瑞士塞拉拱坝的修复

茹 欣，鲁一晖，戴海旭

（中国水利水电科学研究院 水利部水工程建设与安全重点实验室，北京 100038）

1 原塞拉拱坝的特性和现状

瑞士塞拉拱坝位于瓦莱州新普伦山口南侧，始建于1951年，1952年建成，电站配有3台设计流量为11.5m3/s的冲击式涡轮发电机，全年发电量为1.77亿kW·h，能够保证贡多市全年的用电需求。已建成的塞拉拱坝从垂直方向看是一个高约20m的柱形拱面。拱坝水平拱圈线型为多心圆，其半径从拱冠处的28.0m变化到近岸处的170.0m。拱坝上部厚度为1.0m，拱坝下部的厚度逐渐加厚，其平均值约为3.5m。在拱坝建设时分了6个独立的坝段，每个坝段长为11.0m，坝段间用1.0m宽的收缩缝连接[1]。此外拱坝设计时，其下游没有像上游那样设置用于承受拉应力的钢筋。拱坝混凝土总方量为2 300m3。大坝的柔度系数[2]（细长比）C接近40，其值相比于其它条件类似的拱坝偏高。C=A2/（VH），其中C为柔度系数；A为坝体迎水面展开面积，因迎水面展开面积比较难算，常用中面展开面积替代；V为坝体方量；H为最大坝高。

拱坝坝顶高程为1 280.40m，处于拱坝中间的溢洪道宽32.60m，高程1 278.00m。当水库处于最大蓄水位1 279.84m时溢洪道的设计泄流量为175m3/s。拱坝在右岸有一个直径为1.10m的圆形底孔，底孔由位于上游面的水下闸门控制。拱坝在右岸还建有一条导流能力为40m3/s的导流洞用来宣泄流域洪水并避免水库淤积。

自从1952年开始使用大地测量监控以来就发现拱坝的位置逐渐发生变化。网络测绘测量的是位于下游面的16个目标点。19世纪70年代首次使用网络测绘方法观测到了大坝的永久性位移。综合之前的人工观测数据结果，显示从1952—2009年，坝体垂直方向的位移膨胀量一般与其所处的高度成正比。在大坝的中央区域，总位移超过20mm[1]。

顶部高层测量到的最大水平位移达到65mm，而在拱圈相同高程处的溢流前缘的位移也达到了50mm，过去几年径向位移增长在逐年加快。这些永久位移都导致坝体出现裂缝，特别是在下游坝趾周围和与之对应的同一高程处的上游基岩处也出现了裂缝。周边缝可能是导致坝体倾斜的原因，更大的难题是这些裂缝在坝体内部的延伸情况还没有办法可以明确测定。

2000年10月，一场特大洪水使坝顶出现溢流，洪水的洪峰流量达到了320～340m3/s，远远超过水电站溢洪道的泄洪能力。这次特大洪水修改了大坝原有的水文数据，大坝防洪安全将千年一遇的洪水流量提高到了540m3/s，塞拉拱坝溢洪道的原泄流量175m3/s已经不能满足新的水文标准要求。但是根据瑞士法律的规定，大坝必须保证在面对可能最大洪水的情况下安全运行，因此塞拉拱坝的安全等级已经不满足法律要求。

基于以上安全因素考虑，塞拉拱坝不仅需要对其泄洪能力和坝体裂缝进行全面修复，还要想办法解决坝体过大位移问题。这些修复工作都可能面临各种不确定因素和具有难度较大的施工技术，即使这些问题可以克服，其修复结构也很难得到保证。经过慎重考虑，最终决定拆除原有拱坝重建新坝。

2 新塞拉拱坝的特征

通过现场勘查发现，在原有大坝坝址下游几十米处有一处较深的悬崖，为了防止新坝向下游移动，决定在毗邻原有拱坝坝址处修建新拱坝。新坝采用双曲拱坝形式，考虑到新坝结构尺寸的限制，坝体采用简单的几何形状，垂直方向以混凝土接缝处曲率确定基准线，水平方面拱坝是椭圆形的。新坝在建设时同样划分成6个独立的坝段，每个坝段的宽度从12.0m到14.4m不等，每个坝段之间待坝身混凝土冷却后用水泥浆进行施工缝的灌浆连接。

