水电工程退役建筑物的拆除设计

2022-07-08王毅鸣李贺林王富强

水力发电 2022年6期

王毅鸣，李贺林，王富强

(1.中国电建集团北京勘测设计研究院有限公司，北京 100024；2.水电水利规划设计总院，北京 100120)

0 引言

水力发电工程退役可根据任务的变化和调整分为全部退役和部分退役两种方式[1]。全部退役为水力发电功能和其他功能全部终止；部分退役为水力发电功能终止，其他功能全部或部分保留，也可增加其他任务功能。工程全部退役时需拆除工程及其附属建筑物，包括对相关影响区的恢复或复原。部分退役主要涉及以下2种情况：①仅对现有的水力发电设施退役，大坝及其他结构保留，该情况下可能会出于安全或维修需要对大坝结构进行一定的维修加固；②部分工程设施退役，包含水力发电设施控制运行、降低坝高或拆除大坝，该情况要求降低坝高或拆除大坝，而保留其他一些附属设施。

水工建筑物拆除是按要求对工程建筑物结构、设备全部或部分拆卸、转移、处理等的过程。水电工程主要建筑物的全部拆除一般是指为满足河流过流、排沙、土地安全使用及环境要求必须拆除的部分，有些地下建筑物结构可不进行拆除，例如：对于河床高程以下的坝体和防渗结构可不拆除；对于地下洞室建筑物的衬砌、支护设施应不拆除。

1 退役工程安全标准

水电工程退役而不拆除的水工建筑物应满足后续任务使用功能、安全运行、环境保护等方面的要求，应根据相关国家、行业现行技术标准要求进行设计[2-3]。水电工程退役后若仍保留其他任务功能或改建为新的工程项目，其工程规模、等别、建筑物级别和安全标准应根据其实际任务功能，按相应现行国家、行业技术规范确定。

根据了解到的水库退役或报废工程情况[4-5]，即使水电工程全部退役也可能存在部分拆除拦河坝的情况，故仍需要确定后续工程的工程等别、建筑物级别、安全标准，故部分拆除大坝、仍保留一定库容的退役水电工程，其工程等别、水工建筑物级别及防洪设计标准应按国家现行标准DL 5180—2003《水电枢纽工程等级划分及设计安全标准》和GB 50201—2014《防洪标准》确定。

退役工程中被拆除的水工建筑物，属于临时性建筑物，为保证拆除建筑物在施工期间的安全稳定及度汛安全，需确定拆除工程的建筑物级别、洪水设计标准等设计安全控制标准，以作为拆除大坝等建筑物过程及相应工程措施的设计依据。大坝拆除施工期洪水设计标准，宜根据坝型、坝前拦蓄库容确定，如表1所示[1]。坝前拦蓄库容超过1.0亿m3时，拆除施工期洪水设计标准应结合退役工程拆除实际情况研究确定。大坝全部拆除或部分拆除，坝址处基本恢复原河道形态的退役水电工程，可按河道防洪标准进行防护设计。

表1 大坝拆除施工期洪水设计标准

工程实践中，若大坝的规模、投资、技术难度较小，施工期较短，施工期洪水设计标准可选取下限值；或水文实测资料系列较短，或失事后果严重时，施工期洪水设计标准可选取上限值。拆除过程中可根据大坝拦蓄的库容、坝型、坝高、水库下游保护对象的重要程度情况分阶段进行施工，确定不同阶段的大坝拆除施工期洪水设计标准。对大中型工程的建筑物，可以在初选的洪水标准范围内，进行施工导流、度汛风险度分析，确定合理的大坝拆除施工期洪水设计标准。对失事后果严重的工程，可以提出考虑遭遇超洪水标准应急措施，确保大坝拆除过程中不发生非设计、不受控的漫顶破坏。

