澳大利亞羅沃蘭壩的升級改造

澳大利亞羅沃蘭壩于1967年完工，1968年11月發(fā)生了管涌事故，經(jīng)相關(guān)部門對其加固處理后，已安全運行50余年。而今由于該壩施工年代久遠(yuǎn)，已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代技術(shù)規(guī)范要求。為保證大壩安全運行，塔斯馬尼亞水電公司對該壩進(jìn)行升級改造。對羅沃蘭壩升級改造過程中的洪水風(fēng)險控制措施作了詳細(xì)介紹。

管涌；加固處理；洪水風(fēng)險控制；羅沃蘭壩；澳大利亞

洪水預(yù)報(發(fā)生概率、時間及等級)對水電站日常運行和風(fēng)險管控至關(guān)重要。尤其是大壩大規(guī)模整修期間，及時可靠的洪水預(yù)警能為實施應(yīng)急預(yù)案爭取時間，從而避免洪水淹沒和建筑物破壞，甚至發(fā)生潰壩事故。

2012～2013年和2014～2015年夏季，塔斯馬尼亞水電公司(Hydro Tasmania)成功完成了技術(shù)復(fù)雜且具有挑戰(zhàn)性的羅沃蘭(Rowallan)壩改造項目，該項目難點是中央泄洪道兩側(cè)結(jié)合部位的開挖，從壩頂開挖至建基面，從而揭開大壩心墻。

該公司的安全管理員稱，在運行的大壩上施工作業(yè)尚屬首次，另外，還要維持羅沃蘭水庫1.3億m3的庫容，這就意味著該工程施工期間洪水風(fēng)險高。

羅沃蘭壩為粘土心墻堆石壩，壩高43 m，是莫西福斯(Mersey-Forth)水電站的擋水建筑物，該電站年發(fā)電量約占塔斯馬尼亞水電公司年總發(fā)電量的14%。電站于1967年完工，配套兩座土石壩，分別位于中央泄洪道(混凝土襯砌)的兩側(cè)，泄洪道擋墻比土石壩高15 m。

1 管涌事故及處理

羅沃蘭壩的粘土心墻結(jié)構(gòu)容易受到內(nèi)部侵蝕的影響，其常見的破壞模式為“管涌”。

在水庫首次蓄水后的1968年7月，泄洪道右導(dǎo)水墻附近區(qū)域出現(xiàn)輕微下沉，沉降近300 mm。同年11月，在壩頂下游邊緣靠近該右導(dǎo)水墻附近發(fā)現(xiàn)了一個直徑 1.5 m、深 1.3 m的滲坑，該滲坑是管涌的唯一表象。隨后立即通過電站和壓力鋼管旁通閥來降低水庫水位，并于同年年底啟動大壩勘測和修復(fù)工作。

通過在管涌影響區(qū)附近開挖檢查井發(fā)現(xiàn)，接觸部位的粘土(泄洪道擋墻旁填筑的高塑性粘土)已經(jīng)被侵蝕到壩體下游反濾層，幾處不同高程部位形成了管涌通道。如果任其發(fā)展，該侵蝕通道將可能破壞土石壩與泄洪道的結(jié)合部位，導(dǎo)致潰壩事故。1968年對檢查井進(jìn)行了回填修復(fù)處理，并對土石壩上部進(jìn)行改造，同時修復(fù)加固了對泄洪道左側(cè)導(dǎo)水墻與土石壩結(jié)合部位。至今，該壩運行正常，未發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象。

雖然羅沃蘭壩在1968年發(fā)生了管涌事件，但對該壩已經(jīng)提供了近50 a的優(yōu)質(zhì)服務(wù)。2011年對大壩現(xiàn)狀和性能進(jìn)行的詳查表明，該壩能滿足設(shè)計、施工及壽命的預(yù)期要求。但自該壩建成后，已修訂了相關(guān)工程標(biāo)準(zhǔn)，因此需要按現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)對其進(jìn)行大規(guī)模升級改造，并對早期發(fā)生管涌的區(qū)域進(jìn)行永久性修復(fù)，以降低發(fā)生類似事故的風(fēng)險。

2 現(xiàn)代化改造方案

羅沃蘭壩升級改造方案主要可分為兩個階段。

(1)升級改造現(xiàn)有的泄洪道導(dǎo)流墻(2013～2015年)。由于這些導(dǎo)流墻過于單薄，施工期間就已變形，導(dǎo)致管涌事件。該階段改造方案是按照現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)在原導(dǎo)流墻內(nèi)側(cè)增設(shè)新鋼筋混凝土導(dǎo)流墻。

