茹 欣，魯一暉，戴海旭

（中國(guó)水利水電科學(xué)研究院 水利部水工程建設(shè)與安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100038）

1 原塞拉拱壩的特性和現(xiàn)狀

瑞士塞拉拱壩位于瓦萊州新普倫山口南側(cè)，始建于1951年，1952年建成，電站配有3臺(tái)設(shè)計(jì)流量為11.5m3/s的沖擊式渦輪發(fā)電機(jī)，全年發(fā)電量為1.77億kW·h，能夠保證貢多市全年的用電需求。已建成的塞拉拱壩從垂直方向看是一個(gè)高約20m的柱形拱面。拱壩水平拱圈線(xiàn)型為多心圓，其半徑從拱冠處的28.0m變化到近岸處的170.0m。拱壩上部厚度為1.0m，拱壩下部的厚度逐漸加厚，其平均值約為3.5m。在拱壩建設(shè)時(shí)分了6個(gè)獨(dú)立的壩段，每個(gè)壩段長(zhǎng)為11.0m，壩段間用1.0m寬的收縮縫連接[1]。此外拱壩設(shè)計(jì)時(shí)，其下游沒(méi)有像上游那樣設(shè)置用于承受拉應(yīng)力的鋼筋。拱壩混凝土總方量為2 300m3。大壩的柔度系數(shù)[2]（細(xì)長(zhǎng)比）C接近40，其值相比于其它條件類(lèi)似的拱壩偏高。C=A2/（VH），其中C為柔度系數(shù)；A為壩體迎水面展開(kāi)面積，因迎水面展開(kāi)面積比較難算，常用中面展開(kāi)面積替代；V為壩體方量；H為最大壩高。

拱壩壩頂高程為1 280.40m，處于拱壩中間的溢洪道寬32.60m，高程1 278.00m。當(dāng)水庫(kù)處于最大蓄水位1 279.84m時(shí)溢洪道的設(shè)計(jì)泄流量為175m3/s。拱壩在右岸有一個(gè)直徑為1.10m的圓形底孔，底孔由位于上游面的水下閘門(mén)控制。拱壩在右岸還建有一條導(dǎo)流能力為40m3/s的導(dǎo)流洞用來(lái)宣泄流域洪水并避免水庫(kù)淤積。

自從1952年開(kāi)始使用大地測(cè)量監(jiān)控以來(lái)就發(fā)現(xiàn)拱壩的位置逐漸發(fā)生變化。網(wǎng)絡(luò)測(cè)繪測(cè)量的是位于下游面的16個(gè)目標(biāo)點(diǎn)。19世紀(jì)70年代首次使用網(wǎng)絡(luò)測(cè)繪方法觀(guān)測(cè)到了大壩的永久性位移。綜合之前的人工觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果，顯示從1952—2009年，壩體垂直方向的位移膨脹量一般與其所處的高度成正比。在大壩的中央?yún)^(qū)域，總位移超過(guò)20mm[1]。

頂部高層測(cè)量到的最大水平位移達(dá)到65mm，而在拱圈相同高程處的溢流前緣的位移也達(dá)到了50mm，過(guò)去幾年徑向位移增長(zhǎng)在逐年加快。這些永久位移都導(dǎo)致壩體出現(xiàn)裂縫，特別是在下游壩趾周?chē)团c之對(duì)應(yīng)的同一高程處的上游基巖處也出現(xiàn)了裂縫。周邊縫可能是導(dǎo)致壩體傾斜的原因，更大的難題是這些裂縫在壩體內(nèi)部的延伸情況還沒(méi)有辦法可以明確測(cè)定。