坝体等建筑物拆除施工过程中，其整体稳定性应满足相应建筑物级别短暂工况的安全控制标准。重力坝拆除过程中，需按承载能力极限状态对坝体结构及坝基岩体进行强度和抗滑稳定计算，计算采用概率极限状态设计原则，以分项系数设计表达式进行结构计算。进行承载能力极限状态设计时，设计状况按短暂状况考虑。根据现行行业标准NB/T 35026—2014《混凝土重力坝设计规范》中表7.2.2规定，短暂状况对应的作用组合为基本组合，主要考虑的情况是施工期设计水位情况，按确定的重力坝拆除方案或过程中稳定性不利情况，参照该工况来复核计算拆除过程中重力坝的强度和抗滑稳定计算。同理，拱坝拆除过程中坝体强度、坝肩稳定应根据现行行业标准DL/T 5346—2006《混凝土拱坝设计规范》，满足短暂状况基本组合的要求。

土坝及堆石坝的拆除，可视为土石坝填筑施工的逆过程，除水库各特征水位工况的水荷载作用外，其余荷载作用边界条件相似。坝体处于不断拆除，降低高度的状态，因此，进行坝坡抗滑稳定计算时，其设计条件可按土石坝填筑设计时非常运用条件I短暂状况考虑，安全系数大小参照现行行业标准DL/T 5395—2007《碾压式土石坝设计规范》中的表10.3.12和表10.3.13取值。如采用计及条块间作用力的简化毕肖普法时，3级建筑物设计的坝坡抗滑稳定最小安全系数宜不小于1.20，4、5级建筑物设计的坝坡抗滑稳定最小安全系数宜不小于1.15。

2 建筑物拆除设计方案确定

2.1 建筑物拆除设计主要工作成果内容

退役水电工程建筑物拆除设计与新建建筑物设计有较大的不同，新建水工建筑物设计一般是建筑物最终结构体形、尺寸和材料的设计等，而退役建筑物的设计主要是对分步拆除过程的结构体形、尺寸和材料利用的设计。水电工程退役建筑物拆除设计应包括以下内容：①建筑物拆除方案及相关图纸；②建筑物拆除设计技术要求；③建筑物拆除关键控制条件、稳定性分析；④建筑物拆除工程安全措施；⑤拆除料再利用或废弃处置设计。

水工建筑物体形拆除设计时需根据工程实际情况和拆除施工要求和计划，区分主体与附属、水上部分和水下部分、岸坡部分和河床部分等。

2.2 水工建筑物拆除设计基本资料收集

对现有水工建筑物结构的情况的认识理解对拆除设计至关重要。所有与拟退役工程项目有关的资料需在退役设计之前进行收集。建筑物拆除设计应收集设计、施工、改造、加固、安全监测、运行管理、安全评价及鉴定等有关资料，包括所有的施工图纸、计算书和报告成果等。应说明拟拆除建筑物的现状特征及材料组成。对仍要保留的建筑物，若缺失原始设计及施工资料，则应进行检测。水工建筑物拆除设计需收集以下资料[6-7]：

(1)工程设计及施工资料。如果没有图纸，必要时应进行现场测量绘制新的图纸，反映当前建筑物的情况。应尽可能详细说明拟退役工程的特征及工程设施的完整情况。原设计文件、施工文件、运行管理文件以及有关工程改造的文件资料，均对建筑物的退役方案确定有着重要关系。建筑物的类型和构筑材料的处置要求将影响拆除方法的选择和建筑物的拆除成本。拦河坝拆除前，例如土石坝，如缺失原始的设计及施工资料，则需进行地质勘探确定建坝时所用材料的体积及特性。对心墙土料进行检测，研究填坝土料、石料是否能够重新利用，或者如何处理及合理选择处置的地点。尽可能减少材料堆放场地，减小对河道环境影响。

(2)业主或监管机构记载的相关信息。包括检查、历年修缮的记录；项目历史记录、建筑照片和当地历史学会、档案馆和公共图书馆的报纸报道；互联网搜索可能可以提供的一些有用信息资料。

