雅砻江流域高坝群运行安全关键问题研究

2012-03-30冯永祥

大坝与安全 2012年5期

杨弘，冯永祥

（1.雅砻江流域水电开发公司锦屏建设管理局，四川凉山615012；2.雅砻江流域水电开发公司大坝中心，四川成都610051）

雅砻江流域规划的21个梯级电站中，坝高超过100 m的有10座，其中包括世界第一高坝锦屏一级拱坝以及二滩、两河口等世界级工程。高坝大库的安全不仅是水能资源高效利用的基础，更关系到电站本身及水库上下游人民群众的生命财产安全。随着国民经济的发展，大坝安全管理已经超出了业主的职责，上升为一项社会公共安全事务。

随着官地、锦屏蓄水安全鉴定工作的全面展开，雅砻江下游梯级电站群已初步形成。梯级电站群在发挥流域综合效益的同时，大坝运行安全的风险也成倍增加。分析研究各电站大坝运行安全风险特性和复杂环境下大坝群运行安全关键问题，以便采取必要的技术和管理措施，保障高坝群的运行安全，为流域可持续发展夯实基础。

1 几项关键技术

1.1 复杂环境下的过水建筑物运行安全

（1）随着超高坝的建设，坝身孔口泄洪加下游消能水垫塘的结构形式广泛采用（二滩、锦屏），水垫塘底板磨蚀严重，现今主要依赖于定期抽干检查，耗时长、成本巨大[1]；桐子林水电站泄洪闸下游护坦基础深覆盖层渗透性好，长期遭受洪水冲刷和可能的较大浮托力，而且无法排干检查，这些都迫切需要开发相应的水下探测技术，并应重视抗冲耐磨新材料的研发和应用。同时，水流-底板-锚杆-地基的相互作用是个复杂的耦联系统，止水破坏到底板发生揭底破坏是个很短的过程，须开发相应的动态监测技术。

（2）对于流域高水头、大流量泄洪洞，泄洪水流流速高达40 m/s以上，严重的空化空蚀问题时有发生，常规水力学监测仪器在高速水流的条件下极易损坏，无法实现连续、稳定运行。由于对空蚀破坏机理认识的局限，尚未找到可靠的敏感量监测指标，必须寻求新的监测手段，如开展分布式光纤监测技术研究等。

（3）锦屏工程高地应力、高水压力、超长距离引水隧洞的建成投运，如何减少隧洞排空检修的次数，是一个崭新的课题。须开展敏感量识别和研制高空间分辨率、高精度、测量时间短的分布式监测仪器。

（4）官地有泄洪水头最高的底流消力池，但由于高速水流、水气二相流、水流-结构相互作用的异常复杂性，且泄洪消能结构安全储备较大坝低，官地工程只具备日调节能力，运行期使用将会非常频繁，遭到破坏的几率更大。国内外已经发生多起底流消力池结构破坏的实例，如俄罗斯的萨扬水电站和我国的五强溪、安康等水电站的消力塘防护结构的严重破坏[2]。因此，应高度重视官地工程的泄洪消能安全运行问题，提前采取必要的监测和优化运行措施。

1.2 动力诊断与物探检测技术的综合应用

为保障已建大坝的运行安全，对大坝进行老化、损伤程度的精确检测与诊断是工程十分关注的课题，也是工程技术难题。由于水工结构物的复杂性和特殊性，传统的结构无损诊断方法大多是局部损伤检测方法，应用于水工结构损伤检测中存在很大的局限性。将动力诊断技术与物探技术相结合将是工程健康性态检测与诊断的必然发展趋势。

基于环境激励（如泄流过程中的泄流荷载激励）的结构无损动态检测方法则较适用于水工结构的现场无损检测。该方法通过对其进行环境激励下的原型振动测试，检测各类水工结构的动力特性，根据其动力特性变化来分析、识别、判定其损伤情况及运行健康状态，能够真正实现结构的无损评估和实时监测，并且该方法是一种结构整体动态检测与损伤诊断方法，可以检测水工结构隐蔽部位或水下部位的损伤。在物探检测技术方面，自20世纪末在意大利、美国和日本开始采用大坝声波层析成像检测（大坝CT）、电阻率成像仪和探地雷达等物探技术进行大坝检测，特别是大坝CT已得到广泛应用，被认为是一种“简单的、可靠的检测混凝土坝健康状态最好的工具”。

