歐洲水壩考察紀實

文/ 樊啟祥 李文偉 翁文林 編輯/ 時香麗

2009年9月12至25日，由中國長江三峽集團公司組團、成都院和中南院共同參加的考察團圓滿完成歐洲3個國家水電開發技術交流和文化考察?？疾靾F成員現場查勘了阿爾卑斯山脈地區的大迪克森斯（Grand Dixence）、澤烏齊爾（Zeuzier）、莫瓦桑（Mauvoisin）、博勒加德（Beauregard）、魯松（Luzzone）和科爾布萊恩大壩（Kolnbrein）等6座混凝土水壩、豪瑞集團Holderbank試驗室以及阿爾卑斯山體隧道項目混凝土生產工廠情況，聽取了意大利瓦意昂大壩失事和阿爾卑斯山體隧道項目建設等情況介紹，與瑞士專家主要就水壩安全、拱壩結構設計、拱壩施工技術、混凝土大壩失事和裂縫問題處理等方面進行了技術交流，重點結合溪洛渡拱壩的混凝土品質與Holcim集團混凝土專家進行了深入交流，了解了3個國家已建成的部分大壩在建設運行中的經驗和教訓。

科爾布賴恩大壩

莫瓦桑壩

瑞士大部分的水壩項目位于阿爾卑斯山的中上部高程，水壩的類型為混凝土重力壩、拱壩、土石壩、支墩壩，其比例分別為38%、26%、35%、1%。目前，瑞士聯邦管轄下的5～285米的大壩有217座，庫容從5萬立方米到4億立方米不等，壩高大于15米有153座，大于100米有25座，大于200米有4座。州政府管轄的水壩153座。這些水壩85%屬水力發電工程。這些大壩建設始于135年前，20世紀70年代以后，新建大壩寥寥無幾，僅對部分大壩進行了加高或修復處理。已建大壩的平均壽命達50年，而水電工程的特許壽命一般為80年，經過修復后的水電站預期壽命達160年。

高效而又經濟地利用水能資源

瑞士對資源綜合開發利用非常重視，尤其對水能資源，已經開發了近85%的經濟可行性水電潛力。這次考察的6座水壩均位于阿爾卑斯山脈地區，處于河流的中上游高海拔地區，海拔在1600～2400米高程左右，壩高較大，但流量和庫容均不大，淹沒相對較小。但為了提高水能資源利用效率，結合當地建壩條件形成水庫蓄能，通過引水隧洞或泵站收集工程區附近河流和相鄰河流的水量，或者由于受原有地形和環境制約，采取優化、恢復并增加原有工程的能力，如采取大壩加高措施增加庫容，利用形成的落差分級發電，最大限度地利用了水量和水頭，充分發揮了水資源的優勢，也體現了水電調峰、蓄能和靈活的特點。具體表現為：

利用水泵提水，將相鄰河流的水引入，增加水庫水量。

在瑞士羅訥河支流迪克桑森斯河上（迪克桑斯河是一條非常小的河流），建成了世界上最高的混凝土重力壩，壩高285米，控制流域面積357平方公里，壩址處河谷呈V形，形成了一個4公里長的人工湖——迪克斯湖。冰川融雪是水庫儲水的主要來源，水庫水位季節性較強，通常9月末水位可達到最高峰，冬季到來后水位逐漸下降，到次年4月達到最低點。為了增加水庫水量，建設了4座總裝機為186兆瓦泵站，利用低能耗時段進行抽水，通過長達100公里的隧道系統將迪克桑斯河與其它河流里的水聚集至水庫，每年收集水量達3億立方米，消耗電量約3.8億千瓦時。然后，引水至下游4座總裝機200萬千瓦的水電站，使得整個地區的水資源以峰值能量的形式得以充分利用開發。