(3)建筑物材料及试验数据。如混凝土抗压强度；混凝土结构中预埋金属构件、钢筋等。对于混凝土坝，原设计图纸及施工文件资料在评估过程中十分重要，包括混凝土坝的加固范围、混凝土强度、预埋的金属结构位置与型号等。混凝土取芯试验有助于确定拆除及保留方案的相关材料特性。例如，对侵蚀严重的建筑物，若侵蚀深度较浅，且下层混凝土性能良好，则可对该建筑物进行适当改造。混凝土破碎和回收利用可能有利于工程退役并且是一种经济的选择，如有可能，可将混凝土粉碎，作为路基或提供给供料较困难的项目用作建筑材料。

(4)工程建设前地形图。其将有助于确定水库内的原始地面，以估计沉积物体积，并确定坝址区的恢复或清除范围。

(5)泄洪建筑物的运行历史和现状。

(6)水库水位、水深、河流纵、横断面。

(7)水库沉积物剖面及其工程性质、力学指标。

(8)工程处置废弃物料的地点和运输距离。

2.3 建筑物拆除方案的确定

建筑物拆除方案应根据退役方式以及建筑物类型、结构形式，拆除过程中的安全风险，水位控制条件，对主要区域河段影响等因素经技术经济比较确定。对条件复杂的建筑物拆除设计应编制专题研究报告。

水电工程退役拆除应分析研究建筑物拆除和拆除后工程区场地恢复的目标及要求，选择科学合理的拆除方案，以降低工程退役成本，尽量减少对环境的不利影响。水电工程退役的原因中经常有需满足新的环境要求的情况，这些新的要求也可能给退役方案带来一定程度的制约。同时水电工程退役大坝拆除方案一般与环境质量目标的控制关系密切，如对河道一般环境控制目标是最小化的浑浊度和过量细泥沙的沉积等[6]，可以采用分阶段拆坝方案进行控制。

建筑物拆除方案应包括拆除的最终形象要求，泄水方案，拆除内容，各部位拆除时序安排、分期分层情况，拆除施工方法，拆除工程量，拆除料再利用等。建筑物拆除的最终形象要求应根据退役方式和工程区场地恢复要求确定，应主要考虑以下方面[1- 8]：

(1)保留或变更的工程任务。建筑物拆除或改造的最终形象应满足退役后工程任务的要求。建筑物拆除后的工程区场地应满足新的使用功能要求。

(2)行洪和防洪安全要求。国家或地方对安全通过洪水流量一般有监管要求。如可能要求大坝的剩余部分在一定的水位或时段内安全地通过特定大小的洪水或要求最小的溃坝高度、宽度，如坝高小于3 m。

(3)大坝及其他建筑物的结构破损和老化程度等。大坝剩余部分可能对社会稳定造成的潜在危害，水工建筑物剩余的结构若需要一些长期的运行操作和维护要求，这些要求对决策是全部或部分拆除有影响。大坝和附属结构的类型，建筑物，特别是大坝的类型可能在确定最终拆除的形象程度方面发挥重要作用。如果考虑部分拆除，混凝土、砌体、土方或堆石等大坝的建筑材料需满足项目任务和对建筑物结构安全和性能的要求。

(4)后期运行维护的要求。

(5)建筑物拆除方案及费用。

(6)水库泥沙滞留或排泄要求。水库泥沙沉积物的清除和处置可能增加工程退役项目费用成本。在大坝拆除施工过程中，对水质的要求可能需要严格的控制下泄水流的含沙量和浊度，这些要求会对水库泥沙淤积物的处置措施和大坝拆除的高程、部位、时序带来重要影响。

(7)上、下游社会环境要求。社会环境要求是指在公众视野范围内是否有环境因素要求，如审美因素往往会给部分拆除或全部拆除带来不同影响。

(8)建筑物历史文化价值评估。建筑物是否有历史文化价值，历史和文化价值观也将在拆除旧建筑方面发挥影响作用。大坝和附属建筑物可按照文物予以保护，以保存历史文化资产。保留部分大坝或附属建筑物可能根据保存工程某一特定文化、历史要素而确定的。