(2)拆除泄洪道兩側(cè)與土石壩結(jié)合部位的大壩建基面以上部分受管涌影響的土石料(開挖深度為15 m)，并按照現(xiàn)代設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)使用新材料和可再利用的材料來替換被清除的材料。此外，還要移除并替換整個大壩壩頂以下7 m范圍內(nèi)的土石壩材料，以降低大壩上部的管涌風(fēng)險。原心墻(原心墻頂部比壩頂?shù)?.5 m)也被加高到與大壩頂部齊平，以便遇極端洪水時能預(yù)防漫頂事故的發(fā)生。

經(jīng)過升級改造，羅沃蘭壩將能夠抵御20 000 a一遇的極端洪水。

3 施工期風(fēng)險控制

如此巨大的開挖工程需要嚴(yán)謹(jǐn)?shù)氖┕び媱?，以降低建設(shè)風(fēng)險。

項目經(jīng)理指出，這是最優(yōu)化的問題，到達(dá)工作面需要卡車及大型設(shè)備能運行，同時需要制定方案，以確保施工期該工程不被洪水淹沒。

另外，以下問題還需得到解決：在項目正常運行的情況下，開挖到什么程度可形成需要的工作面？工作面能不能得到迅速回填？如何準(zhǔn)確地進(jìn)行洪水預(yù)測？水庫水位將會是多少？

為降低洪水風(fēng)險，開挖工程實行輪班制，24 h連續(xù)作業(yè)。此外，相關(guān)部門還制定了回填工作面的應(yīng)急方案，在該方案中充分考慮到開挖及重建過程中所有階段的情況，確保暴雨天氣情況下能夠快速回填工作面。

項目經(jīng)理還提到，何時啟動應(yīng)急方案是其難點之一，如果回填不及時，洪水涌入正在施工的工作面內(nèi)，大壩就會有潰壩的風(fēng)險，甚至?xí)o下游帶來嚴(yán)重后果。另一方面，如果判斷失誤，啟動了本來不需要啟動的應(yīng)急方案，代價則太高。

回填成本高昂，而且可能將工期延至雨季和下一個夏季，這意味著將增加額外的建設(shè)成本及發(fā)電損失。

4 維持最優(yōu)庫水位

為使洪水風(fēng)險降至最低，該工程選擇在夏季施工，此時降雨量最少，羅沃蘭水庫的水位也已降至最低正常運行水位，以提供更大防洪庫容，抵御突發(fā)強(qiáng)降雨。

與何時啟動應(yīng)急方案一樣，在整個施工期間，確保在工程安全和盡量減少棄水的情況下，如何把握平衡并保持最優(yōu)水位，也是個難題。 通過旁通閥下泄流量比較容易，但是所有計算過程都很復(fù)雜，涉及到不同庫水位情況的蒸發(fā)損失及降雨補(bǔ)充等因素。

5 有效的洪水預(yù)測

先進(jìn)的洪水預(yù)測預(yù)警系統(tǒng)是降低洪水風(fēng)險的關(guān)鍵，該系統(tǒng)不僅能可靠地通知開展抗洪準(zhǔn)備工作，保護(hù)在建工程，還可以準(zhǔn)確調(diào)節(jié)羅沃蘭水庫的最優(yōu)水位。為了開發(fā)該系統(tǒng)，塔斯馬尼亞水電公司借鑒恩圖阿(Entura)電力及水資源專業(yè)咨詢公司的專家意見。

恩圖阿公司的高級水文專家兼羅沃蘭洪水預(yù)測系統(tǒng)項目經(jīng)理解釋道，羅沃蘭洪水預(yù)報系統(tǒng)需要預(yù)測天氣對施工現(xiàn)場的威脅是否迫在眉睫，及水庫水位是否可能上升到觸發(fā)應(yīng)急預(yù)案水位，如果如此，則還要預(yù)測到達(dá)觸發(fā)水位需要的時間。

觸發(fā)應(yīng)急預(yù)案的水位視工程施工的不同階段而變化，但洪水風(fēng)險級別一直保持不變。恩圖阿公司的洪水預(yù)測系統(tǒng)將雨量數(shù)據(jù)和降雨預(yù)報結(jié)合后輸入該流域的水文模型中，其中雨量數(shù)據(jù)來自流域周圍7個遙測雨量計組成的監(jiān)測網(wǎng)，降雨預(yù)報來自氣象預(yù)報機(jī)構(gòu)。

羅沃蘭流域面積為344 km2，年平均降雨量為1 900 mm，該流域一旦飽和，強(qiáng)降雨將會使入庫流量在幾小時內(nèi)急劇增加。為了降低該項目施工期洪水風(fēng)險，塔斯馬尼亞水電公司需要對原羅沃蘭水庫水位及流量預(yù)測系統(tǒng)進(jìn)行大規(guī)模升級改造。

