雅砻江流域工程安全关键技术与风险管理

吴世勇，杨 弘（雅砻江流域水电开发有限公司，四川成都，610051）

0 引言

雅砻江干流全长1 571 km，年径流量609亿m3。目前，流域一批世界级的高坝大库正在建设或者已经投入运行，这些工程很多已经超过了现有的设计建设经验，面临着深埋长大隧洞群建设强岩爆与高压突涌水、低强度应力比情况下的地下厂房大变形、坝肩人工开挖高边坡稳定性、超高水头泄洪消能安全等诸多技术挑战，坝基坝肩抗滑稳定、渗透稳定、建筑材料性能等存在长效安全风险，梯级电站群可能遭遇流域性超标准洪水、巨型滑坡群地质灾害等，流域工程安全与风险管理问题呈现出系统性、复杂性、群发性特点。流域梯级水电工程面临的这些安全风险挑战成为亟待解决的问题。

1 工程安全关键技术

1.1 深埋长大隧洞安全技术

锦屏二级水电站装机4 800 MW，由4条长16.67 km的引水隧洞组成世界埋深最大、规模最大的水工隧洞群。工程建设面临2 500 m级超深埋隧洞强烈岩爆与严重破坏、千米水头级超高压大流量岩溶地下水重大危害，两者耦合作用下隧洞能否成洞、能够确保施工安全，必须解决以下技术难题[1]：

（1）创建了超深埋特大隧洞强烈岩爆风险预测与防控集成技术体系。提出了超高地应力场测试分析和岩爆风险分区新方法，构建了岩爆风险多指标评价系统，首创了“超前诱导释放能量，时空分序强化围岩”的岩爆防控集成技术体系，攻克了100 MPa级超高地应力强烈岩爆区隧洞安全施工难题。

（2）提出了超高压大流量岩溶突涌水灾害预测预警与防治成套技术。建立了高山峡谷岩溶水孕育演化、突涌运移规律的非线性分析预测方法，提出了突涌水灾害风险多尺度递进识别与预警方法，研发了超高压大流量地下突涌水治理成套技术，解决了千米水头级超高压大流量地下突涌水高效治理难题。

（3）建立了超深埋特大隧洞成洞设计方法。构建了超深埋条件下反映真实围岩性状的围岩分类体系，提出了以“抑制围岩时效破裂”为核心的超深埋隧洞成洞和围岩稳定控制方法，建立了以围岩为主体的复合承载结构设计方法，见图1，破解了超高地应力和超高外水压力耦合作用下特大隧洞成洞难的问题。

图1 复合承载结构体系Fig.1 Composite bearing structure

锦屏二级特大引水隧洞仅用54个月贯通，实现了安全高效建设和提前发电，放空检查和多年运行监测数据表明，隧洞复合承载结构安全可靠，渗压控制系统运行良好，4条引水隧洞实测渗漏量分别为62～130 L/s，远低于350 L/s的设计允许值。

1.2 地下厂房洞室群安全控制技术

锦屏一级水电站装机容量3 600 MW，地下厂房洞室群由主厂房、主变室和尾调室等约40个洞室组成，主厂房长276.99 m，最大跨度28.90 m，高68.80 m；尾水调压室最大直径41 m，高80.5 m，为世界上最大圆筒型调压室。厂区最大主应力35.7 MPa，厂房洞室群多数岩石强度应力比约1.5～3，80%以上围岩强度应力比小于2.0，属极高地应力-极低强度应力比条件大型水工洞室群。工程施工过程中，洞室群围岩变形量大（最大变形达245 mm）、卸荷松弛深（最大深度达16 m）、收敛时间长（达2年以上），锚索负载水平高，极低强度应力比条件下大型地下厂房洞室群围岩变形控制问题复杂，技术难度高。

根据施工开挖过程中的岩体破裂现象和监测成果，从研究围岩破裂扩展机制入手，利用岩体破裂特性试验和辅助手段，认识围岩与锦屏大理岩力学特性之间关系，探索大理岩围压效应与破裂特性的内在机制；采用宏观与微观、连续与非连续相结合的计算辅助技术，分析锦屏一级地下厂房洞室围岩变形机制和变形持续发展的根源，揭示了高地应力区地下厂房洞室群围岩变形破裂机理，建立了“变形协调-分级支护-松弛灌浆”协同抑制洞室群围岩破裂扩展与时效变形的稳定控制技术，即：基于围岩渐进破裂的表-浅-深、刚-柔联合支护，适应围岩时效变形的分序分区分级锚索支护，岩壁吊车梁混凝土浇筑时机与围岩变形协调，围岩松弛区精细控制灌浆补强加固等综合技术。

