论新时代水库大坝安全

2021-07-20谭界雄任翔李麒徐轶徐琨

人民长江 2021年5期

谭界雄任翔李麒徐轶徐琨

摘要：中国是世界上水库大坝数量最多的国家，随着一大批高坝大库建成，流域多梯级水资源开发利用，水库大坝安全已事关国计民生及国家重大公共安全。为了提升水库大坝安全理论研究水平，促进大坝安全技术发展，重点阐述了新时代中国水库大坝安全的新思路、新要求和新挑战，主要体现在包含工程安全、生态安全、环境安全相互融合协调的全要素安全;以龙头水库为核心、梯级水库群为重点的全流域安全;以及贯穿规划、设计、建设、运行、退役不同阶段的全生命周期安全。所提出的研究思路对于开展大坝安全工程技术与管理机制的研究具有较强的针对性和指导意义，对于解决现阶段中国大坝安全面临的问题与挑战具有重要的理论意义。

关键词：

水库大坝; 全要素安全; 全流域安全; 全生命周期安全

中图法分类号： TV62

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.05.023

新中国成立以来，中国兴建了大量水库，这些水库在抵御洪涝灾害、提供电力能源、保证农田灌溉和城乡供水、保护生态环境、保障国民经济快速发展等方面做出了巨大贡献。然而受历史建设条件、运行功能老化等原因影响，中国水库大坝逐渐暴露诸多病害问题，在一定程度上制约了工程效益的正常发挥。中国国土地域辽阔，河流山川众多，水利资源得到了全面系统的开发。水库大坝在带来清洁能源和水资源的同时，也改变了区域环境和生态的平衡，建筑物结构逐渐出现老化，这些都影响到水库大坝的安全。中国已迈入发展的全新阶段，随着人民对美好生活的向往，水库大坝安全状况应得到更高程度的重视。为此，本文结合中国水库大坝安全现状与面临的挑战，探讨新时代水库大坝的安全健康发展之路。

1 中国水库大坝安全现状

长期以来中国面临水害灾害频发、能源资源短缺等问题，水库大坝具有防洪、发电、灌溉、供水等社会效益和经济效益，是保障人民生命财产安全和社会经济发展的必然选择。新中国成立以来，通过大规模水利建设，中国取得了举世瞩目的成就，已成为世界上拥有水库大坝数量最多的国家。

据水利部统计，截至2018年底，中国已建成各类水库大坝98 822座，其中大型736座、中型3 954座，水库总库容8 953亿m3[1]。数十年来，中国大坝建设发展迅速，已建、在建和规划建设的大坝数量及坝高仍在不断增加，其中坝高超过100.0 m的高坝已达200余座，已建成世界最高拱坝锦屏一级（坝高305.0 m），最高碾压混凝土坝光照（坝高200.5 m），最高面板堆石坝水布垭（坝高233.0 m），还有三峡、小浪底、小湾、龙滩、溪洛渡等一大批世界级的水库大坝先后建成并投入运行，建设管理技术水平已走在世界坝工领域的前沿。

中国水库大坝在取得骄人成绩的同时也面临着风险与挑战[2]。中国水库大坝中95%以上为土石坝，95%以上是20世纪80年代以前建设的老坝，病险问题、溃坝灾害不容忽视。据2007年统计，中国病险水库有3.8万座，病险率曾高达44%，且病害类型多样。经大规模病险水库除险加固，国务院批准的《全国病险水库除险加固专项规划》已全部实施。但由于中国水库大坝数量多、土石坝多，出险几率高，新的病险水库仍不断出现。2016年10月，仍有超过1万座病险水库尚需纳入除险加固规划。1954～2013年，全国共溃坝3 544座，年均溃坝高达60座。时至今日，溃坝现象仍时有发生，如2013年山西曲亭水库、黑龙江星火水库、新疆联丰水库、2018年新疆哈密射月沟水库等大坝溃决。中国大坝安全仍然存在诸多问题，大坝安全保障任重道远。

