[南非]

W. 拉莫科帕 等

以提高安全性為目標(biāo)的南非大壩的升級改造

[南非]

W. 拉莫科帕 等

分析了南非水利與衛(wèi)生部所轄大壩的安全現(xiàn)狀，總結(jié)出4個方面的安全風(fēng)險，即溢洪道容量不足、壩坡穩(wěn)定性問題、維護(hù)不充分以及泄流能力不足。利用基于風(fēng)險的決策模型和方法，確定了需要改造的大壩。概述了大壩改造和升級過程中遇到的困難和問題。通過工程實(shí)例，介紹了大壩改造工程的具體實(shí)施措施?？偨Y(jié)認(rèn)為，南非大壩改造工程雖然成本高、難度大，但勢在必行，且可通過科學(xué)方法實(shí)現(xiàn)既定目標(biāo)和效益。

大壩；壩安全；安全風(fēng)險；改造工程；南非

水利與衛(wèi)生部(DWS)是南非水資源的主管部門，擁有并管理著境內(nèi)320座大壩。作為該國大部分大壩的所有者，DWS應(yīng)遵守《大壩安全條例》，該《條例》于1987年生效，2012年2月24日由政府139號令修訂。

DWS所轄大壩一直在進(jìn)行翻修和維護(hù)，但是由于資金不足，項(xiàng)目進(jìn)度落后于實(shí)際需要。在2004～2005年，需要改造或升級，以達(dá)到最新大壩安全標(biāo)準(zhǔn)的部管大壩數(shù)量累計(jì)達(dá)160座。政府要求DWS在其所轄大壩中實(shí)施改造項(xiàng)目，使大壩達(dá)到可接受的安全標(biāo)準(zhǔn)。因此，開展了大壩安全改造項(xiàng)目(DSRP)，所需資金來自政府財(cái)政撥款。大壩集中改造始于2005年，并且計(jì)劃在未來仍將繼續(xù)進(jìn)行。本文闡述了確定大壩是否需要改造的決策過程，并介紹了一些改造工程實(shí)例。

1 大壩安全問題

如上所述，被鑒定為存在安全問題的大壩數(shù)量較多，存在的問題如下：①溢洪道設(shè)計(jì)容量不足；②壩坡穩(wěn)定性問題；③許多大壩在沒有得到維護(hù)的情況下持續(xù)運(yùn)行最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)性安全問題；④大壩泄水系統(tǒng)泄流能力不足。

要了解這些問題產(chǎn)生的原因并加以解決，需要考慮過去100 a的大壩設(shè)計(jì)歷史，以及當(dāng)時南非憲法的規(guī)定。

20世紀(jì)80年代，DWS的大壩建設(shè)達(dá)到高峰，但到90年代末急劇減少。因此，大壩工程經(jīng)歷了從設(shè)計(jì)和建設(shè)到維護(hù)和改造的轉(zhuǎn)變。另外，混凝土壩建設(shè)于20世紀(jì)60、70年代達(dá)到高峰，土石壩的建設(shè)高峰是在20世紀(jì)80年代。

大壩安全問題可以分為4種典型類型，以下列出了各種問題在160座大壩中均有所體現(xiàn)(總比例超過100%，因?yàn)樵S多大壩存在不止一類問題)。

(1) 80%的大壩溢洪道容量不足；

(2) 10%的大壩存在壩坡穩(wěn)定性問題；

(3) 60%的大壩維護(hù)不充分，最終導(dǎo)致大壩安全問題；

(4) 80%的大壩泄水系統(tǒng)泄流能力不足。

1.1 溢洪道容量不足

大壩設(shè)計(jì)時做出的一項(xiàng)主要假設(shè)與水力學(xué)條件有關(guān)，該假設(shè)對大壩擋水尺寸和溢洪道尺寸有較大影響。水文分析的結(jié)論通常是專家爭論的焦點(diǎn)，產(chǎn)生不確定性或爭議的基本原因是缺乏精確的數(shù)據(jù)和長期的歷史記錄。然而，基于弗朗科-雷迪爾(Francou-Rodier)方法，獲得歷史最大洪峰觀測數(shù)據(jù)，開發(fā)出極端洪峰的實(shí)證預(yù)測方法，這對解決上述問題起到了極大的促進(jìn)作用。