通過加高水壩，增加水庫庫容，提高水資源利用效率。

在上世紀90年代，瑞士有兩個重要的加高項目，就是1991年完成對莫瓦桑拱壩和1998年完成對魯松拱壩的加高處理。

大迪克森斯壩

莫瓦桑拱壩高237米，始建于1951年，水庫于1958年首次完全充水。壩體加高是為了增加庫容，儲蓄水量，以滿足能源在最需要的時候發揮其作用，并實現夏天蓄水轉移至冬天發電的目標。當然，大壩加高所要求的溢洪道和上游徑流式電站尾水隧洞的調整，需要3年時間（從1989～1991年）。壩體加高設計包括：增加壩高13.5米，新壩頂的海拔1976米，寬度12.1米，增加使用混凝土達8萬立方米，為大壩原有體積的4%。加高后庫容2.0億立方米，其冬季電量達到70%。

魯松壩

加高后的魯松壩

魯松拱壩是瑞士第二高拱壩，始建于1963年，位于瑞士阿爾卑斯山南坡，大壩加高了17米（占8%），水庫總庫容增加1.07億立方米，較原庫容增加23%。

廣泛開展了綠色水電認證，綠色環保無處不在

考察的6座大壩建于上世紀五六十年代，均位于阿爾卑斯山脈地區，處于河流的中上游高海拔地區，海拔在1600～2400米左右，居民少，淹沒不大，在當時急需能源的形勢和當時環保要求下，對環境的影響均較小。在后期加固改造和運行管理過程中，十分重視環保工作，進行綜合利用開發，既保護了環境，又取得了經濟效益，造福了人類。其理念表現為：在每一項目的設計和施工中，尤其是采取水力資源綜合開發，將環境保護與水電工程有機結合，工程與環保和諧發展，創造了巨大的經濟和社會效益。

具體表現為：一是工程布置總體與環境協調，雪山、水庫與大壩交相輝映，構成水電特色的景觀。工程裝修簡化，十分貼近自然。施工規范認真，環保措施到位。二是對工程進行綜合利用開發，開展旅游項目。同時布置展覽館，寓宣傳于旅游中。比如阿爾卑斯山體隧道項目，隧道總長達到92公里，最長一條隧道長達57公里，最大埋藏深度達到2000米。從1995年開始前期準備工作，預計2011年開挖完成，2017年投入運行。該項目實施中，采用了十分嚴格的環保措施。其地下工程總開挖量達到1300萬立方米，其中21%回收后作為混凝土骨料使用，其余回填至山谷碴場，部分回填至湖泊，作為鳥類棲息場所。骨料生產及混凝土生產系統的布置與周圍環境十分協調。同時，在混凝土生產系統附近建立了展覽中心，采用多媒體、仿真模型、圖片等多種形式向游客和市民介紹工程建設過程，生動而又有趣，宣傳了工程建設與環境保護的協調發展，效果非常好。當然，其不足之處在于，由于水量不足，大量采用了引水式電站，部分小河流下游出現斷流現象。

自1996～2000年開始運作綠色水電認證，目前已有部分水電項目實施了認證。

綠色水電認證源于瑞士水科院的綠色電力項目，其基本數據主要來自Brenno河流域的案例研究，其目標是從生態、經濟、政治和社會等綜合因素中挑選出評價的因子，通過與聯邦機構、非政府組織、專家顧問小組以及水電公司之間進行多次圓桌交流，總結提煉出一套新的、全面的綠色水電評價辦法和認證程序。

阿爾卑斯隧道項目施工環境

阿爾卑斯隧道項目工廠與周邊環境

對于綠色水電項目，設置了兩步評價方法，首先是評價一般電站通用的基本要求，二是評價該電站生態投資指標情況。為了保證生態投資真正用于環境改善項目，一般都要求所有投資者都參與決策制訂和圓桌討論。為了采取一種可靠而又實用的辦法解決資源利用和環境保護之間的矛盾，建立了一套5×5維度的環境管理矩陣，以構建其評價準則。從評價因素上說，主要從河流生態系統的完整性考慮，有水文狀況、河流連通因子、固體物料和渠道構造、景觀、生物群落，另外從最小生態流量、水電調峰、水庫管理、河床泥沙管理、建設與運行等五個方面進行科學評估。