2 水库大坝安全面临的新挑战

中国水库大坝安全管理主要历经3个发展阶段[3-5]：从新中国成立到1978年的粗放管理阶段，从改革开放到20世纪90年代的制度建设完善阶段，新世纪以来以水利工程管理体制改革和病险水库除险加固为特征、以市场经济为导向的发展阶段。

伴随水库管理体制的不断完善，大坝安全的理念在近40 a内已经发生了巨大的变化。在20世纪70～80年代，世界上包括中国在内，都是将大坝安全狭义地理解为大坝的工程特性，即坝体结构的现状与规范要求指标的符合程度，只要大坝不破坏、恶化和溃决，大坝就是安全的。但是20世纪90年代后，大壩安全的理念已经包括了工程安全与公共安全，即风险理念，包括将风险控制在公众可接受范围的一切措施和办法[3]。随着中国经济社会的快速发展，水库大坝数量的不断增多、规模不断扩大、运行年限不断延长，对工程、生态、环境、社会等因素的影响也在不断扩大。

目前，中国200 m级以上高坝主要集中在西部地区，具有高海拔、高地震烈度、高边坡、地质条件极为复杂等工程特点，对水工建筑物的安全性、稳定性、耐久性要求十分高，由此带来的安全风险也更加突出，许多技术难题稍有不慎就可能埋下安全隐患。金沙江、雅砻江、澜沧江、大渡河等大江大河流域的梯级水库群开发利用，引发了对流域安全风险传播和风险阻断的思考，也提出了控制性龙头水库安全和梯级水库群联合安全的管理问题。

水库大坝建设管理涉及到规划、设计、建设、运行、退役等不同阶段，任何一个阶段存在薄弱环节，都会给水库大坝安全造成影响。长期以来，中国水利行业存在着“重建轻管”的普遍现象。由于缺乏系统的维护管理，工程老化加剧，水库大坝老龄化问题越来越突出。

2017年以来，中国政府提出新时代统筹推进“五位一体”战略目标，水生态文明建设、绿色发展理念已成为大坝安全理念的重要组成部分。水库大坝是推动社会可持续发展的重要基础设施，是中国推进生态文明建设的重要支撑，是实现绿水青山美丽中国梦的重要依托。新时代中国社会主要矛盾转变为人民日益增长的美好生活需要和不平衡不充分发展之间的矛盾，全社会的安全意识不断增强，对于水库大坝的安全保障和生态保护水平提出了新的更高要求。

因此，大坝安全的理念呈现出全要素安全、全流域安全、全生命周期安全等越来越多的新内涵。需要进一步开展创新研究，提高对大坝安全的认识，提出适宜于中国现代化建设实际情况的新理念和新思路，更好地推动中国大坝安全技术发展，提升中国大坝安全水平。

3 新时代水库大坝安全新内涵

3.1 全要素安全

新中国成立以来特别是改革开放以来的快速发展，使中国水利建设进入新时期，中国治水的主要矛盾已经从人民群众对除水害兴水利的需求与水利工程能力不足之间的矛盾，转变为人民群众对水资源水生态水环境的需求与水利行业监管能力不足之间的矛盾[6]。大坝安全的内涵也由传统的单一工程安全，逐渐转变为包含工程安全、生态安全、环境安全相互融合协调的全要素安全。当前，水库大坝工程安全内涵发生转变，生态安全问题凸显，环境安全面临巨大挑战。

