欧洲水坝考察纪实

文/ 樊启祥 李文伟 翁文林 编辑/ 时香丽

2009年9月12至25日，由中国长江三峡集团公司组团、成都院和中南院共同参加的考察团圆满完成欧洲3个国家水电开发技术交流和文化考察。考察团成员现场查勘了阿尔卑斯山脉地区的大迪克森斯（Grand Dixence）、泽乌齐尔（Zeuzier）、莫瓦桑（Mauvoisin）、博勒加德（Beauregard）、鲁松（Luzzone）和科尔布莱恩大坝（Kolnbrein）等6座混凝土水坝、豪瑞集团Holderbank试验室以及阿尔卑斯山体隧道项目混凝土生产工厂情况，听取了意大利瓦意昂大坝失事和阿尔卑斯山体隧道项目建设等情况介绍，与瑞士专家主要就水坝安全、拱坝结构设计、拱坝施工技术、混凝土大坝失事和裂缝问题处理等方面进行了技术交流，重点结合溪洛渡拱坝的混凝土品质与Holcim集团混凝土专家进行了深入交流，了解了3个国家已建成的部分大坝在建设运行中的经验和教训。

科尔布赖恩大坝

莫瓦桑坝

瑞士大部分的水坝项目位于阿尔卑斯山的中上部高程，水坝的类型为混凝土重力坝、拱坝、土石坝、支墩坝，其比例分别为38%、26%、35%、1%。目前，瑞士联邦管辖下的5～285米的大坝有217座，库容从5万立方米到4亿立方米不等，坝高大于15米有153座，大于100米有25座，大于200米有4座。州政府管辖的水坝153座。这些水坝85%属水力发电工程。这些大坝建设始于135年前，20世纪70年代以后，新建大坝寥寥无几，仅对部分大坝进行了加高或修复处理。已建大坝的平均寿命达50年，而水电工程的特许寿命一般为80年，经过修复后的水电站预期寿命达160年。

高效而又经济地利用水能资源

瑞士对资源综合开发利用非常重视，尤其对水能资源，已经开发了近85%的经济可行性水电潜力。这次考察的6座水坝均位于阿尔卑斯山脉地区，处于河流的中上游高海拔地区，海拔在1600～2400米高程左右，坝高较大，但流量和库容均不大，淹没相对较小。但为了提高水能资源利用效率，结合当地建坝条件形成水库蓄能，通过引水隧洞或泵站收集工程区附近河流和相邻河流的水量，或者由于受原有地形和环境制约，采取优化、恢复并增加原有工程的能力，如采取大坝加高措施增加库容，利用形成的落差分级发电，最大限度地利用了水量和水头，充分发挥了水资源的优势，也体现了水电调峰、蓄能和灵活的特点。具体表现为：

利用水泵提水，将相邻河流的水引入，增加水库水量。

在瑞士罗讷河支流迪克桑森斯河上（迪克桑斯河是一条非常小的河流），建成了世界上最高的混凝土重力坝，坝高285米，控制流域面积357平方公里，坝址处河谷呈V形，形成了一个4公里长的人工湖——迪克斯湖。冰川融雪是水库储水的主要来源，水库水位季节性较强，通常9月末水位可达到最高峰，冬季到来后水位逐渐下降，到次年4月达到最低点。为了增加水库水量，建设了4座总装机为186兆瓦泵站，利用低能耗时段进行抽水，通过长达100公里的隧道系统将迪克桑斯河与其它河流里的水聚集至水库，每年收集水量达3亿立方米，消耗电量约3.8亿千瓦时。然后，引水至下游4座总装机200万千瓦的水电站，使得整个地区的水资源以峰值能量的形式得以充分利用开发。

