瑞士大壩安全管理的啟示

隆文非 李曉鵬 劉安康 鐘曉強

(1.四川省都江堰外江管理處,四川,崇州,611230;

2.四川省水利科學研究院,成都,610072;3.四川省農田水利局,成都,610015)

1 瑞士大壩基本情況

瑞士是歐洲中西部的一個內陸國,東與奧地利、列支敦士登接壤,南鄰意大利,西接法國,北連德國,東西長348km,南北距220km,國土面積4.1293萬km2,人口約720萬,總共有26個州(Canton)。境內高山林立,地勢南高北低,南部地處歐洲屋脊阿爾卑斯山區的面積就占國土的60%以上。

瑞士人從19世紀中葉起就開始在阿爾卑斯山區雪線以下有利地形處筑壩攔截水流興建水庫和蓄水池,并通過地下隧道引入高山冰雪融水一同發電。其大部分的水壩項目位于阿爾卑斯山的中上部高程,水壩類型為混凝土重力壩(38%)、拱壩(26%)、土石壩(35%)、支墩壩(1%)。目前瑞士共有各類大壩1117座,瑞士聯邦直接管轄202座(包括蓄水水頭大于25m,蓄水水頭大于15m且庫容5萬m3以上,蓄水水頭大于10m且庫容10萬m3以上或庫容50萬m3以上的大壩)以及20座河道上的閘壩,995座小壩由26個州政府負責。直管大壩由瑞士聯邦能源署聘請專業工程師監控。瑞士水庫工程的首要目標是發電,其次是防洪、供水和灌溉。

筆者在2010年11月上旬考察了瑞士7座水壩,均位于阿爾卑斯山脈河流的中上游高海拔地區,海拔高程在1600m～2400m左右,壩高較大,但流量和庫容均不大,淹沒相對較小。在羅訥河支流迪克桑森斯河上,有世界上最高的Grande Dixence混凝土重力壩,壩高285m,總庫容4億m3,控制流域面積357km2。壩址處河谷呈V形,冰川融雪是水庫儲水的主要來源,水庫水位季節性較強。為了增加水庫水量,建有4座總裝機為186MW的泵站,利用低能耗時段抽水,通過長達100km的隧道系統將迪克桑斯河與其它河流里的水聚集至水庫,每年收集水量達3億m3,消耗電量約3.8億k W.h。庫水引至下游4座總裝機200萬kW的水電站,使得整個地區的水資源以峰值能量的形式得到充分利用開發。

2 瑞士大壩建設與管理的主要做法

2.1 健全的法律法規

瑞士聯邦政府對大壩安全高度重視,早在1916年,聯邦政府就制定了關于開發利用水資源的法律,1957年又根據聯邦法律有關原則制定了《瑞士水利工程管理法規》(即大壩法規)。該法規由5個部分33項條款組成,將大壩安全管理制度作為國家法律執行。目前實施的《大壩法規》是1971年頒布的。

瑞士大壩安全的法律與行政管理,是基于1877年6月22日頒布的《瑞士聯邦水工程治安法》,由此制定了《大壩安全條例》。現行的《大壩安全條例》對以前條例進行了修改,自1991年1月1日起施行。其適用范圍取決于特定壩的幾何標準(壩高與水庫庫容)及其對下游地區(受淹區)可能造成的潛在破壞,規定了涉及大壩安全的相關各方(如大壩安全機構、大壩業主、大壩設計工程師以及大壩專家)的職責。

2.2 完善的水壩安全體系

瑞士對人身和財產安全的重視非常深入人心,對水壩的安全尤其如此。他們將水壩安全作為一個整體概念,包括結構安全、監測安全、運行安全以及制定應急計劃,以確保大壩及下游居民的安全。目前,只要是精心設計、精心施工、精心維護和監測到位的土石壩和混凝土壩,其使用壽命一般都能達到100年,像閘門和閥門等構件一般使用40～50年就得更換。

瑞士對大壩的安全監測管理采取4層管理體系,即運行管理的檢查和監測、業主代表的檢查分析、咨詢專家(政府認可的)的檢查分析和聯邦政府監督管理。大壩安全檢查由聯邦政府、州政府和業主共同負責,通過定期的大壩檢查,讓所有可能的事故處于掌控之中。大壩安全概念的兩大目標是將所有的風險影響降至最小,并盡可能地掌握其余的風險。