2000年10月，一場(chǎng)特大洪水使壩頂出現(xiàn)溢流，洪水的洪峰流量達(dá)到了320～340m3/s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)水電站溢洪道的泄洪能力。這次特大洪水修改了大壩原有的水文數(shù)據(jù)，大壩防洪安全將千年一遇的洪水流量提高到了540m3/s，塞拉拱壩溢洪道的原泄流量175m3/s已經(jīng)不能滿(mǎn)足新的水文標(biāo)準(zhǔn)要求。但是根據(jù)瑞士法律的規(guī)定，大壩必須保證在面對(duì)可能最大洪水的情況下安全運(yùn)行，因此塞拉拱壩的安全等級(jí)已經(jīng)不滿(mǎn)足法律要求。

基于以上安全因素考慮，塞拉拱壩不僅需要對(duì)其泄洪能力和壩體裂縫進(jìn)行全面修復(fù)，還要想辦法解決壩體過(guò)大位移問(wèn)題。這些修復(fù)工作都可能面臨各種不確定因素和具有難度較大的施工技術(shù)，即使這些問(wèn)題可以克服，其修復(fù)結(jié)構(gòu)也很難得到保證。經(jīng)過(guò)慎重考慮，最終決定拆除原有拱壩重建新壩。

2 新塞拉拱壩的特征

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘查發(fā)現(xiàn)，在原有大壩壩址下游幾十米處有一處較深的懸崖，為了防止新壩向下游移動(dòng)，決定在毗鄰原有拱壩壩址處修建新拱壩。新壩采用雙曲拱壩形式，考慮到新壩結(jié)構(gòu)尺寸的限制，壩體采用簡(jiǎn)單的幾何形狀，垂直方向以混凝土接縫處曲率確定基準(zhǔn)線(xiàn)，水平方面拱壩是橢圓形的。新壩在建設(shè)時(shí)同樣劃分成6個(gè)獨(dú)立的壩段，每個(gè)壩段的寬度從12.0m到14.4m不等，每個(gè)壩段之間待壩身混凝土冷卻后用水泥漿進(jìn)行施工縫的灌漿連接。

新壩的壩頂高程為1 282.70m，比原壩高1.30m，新壩壩高為22m，混凝土總方量為3 500m3。新壩的柔度系數(shù)（細(xì)長(zhǎng)比）C值相當(dāng)?shù)蛢H為17。新增的6.0m壩高可以大大增加水庫(kù)的蓄水能力。根據(jù)規(guī)劃，為了進(jìn)一步降低堿骨料反應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)，制備新壩混凝土非活性骨料所用的采石場(chǎng)距離施工現(xiàn)場(chǎng)50km?；炷僚浜媳仍O(shè)計(jì)中計(jì)劃使用礦渣水泥CEMⅢ/B42.5（220kg/m3）。出于安全考慮，新壩增加了溢洪道出口挑檻長(zhǎng)度并且新壩挑檻高度比原壩高1.30m，新壩的底孔截面為邊長(zhǎng)1.60m的正方形，底孔中心線(xiàn)與河道中心線(xiàn)的縱坡交角為10°，這使得新壩的溢洪道泄流效率有了很大的提高。

3 工程施工

3.1 施工安排項(xiàng)目審批是由瑞士聯(lián)邦能源辦公室的大壩安全部進(jìn)行，而后在2009年7月由大壩所在的州政府頒發(fā)了施工許可證。施工現(xiàn)場(chǎng)的準(zhǔn)備工作在2009年的8～9月進(jìn)行。施工現(xiàn)場(chǎng)修建了混凝土拌合場(chǎng)，為新壩混凝土提供非活性骨料的采石場(chǎng)距離施工現(xiàn)場(chǎng)50km，在那里進(jìn)行骨料篩分并分成5個(gè)不同的量級(jí)。使用容量為1m3的塔式起重機(jī)對(duì)主要壩段的混凝土進(jìn)行澆筑。