通过加高水坝，增加水库库容，提高水资源利用效率。

在上世纪90年代，瑞士有两个重要的加高项目，就是1991年完成对莫瓦桑拱坝和1998年完成对鲁松拱坝的加高处理。

大迪克森斯坝

莫瓦桑拱坝高237米，始建于1951年，水库于1958年首次完全充水。坝体加高是为了增加库容，储蓄水量，以满足能源在最需要的时候发挥其作用，并实现夏天蓄水转移至冬天发电的目标。当然，大坝加高所要求的溢洪道和上游径流式电站尾水隧洞的调整，需要3年时间（从1989～1991年）。坝体加高设计包括：增加坝高13.5米，新坝顶的海拔1976米，宽度12.1米，增加使用混凝土达8万立方米，为大坝原有体积的4%。加高后库容2.0亿立方米，其冬季电量达到70%。

鲁松坝

加高后的鲁松坝

鲁松拱坝是瑞士第二高拱坝，始建于1963年，位于瑞士阿尔卑斯山南坡，大坝加高了17米（占8%），水库总库容增加1.07亿立方米，较原库容增加23%。

广泛开展了绿色水电认证，绿色环保无处不在

考察的6座大坝建于上世纪五六十年代，均位于阿尔卑斯山脉地区，处于河流的中上游高海拔地区，海拔在1600～2400米左右，居民少，淹没不大，在当时急需能源的形势和当时环保要求下，对环境的影响均较小。在后期加固改造和运行管理过程中，十分重视环保工作，进行综合利用开发，既保护了环境，又取得了经济效益，造福了人类。其理念表现为：在每一项目的设计和施工中，尤其是采取水力资源综合开发，将环境保护与水电工程有机结合，工程与环保和谐发展，创造了巨大的经济和社会效益。

具体表现为：一是工程布置总体与环境协调，雪山、水库与大坝交相辉映，构成水电特色的景观。工程装修简化，十分贴近自然。施工规范认真，环保措施到位。二是对工程进行综合利用开发，开展旅游项目。同时布置展览馆，寓宣传于旅游中。比如阿尔卑斯山体隧道项目，隧道总长达到92公里，最长一条隧道长达57公里，最大埋藏深度达到2000米。从1995年开始前期准备工作，预计2011年开挖完成，2017年投入运行。该项目实施中，采用了十分严格的环保措施。其地下工程总开挖量达到1300万立方米，其中21%回收后作为混凝土骨料使用，其余回填至山谷碴场，部分回填至湖泊，作为鸟类栖息场所。骨料生产及混凝土生产系统的布置与周围环境十分协调。同时，在混凝土生产系统附近建立了展览中心，采用多媒体、仿真模型、图片等多种形式向游客和市民介绍工程建设过程，生动而又有趣，宣传了工程建设与环境保护的协调发展，效果非常好。当然，其不足之处在于，由于水量不足，大量采用了引水式电站，部分小河流下游出现断流现象。

自1996～2000年开始运作绿色水电认证，目前已有部分水电项目实施了认证。

绿色水电认证源于瑞士水科院的绿色电力项目，其基本数据主要来自Brenno河流域的案例研究，其目标是从生态、经济、政治和社会等综合因素中挑选出评价的因子，通过与联邦机构、非政府组织、专家顾问小组以及水电公司之间进行多次圆桌交流，总结提炼出一套新的、全面的绿色水电评价办法和认证程序。

阿尔卑斯隧道项目施工环境

阿尔卑斯隧道项目工厂与周边环境

对于绿色水电项目，设置了两步评价方法，首先是评价一般电站通用的基本要求，二是评价该电站生态投资指标情况。为了保证生态投资真正用于环境改善项目，一般都要求所有投资者都参与决策制订和圆桌讨论。为了采取一种可靠而又实用的办法解决资源利用和环境保护之间的矛盾，建立了一套5×5维度的环境管理矩阵，以构建其评价准则。从评价因素上说，主要从河流生态系统的完整性考虑，有水文状况、河流连通因子、固体物料和渠道构造、景观、生物群落，另外从最小生态流量、水电调峰、水库管理、河床泥沙管理、建设与运行等五个方面进行科学评估。