3.1.1 工程安全内涵发生转变

工程安全是水库大坝安全最基本最重要的部分。传统意义上水库大坝的工程安全主要是指工程自身的安全，进入水利建设新时代，水库大坝的工程安全有了新的内涵：① 从工程自身安全向风险控制转变。21世纪中国提出了一系列治水新思路，在防洪减灾方面，从“洪水入海为安”转化为“承受适度风险”，从“洪水控制”转化为“洪水管理”，从采用“工程措施”转化为“综合采用工程措施和非工程措施”[7]，这大大超出了大坝自身安全的概念，正在形成一种以风险理念对大坝进行风险管理的新体系[2]。② 在强度设计基础上强化耐久性设计理念。从水利工程运行状况来看，大坝自身结构强度和稳定满足设计是工程安全运行的基础，在强度设计基础上强化耐久性设计理念就是要在确保工程安全的基础上，提升工程性能，延长工程寿命，保障水库大坝长期安全运行。③ 将传统工程安全提升至“工程+库区”安全。对于高坝大库，库区蓄水后库岸绵延数十到数百千米，库区内不良地质构造或危岩体众多，水库蓄水后库区的地质灾害问题更为突出。将传统工程安全提升至“工程+库区”安全，不仅丰富了工程安全的内涵，也是对工程安全的科学完善。

3.1.2 生态安全问题凸显

在水利建设新时代，治水的主要矛盾要求我们要牢固树立和深入践行“绿水青山就是金山银山”的理念，积极开展生态友好型水库大坝建设。生态友好型水库大坝建设就是建设生态安全的水库大坝。

当前，中国水库大坝建设对生态系统的影响突出，主要表现在以下几方面：① 高坝工程阻隔效应突显，土著鱼类洄游通道切断，低温水排泄，导致库区及下游江河鱼类资源、物种的多样性呈下降趋势。② 水文形势改变，引起原有生态系统紊乱，生物群落原有栖息地被破坏。③ 江湖关系发生变化，湖泊枯水期提前。④ 水库消落带生态难以恢复等。

此外，随着西部大开发和西电东送的大力推进，中国水电工程建设重点地域也从中、东部转向西部。西部地区多为高海拔地区，是中国生态环境最脆弱的区域，环境承载力低，生态一旦破坏，再难恢复。在该类地区开展水电工程建设，做到工程建设与生态系统的和谐共存，面临着以下巨大挑战：① 高原库坝区气候环境影响，包括高原永久冻土层融化对生态环境影响、气候改变引起冰川变化影响;② 高原库坝区河流生态环境影响，包括水量、水质变化对上下游环境与生态影响、河流生态系统变化对生物群落影响。如何应对以上问题与挑战，做到水库大坝生态安全，创造人水和谐，建设生态友好型水库，将是新时代水利建设的一个重大课题。

3.1.3 环境安全面临巨大挑战

水库大坝的环境安全不仅指修建水库大坝引起的环境改变问题，同时也包含环境对大坝安全的影响。

中国正值水利建设新时代，如何协调水库大坝与环境的关系，促进其和谐发展，同样面临诸多问题与挑战，主要表现在：① 局部气候发生改变。水库建成蓄水后，库水大量汇集，在一定程度上会影响库区降雨、温度、大气等气候环境。② 水文环境平衡被打破，原有河流的水文条件变化，影响库区生物原有栖息环境。③ 可能诱发地质灾害。库区地壳承载水压力增加，库岸边坡受力情况发生改变，可能诱发地震、库岸滑塌、滑坡等地质灾害。深入开展水库地震监测和监测资料分析，提炼水库诱震因素，揭示水库地震规律和诱震机理是水电工程建设中急需开展的攻关课题[8]。④ 泥沙淤积问题。水库大坝的修建改变了原有河道泥沙的输移沉积模式，大量泥沙淤积在库区，会降低水库有效库容，影响枢纽建筑物安全，限制发电、通航、灌溉等功能效益的發挥。⑤ 泄洪雾化问题。大坝挑流泄洪会引发强降雨及雾化区，对水利枢纽的正常运行、下游边坡稳定造成影响[9]。高水头大流量的泄洪需求、高海拔低气压的复杂气候环境以及高边坡窄河谷的复杂地形环境，使得中国高坝泄洪环境越来越复杂，泄洪雾化引发的安全问题也愈发凸显[10]。⑥ 库盆变形。高坝蓄水会引发库盆变形和谷幅收缩，可能影响大坝的工作性态和长期安全状况。如拱坝对坝基变形敏感，拱坝安全问题往往与库盆变形破坏密切相关，特别是蓄水后库盆急剧变形的时期[11]。⑦ 极端气候影响。全球气候变化引起的极端天气出现的几率更为频繁，高山峡谷地区大坝面临的自然环境更为复杂，持续高/低温、强紫外线照射、超强降雨等影响着大坝安全运行。如何应对极端气候条件下大坝面临的新问题是今后水库大坝建设、设计、运行过程中的研究新方向。