新坝的坝顶高程为1 282.70m，比原坝高1.30m，新坝坝高为22m，混凝土总方量为3 500m3。新坝的柔度系数（细长比）C值相当低仅为17。新增的6.0m坝高可以大大增加水库的蓄水能力。根据规划，为了进一步降低碱骨料反应的风险，制备新坝混凝土非活性骨料所用的采石场距离施工现场50km。混凝土配合比设计中计划使用矿渣水泥CEMⅢ/B42.5（220kg/m3）。出于安全考虑，新坝增加了溢洪道出口挑槛长度并且新坝挑槛高度比原坝高1.30m，新坝的底孔截面为边长1.60m的正方形，底孔中心线与河道中心线的纵坡交角为10°，这使得新坝的溢洪道泄流效率有了很大的提高。

3 工程施工

3.1 施工安排项目审批是由瑞士联邦能源办公室的大坝安全部进行，而后在2009年7月由大坝所在的州政府颁发了施工许可证。施工现场的准备工作在2009年的8～9月进行。施工现场修建了混凝土拌合场，为新坝混凝土提供非活性骨料的采石场距离施工现场50km，在那里进行骨料筛分并分成5个不同的量级。使用容量为1m3的塔式起重机对主要坝段的混凝土进行浇筑。

正式施工从2009年秋天开始，先在左岸进行开挖及坝体浇筑。期间曾在2009年12月中旬到2010年3月底期间停工，停工期间，施工方优化了浇筑程序并在车间完成模板的制作调配工作，同时进行的还有钢筋和底孔闸门这些构件的设计生产工作。2010年4月开始进行新坝右岸的基础开挖。整个挖掘工作的工期较长，一方面是由于挖掘方法，因为没有类似条件的施工经验可以借鉴，所以挖掘方法的选择十分谨慎；另一方面是因为要将开挖出的土石方运出施工现场，施工机械的调配需要时间。2010年5月挖掘工作结束前就已开始浇筑右岸混凝土。2010年6月导流底孔闸门在车间制作后，运达施工现场进行组装安设。混凝土主体的浇筑工作在2010年的9月份结束。在2010年的9～10月份进行了基础灌浆（接触灌浆和帷幕灌浆）。

2010年11月，在结束施工缝的灌浆工作后放空原坝水库，开始原坝的拆除工作。拆除工作首先将大坝垂直切割成10m宽的块体，然后用挖掘机将大块体推翻在水库中，用气锤分解后运走。

3.2 基础开挖新坝要在运行中的大坝坝趾处进行基础开挖，施工过程中通过剧烈震动临界值[3]了解运行中的大坝坝基处的安全状况。为了进一步减少开挖阶段对原坝的震动影响，在新坝上下游边缘垂直开挖了长约10m的防震沟。

基础开挖初期通常使用炸药进行爆破，但在这种特殊工况下即使炸药的用量控制到最小也无法保证产生的振动在规定范围内。据此，决定放弃炸药爆破作业而采用在挖掘机上安装气动锤的方式进行挖掘，以放缓挖掘速度为代价保证挖掘过程的安全。同时，为了确保原坝坝趾处的安全稳定，还在原坝的坝基处埋设了锚筋。

3.3 原坝在施工中的运行状况在施工期间，特别是在新坝的基础开挖期间，对原坝采用了一套特别的监控方案。方案包括：（1）用在坝顶部设置的3台测斜仪和在坝体中部溢洪道处安置的临时摆来测量坝的位移；（2）每两个月对原坝进行一次大地测量。监测结果表明，原坝在整个施工期间没有发生任何异常位移。从这个工程的施工监测数据中可以看出，制定一个完善的水库水位管理计划可以有效避免异常位移产生。

