德國西爾弗斯坦大壩改造工程

德國西爾弗斯坦(Sylvenstein)大壩為土石壩，壩高48 m，壩長180 m，壩址位于深100 m的深切峽谷中，山體由白云巖組成，被伊薩爾(Isar)河切割后，峽谷內淤積了大量的沉積物。20世紀50年代，該壩施工期間利用7排灌漿帷幕解決了沖溝滲水問題。壩體中間防滲心墻由人工粘土混凝土(碎石、細砂、粉砂和1%的鈉基膨潤土)組成，并和壩體上下游面的冰磧碎石反濾層連接。河床卵石、斜坡及壩體表面的植被共同塑造了大壩的表面景觀。

該壩于1959年投運，水庫開始發揮防洪減災作用，并在干旱季節向伊薩爾河補水，維持其流量，還為公共電網提供清潔可再生的電能，此外，西爾弗斯坦水庫的美景對當地居民和外地游客都極具吸引力。該水庫作為巴伐利亞(Bavaria)州最古老的國有水庫，曾于1994～2001年進行了現代化改造，新建了第二條溢洪道，泄洪能力為400 m3/s，壩體加高了3 m，水庫的防洪庫容也相應增加了2 000萬m3。

由于大壩位于冰川峽谷中，運行期間曾發生過沉降，導致大壩心墻出現了裂縫，1970年、1987年、1988年曾分別對壩體進行過灌漿補強處理。此后，技術人員對大壩防滲心墻進行了詳細調查。大壩內部孔隙水壓力傳感器數據及測量分析結果表明，防滲系統可能發生了變化。此外，大壩之前的沉降及補強灌漿施工破壞了滲流量監測系統，無法確定滲漏的源頭，因此新建一套滲漏監測系統十分必要。

1 修復理念

大壩升級改造措施包括新建高性能防滲系統和高精度滲流監測系統。通過這些措施，可使大壩運行50a后恢復到先進狀態，從而應對氣候變化帶來的影響和由此導致的大洪水。

直到2009年，巴伐利亞水資源管理部門還在對西爾弗斯坦大壩升級項目進行初步審議，2011年完成規劃設計并開始實施，2015年完工。

升級改造過程主要分以下3個步驟：①2012年，在防滲心墻下部、壩基上游部位，布設一道深70 m的防滲墻；②2013年，新建一條基礎廊道，包含交通廊道、始端豎井、終端豎井；③2014年，在防滲墻與基礎廊道之間布設54根長約41 m的排水樁。

在整個施工階段，西爾弗斯坦水庫需要繼續完成其主要的防洪任務，并維持低水位運行。

2 防滲墻施工

通過一系列鉆探工作(總深度140 m)，查明了河谷沖積層主要由砂層和卵石層(含少量粘土)交替組成，局部分布湖相泥灰巖沉積層。基礎范圍內巖土體滲透性差異較大，曾進行過灌漿處理，灌漿材料為粘土水泥漿。

為防止內部侵蝕破壞，保證壩體穩定，防滲墻設計最小深度為60 m，但最終選定防滲墻深度為70 m，從而使得防滲墻能延伸至湖相泥灰巖中，并成為一個整體，且現有的技術和設備能夠實現這一目標。

考慮到防滲墻的設計深度，防滲墻的寬度選定為1 m，材料為粘土混凝土，分兩個階段施工。為了保證在較短時間內完成10 000 m2防滲墻的施工任務，作業人員采用連續墻開槽機及抓斗同時施工。為了打開施工所需的工作面，在壩體下游增設傾斜式擋土墻，將壩頂加寬了4 m。

單個防滲面板的寬度為3.2 m，兩個階段面板施工所需的重疊區域為40 cm，最終62個面板組成了長170 m的防滲墻。位于心墻部位的上部防滲墻(深約35 m)通過液壓抓斗施工，而其下部至深70 m的部分，以及防滲墻延伸至兩岸巖體30 cm的部分則通過液壓雙輪銑施工。防滲墻從壩軸線移向下游2 m，以避免成槽設備施工期間碰到下部的老金屬灌漿管，因此大部分前期心墻防滲體都可完整保留下來。

防滲墻施工期間，利用現有的滲流監測系統，通過觀測點加密監測大壩及壩基的滲漏情況。因此，在新的滲流監測系統尚未建成前，也可在短期內驗證已經施工防滲體的防滲效果。施工期間，西爾弗斯坦水庫的正常蓄水位降低了約5 m，但可以維持其基本功能(汛期防洪和旱季補水)。