正式施工從2009年秋天開(kāi)始，先在左岸進(jìn)行開(kāi)挖及壩體澆筑。期間曾在2009年12月中旬到2010年3月底期間停工，停工期間，施工方優(yōu)化了澆筑程序并在車(chē)間完成模板的制作調(diào)配工作，同時(shí)進(jìn)行的還有鋼筋和底孔閘門(mén)這些構(gòu)件的設(shè)計(jì)生產(chǎn)工作。2010年4月開(kāi)始進(jìn)行新壩右岸的基礎(chǔ)開(kāi)挖。整個(gè)挖掘工作的工期較長(zhǎng)，一方面是由于挖掘方法，因?yàn)闆](méi)有類(lèi)似條件的施工經(jīng)驗(yàn)可以借鑒，所以挖掘方法的選擇十分謹(jǐn)慎；另一方面是因?yàn)橐獙㈤_(kāi)挖出的土石方運(yùn)出施工現(xiàn)場(chǎng)，施工機(jī)械的調(diào)配需要時(shí)間。2010年5月挖掘工作結(jié)束前就已開(kāi)始澆筑右岸混凝土。2010年6月導(dǎo)流底孔閘門(mén)在車(chē)間制作后，運(yùn)達(dá)施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行組裝安設(shè)。混凝土主體的澆筑工作在2010年的9月份結(jié)束。在2010年的9～10月份進(jìn)行了基礎(chǔ)灌漿（接觸灌漿和帷幕灌漿）。

2010年11月，在結(jié)束施工縫的灌漿工作后放空原壩水庫(kù)，開(kāi)始原壩的拆除工作。拆除工作首先將大壩垂直切割成10m寬的塊體，然后用挖掘機(jī)將大塊體推翻在水庫(kù)中，用氣錘分解后運(yùn)走。

3.2 基礎(chǔ)開(kāi)挖新壩要在運(yùn)行中的大壩壩趾處進(jìn)行基礎(chǔ)開(kāi)挖，施工過(guò)程中通過(guò)劇烈震動(dòng)臨界值[3]了解運(yùn)行中的大壩壩基處的安全狀況。為了進(jìn)一步減少開(kāi)挖階段對(duì)原壩的震動(dòng)影響，在新壩上下游邊緣垂直開(kāi)挖了長(zhǎng)約10m的防震溝。

基礎(chǔ)開(kāi)挖初期通常使用炸藥進(jìn)行爆破，但在這種特殊工況下即使炸藥的用量控制到最小也無(wú)法保證產(chǎn)生的振動(dòng)在規(guī)定范圍內(nèi)。據(jù)此，決定放棄炸藥爆破作業(yè)而采用在挖掘機(jī)上安裝氣動(dòng)錘的方式進(jìn)行挖掘，以放緩?fù)诰蛩俣葹榇鷥r(jià)保證挖掘過(guò)程的安全。同時(shí)，為了確保原壩壩趾處的安全穩(wěn)定，還在原壩的壩基處埋設(shè)了錨筋。

3.3 原壩在施工中的運(yùn)行狀況在施工期間，特別是在新壩的基礎(chǔ)開(kāi)挖期間，對(duì)原壩采用了一套特別的監(jiān)控方案。方案包括：（1）用在壩頂部設(shè)置的3臺(tái)測(cè)斜儀和在壩體中部溢洪道處安置的臨時(shí)擺來(lái)測(cè)量壩的位移；（2）每?jī)蓚€(gè)月對(duì)原壩進(jìn)行一次大地測(cè)量。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，原壩在整個(gè)施工期間沒(méi)有發(fā)生任何異常位移。從這個(gè)工程的施工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中可以看出，制定一個(gè)完善的水庫(kù)水位管理計(jì)劃可以有效避免異常位移產(chǎn)生。

