the foundation of the spillway chute and bucket

設(shè)計(jì)人員使用巖溶水平線來確定主壩下帷幕灌漿的深度，在副壩下方，灌漿穿過石灰?guī)r層（FBed），部分穿過GB3層。右岸壩基也遭遇類似問題，但由于巖層倒轉(zhuǎn)形成Wadi Malih（地區(qū)名）背斜，其本身形成了右側(cè)壩肩。右壩肩的巖溶線非常深，需鋪設(shè)超深帷幕灌漿。

4 水庫蓄水和運(yùn)行過程中遇到的問題

在左岸，水庫蓄水期間觀察到石膏嚴(yán)重滲透和溶解，主壩下也有類似情況發(fā)生。1986年2～3月的現(xiàn)場測量和計(jì)算顯示，大約13 000 t的鹽類已被溶解并沖走，溶解速度達(dá)到42～80 t/d?，F(xiàn)場采取了補(bǔ)救措施，通過加強(qiáng)副壩下的帷幕灌漿，減緩左岸巖層的惡化，并在溢洪道槽下增加平行的帷幕灌漿，以保護(hù)基礎(chǔ)。這些措施減少了滲透和溶解，卻無法徹底解決這一問題。圖5顯示溢洪道兩側(cè)的滲流。

主壩下的灌漿遇到了巨大困難。盡管已使用不同的灌漿形式和漿液反復(fù)灌漿，GB地層的許多區(qū)域仍不能被密封。當(dāng)水庫蓄水時(shí)，它們?nèi)允情_放性的，直到現(xiàn)在，仍有長期滲流點(diǎn)。近30 a來，維護(hù)性灌漿工作只是延長了大壩的使用壽命，并不是長久之計(jì)。事實(shí)上，反復(fù)灌漿導(dǎo)致巖石退化，使溶解反應(yīng)前緣移動(dòng)并覆蓋了之前巖溶現(xiàn)象較少的地區(qū)。2006年的一項(xiàng)研究得出結(jié)論，這一前緣已向東移動(dòng)了350 m。然而，停止灌漿維護(hù)將會(huì)加快大壩的沉降和最終的潰壩。

圖5 左岸滲流點(diǎn)Fig.5 Outflow points of left bank seepage water

當(dāng)ISIS占領(lǐng)大壩時(shí)，技術(shù)人員逃離現(xiàn)場，維護(hù)性灌漿在2014年7月～2015年底被迫停止。2016年維護(hù)灌漿由意大利公司在美國陸軍工程師兵團(tuán)的監(jiān)督下恢復(fù)作業(yè)。

灌漿并不是一勞永逸的解決方案。大壩周圍的溶解現(xiàn)象表明整個(gè)壩址都在惡化。水庫右側(cè)1.3 m高的巖溶通道形成于1986年9月，靠近一些落水洞，在蓄水后1 a產(chǎn)生。而圖6顯示了2002年出現(xiàn)的地面裂縫，非常接近大壩右肩，是由于其下方石膏層溶解而產(chǎn)生的。據(jù)持續(xù)觀察，2004年這一裂縫停止擴(kuò)大。筆者認(rèn)為，以上這些裂縫的產(chǎn)生是因?yàn)檫B通水庫的一層較薄的石膏層溶解了。這些和其它觀察結(jié)果表明，大壩右側(cè)的壩基正在快速溶解。

靠近大壩的下游左、右岸堤壩還出現(xiàn)了沉陷。圖7顯示了1992年出現(xiàn)并繼續(xù)擴(kuò)大至1998年的4個(gè)大型沉陷位置。經(jīng)研究，它們是由水庫向Wadi Malih含水層補(bǔ)水的水流而造成的。滲水導(dǎo)致沉陷下方的石膏層溶解。2002年在大壩的左岸緊靠壩址處，突然出現(xiàn)了另一個(gè)沉陷。為填補(bǔ)沉陷使用了4 200 m3的填充材料，但在2005年其繼續(xù)沉陷了0.5 m。通過在沉陷周圍鉆孔設(shè)置壓力計(jì)，并進(jìn)行示蹤染料測試，發(fā)現(xiàn)大壩另一頭下方的滲水導(dǎo)致了該位置的石膏層GB3溶解，從而引起沉陷。