评估认证的程序主要包括预评估（关联矩阵和成本估算）、管理方案（已实施基本要求、利益相关者已参与、生态投资计划已制订）、审计（独立机构的复核）、监测（认证前5年的实施情况评估）。从1996至2002年以来，对近30个项目进行认证程序和办法的测试，认证标签也得到了政府组织的认可，逐步建立并完善了认证程序，培训了审计员。取得认证的水电企业，其电价可以增加约1/12，是要求型的，非强制性的。2007年，在中国北京举行了绿色水电与低影响水电认证标准中文版发布暨学术研讨会。

建立水坝安全体系

瑞士对人身和财产安全的重视是非常深入人心的，对水坝的安全尤为重视，他们建立了一系列的法律法规，将水坝安全作为一个整体概念，包括结构安全、监测安全、运行安全以及制定应急计划，以确保大坝及下游居民的安全。目前，只要是精心设计、精心施工、精心维护和监测到位的土石坝和混凝土坝的使用寿命一般都能达到100年，像闸门和阀门等构件一般在使用40～50年后就得更换。

樊启祥在Holderbank实验室与瑞士专家交谈

考察团在Holderbank实验室与瑞士专家交谈流

水坝的安全理念

瑞士将大坝安全的概念放在重要的位置，包括合理设计、精心检查、维护和报警系统。其中，检查由联邦政府、州政府和业主共同负责，通过定期的大坝检查，让所有可能的事故处于掌控之中。

安全概念的两大目标是将所有的风险影响降至最小，并尽可能地掌握其余的风险。从水坝规划开始，明确要求在安全上要风险最小，其次是保留风险的可控。在最小风险上要求合理设计，并通过建筑安全论证；在风险控制上，要求有详细的检查方案及应急预案，检查方案包括各种监测及维护并通过听证或监管过程，应急预案包括各种应急状况。通过监听、监管，以发现早期阶段的任何问题，并提出补救措施，达到最小的剩余风险。

水坝的安全监管权限

1999年1月1日，瑞士对以前颁布的大坝安全条例进行了修订，其使用范围取决于特定坝的几何标准（坝高和水库库容）及其对下游地区（可能淹没区）可能造成的潜在破坏。条例中规定了涉及大坝安全的相关各方，如大坝安全机构、大坝业主、大坝设计工程师以及大坝专家等的职责。同时，大坝安全机构发布了《大坝安全条例》的大坝标准、大坝结构安全、大坝防洪安全、大坝抗震安全以及大坝监测及其维护等指南，以利于安全条例的应用。

水坝的安全监管权限也依据坝高及库容决定。对于坝高大于10米、或坝高大于5米且库容大于5万立方米的水坝都要进行监管，分为联邦政府及州政府两个层次。

联邦政府监管的水坝为：坝高大于5米且库容大于5万立方米的水坝；坝高大于10米并且库容大于1万立方米的水坝；坝高大于15米并且库容大于0.5万立方米的水坝；坝高大于25米的水坝。

州政府监管的水坝为：坝高5～10米并且库容为0.5～5万立方米的水坝；坝高大于10～15米并且库容为小于1万立方米的水坝；坝高为15～25米并且库容小于0.5万立方米的水坝。

安全监控

瑞士安全监控主要有三项工作，四种责任标准，具体见表一：

巡视检查的内容：主要是检查混凝土坝及山体的外观，如混凝土裂缝、施工缝张开及错位、混凝土坝面渗流、山体裂缝及渗流改变等，是一种非常有效的手段。

（表一）

监测的内容：主要为大坝及山体的变形、混凝土温度、坝体渗流量、坝基扬压力、渗透压力。另外，还包括对外部荷载的测量，如大坝上下游水位、死库水位、库温、气候、地震等。

操作试验的内容：主要是对闸门等关键设备进行测试。

上述检测的目的是：尽早发现大坝及其附属建筑物的结构缺陷；通过必要的监测资料，分析验证已有的规则、帮助解释突发的事件。

应急预案

应急预案就是准备面对最坏的情况，其内容分为两个方面：策略及公共警报系统。策略包括风险识别、保护方案；公共警报系统包括计划安排、报警设备、组织方案。

在策略中，首先是风险识别，针对各种不同的风险，要不间断地加以评估并加强监管。在紧急预案中，风险分为三个危险级别。危险级别1是风险可控，危险级别2是风险不可控，危险级别3是风险迫在眉睫或风险已发生，每个级别都要有相应的技术方案、操作方案。针对不同的危险级别，其警报级别也不一样，分别为加强警报、全面警报、局部撤离、全面撤离。

