以提高安全性為目標的南非大壩的升級改造

[南非]

W. 拉莫科帕 等

以提高安全性為目標的南非大壩的升級改造

[南非]

W. 拉莫科帕 等

分析了南非水利與衛生部所轄大壩的安全現狀，總結出4個方面的安全風險，即溢洪道容量不足、壩坡穩定性問題、維護不充分以及泄流能力不足。利用基于風險的決策模型和方法，確定了需要改造的大壩。概述了大壩改造和升級過程中遇到的困難和問題。通過工程實例，介紹了大壩改造工程的具體實施措施。總結認為，南非大壩改造工程雖然成本高、難度大，但勢在必行，且可通過科學方法實現既定目標和效益。

大壩；壩安全；安全風險；改造工程；南非

水利與衛生部(DWS)是南非水資源的主管部門，擁有并管理著境內320座大壩。作為該國大部分大壩的所有者，DWS應遵守《大壩安全條例》，該《條例》于1987年生效，2012年2月24日由政府139號令修訂。

DWS所轄大壩一直在進行翻修和維護，但是由于資金不足，項目進度落后于實際需要。在2004～2005年，需要改造或升級，以達到最新大壩安全標準的部管大壩數量累計達160座。政府要求DWS在其所轄大壩中實施改造項目，使大壩達到可接受的安全標準。因此，開展了大壩安全改造項目(DSRP)，所需資金來自政府財政撥款。大壩集中改造始于2005年，并且計劃在未來仍將繼續進行。本文闡述了確定大壩是否需要改造的決策過程，并介紹了一些改造工程實例。

1 大壩安全問題

如上所述，被鑒定為存在安全問題的大壩數量較多，存在的問題如下：①溢洪道設計容量不足；②壩坡穩定性問題；③許多大壩在沒有得到維護的情況下持續運行最終導致結構性安全問題；④大壩泄水系統泄流能力不足。

要了解這些問題產生的原因并加以解決，需要考慮過去100 a的大壩設計歷史，以及當時南非憲法的規定。

20世紀80年代，DWS的大壩建設達到高峰，但到90年代末急劇減少。因此，大壩工程經歷了從設計和建設到維護和改造的轉變。另外，混凝土壩建設于20世紀60、70年代達到高峰，土石壩的建設高峰是在20世紀80年代。

大壩安全問題可以分為4種典型類型，以下列出了各種問題在160座大壩中均有所體現(總比例超過100%，因為許多大壩存在不止一類問題)。

(1) 80%的大壩溢洪道容量不足；

(2) 10%的大壩存在壩坡穩定性問題；

(3) 60%的大壩維護不充分，最終導致大壩安全問題；

(4) 80%的大壩泄水系統泄流能力不足。

1.1 溢洪道容量不足

大壩設計時做出的一項主要假設與水力學條件有關，該假設對大壩擋水尺寸和溢洪道尺寸有較大影響。水文分析的結論通常是專家爭論的焦點，產生不確定性或爭議的基本原因是缺乏精確的數據和長期的歷史記錄。然而，基于弗朗科-雷迪爾(Francou-Rodier)方法，獲得歷史最大洪峰觀測數據，開發出極端洪峰的實證預測方法，這對解決上述問題起到了極大的促進作用。

超過一半的部管大壩位于原先的“黑人家園”(譯者注：指過去在南非種族隔離制度下黑人有一定自治權的地區)中，該區域1994年以后才納入DWS的管轄范圍。盡管與大壩安全相關的法律法規是在1986年頒布的，但在1994年后才適用于這些地區。1986年后的大壩設計標準以及DWS在大壩安全法規、條例和南非國家大壩委員會(SANCOLD)指南生效前遵循的設計標準，并未在“黑人家園”實施。當時各“黑人家園”政府負責各自的設計準則和標準。大多數被認定為溢洪道容量不足的大壩是DWS從以前的“黑人家園”上接管的。

大壩安全法規及相關規定于1986年頒布，1987年初生效。絕大多數部管大壩建于1986年以前，也就是說，在建造那些大壩時并沒有全國通用的大壩建造標準和指南。

在谷洼(Gcuwa)大壩、沃科鋪普(Vaalkop)大壩和柯麥倫布(Kromellenboog)大壩改造中，采用加筋土，通過增加非溢流壩頂高程，成功實現了溢洪道擴容的目的，可謂是能經濟有效增加溢洪道容量的方法。