超過一半的部管大壩位于原先的“黑人家園”(譯者注：指過去在南非種族隔離制度下黑人有一定自治權(quán)的地區(qū))中，該區(qū)域1994年以后才納入DWS的管轄范圍。盡管與大壩安全相關(guān)的法律法規(guī)是在1986年頒布的，但在1994年后才適用于這些地區(qū)。1986年后的大壩設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)以及DWS在大壩安全法規(guī)、條例和南非國家大壩委員會(SANCOLD)指南生效前遵循的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，并未在“黑人家園”實(shí)施。當(dāng)時各“黑人家園”政府負(fù)責(zé)各自的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和標(biāo)準(zhǔn)。大多數(shù)被認(rèn)定為溢洪道容量不足的大壩是DWS從以前的“黑人家園”上接管的。

大壩安全法規(guī)及相關(guān)規(guī)定于1986年頒布，1987年初生效。絕大多數(shù)部管大壩建于1986年以前，也就是說，在建造那些大壩時并沒有全國通用的大壩建造標(biāo)準(zhǔn)和指南。

在谷洼(Gcuwa)大壩、沃科鋪普(Vaalkop)大壩和柯麥倫布(Kromellenboog)大壩改造中，采用加筋土，通過增加非溢流壩頂高程，成功實(shí)現(xiàn)了溢洪道擴(kuò)容的目的，可謂是能經(jīng)濟(jì)有效增加溢洪道容量的方法。

其他方法是增加現(xiàn)有溢洪道的寬度，并運(yùn)用新材料，以提高壩坡穩(wěn)定性或非溢流壩頂高程。該方法成功應(yīng)用于娜米(Nsami)大壩、裘尼斯波(Chuniespoort)大壩、瑪莎山夏恩(Mashashane)大壩和格棱(Glen)大壩的改造中。

博世波(Bospoort)大壩溢洪道的機(jī)械閘門被拆除，另外設(shè)置了2座迷宮式溢洪道，以增加泄洪能力。在摩洛頗(Molepo)大壩則運(yùn)用毛石混凝土(RMC)砌筑溢洪道，以增加泄洪能力。

1.2 壩坡穩(wěn)定性問題

DWS管轄的大量土石壩，尤其是那些從“黑人家園”接管的大壩(絕大多數(shù)為一類壩和二類壩)，被設(shè)計(jì)成均質(zhì)壩，其中部分壩體中筑有混凝土心墻；盡管有些設(shè)計(jì)圖顯示，在施工時壩殼由高滲透性材料填筑，但檢測表明大部分壩段為均質(zhì)壩。

兩個因素顯示這些大壩的潛在穩(wěn)定性問題，一是背水坡出現(xiàn)輕微隆脹，二是背水坡可視的散浸現(xiàn)象。某些情況下，浸潤線幾乎與正常蓄水位等高。隆脹有可能是壩基沉降導(dǎo)致的，必須研究如何防止可能的潰壩。深入研究揭示，大多數(shù)有上述危險信號的大壩存在壩坡穩(wěn)定性問題，在標(biāo)準(zhǔn)載荷下安全系數(shù)(FOS)為1～1.2，在極端荷載下安全系數(shù)低于1。

當(dāng)年許多大壩是依據(jù)經(jīng)驗(yàn)法設(shè)計(jì)的，尤其是一些小型壩。實(shí)際上，設(shè)計(jì)這些大壩時無一考慮壩坡穩(wěn)定性問題。假設(shè)教科書設(shè)定的地下水位大約達(dá)到穩(wěn)定條件時FSL的1/3，則這些大壩基本上能夠滿足壩坡穩(wěn)定的安全標(biāo)準(zhǔn)。