評估認證的程序主要包括預評估（關聯矩陣和成本估算）、管理方案（已實施基本要求、利益相關者已參與、生態投資計劃已制訂）、審計（獨立機構的復核）、監測（認證前5年的實施情況評估）。從1996至2002年以來，對近30個項目進行認證程序和辦法的測試，認證標簽也得到了政府組織的認可，逐步建立并完善了認證程序，培訓了審計員。取得認證的水電企業，其電價可以增加約1/12，是要求型的，非強制性的。2007年，在中國北京舉行了綠色水電與低影響水電認證標準中文版發布暨學術研討會。

建立水壩安全體系

瑞士對人身和財產安全的重視是非常深入人心的，對水壩的安全尤為重視，他們建立了一系列的法律法規，將水壩安全作為一個整體概念，包括結構安全、監測安全、運行安全以及制定應急計劃，以確保大壩及下游居民的安全。目前，只要是精心設計、精心施工、精心維護和監測到位的土石壩和混凝土壩的使用壽命一般都能達到100年，像閘門和閥門等構件一般在使用40～50年后就得更換。

樊啟祥在Holderbank實驗室與瑞士專家交談

考察團在Holderbank實驗室與瑞士專家交談流

水壩的安全理念

瑞士將大壩安全的概念放在重要的位置，包括合理設計、精心檢查、維護和報警系統。其中，檢查由聯邦政府、州政府和業主共同負責，通過定期的大壩檢查，讓所有可能的事故處于掌控之中。

安全概念的兩大目標是將所有的風險影響降至最小，并盡可能地掌握其余的風險。從水壩規劃開始，明確要求在安全上要風險最小，其次是保留風險的可控。在最小風險上要求合理設計，并通過建筑安全論證；在風險控制上，要求有詳細的檢查方案及應急預案，檢查方案包括各種監測及維護并通過聽證或監管過程，應急預案包括各種應急狀況。通過監聽、監管，以發現早期階段的任何問題，并提出補救措施，達到最小的剩余風險。

水壩的安全監管權限

1999年1月1日，瑞士對以前頒布的大壩安全條例進行了修訂，其使用范圍取決于特定壩的幾何標準（壩高和水庫庫容）及其對下游地區（可能淹沒區）可能造成的潛在破壞。條例中規定了涉及大壩安全的相關各方，如大壩安全機構、大壩業主、大壩設計工程師以及大壩專家等的職責。同時，大壩安全機構發布了《大壩安全條例》的大壩標準、大壩結構安全、大壩防洪安全、大壩抗震安全以及大壩監測及其維護等指南，以利于安全條例的應用。

水壩的安全監管權限也依據壩高及庫容決定。對于壩高大于10米、或壩高大于5米且庫容大于5萬立方米的水壩都要進行監管，分為聯邦政府及州政府兩個層次。

聯邦政府監管的水壩為：壩高大于5米且庫容大于5萬立方米的水壩；壩高大于10米并且庫容大于1萬立方米的水壩；壩高大于15米并且庫容大于0.5萬立方米的水壩；壩高大于25米的水壩。

州政府監管的水壩為：壩高5～10米并且庫容為0.5～5萬立方米的水壩；壩高大于10～15米并且庫容為小于1萬立方米的水壩；壩高為15～25米并且庫容小于0.5萬立方米的水壩。

安全監控

瑞士安全監控主要有三項工作，四種責任標準，具體見表一：

巡視檢查的內容：主要是檢查混凝土壩及山體的外觀，如混凝土裂縫、施工縫張開及錯位、混凝土壩面滲流、山體裂縫及滲流改變等，是一種非常有效的手段。

（表一）

監測的內容：主要為大壩及山體的變形、混凝土溫度、壩體滲流量、壩基揚壓力、滲透壓力。另外，還包括對外部荷載的測量，如大壩上下游水位、死庫水位、庫溫、氣候、地震等。

操作試驗的內容：主要是對閘門等關鍵設備進行測試。

上述檢測的目的是：盡早發現大壩及其附屬建筑物的結構缺陷；通過必要的監測資料，分析驗證已有的規則、幫助解釋突發的事件。

應急預案

應急預案就是準備面對最壞的情況，其內容分為兩個方面：策略及公共警報系統。策略包括風險識別、保護方案；公共警報系統包括計劃安排、報警設備、組織方案。

在策略中，首先是風險識別，針對各種不同的風險，要不間斷地加以評估并加強監管。在緊急預案中，風險分為三個危險級別。危險級別1是風險可控，危險級別2是風險不可控，危險級別3是風險迫在眉睫或風險已發生，每個級別都要有相應的技術方案、操作方案。針對不同的危險級別，其警報級別也不一樣，分別為加強警報、全面警報、局部撤離、全面撤離。