践行水库大坝与环境和谐共存的安全理念，新时代水利建设应着力突破大坝环境安全所面临的问题与挑战，深化研究，将环境安全理念切实融入到水库大坝的全要素安全中。

3.2 全流域安全

随着中国水资源的不断开发利用，一个流域内往往会建设一系列呈阶梯式的水库，形成一个水库群。如黄河上游、长江上游和清江梯级水库群等。龙头水库作为流域内的主要控制性水库，其安全至关重要，同时梯级水库群的规划设计与管理调度也不容忽视，它不仅决定着水库群发电、供水、航运等综合运用功能是否能充分发挥，而且关系到水库自身结构安全和下游地区的防洪安全。因此，以龙头水库安全为核心，重点关注梯级水库群规划设计与运行管理，对中国水资源安全具有重要的战略意义。

3.2.1 龙头水库安全

在梯级水库群中，建设有足够调控水资源能力的龙头水库是水安全的重要保障，直接影响着下游水库群的整体安全。在流域梯级龙头水库的规划及建设过程中，必须确保其安全风险最低。主要可以从以下方面考虑：① 坝址选择。龙头水库一般布置在流域上游，其坝址的选择应更加谨慎，需综合考虑地质、地形及气候等自然条件，尽量避开断层和地震多发地带。② 坝型选择。龙头水库坝型论证阶段，需要在满足任务要求、适应坝址自然条件、技术可行的基础上尽量选择可靠度更高的混凝土壩作为首选坝型。③ 坝体建设。龙头水库设计可适当提高大坝安全系数，建设应加强质量监管。

3.2.2 梯级水库群安全

目前，将梯级水库群作为一个整体，全面研究、分析和评价其安全性还较少见，现有的水库大坝安全评价标准和分析方式设定也均是基于“单库”模式，缺乏对单个水库与梯级水库群整体安全的关联性考虑[12]。对于梯级水库群安全，必须认识到某一单库失事必将对其他梯级水库带来不可忽视的影响。例如“63·8”特大洪水造成海河流域319座大坝相继溃决，受灾人口达2 200余万;“75·8”特大洪水造成洪汝河流域2座大型水库、2座中型水库和58座小型水库漫溢溃坝，直接死亡人数超2.6万[13]。上述两次特大洪水中，由于水库实有的抗洪能力明显偏低，同时流域内绝大多数为土石坝，坝型结构单一，抵抗溃坝连锁反应风险的能力较弱。因此，在梯级水库群规划设计阶段，要充分考虑各水库规模及坝型的协调性;同时在制定洪水标准时要统筹考虑梯级水库群的设计洪水标准，当新建工程上游或下游已建或规划有梯级水库时，既要考虑上游水库泄洪对本工程的影响，也要考虑本工程对下游的影响，经过统筹研究、相互协调，最终确定合理的洪水设计标准。对于防洪标准不匹配、不协调的梯级水库群，要制定与之对应的防洪调度方案及应对措施。未来要对梯级水库群的风险共担问题展开深入调查研究，形成系统的梯级水库群安全管理及风险防控机制。

在梯级水库群运行管理阶段，由于缺少流域集中管理和统筹协调，导致梯级水库群的水资源综合利用和整体效益发挥不理想，也制约了梯级水库群防洪减灾的统一部署。例如长江上游水库群建设和管理主体多，涉及流域机构、各级地方政府、发电公司以及河流开发公司等，从而大幅增加了梯级电站统一调度的复杂性[14]。因此，有必要组建流域运行管理机构，统一协调流域内水库群的建设、运行及调度管理，特别是防洪调度，以保障水库大坝全流域安全。通过流域水资源统一管理和调度，可以实现梯级水库群的综合利用，提高水库群及大坝工程的安全性。