此外，是一些壩體不同部分的過渡層存在問題。這些土層通常出現(xiàn)在使用了不同建筑材料的位置。有的土層含水量過多，導(dǎo)致夯實(shí)出現(xiàn)問題；有的土層過于干燥，在填筑下一層之前未得到恰當(dāng)處理。

1.3 維護(hù)不充分

絕大多數(shù)“黑人家園”中的大壩建于1970～1985年。1994年之前，一直由當(dāng)?shù)卣?fù)責(zé)這些大壩的運(yùn)行和維護(hù)。大部分大壩一直未得到妥善維護(hù)，因而損壞嚴(yán)重，最終導(dǎo)致安全風(fēng)險。1994年以后，南非接管這些大壩，隨后由DWS運(yùn)營。當(dāng)時，隨著政權(quán)更迭，未能立即開展積壓的維護(hù)工程。由于維修資金不足，在1998～2000年間，僅僅完成了存在問題的量化統(tǒng)計(jì)。2003～2004年，政府認(rèn)識到包括大壩在內(nèi)的基礎(chǔ)設(shè)施已經(jīng)普遍嚴(yán)重受損。大壩維護(hù)不充分的主要原因是缺乏資金和技術(shù)團(tuán)隊(duì)，主要包括以下問題。

(1) 土石壩和溢洪道上樹木叢生。樹根深扎進(jìn)壩體，向著迎水坡方向持續(xù)生長，并且不斷長粗?，F(xiàn)實(shí)的風(fēng)險是，如果這些樹木死亡，堤壩里的根系腐爛，將形成潛在的穿透壩體的滲透路徑；隨著時間的推移，腐爛的根系很容易導(dǎo)致管涌破壞。溢洪道上的植被會導(dǎo)致泄水槽表面粗糙和堵塞，降低泄流能力。

(2) 土石壩的護(hù)坡工程被忽視。一些壩段由松散的土壤夯筑而成，如果未能恰當(dāng)?shù)胤雷o(hù)和設(shè)置反濾層，壩體的大面積侵蝕將不可避免。

(3) 各部管大壩背水坡被草覆蓋，以草充當(dāng)護(hù)坡。修建大壩時，背水坡面上鋪蓋了表土層，并播上草種。特別是農(nóng)村地區(qū)的小型壩，極少用柵欄圍擋壩身。由于背水坡地下水的長期浸潤，草料生長繁茂，對牲畜很有吸引力。牲畜長期在堤壩上吃草，在背水坡上會形成其通過的小道。在這樣的小道上，降雨積聚成水坑，雨季背水坡面最終形成飽和水層，導(dǎo)致坡面失穩(wěn)或侵蝕。

1.4 泄流能力不足

在160座被認(rèn)定為應(yīng)當(dāng)進(jìn)行安全改造的大壩中，超過80%存在泄水系統(tǒng)設(shè)計(jì)泄流能力不足的問題，且老化損壞情況相當(dāng)嚴(yán)重。多數(shù)情況下，由于大壩泄水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方式問題，難以靠近需要拆除和翻修的機(jī)械元件，因而維護(hù)泄水系統(tǒng)費(fèi)時費(fèi)力。維護(hù)保養(yǎng)機(jī)械部件的工作難以落實(shí)。泄水系統(tǒng)中設(shè)備的拆除和維修不到位或從未進(jìn)行過，且存在控制閥維護(hù)不足等問題。

許多大壩設(shè)計(jì)時，未考慮如何到達(dá)泄水系統(tǒng)進(jìn)水口的問題。維護(hù)和檢修進(jìn)水口的唯一方式是安排潛水員，這種方式使得檢查或維護(hù)變得非常困難和昂貴。此外，水下維修時要確保合適的質(zhì)量控制非常困難。簡而言之，這些大壩的進(jìn)水結(jié)構(gòu)只能在低水位運(yùn)行，因此通常會導(dǎo)致泥沙淤積。