2.3 完整的大壩監測系統

瑞士大壩的監測,建立了人工與自動監測相結合的監測系統,有一套完整的庫水位與大壩變形、滲流量等方面的關系圖。同時,重視人工檢測制度,不完全依賴電氣儀表。即不是所有觀測儀器都采用自動檢測,只有那些能獨立判斷壩體安全的觀測項目,如壩體撓度、溫度、滲水量、地基多點變位及揚壓力等,才設置自動化信息采集系統。通過觀測資料及計算成果,設定有關監測數據的報警值,達到自動報警。

2.4 有效的預警系統

在瑞士,已經有65座大壩安裝了洪水報警系統。第一批報警系統大約是在50多年前設立,考慮的主要威脅是戰爭。近年來,技術發展迅猛,洪水報警系統利用在設備和通信方面取得的新發展,針對許多大壩不再進行晝夜監測,偏遠地區的大壩冬季無人值守,發生緊急情況如特大降雨期間或地震時通向大壩的交通無法確保暢通的問題,以及為了防止出現假警報,警報器通常不處在工作模式,即只有達到預定報警等級時才能啟動等。在瑞士,對近場洪水波與遠場洪水波作了區分,前者定義為洪水波在2h內行進的距離,后者則為2h以上的行進距離。大壩業主負責近場的洪水報警設備,遠場設備則使用普通的民防警報器,到目前為止,還沒有發生必須疏散人員的緊急情況。一年一度的演習只有各機構與大壩業主參加,其目的是檢查報警設備是否運行正常。

2.5 積極而慎重的事故水壩處理措施

根據對監測數據的分析,及時發現大壩運行中存在的問題,慎重采用加固方案。我們現場參觀的86m高的Les Toules拱壩和25m高的Fionnay土石壩,瑞士都根據長期監測的結果并認真分析、反復論證后,才采用非常慎重的方案進行了除險加固。

3 啟示與建議

3.1 完整的大壩安全管理體系是做好大壩安全管理工作的前提

3.1.1 必須將大壩安全作為一個整體概念考慮。瑞士大壩安全管理的理念非常清晰,建立了一系列的法律法規,將水壩安全作為一個整體概念,包括結構安全、監測安全、運行安全以及制定應急計劃,以確保大壩及下游居民的安全。我國目前也逐漸將大壩安全作為一個整體概念來考慮,《水庫大壩安全鑒定辦法》(1995年發布,2003年修訂)和《水庫大壩安全評價導則》(2000年)將大壩對下游的影響作為一個重要因素來考慮,但在實際工作中未將洪水風險圖等納入安全評價的內容,只是將結構安全標準進行了適當提高。因此,在以后的水庫大壩安全評價中,應將結構安全、監測安全、運行安全及應急計劃等硬性納入,應更加明確小型水庫的應急預案及編制,特別考慮其可操作性和適用性。

3.1.2 必須有一個明確的安全理念。大壩安全管理應以風險管理為理念,從水壩規劃設計開始,明確要求在安全上要風險最小;其次是保留風險的可控,在最小風險上要求合理設計,并通過建筑安全論證;在運行管理上,不斷更新完善風險圖,要求有詳細的檢查方案及應急預案。檢查方案包括各種監測維護以及聽證或監管,應急預案包括各種應急狀況,通過檢查和監測,以發現早期階段的任何問題,并提出補救措施,達到最小的剩余風險。

我省現有水庫6700余座,其中絕大多數是小型水庫,建設標準較低,目前多數已帶病運行。中央及省等各級自2000年以來加大了對這批水庫的整治力度,在防洪標準、結構安全上提高了安全等級。但多數小型工程由于經費原因,僅對大壩、溢洪道及放水設施等主體工程結構進行了加固,而觀測設施等沒有得到有效的設置。四川2008年以來形成的2069座震損水庫,目前雖然其主體工程已基本完成,但小型水庫僅布設了水位、位移、沉降和滲流量等簡易監則設施,且靠人工進行觀測,無自動化監測和數據傳輸系統,水庫遇險時的報警方式也是各個水庫根據具體情況約定。因此,我們在以后的工作中,應該把大壩安全提到公共安全的高度,通過法規建設和風險管理,盡快把高風險水庫的風險水平降下來。特別是目前小型水庫,對下游公眾生命和財產的威脅過高,公共安全還達不到風險準則要求,要加強大壩運行監測與觀測分析,建立大壩生命周期的運行管理評價體系,尤其要注重預警機制和應急預案的建立并保持有效運行。