其他方法是增加現有溢洪道的寬度，并運用新材料，以提高壩坡穩定性或非溢流壩頂高程。該方法成功應用于娜米(Nsami)大壩、裘尼斯波(Chuniespoort)大壩、瑪莎山夏恩(Mashashane)大壩和格棱(Glen)大壩的改造中。

博世波(Bospoort)大壩溢洪道的機械閘門被拆除，另外設置了2座迷宮式溢洪道，以增加泄洪能力。在摩洛頗(Molepo)大壩則運用毛石混凝土(RMC)砌筑溢洪道，以增加泄洪能力。

1.2 壩坡穩定性問題

DWS管轄的大量土石壩，尤其是那些從“黑人家園”接管的大壩(絕大多數為一類壩和二類壩)，被設計成均質壩，其中部分壩體中筑有混凝土心墻；盡管有些設計圖顯示，在施工時壩殼由高滲透性材料填筑，但檢測表明大部分壩段為均質壩。

兩個因素顯示這些大壩的潛在穩定性問題，一是背水坡出現輕微隆脹，二是背水坡可視的散浸現象。某些情況下，浸潤線幾乎與正常蓄水位等高。隆脹有可能是壩基沉降導致的，必須研究如何防止可能的潰壩。深入研究揭示，大多數有上述危險信號的大壩存在壩坡穩定性問題，在標準載荷下安全系數(FOS)為1～1.2，在極端荷載下安全系數低于1。

當年許多大壩是依據經驗法設計的，尤其是一些小型壩。實際上，設計這些大壩時無一考慮壩坡穩定性問題。假設教科書設定的地下水位大約達到穩定條件時FSL的1/3，則這些大壩基本上能夠滿足壩坡穩定的安全標準。

此外，是一些壩體不同部分的過渡層存在問題。這些土層通常出現在使用了不同建筑材料的位置。有的土層含水量過多，導致夯實出現問題；有的土層過于干燥，在填筑下一層之前未得到恰當處理。

1.3 維護不充分

絕大多數“黑人家園”中的大壩建于1970～1985年。1994年之前，一直由當地政府負責這些大壩的運行和維護。大部分大壩一直未得到妥善維護，因而損壞嚴重，最終導致安全風險。1994年以后，南非接管這些大壩，隨后由DWS運營。當時，隨著政權更迭，未能立即開展積壓的維護工程。由于維修資金不足，在1998～2000年間，僅僅完成了存在問題的量化統計。2003～2004年，政府認識到包括大壩在內的基礎設施已經普遍嚴重受損。大壩維護不充分的主要原因是缺乏資金和技術團隊，主要包括以下問題。

(1) 土石壩和溢洪道上樹木叢生。樹根深扎進壩體，向著迎水坡方向持續生長，并且不斷長粗。現實的風險是，如果這些樹木死亡，堤壩里的根系腐爛，將形成潛在的穿透壩體的滲透路徑；隨著時間的推移，腐爛的根系很容易導致管涌破壞。溢洪道上的植被會導致泄水槽表面粗糙和堵塞，降低泄流能力。

(2) 土石壩的護坡工程被忽視。一些壩段由松散的土壤夯筑而成，如果未能恰當地防護和設置反濾層，壩體的大面積侵蝕將不可避免。

(3) 各部管大壩背水坡被草覆蓋，以草充當護坡。修建大壩時，背水坡面上鋪蓋了表土層，并播上草種。特別是農村地區的小型壩，極少用柵欄圍擋壩身。由于背水坡地下水的長期浸潤，草料生長繁茂，對牲畜很有吸引力。牲畜長期在堤壩上吃草，在背水坡上會形成其通過的小道。在這樣的小道上，降雨積聚成水坑，雨季背水坡面最終形成飽和水層，導致坡面失穩或侵蝕。

1.4 泄流能力不足

在160座被認定為應當進行安全改造的大壩中，超過80%存在泄水系統設計泄流能力不足的問題，且老化損壞情況相當嚴重。多數情況下，由于大壩泄水系統的設計方式問題，難以靠近需要拆除和翻修的機械元件，因而維護泄水系統費時費力。維護保養機械部件的工作難以落實。泄水系統中設備的拆除和維修不到位或從未進行過，且存在控制閥維護不足等問題。

許多大壩設計時，未考慮如何到達泄水系統進水口的問題。維護和檢修進水口的唯一方式是安排潛水員，這種方式使得檢查或維護變得非常困難和昂貴。此外，水下維修時要確保合適的質量控制非常困難。簡而言之，這些大壩的進水結構只能在低水位運行，因此通常會導致泥沙淤積。