為了節(jié)省資金，大壩工程師在設(shè)計(jì)階段往往忽視大壩泄水系統(tǒng)，大壩設(shè)計(jì)工程師應(yīng)當(dāng)切記，作為大壩的組成部分，泄水建筑物與壩體本身一樣重要，應(yīng)當(dāng)?shù)玫阶銐蛑匾?。大多?shù)情況下，沒有泄水建筑物的大壩會喪失其基本功能。實(shí)際上，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)費(fèi)用在其整個生命周期成本中占比很小，切不可為了節(jié)省初期建設(shè)成本而建設(shè)難以甚至不可維護(hù)的基礎(chǔ)設(shè)施。

2 決策過程

1977年，南非決定制訂大壩安全規(guī)程。終于在1986年，針對存在安全風(fēng)險的大壩頒布了《大壩安全條例》，并提出了基于風(fēng)險決策模型和方法的部管大壩概率安全性評價方法。1987年，DWS正式批準(zhǔn)在其所轄大壩中實(shí)施基于風(fēng)險的大壩安全管理方法。此后，該方法不斷得到修訂和更新。下面將具體討論該方法的一些重要方面。

盡管南非大壩安全法規(guī)不強(qiáng)制要求開展風(fēng)險分析，但自20世紀(jì)80年代以來，“零水平”風(fēng)險分析已經(jīng)成為DWS每5 a一次的強(qiáng)制性大壩安全評定的標(biāo)準(zhǔn)組成部分?！傲闼健憋L(fēng)險分析屬于一種快速評估大壩風(fēng)險資料的桌面研究。僅在潰壩可能性較大或風(fēng)險標(biāo)準(zhǔn)要求精確評估潰壩概率時才進(jìn)行更高級別的風(fēng)險分析。大多數(shù)情況下，要達(dá)到可接受的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，大壩改造工程的成本都比較高。一般而言，每年都會為其安排一定額度的年度預(yù)算。大壩安全工程師的任務(wù)之一是避免非必要支出，利用有限的維護(hù)經(jīng)費(fèi)，帶來最優(yōu)的結(jié)果，因?yàn)橛行┌咐砻?，大壩維護(hù)的經(jīng)濟(jì)效益(即降低風(fēng)險的成本)低于事后維修工作的成本。

利用基于風(fēng)險的決策模型和方法的結(jié)果，確定維修項(xiàng)目的優(yōu)先順序，這一過程可分為5個步驟：①判定潰壩概率；②開展?jié)畏治觯虎墼u估潰壩潛在損失，評價潰壩影響和風(fēng)險水平；④運(yùn)用多標(biāo)準(zhǔn)決策模型判定優(yōu)先順序；⑤呈現(xiàn)事實(shí)。

基于風(fēng)險的決策模型的部分主要概念包括：①人身傷亡；②經(jīng)濟(jì)損失(含直接經(jīng)濟(jì)損失和間接經(jīng)濟(jì)損失)；③社會經(jīng)濟(jì)價值；④社會重要性；⑤生態(tài)影響。

最初認(rèn)定為需要進(jìn)行改造或升級的大壩數(shù)量為160座，運(yùn)用基于風(fēng)險的決策模型評估后，該數(shù)量減少為82座。

3 挑 戰(zhàn)

無法預(yù)料的工程條件是土木工程項(xiàng)目固有的問題。而大壩改造工程，因地下條件未知且缺乏改造部位的竣工圖，尤其易受工程條件無法預(yù)測這一因素的影響。這導(dǎo)致咨詢工程師和承包商經(jīng)常變更方案和項(xiàng)目。

3.1 圖 紙

如上所述，許多需要改造的大壩是從先前的“黑人家園”接管過來的，多數(shù)文檔在1994年移交時遺失。多數(shù)大壩都沒有設(shè)計(jì)圖，更不用說竣工圖。所有這些需要改造的大壩都相當(dāng)老舊，其建設(shè)和完工早于電氣時代。大部分設(shè)計(jì)圖和其他文檔都是打印稿或膠卷，因此難以恢復(fù)這樣的圖紙。