在公共警报系统中，要明确何时警报、向谁警报、如何警报及如何撤离。何时警报由风险发生决定，向谁警报根据洪峰分析确定，如何警报取决于警报设备，如何撤离按撤离地图进行。

需要提出的是，撤离地图是根据洪水淹没埋图进行规划的，因此洪水淹没图要进行系统的绘制，应包含不同的洪水流量及溃坝后的淹没情况，并注明洪水水位及到达的时间。

撤离地图还要根据地形，划分不同的区域，并标明不同的撤离方向，以最少的时间到达安全地点。警报设备主要有水警报器、移动警报车及广播站。应急预案均进行预演习，由警察局及确定的领头人参与。

大坝内观设备

所参观的大坝，均对大坝的内部监测措施及设备运行情况进行了了解，主要有变形监测设备（正垂、倒垂）、渗透及扬压力监测设备等，虽然这些设施已运行几十年，但都正常工作，并且实现人工与自动监测相结合，并建立了一套完整的库水位与大坝变形、渗流量等方面的关系图。通过观测资料及计算成果，设定有关监测数据的报警值，达到自动报警。

事故水坝及其处理

欧洲的水坝事故主要有意大利瓦意昂水库滑坡、法国马尔帕赛坝的溃坝以及奥地利科尔布莱恩拱坝的加固处理。考察期间，听取了意大利工程师对瓦意昂事故的介绍，了解了滑坡状况及拱坝现状，也实地考察了科尔布莱恩拱坝的加固结构和意大利博勒加德拱坝（因左岸山体滑移挤压拱坝，使坝体结构破坏，近日决定切除上部坝体，确保电站安全）。其主要情况为：

意大利瓦意昂水库山体滑坡事故

意大利瓦意昂拱坝鸟瞰图

瓦意昂大坝现状

高265.5米的瓦意昂混凝土双曲拱坝位于意大利东北部，建于1957～1960年。坝址河谷十分狭窄，拱坝顶长仅190.5米，拱冠顶厚3.4米，底厚22.1米，厚高比仅0.083。坝顶高程725.5米，总库容1.7亿立方米。该坝不仅是世界上最高拱坝之一，而且是世界高坝中最薄的拱坝，经受了超过坝顶达200多米的水压考验，成为世界最著名的拱坝。其著名的直接原因来自于1963年水库蓄水过程中发生的山体大滑坡。滑坡位于大坝上游左岸，长约2000米，宽约1200米，总体积约2.7亿立方米。滑坡冲向水库，涌浪翻过坝顶冲向下游，毁灭村庄，死亡人数高达2600人。水库被滑坡代替，大坝安然无恙。

博勒加德坝

国内有很多资料对瓦意昂水库山体滑坡事件及其滑坡成因做了详细介绍，此次考察中意大利工程师谈了如下几点忠告：

一是瓦意昂水库滑坡体本是一个古滑坡，曾经滑动过，而且一直在蠕动。工程建设之前和建设过程中很难把握地质和岩土勘测成果，很难预测其发展趋势，最终酿成瓦意昂左岸滑坡事件。瓦意昂灾难告诉我们，建设一座新水坝，其勘测工作是十分重要的，勘测范围必须包括大坝、坝基、水库以及坝下游一定范围的谷坡。

二是瓦意昂灾难之后，为保护大坝下游民众，建立预警系统和完备的应急预案，需要把灾害影响及时准确的告知可能受到影响的民众，这比以往显得更为重要。许多国家因此修改了大坝规范，增加了更加严格的规定。