為了節省資金，大壩工程師在設計階段往往忽視大壩泄水系統，大壩設計工程師應當切記，作為大壩的組成部分，泄水建筑物與壩體本身一樣重要，應當得到足夠重視。大多數情況下，沒有泄水建筑物的大壩會喪失其基本功能。實際上，基礎設施建設費用在其整個生命周期成本中占比很小，切不可為了節省初期建設成本而建設難以甚至不可維護的基礎設施。

2 決策過程

1977年，南非決定制訂大壩安全規程。終于在1986年，針對存在安全風險的大壩頒布了《大壩安全條例》，并提出了基于風險決策模型和方法的部管大壩概率安全性評價方法。1987年，DWS正式批準在其所轄大壩中實施基于風險的大壩安全管理方法。此后，該方法不斷得到修訂和更新。下面將具體討論該方法的一些重要方面。

盡管南非大壩安全法規不強制要求開展風險分析，但自20世紀80年代以來，“零水平”風險分析已經成為DWS每5 a一次的強制性大壩安全評定的標準組成部分。“零水平”風險分析屬于一種快速評估大壩風險資料的桌面研究。僅在潰壩可能性較大或風險標準要求精確評估潰壩概率時才進行更高級別的風險分析。大多數情況下，要達到可接受的設防標準，大壩改造工程的成本都比較高。一般而言，每年都會為其安排一定額度的年度預算。大壩安全工程師的任務之一是避免非必要支出，利用有限的維護經費，帶來最優的結果，因為有些案例表明，大壩維護的經濟效益(即降低風險的成本)低于事后維修工作的成本。

利用基于風險的決策模型和方法的結果，確定維修項目的優先順序，這一過程可分為5個步驟：①判定潰壩概率；②開展潰壩分析；③評估潰壩潛在損失，評價潰壩影響和風險水平；④運用多標準決策模型判定優先順序；⑤呈現事實。

基于風險的決策模型的部分主要概念包括：①人身傷亡；②經濟損失(含直接經濟損失和間接經濟損失)；③社會經濟價值；④社會重要性；⑤生態影響。

最初認定為需要進行改造或升級的大壩數量為160座，運用基于風險的決策模型評估后，該數量減少為82座。

3 挑 戰

無法預料的工程條件是土木工程項目固有的問題。而大壩改造工程，因地下條件未知且缺乏改造部位的竣工圖，尤其易受工程條件無法預測這一因素的影響。這導致咨詢工程師和承包商經常變更方案和項目。

3.1 圖 紙

如上所述，許多需要改造的大壩是從先前的“黑人家園”接管過來的，多數文檔在1994年移交時遺失。多數大壩都沒有設計圖，更不用說竣工圖。所有這些需要改造的大壩都相當老舊，其建設和完工早于電氣時代。大部分設計圖和其他文檔都是打印稿或膠卷，因此難以恢復這樣的圖紙。

3.2 報 告

多數情形下，這些大壩既沒有竣工報告也沒有設計報告，因為在當年建造大壩時，這些文件并非必需，在《大壩安全條例》頒布后才成為必備資料。

3.3 設 計

由于大量原始工程信息不全，改造工程的基礎設計必須做出多種假設。施工過程會出現新的可用信息，因此設計也會隨之變更。同時施工中還會遇到許多意外情況，這就要求設計師和施工承包商靈活性很強。例如在開挖某管道時，發現其被混凝土包覆，而之前可用的設計圖并未顯示這一點。再比如，在拓寬某堆石壩以提高壩體穩定性的過程中，壩趾清基剛一開始，背水坡面就發生脫坡，因而不得不改變堆石料的填筑方式。

3.4 設計變更

施工過程中，新信息帶來的頻繁設計變更使合同管理變得很困難。由于DWS內部的技術能力有限，大量改造工程方案的設計和合同管理工作被分配給咨詢公司。伴隨新信息的出現，施工范圍的頻繁變更使咨詢公司發出了許多合同變更單(VOs)，這也是其挑戰一。

3.5 施工承包商

由于施工范圍頻繁變化，政府決定由DWS內部施工單位優先承擔這些改造項目。該內部施工單位規模相當大，也能夠同時承擔若干重大改造項目，但主要問題是，其公共服務項目的運營經驗并不適合施工類項目。