3.1.3 法規建設要完善。瑞士的大壩安全條例規定了涉及大壩安全的相關各方職責,如大壩安全機構、大壩業主、大壩設計工程師以及大壩專家等的職責。同時,大壩安全機構依據《大壩安全條例》,發布了大壩標準、大壩結構安全、大壩防洪安全、大壩抗震安全以及大壩監測及其維護等指南。20世紀80年代以來,我國加大了水庫管理法規與技術標準體系的建設力度,目前已初步形成了以《水法》《防洪法》等為基礎,以《水庫大壩安全管理條例》為骨干,以一系列規章、規范性文件和技術標準為輔助的較為完備的水庫管理法規與技術標準體系,為水庫管理的法制化、規范化奠定了基礎。依據有關法律法規,建立了水庫大壩注冊登記制度、水庫大壩安全鑒定制度等一系列行之有效的水庫管理制度。各地方也相繼出臺了相應的管理辦法。但我省目前尚未形成一套行之有效的、完整的法律法規和管理制度體系。為此,應專門針對水庫大壩安全管理,形成一套嚴密、完整的安全管理體系,將大壩的結構安全、監測安全、運行安全、風險管理及應急等全部納入其中。

3.2 大壩安全監測尤為重要

水利水電工程安全監測的目的在于:監視工程安全(通過安全監測,可以及時獲取第一手資料,評價水利水電工程的安全狀況,實現對工程的在線、實時安全監控,并為實施安全預警和制定應急預案提供基礎);服務工程效益(通過安全監測,可以及時了解和掌握水利水電工程的工作性態,發現工程的異常跡象,制定工程的控制運行計劃和維護改造措施,為充分發揮工程經濟效益提供技術服務和安全保障);檢驗設計和施工(通過安全監測,可以認識水利水電工程監測效應量的變化規律,對基本理論、設計方法、計算參數等作出驗證,對施工措施、材料性能、工程質量等作出驗證)。因此,必須加強大壩的監測系統建設,提高水庫大壩管理及工程技術人員水平,更好地開展人工觀測及巡查,以及加強對現有大壩觀測設施的維護,使大壩的監測數據更加可信,為專家決定提供可靠依據;特別應專門針對量大面廣的小型水庫,開發一些實用、可靠的觀測設備、觀測數據傳輸系統和分析系統。

3.3 大壩加固措施必須慎之又慎

在瑞士對于出現問題的水庫大壩,制定加固措施非常慎重,只有在徹底找出原因后才進行加固。

我省水庫的除險加固,由于時間緊、任務重,往往是從安全鑒定到除險加固完成的周期都比較短。特別是震損水庫,要求三年任務兩年完成,從險情核查到加固設計都加快了腳步,由于設計單位和專家都比較饋缺,致使加固施工中存在較多的設計變更。因此,結合瑞士和我省對病險水庫除險加固所采取的措施,要求安全評價單位的技術人員必須認真分析觀測資料,同時對大壩做必要的取樣試驗和鉆探;安全評價的專家,要認真審核有資質的設計單位提供的安全評價報告,認真做出結論;水庫大壩的主管部門必須認真對待大壩安全評價的結果;對于大壩開裂及運行狀況異常的處理,遵循“分析成因,針對處理,措施得當,加固有效”之原則、積極進行。

3.4 大力開展大壩風險分析與管理技術研究

目前大量水庫大壩已經運行數十年,老化問題比較突出,這些都說明我省水庫大壩的風險實際上很高。小型水庫雖然庫容小,但由于潰決的概率大,實際風險并不小。再加上絕大多數小型水庫由于歷史的原因,沒有完善的設計、施工、運行管理、水文和安全監測資料,進行安全鑒定的難度非常大。因此,各級水行政主管部門必須清楚地了解所轄水庫大壩的風險程度,以便進行投資決策。我省目前小型水庫無資料,采用工程措施來增加水庫大壩的安全性,經濟上是不現實的。工程和非工程措施的有機結合可以大大降低風險程度,實施水庫大壩的應急預案會起到事半功倍的效果,可以選擇性地采用風險評價和管理技術,盡快降低我國水庫大壩目前的高風險。四川省處于地震高發區的水庫,對其進行風險評估意義尤為重大,必須盡快開展。

3.5 加強國際合作

對于大壩安全管理,必須加強和先進國家合作,把外國專家請進來,培訓一批技術干部,在較短的時間內迅速提高他們的技術水平,并完善我省的安全管理體系。針對中瑞“大壩安全加固”(DaSEP)項目,建議在四川現有水庫中選擇2個位置重要的、條件好一點的水庫開展水庫大壩安全監測,同時對四川基層管理人員進行培訓,以加快四川省水庫大壩安全管理制度建設。

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