3 基礎廊道和排水樁施工

為了建設基礎廊道，需要在壩腳白云巖中建造一條長80 m的交通隧洞，并在其末端開挖始端豎井。廊道采用隧道掘進機(TBM)施工，避免了爆破作業，由于巖體穩定性較好，基礎廊道除了采用噴射混凝土支護外，無需額外的支護措施。

在16 m×8.5 m×7.5 m(長×寬×高)的始端豎井中組裝推進器，從而推動整個TBM(直徑為 3.5 m)前進。預制鋼筋混凝土管也安裝在長190 m的基礎廊道內。

每段預制鋼筋混凝土管重18 t(長 2.8 m、外徑3 m、內徑 2.4 m)，直接在TBM后面利用液壓推進裝置安裝，相鄰的預制鋼筋混凝土管通過環鏈相連接。安裝前，利用帶橡膠圈的不銹鋼箍進行密封止水。

終端豎井長約20 m，深41 m，垂直于廊道軸線，直徑為 6.5 m,須提前在基礎廊道末端使用鉆爆法開挖施工，這樣TBM才可被拆成兩個部分吊出。該終端豎井現在被用作緊急出口。

歷經16 d的挖掘，TBM到達終端豎井。在基礎廊道施工前，作為保護措施的新建防滲墻已經完工，因此廊道挖掘施工期間，水庫可保持正常水位運行。

基礎廊道施工初期，2013年暴雨引發了大洪水，由于西爾弗斯坦水庫預留了防洪庫容，伊薩爾河流向慕尼黑的洪峰由不攔洪的1 300 m3/s削減至770 m3/s。伊薩爾河沿途未發生重大破壞情況。新的防滲墻可在很長一段時間內減少大壩的滲漏量。由于多瑙河(Danube)沿岸堤壩超負荷運行，甚至出現了兩處決堤，堤壩也需要新建防滲墻。

2013年8月3日，西爾弗斯坦水庫可控的防洪庫容達到了其總庫容的 99.7%，蓄水量達到了6 100萬m3，整個水庫幾乎被蓄滿。水庫的最大入庫流量為675 m3/s(2013年6月2日17：00)，而此時最大的允許下泄流量僅為60 m3/s，精細的水庫管理和水庫下泄流量限制，保障了該區域下游慕尼黑-弗賴辛(Freising)-蘭茨胡特(Landshut)等地區的用水需求和多瑙河流向帕紹(Passan)的最小流量。

為了將大壩滲流值降至最小，2014年5月，深41 m的排水樁開始施工，位于防滲墻后，距基礎廊道約 1.2 m。通過鉆機將54根排水樁安裝在直徑為900 mm的鉆孔中，相鄰兩根排水樁的軸心間距為 2.8 m，同時在排水樁中設置了開槽管，用于匯集滲水，并流入基礎廊道中。

基礎廊道中安裝的儀表可永久監測整個壩體斷面的滲流量。

4 經驗總結

西爾弗斯坦水庫運行50 a后，在壩體及壩基部位新建防滲墻，并安裝了精確的滲流監測系統。在正常運行的大壩中建造深70 m的塑性混凝土防滲墻，并深入兩岸壩基巖體，這在德國尚屬首次。通過在新建基礎廊道內安裝監測儀，可以監測壩體滲漏情況。排水樁施工是從壩頂通過壩體打入致密的巖石中，并深入兩岸巖體，整個施工過程未影響水庫的正常運行。通過升級改造，西爾弗斯坦水庫可以安全應對未來可能發生的大洪水，2013年6月的洪水事件就已證實了這一點。

除了控制功能外，有必要增設連接基礎廊道和壩基之間的鉆孔，并增設監測點，以更好地監測壩基的滲壓和滲流情況，為灌漿等其他施工提供技術支撐。通過對西爾弗斯坦大壩的升級改造，保障了巴伐利亞州確信伊薩爾河、慕尼黑市區以及巴伐利亞下游地區的現代防洪標準。為使役齡超過50 a的老壩滿足現代技術及德國標準化學會(DIN)標準，巴伐利亞州合理利用了2300萬歐元預算，完成了這一目標，其中歐洲區域發展基金提供了50%的融資支持。