3.2 報(bào) 告

多數(shù)情形下，這些大壩既沒有竣工報(bào)告也沒有設(shè)計(jì)報(bào)告，因?yàn)樵诋?dāng)年建造大壩時，這些文件并非必需，在《大壩安全條例》頒布后才成為必備資料。

3.3 設(shè) 計(jì)

由于大量原始工程信息不全，改造工程的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)必須做出多種假設(shè)。施工過程會出現(xiàn)新的可用信息，因此設(shè)計(jì)也會隨之變更。同時施工中還會遇到許多意外情況，這就要求設(shè)計(jì)師和施工承包商靈活性很強(qiáng)。例如在開挖某管道時，發(fā)現(xiàn)其被混凝土包覆，而之前可用的設(shè)計(jì)圖并未顯示這一點(diǎn)。再比如，在拓寬某堆石壩以提高壩體穩(wěn)定性的過程中，壩趾清基剛一開始，背水坡面就發(fā)生脫坡，因而不得不改變堆石料的填筑方式。

3.4 設(shè)計(jì)變更

施工過程中，新信息帶來的頻繁設(shè)計(jì)變更使合同管理變得很困難。由于DWS內(nèi)部的技術(shù)能力有限，大量改造工程方案的設(shè)計(jì)和合同管理工作被分配給咨詢公司。伴隨新信息的出現(xiàn)，施工范圍的頻繁變更使咨詢公司發(fā)出了許多合同變更單(VOs)，這也是其挑戰(zhàn)一。

3.5 施工承包商

由于施工范圍頻繁變化，政府決定由DWS內(nèi)部施工單位優(yōu)先承擔(dān)這些改造項(xiàng)目。該內(nèi)部施工單位規(guī)模相當(dāng)大，也能夠同時承擔(dān)若干重大改造項(xiàng)目，但主要問題是，其公共服務(wù)項(xiàng)目的運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)并不適合施工類項(xiàng)目。

盡管不同主體通過該內(nèi)部施工單位發(fā)揮作用時，存在不同的契約關(guān)系，但委托人和承包商之間仍需保持明確界限。而大多數(shù)情況是，DWS既是委托人也是承包商，設(shè)計(jì)師、委托人和承包商可以緊密合作。因?yàn)閮?nèi)部承包商主要關(guān)注的不是利潤，而是改造工程質(zhì)量和維持長期客戶的基礎(chǔ)，其走捷徑的需求不如私人承包商那樣迫切。因此，委托人和工程師相信，內(nèi)部承包商會比私人承包商更能夠按照計(jì)劃和規(guī)范實(shí)施。制定并有效執(zhí)行明確的質(zhì)量保證計(jì)劃對建立和維護(hù)這種信任關(guān)系至關(guān)重要。這種方法優(yōu)勢明顯，但仍需注意在不同主體間劃分界限，以確保職責(zé)不會沖突，義務(wù)屬于分別授權(quán)的獨(dú)立個體。盡管參與大壩改造工程的不同主體之間的交流可能非常自由，但仍應(yīng)按照一定規(guī)范進(jìn)行交流，并保存需求和決策記錄。為了能夠?qū)⑹┕挝坏臉I(yè)績與基準(zhǔn)進(jìn)行比較，并持續(xù)提高其業(yè)績，保留精確、詳細(xì)的成本報(bào)告是非常重要的。