三是瓦意昂事件也存在其必然，第一次蓄水时就出现了不寻常的滑坡反应，只是因坝体结构蓄水试验中，未对初期的变化量引起高度重视，没有能够准确监测初期变量的监测系统和预警系统。

四是水库蓄水初期，尤其要严格观测检查各种现象，具体注重如下几点：蓄水上升速度要慢、提高观测和检查频次、有规律的监视库岸稳定状况、完备的应急预案和有效的预警系统。

参观科尔布赖恩大坝

科尔布赖恩坝

意大利博勒加德拱坝变形开裂事故

博勒加德拱坝位于意大利东北部，建于上世纪50年代后期。坝高132米，坝顶长408米，拱冠顶厚5.0米，底厚45.6米；坝顶高程1772米，设计高水位1770米，总库容0.7亿立方米。坝基岩体为片麻岩、云母片岩并夹有绿泥石。左右岸基岩差异大，其中右岸为整体块状结构，质量好；左岸解裂破坏，岩块碎裂，部分成糜棱岩；左岸河床底部为冰川沉积物。河床出露的冰积物全部挖出并深部置换约200 米长度。由于基础条件，拱坝周边设置周边缝结构。

1958～1968年为水库蓄水阶段。蓄水过程中发现左岸山体出现重力式座滑变形，座滑速度与库水位上升成正比例关系。左岸基础座滑使得拱坝受到挤压，坝体向上游倾倒变位，下游面底部水平开裂，上游面上部横缝张开。根据这种情况，意大利大坝管理委员会决定运行水位限制在1710米，相应库容约680万立方米，相当于设计库容的1/10。水库一直维持低水位运行，电站等同于径流式电站。40年来，左岸基础及山体的蠕动座滑持续不断。通过监（观）测发现，大坝顶拱冠向上游变位约20厘米，下游坝面底部区域严重开裂，开裂缝张开宽度达几厘米并出现明显的剪切错台。左岸山体蠕动座滑范围巨大。

大坝受到左岸变形体的蠕动座滑挤压，发生扭曲变形和严重开裂破坏。左岸蠕滑体规模巨大，持续不断。业主对其开展了大量的分析试验研究，包括各种处理方案的研究，努力确保径流式电站发挥效益。通过对切除上部坝体和在坝体中上部设置竖缝两方案的比较研究，最后决定切除上部坝体，切除高度52米，将原坝顶高程1772米，降为1720米。切除坝块堆积于大坝上下游底部，增强左岸滑体压重。2009年9月，意大利政府正式批准同意切除大坝上部结构，以确保电站运行安全。

奥地利科尔布莱恩拱坝拉裂渗水事故

科尔布莱恩拱坝高200米。大坝于1972年破土动工，1978年建成。但在首次蓄水就出现了巨大的渗水，不得不进行加固处理。处理工程前后共花了16年，加固费用超过大坝本身的建设费用。其主要原因，首先在于结构设计的失误。坝体底部结构偏薄，而且中下部结构过于倾向上游，坝体自重产生偏心压力，施工过程中下游面底部结构受拉开裂，裂缝面斜向上游。同时，在蓄水初期的高水压作用下，河床坝踵底部出现斜向下游的剪切拉裂缝。上游坝踵裂缝和下游裂缝在坝内交接，导致大坝在高水压作用下，坝踵开裂缝的渗透水压使结构受力更加恶化，坝体产生不可逆的变位，导致坝内渗水，最大渗水量超过200 L/s。

通过对大坝开裂原因分析以及加固方案的反复论证研究，最终加固方案：一是在大坝上游坝踵区设置混凝土铺盖以及铺盖与坝体之间的止水设施，阻止库水通过坝踵裂缝渗水。二是在下游修建重力式支撑拱坝，分担拱坝受力。同时，在坝和地基内进行广泛的环氧树脂或水泥灌浆。大坝下游增建的支撑拱坝为混凝土结构，高度为70米（约为大坝高度的1/3），宽为65米，支撑拱坝与原坝体之间相距3.5米，其间设置传力结构。传力结构由613个传力支座组成，高度向共9排。每个传力支座由钢丝加筋的氯丁橡胶垫块，衬以不锈钢板，并有可调整的锲型垫块以及应变计组成。每个传力支座的受力面积为1.1米×1.1米。满库时，每个支座传力1600吨，支撑拱坝将分担120万吨水荷载，约为大坝总水荷载540万吨的1/5强。