(9)管理单位的要求。水电工程退役应考虑工程管理单位或利益相关方对土地使用、可持续发展、人员安置等方面的合理要求。

完全退役的大坝，其坝体设施的可见部分一般需拆除，可以选择完全拆除坝体上部分结构或留下部分结构进行掩埋。对大多数小型坝来说，将其拆除到河床高程以下0.5 m的最低深度一般就足够了，对动态河床的河流或较大的水坝，需要设计人员研究确定合理拆除深度，以确保结构在未来不暴露。全部拆除的大坝在确保新河床满足冲蚀的前提下，宜拆除至现状河床高程以下，并与上、下游河床平顺衔接。

建筑物拆除期间工程泄流能力应满足洪水设计标准和控制水位的要求，下泄流量控制应满足下游防洪安全、水库泥沙排放、下游区域环境影响等方面的要求。大坝拆除前应首先利用现有泄水、输水建筑物尽可能降低库水位，降低施工过程中的技术难度和安全风险[9]。大坝拆除过程中可对工程现有过水设施、闸门及启闭设施进行改造，确保满足放水要求。在一般情况下，建筑物的拆除往往要求将泄水量保持在最低水平。设计需计算分析在较低库水位时，输水建筑物的过流能力，是否满足最小过流量的要求，否则，对局部退役的建筑物，可能需要新建建筑物进行泄流，或在大坝拆除的最后阶段，利用临时解决方案(如安装管道)来增加排泄量。坝体拆除过程中，与其配合的泄水建筑物泄流冲刷不能影响建筑物安全。

在拆除大坝的过程中，泄洪建筑物如不能达到最大程度降低库水位和控制入库流量的目的，在某种条件下，需使用现有的输水系统降低库水位和控制流量，也可以通过适度的改造来提高输水系统的泄水能力。例如，发电站引水系统拆除涡轮后，会增加压力管道的流量。

土石坝在拆除过程中如遇较高的库水位，将占据可能滞洪的水库库容，当洪水发生时会带来更大的度汛风险；同时较高的坝前水位，将使坝体浸润线升高，不利于坝体施工的开挖和坝体的稳定，故需要尽可能地降低水库水位。此外，对均质土坝、黏土心墙坝等也需尽可能早地降低库水位，降低材料的含水率，以便有利于开挖施工和使用。

建筑物局部拆除时，应对其保留部分的结构稳定性、耐久性进行评价，对不满足要求的应提出处理措施，并进行加固设计。坝体拆除过程需根据现有工程的坝体体形、断面分区、工期要求设计拆除步骤和方法，拆除过程需满足稳定要求。建筑物局部拆除工程中无论是保留部分还是拟拆除部分，影响安全的，均需先加固后拆除。

退役水电工程建筑物结构一般由于年久失修、老化、环境侵蚀作用结构强度大幅低于原设计强度，甚至本身就为设计确定的破坏状态，故在进行拆除过程强度、稳定性分析中，特别是对混凝土构件，应采用实际的材料强度指标，其材料指标通常通过试验确定。拟退役的混凝土结构其断面可能破损，部分构件可能已不能发挥功能，故在进行拆除时需按照结构的实际情况进行稳定性分析计算。建筑物安全性评价及拆除过程结构强度、稳定性计算分析应考虑材料劣化，采用实际的物理力学指标。结构受力计算模型及尺寸应与实际情况一致。

建筑物拆除方案宜尽可能考虑拆除料再利用，并宜按再利用要求细化方案。土石坝通常采用常见的开挖方法和运输设备来拆除，并可以提供粘土、砂、砾石、块石等材料，供场地恢复或商用。

3 大坝拆除设计

3.1 混凝土坝拆除

重力坝、拱坝拆除过程中坝体坝基强度和稳定应根据现行行业标准进行复核，满足短暂状况基本组合的要求。重力坝、拱坝在坝体拆除过程中，设计需确定坝体的拆除方案和步骤，一般需分不同坝段从高到低分层拆除，结合工程的具体情况形成不同的坝段、坝体孔口或缺口，用于泄水或度汛。混凝土坝拆除过程中采用部分坝段缺口过流时，裸露的坝基需能够满足坝体稳定的要求。当坝段拆除施工时，坝体缺口可能行洪，对坝段有水荷载作用，需分析计算缺口坝段的稳定性和抗冲情况是否满足要求。对非缺口坝段的拱坝，需计算在水荷载等作用下产生的应力是否满足材料强度要求。作用在坝体的荷载可根据工程实际情况确定，一般作用荷载由水荷载、自重、扬压力等组成，必要时考虑施工荷载和爆破作用。