图2是厂房岩壁吊车梁部位各数量级位移发展深度图，10 mm位移等值线发展深度到10 m左右；大部分变形发生在IV层到第VI层开挖期间。即在厂房第Ⅵ层开挖完成，VII层预裂爆破，且母线洞开挖完成后，方可进行岩锚梁的混凝土浇筑施工，并根据断层的位置及厂房布置的要求合理设置结构缝，这些技术措施有效地防止了岩壁吊车梁混凝土开裂，岩壁吊车梁的载荷试验成果以及近5年的运行情况可以看出，岩壁吊车梁是安全稳定的。

图2 岩锚梁位移向深部发展过程Fig.2 Development process of rock anchor beam displacement

1.3 高边坡及滑坡体安全技术

雅砻江流域处于川西高原腹地，地形上属我国Ⅰ、Ⅱ阶梯过渡带，系典型高山峡谷区。区域构造变形复杂，断裂活动强烈，致使流域内地层发生形变、岩体破碎、稳定性降低，发育有众多变形体、滑坡体。同时，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，远超出现有设计规范的范围，高边坡稳定问题突出。此外，每年夏季季风强盛时期，由西南季风将印度洋和孟加拉湾的水汽源源不断地输进流域，常发生局地强降雨，在水力侵蚀等外力作用下，易引发大量地质灾害。

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。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，无论理论研究还是技术手段，都不完善，亦不成熟。开展了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技术支撑[2]。

同时，为了满足流域化、科学化的需求，保障监测工作本身的安全性，探索GNSS、无人机等新型监测技术、监测手段，改进、完善和发展工程类比的预警方法、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。

1.3.1 GNSS

锦屏一级水电站库区呷爬、水文站滑坡体表面变形监测原采用大地测量的方法，后由于变形加剧、观测存在一定安全风险，于2016年1月初采用GNSS方法进行监测，并于2016年1月18日开始进行正常的数据采集。GNSS变形监测位移精度可达±3 mm，满足高精度、长周期、稳定自动化监测要求。

监测系统由34个监测点构成，其中3个作为基准点。监测点均采用“北斗+GPS”的双系统四频高精度GNSS接收机，配合A6000E双星四频扼流圈测量天线，GNSS接收机接收的原始测量数据通过无线网桥发送到监控中心进行处理，GNSS监测站系统构成见图3所示。现场共布置34个接收点，7个中继端，使用4个光纤端口，将测点信息回传到监控平台软件。整个通讯网络覆盖不小于1 200 km2山区和20 km库前上游流域。GNSS接收机可保存定位数据≥1个月。服务器监控软件可实时查询变形体5年的位移变化情况。

图3 太阳能供电GNSS监测站Fig.3 GNSS monitoring station with solar power

1.3.2 无人机

倾斜摄影技术是国际测绘领域近年来发展起来的一项高新技术，它颠覆了以往正射影像只能从垂直角度拍摄的局限，通过在同一飞行平台上搭载多台传感器，同时从一个垂直、四个倾斜等五个不同的角度采集影像，将用户引入符合人眼视觉的真实直观世界。通过对像控点的测量、利用飞机搭载的GNSS数据进行匹配和解算等步骤最终实现三维建模。在数字正射影像上，地质人员对边坡可能存在的地质灾害进行判读。图4为无人机采集的锦屏水电站右坝肩边坡图像。

图4 坝肩边坡斜坡及分布的第四系松散堆积Fig.4 Abutment slope on the right bank and the distribution of quaternary loose accumulation

1.4 梯级水库群联合调度安全技术

雅砻江流域内气候主要受高空西风大气环流及西南季风的影响，气候条件十分复杂，地形高差与南北纬度变化大，平面变化和垂直变化大，已建成水库与在建工程围堰度汛标准差异大。流域防洪度汛安全除了确保全流域沿线及枢纽自身防洪安全外，还要配合三峡等水库为长江中下游防洪，配合其他水库为金沙江和川渝河段防洪，是一个多目标、多约束、非线性的复杂系统。