其他几座高坝的处理

瑞士的莫瓦桑拱坝和鲁松拱坝都进行了加高处理，值得一提的是，鲁松拱坝因左岸地形不够，加高部分的左拱端无嵌深条件，于是将加高部分的左拱端折向山里，成为纯粹的挡水结构，而非完整的顶拱结构。大坝变形观测表明，拱坝加高后运行正常，加高部分结构仍处于弹性工作状态，而且在新高水位下的结构变形较原拱坝的增加量十分有限。

樊启祥在泽乌齐尔坝与瑞士专家进行技术交流

在泽乌齐尔坝与瑞士专家进行技术交流

瑞士泽乌齐尔拱坝（坝高156米）曾因坝基附近交通隧洞的施工，改变了基础地下水环境，引起大坝基础沉陷，导致大坝变形增加，坝基周边近基础结构出现明显的剪切开裂。出于大坝安全考虑，不得不停止交通隧洞的施工并实施了封堵，大坝基础终止了沉陷。在对大坝开裂缝实施了灌浆填塞后，拱坝继续发挥正常的挡水任务，拱坝结构亦处于新的弹性工作状态。

欧洲事故水坝的经验和教训

拱坝基础稳定是保持大坝结构安全的关键。高坝基础必须具有足够的承载能力和抗变形能力，在水压荷载作用下，基础抗滑稳定安全可靠。博勒加德拱坝左岸基岩条件差，潜在山体滑动稳定问题，对大坝的破坏也是必然的。泽乌齐尔拱坝事故表明大坝基础受地下水环境制约，后期交通隧洞的施工，打破了地下水环境的平衡，引起基础沉陷，导致大坝开裂破坏。这些都是拱坝工程必须避免的。

确保近坝库岸稳定，消除滑坡等次生灾害对工程破坏性影响的发生。水库工程地质勘查及库岸稳定性评价，在我国大坝勘测设计研究工作中都有专题论证。对于近坝库岸边坡稳定，尤其可能危及工程安全的大型滑坡或危岩体，必须给予确定性分析评价，明确的处理措施和预警监测体系。

拱坝结构设计要考虑各种可能因素的影响，尤其注重已建拱坝的成功经验。欧洲拱坝设计还习惯于用柔度系数C来衡量拱坝结构设计的合理性。如果CH＜3000，认为坝体混凝土方量基本合理。

A2－拱坝中面面积（平方米），V－大坝体积（立方米），H－坝高（米）

当前我国高拱坝结构设计合理性的论证，通常将柔度系数C作为宏观判断，具体采用多方法分析、多手段论证，包括地质力学模型试验，超载破坏分析等，全面论证设计方案的可行性。

加强运行检测与观测分析，建立大坝生命周期的运行管理评价体系，尤其要注重预警机制和应急预案的建立并保持有效运行。同时，对于大坝开裂及运行状况异常的处理，遵循“分析成因，针对处理，措施得当，加固有效”之原则，积极处理。

通过欧洲6座水坝的现场查勘、与豪瑞集团技术研发中心交流、以及针对溪洛渡大坝水泥的多次技术交流，可以看出瑞士大坝混凝土质量是可以的，从设计到施工都十分重视混凝土的研究工作，提出了混凝土抗冻耐久性、碱骨料反应破坏的防治措施、以及混凝土的温控防裂措施等。尤其是结合欧洲多个大坝对一些混凝土项目的研究与实施、以及对事故的处理，总是显得从容不迫，反复琢磨，不急于行事。这样，也避免了不必要的失误，减少了浪费，确保了最终决策的正确性。

莫瓦桑坝水库