1.3 复杂边界条件超高坝长期安全运行本质规律研究

高拱坝的长期安全运行本质规律还没有被完全掌握，二滩高拱坝变形已经超出设计给定的监控指标，其原因和趋势目前尚不很清楚；下游面的裂缝虽已有初步结论，但仍存在争议。以锦屏为代表的正在修建的一批300 m级高拱坝，很多设计指标都已突破现有规范，且其长期安全运行本质规律无类比经验可以参考，运行期将面临更加复杂的问题。因此，须深入研究混凝土材料的长期疲劳特性、大体积混凝土的温度特性、碱骨料长效反应机制、高烈度区坝体动力破坏机制等，在充分揭示地质条件的基础上，研究超高坝长期安全运行本质规律。

1.4 基于流域坝群相似性和差异性分析的核心建模方法研究

雅砻江干流上布置着不同体型、不同材料的各类大坝，有着不同的设计思路和理念。如锦屏、二滩同为高拱坝，投运时间相差15年，可以充分利用相似温度环境（攀西地区）、相似筑坝材料、相似坝址环境、不同运行阶段、不同坝高等相似和差异化条件，对于大坝安全各项敏感参数，展开针对性对比分析，有利于从根源上解决一些困扰多年的问题，如二滩大坝裂缝成因等；深刻、彻底认识正、反分析的关键参数长期演变机制，解决复杂约束条件下有限元网格职能划分等技术，构建基于坝群相似性和差异性的正、反分析核心模型，以指导坝群的长期运行。

另外，由于碾压混凝土结构独特的本构关系，且层与层间实质上存在一个过渡带，其力学和渗流特性较为独特，目前尚未找到合适的监控模型建立方法。因此，官地碾压混凝土坝的监控建模方法也应该给予充分重视。

1.5 高坝地震安全快速诊断技术

雅砻江流域位于青藏高原东南部，属川西南、滇东北侵蚀高山高原区，活动断裂发育，天然构造地震频繁。二滩、锦屏等几座电站坝址虽没有活断层穿越，但在坝址周边多有活断层发育，很多是在第四纪以来有活动记录的。且整个流域电站均位于鲜水河断裂带、安宁河断裂带、则木河－小江断裂带及金沙江－红河断裂带所围限的“川滇菱形块体”内，周边这些大断裂带构造活动剧烈，历史上有记载的5.0级以上地震共140余次，其中7.0级以上强震达11次。未来百年内仍有发生多次7～8级地震的可能。随着流域高坝建成蓄水，水库诱发地震也应引起足够的关注。

建设期已经采取了很多工程抗震措施，但由于梯级电站工程场地范围潜在震源区的最大震级是通过构造类比原则确定，抗震设防烈度多是参考经验公式得到，存在一定的局限性，梯级电站的抗震安全并非万无一失。在运行期，如何在地震发生后快速评估地震对大坝等造成的影响是一个非常关键的问题。当发生对坝址区域有影响的强烈地震，能够实时获得地震动时程和触发时刻大坝的瞬时变形、应力、渗流等信息，并利用预先设置的力学和数学模型库，快速计算工程结构不同部位在地震力作用下的受力情况及可能遭受破坏的程度，一旦发现对大坝等产生破坏性的作用，即快速启动应急预案，为决策部门抗震减灾、防止次生灾害、制定震后工程加固措施等提供科学依据。在锦屏、官地的大坝安全监测系统建设过程中，已经明确要求实现强震监测系统和变形、渗流等常规监测系统的联合运行，以观测地震波到达瞬时对大坝造成的影响；下一阶段仍需开发地震安全快速评估的力学和数学模型库，并综合利用三维交互式计算机技术，建立快速评估系统；还需要精心编制地震应急预案，重视预案的全面性和可操作性。

1.6 近坝边坡稳定性反馈分析和预警系统

近坝高边坡稳定性反馈分析和预警系统是水电工程建设中的关键技术难题。我国西南地区复杂的地质赋存演化环境、高应力条件下边坡的岩体结构及变形破坏特征、高强度岩体开挖引起的复杂工程作用效应，使得岩石高边坡工程的勘测、设计、施工与控制异常复杂，远超出了现有设计规范的范围，高边坡监测反馈分析以及安全预警更是边坡安全评价研究的前沿课题。目前，岩石高边坡安全监测分析多是建立在统计趋势预测和工程经验基础上，有关监测预警预报研究，无论是其理论研究，还是技术手段既不完善，亦不成熟。开展边坡安全监测设计及监测分析，建立反分析算法，反演典型岩体力学参数，进行边坡稳定性反馈分析，研究边坡岩体时效变形特征，为边坡长期安全评价提供重要技术支撑。

