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

雅礱江流域規劃的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安全。隨著國民經濟的發展，大壩安全管理已經超出了業主的職責，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，為流域可持續發展夯實基礎。

1 幾項關鍵技術

1.1 復雜環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相應的水下探測技術，并應重視抗沖耐磨新材料的研發和應用。同時，水流-底板-錨桿-地基的相互作用是個復雜的耦聯系統，止水破壞到底板發生揭底破壞是個很短的過程，須開發相應的動態監測技術。

（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生，常規水力學監測儀器在高速水流的條件下極易損壞，無法實現連續、穩定運行。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測指標，必須尋求新的監測手段，如開展分布式光纖監測技術研究等。

（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，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節能力，運行期使用將會非常頻繁，遭到破壞的幾率更大。國內外已經發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，提前采取必要的監測和優化運行措施。

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檢測與診斷的必然發展趨勢。

基于環境激勵（如泄流過程中的泄流荷載激勵）的結構無損動態檢測方法則較適用于水工結構的現場無損檢測。該方法通過對其進行環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，能夠真正實現結構的無損評估和實時監測，并且該方法是一種結構整體動態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最好的工具”。

1.3 復雜邊界條件超高壩長期安全運行本質規律研究

高拱壩的長期安全運行本質規律還沒有被完全掌握，二灘高拱壩變形已經超出設計給定的監控指標，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有規范，且其長期安全運行本質規律無類比經驗可以參考，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、高烈度區壩體動力破壞機制等，在充分揭示地質條件的基礎上，研究超高壩長期安全運行本質規律。

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境（攀西地區）、相似筑壩材料、相似壩址環境、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，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、反分析的關鍵參數長期演變機制，解決復雜約束條件下有限元網格職能劃分等技術，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控模型建立方法。因此，官地碾壓混凝土壩的監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，活動斷裂發育，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，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。未來百年內仍有發生多次7～8級地震的可能。隨著流域高壩建成蓄水，水庫誘發地震也應引起足夠的關注。

建設期已經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。當發生對壩址區域有影響的強烈地震，能夠實時獲得地震動時程和觸發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，一旦發現對大壩等產生破壞性的作用，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。在錦屏、官地的大壩安全監測系統建設過程中，已經明確要求實現強震監測系統和變形、滲流等常規監測系統的聯合運行，以觀測地震波到達瞬時對大壩造成的影響；下一階段仍需開發地震安全快速評估的力學和數學模型庫，并綜合利用三維交互式計算機技術，建立快速評估系統；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 近壩邊坡穩定性反饋分析和預警系統

近壩高邊坡穩定性反饋分析和預警系統是水電工程建設中的關鍵技術難題。我國西南地區復雜的地質賦存演化環境、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，遠超出了現有設計規范的范圍，高邊坡監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，巖石高邊坡安全監測分析多是建立在統計趨勢預測和工程經驗基礎上，有關監測預警預報研究，無論是其理論研究，還是技術手段既不完善，亦不成熟。開展邊坡安全監測設計及監測分析，建立反分析算法，反演典型巖體力學參數，進行邊坡穩定性反饋分析，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、無人機等新型監測技術，改進、完善和發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測信息的趨勢預警方法，為最終建立流域邊坡安全監測和預警預報系統打下堅實基礎。

2 幾項重要的保障措施

2.1 向專家型員工轉變

國內多數水電企業成立了水工（觀測）班組，負責水工建筑物運行期的安全監測的系列工作——定期進行安全監測和觀測，整理監測數據，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，委托專業機構進行長系列監測資料的分析，才能對大壩作出安全性評價。開展的工作只是進行現場測量、巡查和相對初級的數據整編工作，缺乏對監測數據深入解讀的能力，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、長水工隧洞的陸續投運，一批未曾預計的運行難題可能相繼出現，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?？梢酝ㄟ^開展自主科研項目等措施，為員工在技術上發展提供更好的環境，培養專家型員工，這不僅是提高大壩安全管理水平的需要，也是員工自我發展的重要途徑。

2.2 向工程師責任制轉變

根據國際慣例，大壩業主負責大壩安全，每座大壩應指派一名富有經驗的工程師負責，并明確規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變

我國的大壩安全管理目前還停留在傳統的模式上，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的復核，并以此作為決策的依據[3]；而發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發展到了第三代標準——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變也越發有著現實的需要。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劃》的出臺，給雅礱江梯級壩群規定了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性很強，我國的管理體制要求不能直接照搬國外的經驗。在大壩運行風險識別方面，根據工程特點，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計資料，而我國恰恰缺少相關方面的統計資料，應借助數字化大壩建設，在實現自身信息化的同時，積極收集國內大壩破壞的工程資料，形成自己的數據庫。風險評價過程中必須將專家經驗和觀測信息融合，實現主客觀權重融合，國內缺乏既富有工程技術經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 向數字化大壩安全管理轉變

大壩設計、施工和運行過程中涉及眾多動靜態信息，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、監測數據等）管理是分散、凌亂的，大壩的力/數模型是靜態的，這樣就將大壩安全管理工作人為分解成了若干階段，各階段之間聯系性較差，不能反映大壩運行的真實性態，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字化管理轉變，實現對設計過程、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、數據庫技術等實現工程地質信息、大壩形體三維建模及設計信息數據庫建立；施工期的數字化建設是一項核心工作，要充分利用智能手持終端技術、現場無線傳輸覆蓋技術、軟件與信息集成等技術實現大壩澆筑進度、材料控制、溫度控制、安全監測、基礎防滲等的信息完整入庫，并根據基礎信息實時校正三維力學模型，實時進行反饋分析，形成數字大壩的三維力學模型庫；運行期要將設計、施工期的數字化成果進行集成，將大壩安全監測、地震監測、水情監測等進行集成，依托互聯網、計算機技術建立流域遠程數字化大壩安全管理系統，并根據運行實際性態，充分利用大壩模型庫開展安全預警預報。

數字化大壩安全管理能夠實現大壩安全管理各個環節的精細化、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，實現工程設計合理、施工質量可靠、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變包涵了兩個方面的內容：一是通過數字化大壩的建設，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、動態管理、科學分析，并在工程全生命周期內及時反饋到設計、制造、施工和運行單位，以及時改進設計施工、優化運行方案、有效監測工程安全，保證工程設計、建設質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，實現全生命周期大壩管理。

2.6 向流域壩群集中管理轉變

隨著流域壩群的形成，大壩安全演變為流域系統的安全問題，形成更加復雜的串聯效應。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，由于現代企業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據采集、巡視檢查，分析診斷則由流域公司專門機構統一進行，并實現監測系統硬件、軟件的配置統一，可以有效節約企業成本。

現階段，壩群的集中管理已經是西方發達國家主流的管理模式。借助計算機網絡及現代通信手段，通過建立區域性或全國性的大壩群安全監控中心，實現數據的遠程傳輸、遠程分析評價、遠程會診反饋和遠程決策，以及提供網上查詢及報表發布等，對大壩實現集中統一和高效的管理。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，為流域可持續發展夯實基礎。

[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.水電工程安全監測與管理[M].北京：中國水利水電出版社.2009:260-261.