采用爆破拆除的，应控制爆破参数，必要时可对坝基或拱座岩体、岸坡采取一定保护和加固措施。

3.2 土石坝拆除

土坝及堆石坝的拆除，可视为土石坝填筑施工的逆过程，除作用在水库各特征水位工况的水荷载外，其余荷载作用边界条件相似。坝体处于不断拆除，降低高度的状态，因此，土石坝拆除过程中，进行坝坡抗滑稳定计算时，坝体渗透稳定及坝坡稳定应满足现行行业标准的要求，其坝坡稳定最小安全系数按非常运用条件I中短暂状况确定。

土石坝拆除过程中，若现有的泄水建筑物无法有效降低或控制水库水位时，应研究制定导流方案，并防止大坝拆除期间发生大坝失事[9]。通常土石坝的溢洪道位置较高，在大坝拆除过程中，溢洪道降低水库水位并控制来水的能力非常有限。若大坝一侧岸坡有较好的基岩，溢洪道沿基岩而建，则可以在大坝的拆除过程中开挖一条泄水明渠连接现有的溢洪道的泄水槽，将泄流导入下游河道。

采用大坝开挖导流槽进行导流，分段拆除坝体时，应综合考虑拆除施工时段的来水量、水位控制和泄流能力、下游防洪安全等情况和要求，研究确定主河床段大坝开挖导流槽的尺寸和下泄流量，必要时对导流槽采取防护措施。

土石坝部分或全部拆除过程期间，需注意水库水位下降速度及导流。需通过渗流稳定分析成果，控制水位下降速度，满足水位下降条件下坝体的稳定性要求，提出水库水位降落要求及措施。为确定库水位的下降不会引起滑坡，必要时要求进行土坝稳定分析。以防止引水建筑物阻塞或出现其他安全问题。

土坝及堆石坝的拆除，所用方法与修建方法大体相同，即采用翻土及开挖设备。土石坝的拆除顺序，应从坝顶开始，然后向下逐层挖出，应防止坝体边坡因开挖而出现更为陡峻的坝坡，从而发生失稳事故。土石坝拆除设计应合理确定坝体各部位的拆除步骤和施工方法，分析各拆除工况条件下的坝体稳定性，提出各部位开挖坡度的上限值。例如，有的国外大坝退役指南中要求，坝体开挖形成的施工平台高差大于9 m时，开挖边坡不能陡于1∶2，小于9 m时，开挖边坡不能陡于1∶1.5。对出现渗漏问题的土石坝增加排水垫层及在下游修建马道。

对低坝或中高坝拆除到一定高度后的剩余部分，若水库沉积物排沙下泄对下游不会产生危害，也可在坝体上开挖导流槽使水流冲蚀拆除坝体。采用导流槽冲刷拆除大坝时，应对水力冲蚀或可能溃决产生的洪水、泥沙下泄进行专门研究，并应评价其对下游河道和设施的影响。

4 其他主要建筑物拆除设计

4.1 泄水建筑物拆除

泄水建筑物拆除时段和拆除方案应综合考虑工程退役拆除期间库容、库水位控制及防洪度汛要求确定。泄水建筑物拆除设计应首先研究、计算分析现有泄水建筑物能否满足工程防洪标准要求，并调查、研究可能产生的生命财产损失和社会影响。通过调洪计算，研究确定现有或改造过的建筑物是否有能力满足安全度汛要求[3-7]。拟退役水电工程一般存在老化的泄洪建筑物不满足泄流能力的情况，在一定条件下和洪水规模时可能会造成水库水位的上升，会增加上下游财产损失的风险。如：老化的溢洪道及泄水建筑物的泄流能力较低，造成洪水漫过坝顶，对整个工程构成危险。对混凝土建筑物，需要进行坝体稳定分析，以预测或确定该建筑物是否会在洪水发生时失事。对土石坝建筑物，需要评价大坝可能遭受的侵蚀程度，若可能失事，需提出并分析有关结构的改造措施及预算成本。