在公共警報系統中，要明確何時警報、向誰警報、如何警報及如何撤離。何時警報由風險發生決定，向誰警報根據洪峰分析確定，如何警報取決于警報設備，如何撤離按撤離地圖進行。

需要提出的是，撤離地圖是根據洪水淹沒埋圖進行規劃的，因此洪水淹沒圖要進行系統的繪制，應包含不同的洪水流量及潰壩后的淹沒情況，并注明洪水水位及到達的時間。

撤離地圖還要根據地形，劃分不同的區域，并標明不同的撤離方向，以最少的時間到達安全地點。警報設備主要有水警報器、移動警報車及廣播站。應急預案均進行預演習，由警察局及確定的領頭人參與。

大壩內觀設備

所參觀的大壩，均對大壩的內部監測措施及設備運行情況進行了了解，主要有變形監測設備（正垂、倒垂）、滲透及揚壓力監測設備等，雖然這些設施已運行幾十年，但都正常工作，并且實現人工與自動監測相結合，并建立了一套完整的庫水位與大壩變形、滲流量等方面的關系圖。通過觀測資料及計算成果，設定有關監測數據的報警值，達到自動報警。

事故水壩及其處理

歐洲的水壩事故主要有意大利瓦意昂水庫滑坡、法國馬爾帕賽壩的潰壩以及奧地利科爾布萊恩拱壩的加固處理?？疾炱陂g，聽取了意大利工程師對瓦意昂事故的介紹，了解了滑坡狀況及拱壩現狀，也實地考察了科爾布萊恩拱壩的加固結構和意大利博勒加德拱壩（因左岸山體滑移擠壓拱壩，使壩體結構破壞，近日決定切除上部壩體，確保電站安全）。其主要情況為：

意大利瓦意昂水庫山體滑坡事故

意大利瓦意昂拱壩鳥瞰圖

瓦意昂大壩現狀

高265.5米的瓦意昂混凝土雙曲拱壩位于意大利東北部，建于1957～1960年。壩址河谷十分狹窄，拱壩頂長僅190.5米，拱冠頂厚3.4米，底厚22.1米，厚高比僅0.083。壩頂高程725.5米，總庫容1.7億立方米。該壩不僅是世界上最高拱壩之一，而且是世界高壩中最薄的拱壩，經受了超過壩頂達200多米的水壓考驗，成為世界最著名的拱壩。其著名的直接原因來自于1963年水庫蓄水過程中發生的山體大滑坡?；挛挥诖髩紊嫌巫蟀?，長約2000米，寬約1200米，總體積約2.7億立方米?；聸_向水庫，涌浪翻過壩頂沖向下游，毀滅村莊，死亡人數高達2600人。水庫被滑坡代替，大壩安然無恙。

博勒加德壩

國內有很多資料對瓦意昂水庫山體滑坡事件及其滑坡成因做了詳細介紹，此次考察中意大利工程師談了如下幾點忠告：

一是瓦意昂水庫滑坡體本是一個古滑坡，曾經滑動過，而且一直在蠕動。工程建設之前和建設過程中很難把握地質和巖土勘測成果，很難預測其發展趨勢，最終釀成瓦意昂左岸滑坡事件。瓦意昂災難告訴我們，建設一座新水壩，其勘測工作是十分重要的，勘測范圍必須包括大壩、壩基、水庫以及壩下游一定范圍的谷坡。

二是瓦意昂災難之后，為保護大壩下游民眾，建立預警系統和完備的應急預案，需要把災害影響及時準確的告知可能受到影響的民眾，這比以往顯得更為重要。許多國家因此修改了大壩規范，增加了更加嚴格的規定。