4 改造項(xiàng)目實(shí)例

4.1 艾蘭茲騅夫特?cái)r河壩

位于大魚(Great Fish)河的艾蘭茲騅夫特(Elandsdrift)攔河壩，是為南非大都會區(qū)等地供水的重要導(dǎo)流建筑物。在之前的大壩安全檢查中，發(fā)現(xiàn)了影響該壩安全的各種問題，如防洪能力不足，尤其是在大型弧形閘門無法運(yùn)轉(zhuǎn)時。其他安全問題還包括：一旦輔助溢洪道啟用，通往伊麗莎白港的主要鐵路線極有可能因漫壩而損毀，背水坡坡腳受侵蝕還可能造成潰壩。水力機(jī)械等泄洪弧形閘門損壞或操作失誤，會進(jìn)一步加大漫頂風(fēng)險。解決這些問題的措施是關(guān)閉鐵路線一側(cè)的副溢洪道，采取破垸分洪措施，即在主壩打開一個缺口，在壩趾利用噴射灌漿水泥土和常規(guī)混凝土修筑重力式結(jié)構(gòu)。該混凝土重力結(jié)構(gòu)建在沖積土層的潛水層之下，即使當(dāng)洪水期分洪口潰決時，也可通過左岸水道向各用戶供水。

4.2 摩洛頗大壩

摩洛頗大壩形成的水庫可為當(dāng)?shù)厣鐓^(qū)供水。鑒于維護(hù)嚴(yán)重不足導(dǎo)致大壩條件很差，且溢洪道容量不足的問題，采用了新方法，即毛石圬工多扶壁拱形溢洪道來解決。這也為當(dāng)?shù)靥峁┝舜罅烤蜆I(yè)機(jī)會，緩解了其高失業(yè)率的問題。此外，還通過拋石護(hù)坡來穩(wěn)定和防護(hù)原本受侵蝕嚴(yán)重的土壩坡腳。

4.3 裘尼斯波大壩

(位于北部省的)裘尼斯波土壩受到極為嚴(yán)重的侵蝕，其溢洪道容量也不足。通過亂石護(hù)坡對壩體進(jìn)行改造和保護(hù)。為了增加溢洪道泄洪能力，通過毛石圬工新建溢洪道和胸墻。

4.4 博世波大壩

博世波大壩以前安裝了弧形閘門。由于機(jī)械設(shè)備性能差，無法開展正常的維護(hù)工作，加之維護(hù)措施不到位，許多閘門已無法啟動。當(dāng)時決定對所有安裝了閘門的大壩進(jìn)行全面維修，計(jì)劃拆除舊閘門并改造成開敞式溢洪道。盡管該方案并不適用于所有情況，但在博世波大壩得以成功實(shí)施。通過亂石護(hù)坡對土質(zhì)側(cè)翼進(jìn)行了整修和防護(hù)。拆除了弧形閘門，在該部位建造了迷宮式溢洪道。新建的溢洪道泄洪能力仍然不足，為此另建了一座副溢洪道。

5 結(jié) 語

DWS的基于風(fēng)險的大壩安全管理方法效果良好，保證了確需改造的大壩得到維護(hù)。

過去，DWS的大壩設(shè)計(jì)以保守著稱，但是考慮到當(dāng)前的標(biāo)準(zhǔn)和指南，保守設(shè)計(jì)并不可取。時間證明，以如今的安全和國際通行標(biāo)準(zhǔn)和指南來衡量，南非的許多大壩的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)偏低。而且由于未來多種因素的影響，其規(guī)程和指南將更加嚴(yán)格。

大壩改造耗資巨大且難于實(shí)施，在下列情況下將更加困難：①需擴(kuò)容或更換泄水系統(tǒng)；②在無法降低壩前水位時卻又必須安裝新的檢修閘門；③混凝土拱壩出現(xiàn)地質(zhì)基礎(chǔ)問題；④需大幅度增加溢洪道容量。大壩作為一種基礎(chǔ)設(shè)施，其壽命難以預(yù)測。

當(dāng)大壩完成其功能或達(dá)到使用年限后，不能像其他建筑物一樣，立刻被拆除或替換。現(xiàn)存大壩的歷史可能超過幾代人，因此，需要探尋大壩的維護(hù)和管理方式。大壩設(shè)計(jì)師必須考慮未來需求，而不能僅僅依照當(dāng)前的短期(20～50 a)需要。

王郁夫 周 波 譯

(編輯：陳紫薇)

2017-01-15

1006-0081(2017)05-0041-04

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