盡管不同主體通過該內部施工單位發揮作用時，存在不同的契約關系，但委托人和承包商之間仍需保持明確界限。而大多數情況是，DWS既是委托人也是承包商，設計師、委托人和承包商可以緊密合作。因為內部承包商主要關注的不是利潤，而是改造工程質量和維持長期客戶的基礎，其走捷徑的需求不如私人承包商那樣迫切。因此，委托人和工程師相信，內部承包商會比私人承包商更能夠按照計劃和規范實施。制定并有效執行明確的質量保證計劃對建立和維護這種信任關系至關重要。這種方法優勢明顯，但仍需注意在不同主體間劃分界限，以確保職責不會沖突，義務屬于分別授權的獨立個體。盡管參與大壩改造工程的不同主體之間的交流可能非常自由，但仍應按照一定規范進行交流，并保存需求和決策記錄。為了能夠將施工單位的業績與基準進行比較，并持續提高其業績，保留精確、詳細的成本報告是非常重要的。

4 改造項目實例

4.1 艾蘭茲騅夫特攔河壩

位于大魚(Great Fish)河的艾蘭茲騅夫特(Elandsdrift)攔河壩，是為南非大都會區等地供水的重要導流建筑物。在之前的大壩安全檢查中，發現了影響該壩安全的各種問題，如防洪能力不足，尤其是在大型弧形閘門無法運轉時。其他安全問題還包括：一旦輔助溢洪道啟用，通往伊麗莎白港的主要鐵路線極有可能因漫壩而損毀，背水坡坡腳受侵蝕還可能造成潰壩。水力機械等泄洪弧形閘門損壞或操作失誤，會進一步加大漫頂風險。解決這些問題的措施是關閉鐵路線一側的副溢洪道，采取破垸分洪措施，即在主壩打開一個缺口，在壩趾利用噴射灌漿水泥土和常規混凝土修筑重力式結構。該混凝土重力結構建在沖積土層的潛水層之下，即使當洪水期分洪口潰決時，也可通過左岸水道向各用戶供水。

4.2 摩洛頗大壩

摩洛頗大壩形成的水庫可為當地社區供水。鑒于維護嚴重不足導致大壩條件很差，且溢洪道容量不足的問題，采用了新方法，即毛石圬工多扶壁拱形溢洪道來解決。這也為當地提供了大量就業機會，緩解了其高失業率的問題。此外，還通過拋石護坡來穩定和防護原本受侵蝕嚴重的土壩坡腳。

4.3 裘尼斯波大壩

(位于北部省的)裘尼斯波土壩受到極為嚴重的侵蝕，其溢洪道容量也不足。通過亂石護坡對壩體進行改造和保護。為了增加溢洪道泄洪能力，通過毛石圬工新建溢洪道和胸墻。

4.4 博世波大壩

博世波大壩以前安裝了弧形閘門。由于機械設備性能差，無法開展正常的維護工作，加之維護措施不到位，許多閘門已無法啟動。當時決定對所有安裝了閘門的大壩進行全面維修，計劃拆除舊閘門并改造成開敞式溢洪道。盡管該方案并不適用于所有情況，但在博世波大壩得以成功實施。通過亂石護坡對土質側翼進行了整修和防護。拆除了弧形閘門，在該部位建造了迷宮式溢洪道。新建的溢洪道泄洪能力仍然不足，為此另建了一座副溢洪道。

5 結 語

DWS的基于風險的大壩安全管理方法效果良好，保證了確需改造的大壩得到維護。

過去，DWS的大壩設計以保守著稱，但是考慮到當前的標準和指南，保守設計并不可取。時間證明，以如今的安全和國際通行標準和指南來衡量，南非的許多大壩的設計標準偏低。而且由于未來多種因素的影響，其規程和指南將更加嚴格。

大壩改造耗資巨大且難于實施，在下列情況下將更加困難：①需擴容或更換泄水系統；②在無法降低壩前水位時卻又必須安裝新的檢修閘門；③混凝土拱壩出現地質基礎問題；④需大幅度增加溢洪道容量。大壩作為一種基礎設施，其壽命難以預測。

當大壩完成其功能或達到使用年限后，不能像其他建筑物一樣，立刻被拆除或替換。現存大壩的歷史可能超過幾代人，因此，需要探尋大壩的維護和管理方式。大壩設計師必須考慮未來需求，而不能僅僅依照當前的短期(20～50 a)需要。

王郁夫 周 波 譯

(編輯：陳紫薇)

2017-01-15

1006-0081(2017)05-0041-04

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