同时，为了满足流域化、科学化的需求，减少投资，探索GPS、INsar、光纤、无人机等新型监测技术，改进、完善和发展工程类比的预警方法、边坡变形安全度的预警方法以及多源监测信息的趋势预警方法，为最终建立流域边坡安全监测和预警预报系统打下坚实基础。

2 几项重要的保障措施

2.1 向专家型员工转变

国内多数水电企业成立了水工（观测）班组，负责水工建筑物运行期的安全监测的系列工作——定期进行安全监测和观测，整理监测数据，按月度或季度提出报告，年末进行整编提出年度报告；然后在每五年的定期安全检查时，委托专业机构进行长系列监测资料的分析，才能对大坝作出安全性评价。开展的工作只是进行现场测量、巡查和相对初级的数据整编工作，缺乏对监测数据深入解读的能力，在等待定检的五年中，可能错失对大坝安全至关重要的信息，从而贻误治理隐患的最佳时机，导致风险扩大。

随着梯级高坝、高水头泄洪洞、大功率底流消能消力池、长水工隧洞的陆续投运，一批未曾预计的运行难题可能相继出现，处理难度也会越来越大，雅砻江公司肩负的大坝安全管理责任日益重大，要求员工必须跟上技术进步的步伐，提升自我，具备复杂问题的分析、判断和处理能力。可以通过开展自主科研项目等措施，为员工在技术上发展提供更好的环境，培养专家型员工，这不仅是提高大坝安全管理水平的需要，也是员工自我发展的重要途径。

2.2 向工程师责任制转变

根据国际惯例，大坝业主负责大坝安全，每座大坝应指派一名富有经验的工程师负责，并明确规定所有大坝安全工作人员的资格要求和职责任务。当然，各水库的规模差异很大，对有些中小型大坝，一个工程师可以负责几座；而对于一些大型、情况复杂的大坝，一位工程师只能负责一座，甚至还需要配备相应的助手，组成一个小组负责其安全。

工程师负责制可以使长期管理某座大坝的工程师拥有对特定大坝的全面而熟练的经验，并且提高了工作责任感。目前，中国大坝安全管理体制不要求每座大坝都有指定的工程师负责其安全，管理的现状也做不到指定专门的工程师对某一座大坝的安全负责，但每座大坝至少应配备若干骨干人员，并尽量保持其稳定的岗位。

2.3 向以风险管理为主的大坝安全管理新模式转变

我国的大坝安全管理目前还停留在传统的模式上，即在评判大坝是否安全的时候，往往都偏重于工程结构安全系数的复核，并以此作为决策的依据[3]；而发达国家的大坝安全管理理念是安全的大坝首先是它的风险可以被公众接受，其次才是完成预定的功能；并把风险评价作为一种决策工具，用以指导运行和维修资金的使用，发展了一套较为成熟的以风险管理为主的大坝安全管理模式。

如国外的防洪设计标准已经发展到了第三代标准——风险标准，比较起来，我国的防洪设计标准则显得保守。目前基于风险管理的大坝安全管理已经有了具体的实践，雅砻江公司在建工程围堰和已建的大坝都已开展了溃坝洪水分析。但在风险的充分评估、处置预案及相应的决策支持建设方面存在较大欠缺。如今，向以风险管理为主的大坝安全管理新模式转变也越发有着现实的需要。梯级坝群形成后，在资金有限的前提下，梯级大坝的维修加固顺序如何确定；随着《长江流域综合利用规划》的出台，给雅砻江梯级坝群规定了50亿的防洪库容，汛期必须提前腾空库容，但这又增大了汛后蓄水的风险，怎么使洪水资源化、又确保大坝安全，这些问题就必须采用风险管理技术来科学解决。

大坝风险管理技术专业性很强，我国的管理体制要求不能直接照搬国外的经验。在大坝运行风险识别方面，根据工程特点，不能只关心可能最大洪水和最大可信地震，应充分挖掘正常荷载组合下，大坝失事的各种隐患。风险分析方面，需要通晓概率论和模糊逻辑等评价方法的专家和大量详细的历史统计资料，而我国恰恰缺少相关方面的统计资料，应借助数字化大坝建设，在实现自身信息化的同时，积极收集国内大坝破坏的工程资料，形成自己的数据库。风险评价过程中必须将专家经验和观测信息融合，实现主客观权重融合，国内缺乏既富有工程技术经验又通晓风险管理的专家，大坝安全管理者在积累工程技术经验的同时，应深入学习风险管理知识，构建一支风险管理专家团队。最后，在风险管理体系确立后，应建立流域水库群风险控制标准和应急管理体系，大坝的除险加固等措施必须以风险评价为基础。