該系統(tǒng)需要采用先進(jìn)的模型，并且能提供最優(yōu)的預(yù)測結(jié)果。升級改造工作包括對降雨輸入系統(tǒng)進(jìn)行詳查和升級、重建和校準(zhǔn)入庫流量模型，以及根據(jù)流量模型結(jié)果和水庫調(diào)度規(guī)程開發(fā)水庫水位運行模型。

升級后的整個模型程序自動運行，提前7 d發(fā)布預(yù)測結(jié)果，施工期間每隔2 h更新數(shù)據(jù)。此外，該系統(tǒng)還開發(fā)了繪圖程序，以展示流域內(nèi)降雨量預(yù)測最優(yōu)值、入庫流量及水庫水位三者間的關(guān)系。水庫運行管理單位可根據(jù)這些圖表指導(dǎo)水庫運行，維持合理的水庫水位，降低施工期洪水風(fēng)險。

該模型每天兩次通過電子郵件將數(shù)據(jù)趨勢報告及預(yù)測圖表發(fā)送給現(xiàn)場施工組，同時這些數(shù)據(jù)也可以在網(wǎng)站上查詢。如果預(yù)測結(jié)果超過預(yù)設(shè)的臨界水位，就將觸發(fā)洪水警報。洪水警報通過數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控系統(tǒng)(SCADA)傳送到塔斯馬尼亞水電公司每天24 h運行的總控臺，同時還將通過手機(jī)短信(SMS)傳送到大壩安全管理組以及現(xiàn)場施工組。

通過在模型中設(shè)置冗余和在大壩現(xiàn)場開發(fā)無需實時連接到數(shù)據(jù)庫的獨立系統(tǒng)，使該系統(tǒng)更加可靠，當(dāng)該系統(tǒng)與大壩現(xiàn)場失去聯(lián)系時，就會啟用獨立系統(tǒng)。

6 高置信度的洪水預(yù)報系統(tǒng)

采用安全及時的方法觸發(fā)應(yīng)急回填方案，要求洪水預(yù)報系統(tǒng)具有相當(dāng)高的可靠性及精確度。

為確保重要部位的降雨和流量計正常運行，要求雨量計和流量計的任何維修養(yǎng)護(hù)工作都要嚴(yán)格按照時間計劃表執(zhí)行。同時也開發(fā)了計算機(jī)程序自動檢查所有輸入的數(shù)據(jù)是否有誤，一旦檢測出程序有誤，將自動發(fā)出警告。若流域內(nèi)關(guān)鍵部位雨量計的遙測數(shù)據(jù)確實失效，程序能夠很快檢測到此設(shè)備失效，以便立即派出直升機(jī)維修該設(shè)備。這些在此前都被認(rèn)定為風(fēng)險，而現(xiàn)在，這些糾正措施很容易理解且易于執(zhí)行。

洪水預(yù)測系統(tǒng)輸出的數(shù)據(jù)包括操作人員的運行指示、降雨預(yù)報和模型模擬結(jié)果。

通過將一個歷史時期內(nèi)的降雨量預(yù)報和雨量計數(shù)據(jù)相比較，研究出降雨預(yù)報不確定性因素。通過將歷史降雨數(shù)據(jù)輸入該模型并按照同一歷史時期運行，其輸出結(jié)果與實測水庫水位相比較后，就可估算該模型的不確定性。

由于降雨量預(yù)測是導(dǎo)致該模型不確定性的主要來源，為確保模型的準(zhǔn)確性，建立了一個專門處理流程，當(dāng)觸發(fā)洪水預(yù)警后，需要從氣象局獲取更詳細(xì)的氣象預(yù)報信息。這些額外的建議和信息對提高預(yù)報的置信度非常重要。

該項目大規(guī)模施工前，就已經(jīng)在由國家應(yīng)急事務(wù)局、警方、大壩安全管理機(jī)構(gòu)以及其他利益相關(guān)者參與的演習(xí)中，對該模型和洪水管理響應(yīng)機(jī)制進(jìn)行了詳細(xì)測試。

7 未來前景

該洪水預(yù)報系統(tǒng)主要是為羅沃蘭壩改造項目而開發(fā)，且在實際建設(shè)期間發(fā)揮了良好作用。入庫流量與同期的平均流量接近。

該項目的成功實踐可供塔斯馬尼亞水電公司水庫洪水模型更新借鑒。

該洪水預(yù)報系統(tǒng)對該公司來說具有永恒價值。投運后，該系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)閷崟r入庫流量和洪水預(yù)報系統(tǒng)，以確保發(fā)電，并保證大壩風(fēng)險管理的安全性和可持續(xù)性。

2015年8月，塔斯馬尼亞水電公司的羅沃蘭壩改造項目被澳大利亞項目管理協(xié)會授予建筑工程類的“2015年度塔斯馬尼亞項目”。

周 榮 孫 言 譯

(編輯：朱曉紅)

2016-09-26

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