三是瓦意昂事件也存在其必然，第一次蓄水時就出現了不尋常的滑坡反應，只是因壩體結構蓄水試驗中，未對初期的變化量引起高度重視，沒有能夠準確監測初期變量的監測系統和預警系統。

四是水庫蓄水初期，尤其要嚴格觀測檢查各種現象，具體注重如下幾點：蓄水上升速度要慢、提高觀測和檢查頻次、有規律的監視庫岸穩定狀況、完備的應急預案和有效的預警系統。

參觀科爾布賴恩大壩

科爾布賴恩壩

意大利博勒加德拱壩變形開裂事故

博勒加德拱壩位于意大利東北部，建于上世紀50年代后期。壩高132米，壩頂長408米，拱冠頂厚5.0米，底厚45.6米；壩頂高程1772米，設計高水位1770米，總庫容0.7億立方米。壩基巖體為片麻巖、云母片巖并夾有綠泥石。左右岸基巖差異大，其中右岸為整體塊狀結構，質量好；左岸解裂破壞，巖塊碎裂，部分成糜棱巖；左岸河床底部為冰川沉積物。河床出露的冰積物全部挖出并深部置換約200 米長度。由于基礎條件，拱壩周邊設置周邊縫結構。

1958～1968年為水庫蓄水階段。蓄水過程中發現左岸山體出現重力式座滑變形，座滑速度與庫水位上升成正比例關系。左岸基礎座滑使得拱壩受到擠壓，壩體向上游傾倒變位，下游面底部水平開裂，上游面上部橫縫張開。根據這種情況，意大利大壩管理委員會決定運行水位限制在1710米，相應庫容約680萬立方米，相當于設計庫容的1/10。水庫一直維持低水位運行，電站等同于徑流式電站。40年來，左岸基礎及山體的蠕動座滑持續不斷。通過監（觀）測發現，大壩頂拱冠向上游變位約20厘米，下游壩面底部區域嚴重開裂，開裂縫張開寬度達幾厘米并出現明顯的剪切錯臺。左岸山體蠕動座滑范圍巨大。

大壩受到左岸變形體的蠕動座滑擠壓，發生扭曲變形和嚴重開裂破壞。左岸蠕滑體規模巨大，持續不斷。業主對其開展了大量的分析試驗研究，包括各種處理方案的研究，努力確保徑流式電站發揮效益。通過對切除上部壩體和在壩體中上部設置豎縫兩方案的比較研究，最后決定切除上部壩體，切除高度52米，將原壩頂高程1772米，降為1720米。切除壩塊堆積于大壩上下游底部，增強左岸滑體壓重。2009年9月，意大利政府正式批準同意切除大壩上部結構，以確保電站運行安全。

奧地利科爾布萊恩拱壩拉裂滲水事故

科爾布萊恩拱壩高200米。大壩于1972年破土動工，1978年建成。但在首次蓄水就出現了巨大的滲水，不得不進行加固處理。處理工程前后共花了16年，加固費用超過大壩本身的建設費用。其主要原因，首先在于結構設計的失誤。壩體底部結構偏薄，而且中下部結構過于傾向上游，壩體自重產生偏心壓力，施工過程中下游面底部結構受拉開裂，裂縫面斜向上游。同時，在蓄水初期的高水壓作用下，河床壩踵底部出現斜向下游的剪切拉裂縫。上游壩踵裂縫和下游裂縫在壩內交接，導致大壩在高水壓作用下，壩踵開裂縫的滲透水壓使結構受力更加惡化，壩體產生不可逆的變位，導致壩內滲水，最大滲水量超過200 L/s。

通過對大壩開裂原因分析以及加固方案的反復論證研究，最終加固方案：一是在大壩上游壩踵區設置混凝土鋪蓋以及鋪蓋與壩體之間的止水設施，阻止庫水通過壩踵裂縫滲水。二是在下游修建重力式支撐拱壩，分擔拱壩受力。同時，在壩和地基內進行廣泛的環氧樹脂或水泥灌漿。大壩下游增建的支撐拱壩為混凝土結構，高度為70米（約為大壩高度的1/3），寬為65米，支撐拱壩與原壩體之間相距3.5米，其間設置傳力結構。傳力結構由613個傳力支座組成，高度向共9排。每個傳力支座由鋼絲加筋的氯丁橡膠墊塊，襯以不銹鋼板，并有可調整的鍥型墊塊以及應變計組成。每個傳力支座的受力面積為1.1米×1.1米。滿庫時，每個支座傳力1600噸，支撐拱壩將分擔120萬噸水荷載，約為大壩總水荷載540萬噸的1/5強。