3.4 基礎(chǔ)灌漿采用水泥漿混合物對(duì)基巖進(jìn)行灌漿處理，有兩種不同的操作方法。第一種為覆蓋全部壩基表面的接觸灌漿。這種灌漿的深度可以達(dá)到基巖下3m，灌漿孔孔深2.5m，總共需要85個(gè)。接觸灌漿主要分為兩個(gè)階段：（1）第一階段是在比較低的地方，即在基礎(chǔ)下面承受壓力最大的3處鋼筋附近進(jìn)行孔深為1m的灌漿；（2）第二階段是對(duì)靠近壩基混凝土和基巖表面的2根鋼筋附近進(jìn)行灌漿處理。除個(gè)別灌漿孔外，灌漿孔所需的灌漿量（鉆孔平均20L/m）都很低。可以看出在基礎(chǔ)開(kāi)挖過(guò)程中沒(méi)有使用炸藥，既降低了巖體開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)也減少了灌漿量。

第二種為帷幕灌漿。接觸灌漿結(jié)束后，進(jìn)行了帷幕灌漿，這次灌漿包括36個(gè)深度達(dá)到30m的灌漿孔（11個(gè)一序孔，12個(gè)二序孔，13個(gè)三序孔）。一序孔、二序孔和三序孔分別鉆孔，然后根據(jù)GIN標(biāo)準(zhǔn)灌漿。每個(gè)灌漿孔都單獨(dú)鉆孔，從底部到頂部灌漿，每三米進(jìn)行一次充氣單封隔離[1]。

4 水電站在施工期間的運(yùn)行

4.1 施工期間的洪水管理自從新壩在原壩的壩址處開(kāi)工建設(shè)以來(lái)，對(duì)來(lái)水的處理是主要考慮的問(wèn)題之一。對(duì)上游貢多水電站的管理目標(biāo)很明確，就是在施工過(guò)程中可以順利度過(guò)汛期。需要考慮的一個(gè)重要方面是在運(yùn)行方案中涉及到的蓄水量和實(shí)際集水區(qū)域來(lái)水量相比是很少的。事實(shí)上，在融雪期貢多水電站是以徑流方式運(yùn)行，通常不會(huì)出現(xiàn)壩頂溢流。用貢多廠(chǎng)房的渦輪機(jī)和調(diào)節(jié)導(dǎo)流洞的閘門(mén)對(duì)來(lái)水流量進(jìn)行調(diào)節(jié)是完全滿(mǎn)足要求的（現(xiàn)場(chǎng)操作或者在電場(chǎng)中遠(yuǎn)程控制）。為了在遇到更大洪水時(shí)，水庫(kù)中能留有一個(gè)滯洪區(qū)來(lái)保護(hù)施工現(xiàn)場(chǎng)或者是保證有充足的時(shí)間去疏散施工現(xiàn)場(chǎng)，將施工期間最高運(yùn)行水位定在了1 274.00m[1]。在原壩的頂部安裝了可視聽(tīng)的報(bào)警裝置，一旦水位超過(guò)了警戒水位就會(huì)提醒現(xiàn)場(chǎng)工作人員撤離。方案中對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工的安全做了充分的考慮，同時(shí)還建立了一個(gè)水文預(yù)報(bào)模型對(duì)集水區(qū)來(lái)水量進(jìn)行評(píng)估。

4.2 水文預(yù)報(bào)模型為了土建工程安全，用一個(gè)流量預(yù)測(cè)體系來(lái)對(duì)未來(lái)幾天可能出現(xiàn)的洪水信息進(jìn)行有效分析。本工程中應(yīng)用RS3.0軟件建立河水流量預(yù)報(bào)模型[1]。在RS3.0中的GMS-SOCONT降水徑流模型包含了在復(fù)雜山地積水條件下很多水文活動(dòng)的進(jìn)程統(tǒng)計(jì)。預(yù)測(cè)未來(lái)的進(jìn)程統(tǒng)計(jì)計(jì)算由這個(gè)模型完成，包括：降水的空間分布和溫度、積雪的位置和融雪、地表徑流和冰川融水、土壤滲流。結(jié)合水文數(shù)據(jù)，模擬出了水力發(fā)電廠(chǎng)的引水建筑物、水庫(kù)、溢洪道和底孔以及發(fā)電用的渦輪機(jī)。這個(gè)模型包括整個(gè)集水區(qū)域流量計(jì)算，這些計(jì)算都遵循流量的演變規(guī)律。