2010年，瑞典呂勒奧大學(xué)一位博士對(duì)水庫進(jìn)行了一次水深測量。這項(xiàng)調(diào)查顯示，大量沉陷已經(jīng)形成（圖8），其中一些深達(dá)10 m，非?？拷髩?。如果沉陷發(fā)生在壩址處，將對(duì)大壩構(gòu)成威脅。石膏和石灰?guī)r層的溶解形成了沉陷和其它形式的巖溶，并將隨時(shí)間推移而擴(kuò)大，并對(duì)大壩造成危害。

圖6 靠近壩基右壩肩處出現(xiàn)地面裂縫Fig.6 Ground fissure which appeared in the right abutment close to dam abutment

圖7 沉陷位置（1992～1998年）Fig.7 Location of sinkholes(1992～1998)

圖8 左岸的沉陷Fig.8 Sinkhole at left bank

5 大壩專家觀點(diǎn)

2005年，聯(lián)合臨時(shí)政府的專家對(duì)大壩狀況和壩基惡化的情況表示關(guān)切。他們?yōu)榇髩晤A(yù)想了幾種可能的潰壩模式，可能性最大的是由于壩基溶解造成壩體沉降和開裂，最終導(dǎo)致潰壩。他們強(qiáng)調(diào)，持續(xù)灌漿僅能延長大壩壽命，但從長遠(yuǎn)來看，潰壩不可避免。他們否定了從壩頂建造隔板的方案，深達(dá)240 m的隔板將對(duì)大壩的完整性造成危害，并且從未實(shí)施過，造價(jià)也將非常昂貴。他們的結(jié)論是，一旦潰壩，唯一能挽救下游人民的方法是續(xù)建下游尚未完工的Badush大壩。這座大壩在1980年代末期計(jì)劃建造，但由于伊拉克受到經(jīng)濟(jì)制裁，于1990年停工。

2007年，水利部聘請(qǐng)的另一批專家給出的意見則相反，認(rèn)為隔板是唯一的安全解決方案，否定了將Badush大壩作為保護(hù)壩的方案。2014年水利部聘請(qǐng)的另一個(gè)咨詢公司也認(rèn)為，在進(jìn)行一些設(shè)計(jì)修改后，應(yīng)該續(xù)建Badush大壩作為保護(hù)壩。

2014年年中，呂勒奧大學(xué)為摩蘇爾大壩問題組建了工作組，并于2016年5月24～25日在斯德哥爾摩舉辦了國際研討會(huì)。研討會(huì)達(dá)成的最終建議是在經(jīng)濟(jì)和技術(shù)可行的情況下，摩蘇爾大壩應(yīng)安裝隔板，或繼續(xù)維護(hù)性灌漿，同時(shí)完成Badush大壩作為保護(hù)大壩。甚至考慮綜合解決方案，修改Badush大壩的設(shè)計(jì)為蓄水型大壩后，永久性替代摩蘇爾大壩，逐漸釋放摩蘇爾水庫的庫容，最后完全放棄摩蘇爾大壩。目前，摩蘇爾大壩仍在等待政府的決定。

6 大壩目前情況

2014年8月ISIS占領(lǐng)大壩、維護(hù)性灌漿停止后，大壩壩基日益惡化，美國陸軍工程兵團(tuán)于2015年組織了一個(gè)專業(yè)小組對(duì)大壩的安全進(jìn)行了檢查。

該小組安裝了儀器和攝像機(jī)對(duì)壩體位移進(jìn)行監(jiān)測，并測試滲漏量和滲水中的石膏濃度。結(jié)果顯示，壩體位移異常大，滲漏量和滲流中的石膏溶解濃度之高也令人驚訝。2015年底，足夠的證據(jù)表明，大壩情況正在迅速惡化，處于潰壩的邊緣。

2016年12月6日刊登在《自然》雜志上的一篇報(bào)告中的空間大地監(jiān)測證明，摩蘇爾大壩自維護(hù)性灌漿停止以來，其垂直位移和水平運(yùn)動(dòng)正在加速。2004～2010年期間的垂直位移速度為12.5 mm/a，而2014～2015年為15 mm/a，如圖9的空間監(jiān)測圖像所示。該研究利用雷達(dá)衛(wèi)星觀測圖像，證實(shí)了以前的研究結(jié)果，在2016年的摩蘇爾大壩研討會(huì)上進(jìn)行了研討。