2.4 向数字化大坝安全管理转变

大坝设计、施工和运行过程中涉及众多动静态信息，以往由于信息技术水平和管理水平限制，工程信息（材料情况、监测数据等）管理是分散、凌乱的，大坝的力/数模型是静态的，这样就将大坝安全管理工作人为分解成了若干阶段，各阶段之间联系性较差，不能反映大坝运行的真实性态，导致决策科学性不足。如何把设计、施工和运行信息进行综合集成和有效管理，实现远程、移动、便捷的管理与快速决策，是工程建设和运行管理中需要解决的重要问题。随着数字流域技术、智能化电厂技术的逐步成熟，大坝安全管理应向数字化管理转变，实现对设计过程、施工过程、运行过程的实时、在线、全过程的管理。

数字化大坝安全管理分为几个阶段：勘查设计阶段即充分利用平面绘图技术、三维显示技术、数据库技术等实现工程地质信息、大坝形体三维建模及设计信息数据库建立；施工期的数字化建设是一项核心工作，要充分利用智能手持终端技术、现场无线传输覆盖技术、软件与信息集成等技术实现大坝浇筑进度、材料控制、温度控制、安全监测、基础防渗等的信息完整入库，并根据基础信息实时校正三维力学模型，实时进行反馈分析，形成数字大坝的三维力学模型库；运行期要将设计、施工期的数字化成果进行集成，将大坝安全监测、地震监测、水情监测等进行集成，依托互联网、计算机技术建立流域远程数字化大坝安全管理系统，并根据运行实际性态，充分利用大坝模型库开展安全预警预报。

数字化大坝安全管理能够实现大坝安全管理各个环节的精细化、个性化，使管理水平上升一个新的台阶。这不仅需要一个数字化的技术平台，更是一项复杂的组织管理工作。

2.5 向全生命周期大坝管理转变

水利水电工程运行维护期长达上百年，但大坝基本的力学性能在设计和施工期就固化了下来。因此，为了确保大坝工程的长效安全，必须站在工程全生命周期角度来研究大坝安全管理，实现工程设计合理、施工质量可靠、运行安全高效、综合成本最低的目标。

向全生命周期大坝安全管理转变包涵了两个方面的内容：一是通过数字化大坝的建设，对分散在各个阶段和各参与单位手中的信息进行有效采集、动态管理、科学分析，并在工程全生命周期内及时反馈到设计、制造、施工和运行单位，以及时改进设计施工、优化运行方案、有效监测工程安全，保证工程设计、建设质量及运行安全得到有效控制。二是流域公司应有一个机构从一座大坝的勘测设计阶段即参与其中的一部分工作（如安全监测），这项工作应能贯穿设计、施工、运行的全过程，并且是事关大坝安全的一项基础性的工作，以期通过一个机构参与全过程的某项工作达到对大坝全生命周期特性的深刻认知，实现全生命周期大坝管理。

2.6 向流域坝群集中管理转变

随着流域坝群的形成，大坝安全演变为流域系统的安全问题，形成更加复杂的串联效应。一座问题水坝失事，会将其它完好水坝拖入连锁反应中，单个工程已经不能独善其身，必须上下兼顾、群防群治，达到流域安全才能确保自身安全；反过来，单个工程的安全也是系统安全的一部分和基础。这种情况下，流域坝群安全管理的责任主体也起了微妙变化，安全管理的责任方不简单是各个电厂厂长的集合，显然应该有一个更高的层次作为流域梯级大坝安全的第一责任方，即流域公司，具体对口管理则由一个独立的部门、机构负责。这样，电厂对单一大坝安全负责，流域公司则对流域坝群安全负责。同时，由于现代企业对于人力资源成本和效率的要求越来越高，每个电厂都配备大量的大坝安全管理人员是不理性的，电厂配备少量人员完成数据采集、巡视检查，分析诊断则由流域公司专门机构统一进行，并实现监测系统硬件、软件的配置统一，可以有效节约企业成本。

现阶段，坝群的集中管理已经是西方发达国家主流的管理模式。借助计算机网络及现代通信手段，通过建立区域性或全国性的大坝群安全监控中心，实现数据的远程传输、远程分析评价、远程会诊反馈和远程决策，以及提供网上查询及报表发布等，对大坝实现集中统一和高效的管理。如美国垦务局下设的丹佛中心，负责垦务局所建大坝的监测资料整编分析和大坝安全评价；加拿大BC Hydro公司负责管理BC省的43座大坝。随着金沙江、大渡河、澜沧江、雅砻江等流域梯级坝群的建成，向流域坝群集中管理转变将是流域坝群管理的必然趋势。