雅砻江水调自动化系统通过GSM MODEN池和北斗卫星接收流域现有147个遥测站的实时水雨情信息[3]。水调系统能准确、及时地收集水雨情信息，完成长、中、短期水文预报，为水库调度方案提供决策支持；能完成雅砻江流域各水电站或不同梯级水电站组合的梯级电站群的中长期水库调度方案和短期调度方案的编制；在满足防洪要求的前提下，充分考虑流域梯级水电站群的经济效益，实现调洪模拟演算，为流域水电站防洪调度决策提供依据，系统典型功能如图5所示。其功能具体分三大部分：第一部分基本应用功能，包括数据采集和处理、数据库管理、数据通信、在线报警、信息查询管理及发布、信息展示；第二部分高级应用功能，包括水务计算、水文预报、发电调度、洪水调度、运行日志、经济运行评价、风险分析等；第三部分是针对雅砻江流域实际情况开发的遥测数据与报汛矫正、遥测数据与报汛数据对比等功能。

同时，通过开展雅砻江下游梯级水电站群调度管理模式研究、多市场下雅砻江下游梯级水电站群联合优化调度方式研究、雅砻江流域中长期径流预测方法研究、雅砻江下游梯级水库调度方案研究、雅砻江下游梯级水库实时预报调度方案研究、雅砻江下游梯级水库联合调度规程编制及软件开发等系列研究，有效确保了梯级水库群联合调度安全。

2 安全管理系统实现

2.1 泄洪安全实时监控系统

二滩、官地、锦屏等高坝大库工程的共同特点是坝高、流量大、河谷狭窄、地质条件复杂，泄洪消能安全问题十分突出，泄洪消能高速水流冲刷、消力塘抗浮稳定性等是工程中的关键性技术问题。锦屏一级水电站拱坝高305 m，为世界第一高坝，泄洪时水头高达230～240m，泄洪功率高达33 456 MW；二滩双曲拱坝坝高240 m，最大泄洪流量23 900 m3/s，总泄洪功率39 000 MW；官地碾压混凝土重力坝坝高168 m，上下游水头差最大达105.6 m，单宽泄洪功率127.1 MW/m（校核172.2 MW/m），各项指标都居同类工程前列。

通过对特高坝结构泄洪振动运行监测与损伤诊断技术、特高坝消力塘运行安全监测预警与调控方法、特高水头泄洪洞安全运行监控技术等进行系统研究，同步进行消力塘水力学与振动响应的原型观测。根据原型观测成果，参考实测、校核及设计工况下数值模拟预测结果，借鉴其他工程经验，界定水垫塘底板安全预警各等级下各预警指标的范围[4]，水垫塘底板振动有限元模型见图6所示。进而创建融合水力学、振动响应和声学指标的泄洪洞安全监控指标体系。

图5 梯级电站综合监测信息图Fig.5 Comprehensive monitoring information of cascade hydropower stations

图6 水垫塘底板振动计算模型Fig.6 Calculation model for vibration of the plunge pool slabs

2.2 流域中下游水库地震监测系统

雅砻江流域库群的地震监测采取统一规划、统一设计、分步实施的方式进行，既针对性地实现了重点部位的监测，又实现了流域梯级水库地震监测、水库台网与国家台网的统筹规划、资源共享。雅砻江流域梯级水库台网技术系统由数字遥测地震台站、数据传输信道、中继站和台网中心几部分组成。台站的布设兼顾道路交通、数据传输、测震基岩、台网展布、台站安全和后期维护等诸多因素，为此，因地制宜地采用了超短波、卫星、数传电台、CDMA及光纤等综合组网方式。台网技术系统采用大动态反馈地震计、24位地震数据采集器等最新的数字地震观测技术，并在重要断层附近布设强震观测设备，扩大台网的动态响应范围，是国内技术先进、功能齐备的水库地震监测系统。台网监测能力ML0.5可定位区域完全涵盖了坝上20 km和坝下5 km范围，ML1.0涵盖了库区50 km范围，ML2.0涵盖了库区100 km范围。同时，在二滩、官地、锦屏一级大坝上布置强震观测设备，可以实时获取地震波到达时大坝等重要水工建筑物的加速度，实现了对地震给大坝等造成影响的快速评估，提供抗震减灾科学支持。