7 潰壩的后果

瑞士咨詢公司于1984年首次研究了摩蘇爾大壩潰壩模式及后果。該研究顯示，一旦潰壩，巨大且破壞性極強(qiáng)的大浪將以可怕的速度向下游移動(dòng)，淹沒河流下游，摧毀巴格達(dá)及其它地區(qū)。雖然這項(xiàng)研究給出了波峰流量、高度和到達(dá)所選位置的時(shí)間，但未量化人員和財(cái)物損失。在過去30 a中，還進(jìn)行了許多其它研究。最后一項(xiàng)研究是歐盟委員會(huì)聯(lián)合研究中心（JRC）在2016年發(fā)表的。表1顯示了在不同蓄水水位情況下，潰壩時(shí)的波峰高度、波浪和波峰到達(dá)時(shí)間。表2顯示了不同蓄水水位情況下，潰壩和淹沒期間受影響人口和受淹面積。

圖9 左側(cè)照片顯示垂直位移，右側(cè)照片顯示水平位移Fig.9 Photographs on the left indicate vertical movement.Pho?tographs on the right show horizontal displacements,all in 2004～2010 and 2014～2015

受影響人口的死亡率將很高，特別是距離大壩不遠(yuǎn)的城鎮(zhèn)。一旦摩蘇爾大壩潰壩，隨之而來的災(zāi)難將是前所未有的。

表1 不同蓄水位下波浪的最大高度、波浪和波峰到達(dá)時(shí)間Table 1 Maximum heights of wave and times of wave arrival and its peaks for various scenarios

表2 不同蓄水位下，潰壩時(shí)受影響人口和淹沒地區(qū)Table 2 Affected population and inundated areas for the vari?ous different water level scenarios when the dam fails for the period of inundation given

8 結(jié)語

自1986年運(yùn)行以來，摩蘇爾大壩壩基一直存在滲流問題。灌漿作業(yè)并沒有阻止?jié)B流，但維持了壩體的穩(wěn)定?，F(xiàn)在由于2014年ISIS占領(lǐng)使灌漿停止了很長一段時(shí)間，導(dǎo)致大約10 000 m3的石膏溶解。此外，灌漿對(duì)石膏角礫巖層作用不大。

灌漿不能解決滲流問題，但可以延長大壩壽命。因此，必須立即采取行動(dòng)：

（1）繼續(xù)密集灌漿，以獲得實(shí)施最終解決方案的時(shí)間；

（2）保持盡可能低的水庫水位，以免增大石膏溶解，減輕潰壩的后果；

（3）須建立并公布應(yīng)急行動(dòng)計(jì)劃和預(yù)警系統(tǒng)；

（4）應(yīng)進(jìn)行大壩上游的水深測量，檢查水庫區(qū)域大壩周邊是否有沉陷現(xiàn)象；

（5）成立專家小組，每3個(gè)月對(duì)大壩的狀況進(jìn)行評(píng)估；

（6）慎重衡量最終解決方案，包括完成替代的Badush大壩或在摩蘇爾大壩上建造隔板。

Mosul dam:a catastrophe yet to unfold

Nasrat Adamo,Nadhir Al-Ansari,Sven Knutsson,Jan Laue and Varoujan Sissakian

Lulea University of Technology

Mosul dam is multipurpose earth fill dam.It is 3.4 km long,113 m in height and its storage capacity reaches 11.11 km3of which 2.95 km3is dead storage.The dam is located on the Tigris river in the northern part of Iraq about 60 km in north west Mosul city.The dam was built on highly karstified al?ternating beds of gypsum,marl and limestone.The dam was operating in 1986 and since then,seepage problems started due to the solubility of the gypsum beds,presence of karstification and the effect of the local groundwater aquifer.Insensitive grouting program was put to stop the seepage and ensure the sta?bility of the dam but it did not stop.The situation became worse in 2014 when ISIS occupied the dam ar?ea and grouting operations were halted.Recent evaluation of the conditions indicates that the dam is in its worst conditions.The failure models of the dam indicate that 6 million people will be affected,and 7 202 km2of land will be inundated.To stop this catastrophe,grouting operations should be continued intensively to elongate the span life of the dam.Water level within its reservoir should be kept at a very low level to minimize the damages in case of dam failure.As a permanent solution,another dam should be built downstream Mosul dam so that it can take the wave of Mosul dam in case of its failure.

Iraq;Tigris river;Mosul dam;grouting;karstification

TV698

：B

：1671-1092（2017）04-0067-06

2017-06-26

文獻(xiàn)來源：Engineering

編譯：吳雙

校核：許傳桂