其他幾座高壩的處理

瑞士的莫瓦桑拱壩和魯松拱壩都進行了加高處理，值得一提的是，魯松拱壩因左岸地形不夠，加高部分的左拱端無嵌深條件，于是將加高部分的左拱端折向山里，成為純粹的擋水結構，而非完整的頂拱結構。大壩變形觀測表明，拱壩加高后運行正常，加高部分結構仍處于彈性工作狀態，而且在新高水位下的結構變形較原拱壩的增加量十分有限。

樊啟祥在澤烏齊爾壩與瑞士專家進行技術交流

在澤烏齊爾壩與瑞士專家進行技術交流

瑞士澤烏齊爾拱壩（壩高156米）曾因壩基附近交通隧洞的施工，改變了基礎地下水環境，引起大壩基礎沉陷，導致大壩變形增加，壩基周邊近基礎結構出現明顯的剪切開裂。出于大壩安全考慮，不得不停止交通隧洞的施工并實施了封堵，大壩基礎終止了沉陷。在對大壩開裂縫實施了灌漿填塞后，拱壩繼續發揮正常的擋水任務，拱壩結構亦處于新的彈性工作狀態。

歐洲事故水壩的經驗和教訓

拱壩基礎穩定是保持大壩結構安全的關鍵。高壩基礎必須具有足夠的承載能力和抗變形能力，在水壓荷載作用下，基礎抗滑穩定安全可靠。博勒加德拱壩左岸基巖條件差，潛在山體滑動穩定問題，對大壩的破壞也是必然的。澤烏齊爾拱壩事故表明大壩基礎受地下水環境制約，后期交通隧洞的施工，打破了地下水環境的平衡，引起基礎沉陷，導致大壩開裂破壞。這些都是拱壩工程必須避免的。

確保近壩庫岸穩定，消除滑坡等次生災害對工程破壞性影響的發生。水庫工程地質勘查及庫岸穩定性評價，在我國大壩勘測設計研究工作中都有專題論證。對于近壩庫岸邊坡穩定，尤其可能危及工程安全的大型滑坡或危巖體，必須給予確定性分析評價，明確的處理措施和預警監測體系。

拱壩結構設計要考慮各種可能因素的影響，尤其注重已建拱壩的成功經驗。歐洲拱壩設計還習慣于用柔度系數C來衡量拱壩結構設計的合理性。如果CH＜3000，認為壩體混凝土方量基本合理。

A2－拱壩中面面積（平方米），V－大壩體積（立方米），H－壩高（米）

當前我國高拱壩結構設計合理性的論證，通常將柔度系數C作為宏觀判斷，具體采用多方法分析、多手段論證，包括地質力學模型試驗，超載破壞分析等，全面論證設計方案的可行性。

加強運行檢測與觀測分析，建立大壩生命周期的運行管理評價體系，尤其要注重預警機制和應急預案的建立并保持有效運行。同時，對于大壩開裂及運行狀況異常的處理，遵循“分析成因，針對處理，措施得當，加固有效”之原則，積極處理。

通過歐洲6座水壩的現場查勘、與豪瑞集團技術研發中心交流、以及針對溪洛渡大壩水泥的多次技術交流，可以看出瑞士大壩混凝土質量是可以的，從設計到施工都十分重視混凝土的研究工作，提出了混凝土抗凍耐久性、堿骨料反應破壞的防治措施、以及混凝土的溫控防裂措施等。尤其是結合歐洲多個大壩對一些混凝土項目的研究與實施、以及對事故的處理，總是顯得從容不迫，反復琢磨，不急于行事。這樣，也避免了不必要的失誤，減少了浪費，確保了最終決策的正確性。

莫瓦桑壩水庫