3.3 全生命期安全

水库大坝作为事关国计民生的重要基础设施，必须贯彻落实高质量发展的要求，这就需要在大坝规划、设计、建设、运行、退役各个阶段坚持高质量标准，严格把关，从而保障水库大坝全生命周期安全可靠。

在规划阶段要开展详尽的调研工作，突出生态优先、绿色发展的规划理念，大坝坝址应尽量避开有大型断裂构造带、近坝库岸失稳区及地震活跃带等重大地质安全隐患地带，坚决落实“安全第一”理念。设计阶段在面对建设经验较少的200 m级以上超高坝时，虽然有基于安全系数或可靠度的安全冗余，其安全风险仍然不可忽视，在大型水库特别是高坝大库中应慎重采用新坝型。施工阶段要严把质量关，做好施工图审查、施工方案报批、重大工程施工组织设计等工作，对施工中发现的质量缺陷及时采取处理措施，并加强施工监管工作。在新时代水库大坝建设阶段，要重点加强高寒高海拔、高地震烈度、高陡边坡及深厚覆盖层等复杂条件下的筑坝技术研究。

水库大坝全生命周期中，“重建轻管”的现象十分普遍，因此需加强水库大坝运行及退役阶段的安全管理，并在规划设计阶段予以考虑。运行阶段应加强大坝安全监测，定期开展安全巡视检查，及时整理分析观测资料。根据工程特点及实测资料建立水库大坝安全预警指标及准则，制定适合自身需求的安全预警应急机制及应急保障体系，并针对工程运行中可能遇到的各种风险进行识别、研究、评估和处理，加强极端工况下（超标洪水、地震、爆炸）的风险分析，结合风险的可能性（即建筑物病险程度）和产生的后果进行综合评价。退役阶段需建立完善的水库大坝降等及报废机制，中国水库多建于20世纪50～70年代，根据SL654-2014《水利水电工程合理使用年限及耐久性设计规范》，很多工程已超过合理使用年限，正在超期服役，水库降等及报废工作十分紧迫。因此，需在对水库大坝超期服役安全性态评估的基础上，制定水库大坝安全提升或拆除退役处理方案，消除水库大坝降等与报废后依然存在的安全隐患并加强安全管理，深入评估退役拆除对周围生态系统的再次干扰，主要包括河流形态、泥沙运输、水生环境和生物多样性等方面的影响[15]，从时空角度开展相关影响研究[16]，并针对拆坝河流的生态恢复问题提供相应技术指导。

水库大坝全生命期安全不仅要总结已有工程经验、汲取事故教训，更要与时俱进，采用新技术、新手段、新方法：如推广应用BIM+GIS技术，从规划建设期就开始管控水库大坝工程质量与安全，模拟可能的形变、渗流、应力等情况，预测工程完成后的工作态势;综合利用互联网+大数据+云计算、5G+边缘计算等信息化手段，提高水库大坝实时监控和评价的能力与水平;结合AI摄像头实现定制化场景识别，提供不同时期大坝安全可视化监控等。

4 结语

随着中国社会经济的持续发展，公众对水库风险认知和关注程度不断提高，对水库大坝安全的要求也越来越高。为此急需建立适合中国国情的水库大坝安全管理及工程技术体系，引入工程安全、生态安全、环境安全相互融合协调的全要素安全，统筹考虑流域龙头水库及梯级水库群的全流域安全，将水库大坝安全贯穿于工程的规划、设计、建设、运行以及退役的全生命期、全过程管理与控制。这要求我们要不断研究水库大坝的自然规律，深刻认识新时代大坝安全内涵，创新理论、技术、材料和工艺，既要通过工程技术手段提升大坝工程性能，确保大坝自身的安全性，又要健全法律、完善制度、加强管理，同时加大对大坝安全管理及工程技术体系研发投入，促进中国大坝安全管理整体水平的提升，不断适应时代对水库大坝安全的新要求。

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