2.3 流域大坝安全信息管理系统

雅砻江流域大坝安全信息管理系统作为流域大坝安全管理和技术管理的统一平台，主要功能是对公司各投运电站的安全监测、巡视检查、维护、定检、注册等大坝安全信息进行全面管理，并为施工期大坝安全监测管理提供信息化手段，最终实现全流域22座梯级电站大坝安全信息的接入和管理。

图7 大坝安全管理系统架构Fig.7 Structure of dam safety management system

目前，系统管理已投运电站（二滩、桐子林、官地、锦屏一级、二级）监测仪器共约34 701支，同时接入了水情信息、泄洪震动、大坝强震等数据，监测数据共计6 071万条；管理在建电站工程（两河口、杨房沟）监测仪器共约6 383支，监测数据101万条。

流域大坝安全信息管理系统所涉及的流域化系统集成技术、应用服务接口封装技术、不同自动化厂家采集接口集成技术、系统运行状态监控技术、不同网络应用集成技术、自动评判预警技术、远程容灾备份与应急拆分技术等均处于国内先进水平。系统建设以来减少了大量的交接工作，避免了人工交接过程造成信息遗漏或错误，为实现大坝安全管理从施工期到运行期的无缝衔接与平稳过渡奠定了基础。

2.4 水电全生命周期数字化管理平台[5]

目前，我国大部分流域水电企业信息化建设还处在分阶段、分专业管理信息系统开发使用阶段，各种信息系统针对某个阶段、某个专业管理的需求，分别设计、开发和应用。雅砻江流域也搭建了内部跨区的专用网络，建成了企业门户、OA办公自动化系统以及若干水电开发管理应用系统，包括流域公共安全信息管理系统、流域大坝安全信息管理系统、工程管理信息系统、工程施工过程实时监控系统、电力生产管理信息系统、水电厂设备实时状态监控系统、流域水情测报与水调自动化系统、环保水保信息管理系统、征地移民信息管理系统等。但是工程全生命周期不同阶段、不同业务的主要数据资源仍然处于分隔状态，没有实现数据资源的跨专业、全生命周期的共享和传递。

水电全生命周期数字化管理平台从流域水电开发全生命周期管理需求和流域水电企业信息化建设现状出发，提出流域水电开发全生命周期管理数字化平台的建设思路：通过统一流域标识系统，集成整合已有信息系统采集管理的梯级水电工程相关阶段信息资源，消除信息孤岛，建设基于混合架构的大数据中心；重点解决了通过三维可视化平台建设增强数据资源的直观表达，实现三维GIS（地理信息系统）和BIM（建筑信息模型）的融合展现，并便于分析和展现数据间的关联关系。遵循这一建设思路，雅砻江公司已初步建成企业数据中心和三维可视化信息集成展现和会商平台，并用于实现雅砻江流域水电开发全生命周期数字化管理，图8为平台应用之一——流域DEM三维淹没分析模型。目前，该平台已为13个信息系统提供共享数据。

图8 平台应用之一——流域DEM三维淹没分析模型Fig.8 Application platform——watershed DEM three-dimensional analysis model for flooded area

3 流域风险管理

3.1 风险分级管控技术

公司始终坚持“基于风险、超前控制、过程管理、闭环管理、全员参与、简单实用、沟通交流、持续改进”的原则，制定切合实际、具体科学的安全风险辨识程序和方法，即风险分级管控技术，全方位、全过程辨识作业环境、生产工艺、设备设施、人员行为和管理体系等方面存在的安全风险。综合考虑起因物、引起事故的诱导性原因、致害物、伤害方式等，确定安全风险分类，对各级不同分类风险，采用相应的风险评估方法确定安全风险评级，将其从高到低划分为重大风险、较大风险、一般风险和低风险四个等级，分别用红、橙、黄、蓝四种颜色标示，并依据安全风险类别和等级建立本单位安全风险数据库，绘制“红橙黄蓝”四色安全风险空间分布图。