這些復(fù)雜的信息都是通過(guò)帶有最新地理圖像設(shè)備的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)進(jìn)行發(fā)布。每種數(shù)據(jù)都由用戶(hù)容易操作的三維界面組成，例如在假定氣象站的觀(guān)測(cè)和預(yù)報(bào)天氣，分-集水點(diǎn)出口處的流量，模擬河段的流量、枯水位和水力發(fā)電量。通過(guò)最新的預(yù)測(cè)結(jié)果和以有數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)可以更準(zhǔn)確的判斷3天內(nèi)是否會(huì)發(fā)生洪水。系統(tǒng)還可以通過(guò)對(duì)最新流入量的預(yù)測(cè)和水庫(kù)的實(shí)際水位設(shè)計(jì)水庫(kù)上游最優(yōu)引流方案。

塞拉拱壩的流量預(yù)測(cè)是基于瑞士氣象局提供的3種不同數(shù)字天氣預(yù)報(bào)模型（頻率為12h）進(jìn)行的，用于預(yù)測(cè)未來(lái)24h的COSMO2模型、用于未來(lái)72h的COSMO7模型和用于未來(lái)240h預(yù)測(cè)的ECMWF模型[1]。水文模型中還包括降水和溫度的預(yù)測(cè)。這個(gè)模型利用了建立在集水區(qū)的流量監(jiān)控站的數(shù)據(jù)。每隔一個(gè)小時(shí)，模型會(huì)根據(jù)收到的新的數(shù)據(jù)在網(wǎng)上發(fā)布新的流量預(yù)測(cè)。

5 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)水利水電工程分布面積廣，壩型眾多，它們中的大多數(shù)既擔(dān)負(fù)著防洪減災(zāi)的任務(wù)又要保證農(nóng)業(yè)灌溉和城鎮(zhèn)生活生產(chǎn)用水，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)揮了重要作用，但是由于這些水利水電工程在建設(shè)初期都不同程度的受到技術(shù)或歷史等因素的影響，加之多年的運(yùn)行，近年來(lái)大壩老化和安全情況突出。目前我國(guó)水利水電工程的修復(fù)方案通常是對(duì)原結(jié)構(gòu)進(jìn)行除險(xiǎn)加固，拆除重建的例子比較少。通過(guò)塞拉拱壩拆除修復(fù)的案例可以看出，當(dāng)簡(jiǎn)單修復(fù)難以維持水電站正常運(yùn)行或無(wú)法滿(mǎn)足新的防洪標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，拆除重建亦是保證水電站安全運(yùn)行的方案。通過(guò)對(duì)塞拉拱壩修復(fù)重建的過(guò)程分析可知，在拆舊建新的過(guò)程中要盡量滿(mǎn)足：（1）在原壩發(fā)生溢流前盡量利用原壩蓄水防洪；（2）當(dāng)遇到原壩不能阻擋的洪水來(lái)襲時(shí)要保證現(xiàn)場(chǎng)施工人員的安全；（3）在施工期間不能一味降低最低庫(kù)水位，要盡量減少水力發(fā)電的損失；（4）新壩施工期間要密切關(guān)注原壩的壩址安全；（5）建立安全可靠的水文模型，以便降低洪水風(fēng)險(xiǎn)。

[1]GaelMicoulet，F(xiàn)abio Tognola.Dams in Switzerland Source for Worldwide Swiss Dam Engineering[C]//Swiss Committee on Dams.Swiss：Grove Press，2011：239-243.

[2]任青文，王伯樂(lè).關(guān)于拱壩龍巴迪曲線(xiàn)的修正[C]//全國(guó)拱壩新技術(shù)研討會(huì)論文集.北京：中國(guó)水利水電出版社，2001：186-189.

[3]Kovari K.Detection and monitoring of structure deficientics in the rock doundation of large dams[J].Lansanne，1985，15（3）：33-37.