对保留部分功能的退役水电工程，泄水建筑物应能满足相应的泄水功能要求。泄水建筑物拆除方案应能满足存留部分的安全、运行及维护要求。

水力发电功能和其他任务功能全部终止时，岸边溢洪道、泄洪洞进出口等结构应按照土地使用和环境保护要求全部拆除或填埋。拆除后形成的工程边坡的安全稳定性应满足现行国家和行业有关规范的要求。

退役设计应对泄洪洞等地下洞室进行封闭设计。洞身衬砌支护结构一般不进行拆除，应研究分析其长期稳定性，必要时提出处理措施。

4.2 输水建筑物拆除

输水系统退役设计应根据输水建筑物的形式选择合理的退役方案和拆除方法。若工程退役后输水系统被用作城镇供水管道或其他用途，应按新的使用要求进行改造。水力发电输水设施通常有各种断面形式的渠道或管道，如岩基上开挖的渠道、土基中开挖的渠道、混凝土或浆砌块石衬砌渠道，其退役拆除的方法也不同。开挖的输水渠道可实地退役，也可用适当的材料进行回填。用于渠道的衬砌材料可进行拆除或实地填埋。用于渠道的衬砌材料一般有混凝土、混凝土砌块、砌石、抛石、沥青、土工布、橡胶止水等，这些材料的拆除及拆除物料的处理的应根据建筑物的周围社会环境情况，采用合适的方法拆除，方便材料的处置和后续利用。若引水渠道占用土地面积较大，退役方案及处理措施应满足土地开发使用、环境保护和水土保持的要求。

没有开发利用要求的地下输水建筑物宜进行封堵设计。水工隧洞退役设计应对其长期稳定性及其对相邻土地和地表建筑物、设施的影响进行评估，必要时提出处理措施。保留下来的隧洞，可能会发生侵蚀，需采取相应的处理措施，以保证对应地面的公共安全。故水工隧洞退役后产生的长期后果以及退役方法对相邻土地、建筑物的影响，必须仔细评估。可在隧洞进口修建隔墙或做部分回填，作为安全措施。若隧洞以后需要进行安全检查或是用作其他目的，则需选择合适的安全设施类型。

4.3 发电厂房建筑物拆除

地面厂房系统由地下建筑结构及地面建筑物结构组成，其他建筑可能包括相邻取水建筑物以及开关站建筑。水电工程退役后，若发电厂房未赋予新的使用要求，地面建筑物宜进行拆除，地下建筑物及其附属洞室宜进行回填或封堵。同时电站厂址的综合利用应符合工程退役土地规划、环境保护、景观因素等方面的要求。

厂房拆除前，应对厂内机电设备进行妥善处置，厂房结构或设备拆除施工若需使用桥机进行起吊，应对排架柱、吊车梁等结构进行安全复核，必要时进行加固处理。

地面厂房拆除应从上而下，逐层分段进行。采用人工拆除时应按楼板、次梁、主梁、柱的顺序依次拆除。采用机械拆除时，应先拆除非承重结构，再拆除承重结构。

发电厂房的下部结构通常为体积较大的混凝土，如上部建筑拆除后，则下部蜗壳、尾水管等建筑物及下部空间应予以回填，不满足土地规划、环境保护、景观因素等方面要求的，应将其全部或部分拆除。厂房新用途对下部结构有使用要求时，应按照新的用途要求进行改造设计。

地下厂房退役设计应研究分析地下厂房退役后的长期稳定性以及对相邻土地、地表建筑物及设施的影响，必要时提出处理措施。保留下来的地下厂房、洞室，可能会发生侵蚀、逐步垮塌，不满足洞室长期稳定的要求，工程退役后需采取适当的处理措施，保证对应地面的公共安全。故退役设计时需对地下厂房退役后的结构稳定性以及退役方法对相邻土地、建筑物的影响进行评估。若地下洞室以后需要进行安全检查或有其他用处则需选择合适的安全支护或回填等措施。