利用风险分级管控技术对流域地质灾害进行了全面评估，表1为流域地质灾害评估过程中根据危害程度、发育程度等建立的危险性分级表。

在实际实施中，地质灾害危险性等级大，规划建设适宜性差，确需布置设施设备时，应进行避让或地质灾害防治，消除地质灾害影响；地质灾害危险性等级中等，规划建设基本适宜，但应进行地质灾害防治，减轻地质灾害的影响；地质灾害危险性等级小，规划建设适宜性好，应避免工程建设引发新的地质灾害，同时开展监测预警工作。同时对地质灾害风险实行分层、分类、分专业管理，逐一落实单位、部门、岗位的管控责任，实现关键节点、关键环节的管控。

3.2 流域应急指挥系统

紧密结合雅砻江公司应急管理工作的特点，以及雅砻江流域地质条件和自然灾害的典型特质，建设技术先进、功能完善、信息全面、安全易用的应急管理平台，应急指挥系统建设包含了应急指挥系统硬件平台与软件平台建设。应急指挥系统硬件平台建设主要包括：大屏幕显示系统、图像监控系统、应急指挥调度系统、视频会商系统、有线语音通信系统、无线语音通信系统、计算机网络系统、卫星通信接入系统、容灾备份等。软件平台建设应有效整合数字雅砻江、大坝安全信息管理系统、水库调度系统等，将有关系统数据接入应急指挥系统进行综合显示，为应急指挥提供决策辅助，最终实现对雅砻江公司各类突发事件的常态化和非常态化管理，实现与公司内部其他业务应用系统的横向集成，具体包括以下目标：

（1）对于流域电站突发事件的事前、事中、事后的全流程管理，并实现基于GIS的灾害影响可视化展现。

（2）通过接入专业系统预警信息并结合数字化预案技术，基于应急管理平台数据库为应急指挥提供辅助决策。建立远程协同会商平台，通过对灾害现场的多源信息和应急资源信息的融合，进行应急指挥的态势分析和指挥调度。

（3）对应急事后的灾损统计和应急过程回放进行总结分析，提炼应急处置的经验。

（4）提供日常的应急管理和应急培训演练。

4 结论及建议

系统总结了雅砻江流域工程安全所解决的各种关键技术，并利用信息化技术实现了系统应用，对各种工程安全风险开展了有效管控，为确保流域梯级水电工程安全奠定了坚实的基础，但流域工程安全与风险管理需要全面控制各个关键和薄弱环节，下一步仍需开展以下方面的研究。

（1）流域大坝系统中包含了主体水工建筑物监测信息，但近坝高边坡、库区滑坡体由于岩体结构的复杂性，需深入研究岩土滑坡的破坏模式以及发展过程，分期提出岩土边坡长期变形监控指标，形成可供在线监测使用的、可靠的稳定性判据等，建立高边坡及滑坡体稳定性的反馈分析与预警系统。

（2）高坝大库的修建使得坝基、坝肩岩体长期处在复杂环境应力场与渗流场的耦合作用下，同时大量灌浆材料的使用使建筑材料长效质量风险凸显。应进一步开展坝基岩体弱化与渗控衰减特性及拱坝整体稳定安全性研究，研究天然、人工材料力学特性弱化规律与机理，通过试验研究定量揭示岩体与软弱结构力学参数的弱化率，开展特高拱坝整体稳定安全性研究。

（3）虽然已经针对重要的项目建立了监测系统，并且建立了统一的数字化管理平台，但应急保障资源、应急预案还没有实现数字化，应急指挥人员在处置突发事件时可能因没有掌握完整的信息而影响科学决策，因此下一步应以应急指挥系统建设为核心，整合并统一利用相关信息、硬件平台，全面提升流域应急处置水平。 ■

[1]吴世勇,任旭华,陈祥荣,等.锦屏二级水电站引水隧洞围岩稳定分析及支护设计[J].岩石力学与工程学报,2005,24(20)：3777-3782.

[2]杨弘,冯永祥.雅砻江流域高坝群运行安全关键问题研究[J].大坝与安全,2012(5)：15-19.

[3]王小锋,丁义.雅砻江流域水调自动化系统建设及应用研究[J].水电与新能源,2014(6)：46-48.

[4]杨弘,练继建,冯永祥,等.高坝水垫塘泄洪安全实时监控系统研究[J].水力发电学报,2008,27(3)：93-100.

[5]陈云华.雅砻江流域数字化平台建设规划及关键技术问题[C].流域水电开发重大技术问题及主要进展——雅砻江虚拟研究中心2014年度学术年会论文集.黄河水利出版社：4-8.