3.4 基础灌浆采用水泥浆混合物对基岩进行灌浆处理，有两种不同的操作方法。第一种为覆盖全部坝基表面的接触灌浆。这种灌浆的深度可以达到基岩下3m，灌浆孔孔深2.5m，总共需要85个。接触灌浆主要分为两个阶段：（1）第一阶段是在比较低的地方，即在基础下面承受压力最大的3处钢筋附近进行孔深为1m的灌浆；（2）第二阶段是对靠近坝基混凝土和基岩表面的2根钢筋附近进行灌浆处理。除个别灌浆孔外，灌浆孔所需的灌浆量（钻孔平均20L/m）都很低。可以看出在基础开挖过程中没有使用炸药，既降低了岩体开裂的风险也减少了灌浆量。

第二种为帷幕灌浆。接触灌浆结束后，进行了帷幕灌浆，这次灌浆包括36个深度达到30m的灌浆孔（11个一序孔，12个二序孔，13个三序孔）。一序孔、二序孔和三序孔分别钻孔，然后根据GIN标准灌浆。每个灌浆孔都单独钻孔，从底部到顶部灌浆，每三米进行一次充气单封隔离[1]。

4 水电站在施工期间的运行

4.1 施工期间的洪水管理自从新坝在原坝的坝址处开工建设以来，对来水的处理是主要考虑的问题之一。对上游贡多水电站的管理目标很明确，就是在施工过程中可以顺利度过汛期。需要考虑的一个重要方面是在运行方案中涉及到的蓄水量和实际集水区域来水量相比是很少的。事实上，在融雪期贡多水电站是以径流方式运行，通常不会出现坝顶溢流。用贡多厂房的涡轮机和调节导流洞的闸门对来水流量进行调节是完全满足要求的（现场操作或者在电场中远程控制）。为了在遇到更大洪水时，水库中能留有一个滞洪区来保护施工现场或者是保证有充足的时间去疏散施工现场，将施工期间最高运行水位定在了1 274.00m[1]。在原坝的顶部安装了可视听的报警装置，一旦水位超过了警戒水位就会提醒现场工作人员撤离。方案中对现场施工的安全做了充分的考虑，同时还建立了一个水文预报模型对集水区来水量进行评估。

4.2 水文预报模型为了土建工程安全，用一个流量预测体系来对未来几天可能出现的洪水信息进行有效分析。本工程中应用RS3.0软件建立河水流量预报模型[1]。在RS3.0中的GMS-SOCONT降水径流模型包含了在复杂山地积水条件下很多水文活动的进程统计。预测未来的进程统计计算由这个模型完成，包括：降水的空间分布和温度、积雪的位置和融雪、地表径流和冰川融水、土壤渗流。结合水文数据，模拟出了水力发电厂的引水建筑物、水库、溢洪道和底孔以及发电用的涡轮机。这个模型包括整个集水区域流量计算，这些计算都遵循流量的演变规律。

这些复杂的信息都是通过带有最新地理图像设备的互联网络平台进行发布。每种数据都由用户容易操作的三维界面组成，例如在假定气象站的观测和预报天气，分-集水点出口处的流量，模拟河段的流量、枯水位和水力发电量。通过最新的预测结果和以有数据统计可以更准确的判断3天内是否会发生洪水。系统还可以通过对最新流入量的预测和水库的实际水位设计水库上游最优引流方案。

塞拉拱坝的流量预测是基于瑞士气象局提供的3种不同数字天气预报模型（频率为12h）进行的，用于预测未来24h的COSMO2模型、用于未来72h的COSMO7模型和用于未来240h预测的ECMWF模型[1]。水文模型中还包括降水和温度的预测。这个模型利用了建立在集水区的流量监控站的数据。每隔一个小时，模型会根据收到的新的数据在网上发布新的流量预测。

5 结语

我国水利水电工程分布面积广，坝型众多，它们中的大多数既担负着防洪减灾的任务又要保证农业灌溉和城镇生活生产用水，在国民经济发展中发挥了重要作用，但是由于这些水利水电工程在建设初期都不同程度的受到技术或历史等因素的影响，加之多年的运行，近年来大坝老化和安全情况突出。目前我国水利水电工程的修复方案通常是对原结构进行除险加固，拆除重建的例子比较少。通过塞拉拱坝拆除修复的案例可以看出，当简单修复难以维持水电站正常运行或无法满足新的防洪标准时，拆除重建亦是保证水电站安全运行的方案。通过对塞拉拱坝修复重建的过程分析可知，在拆旧建新的过程中要尽量满足：（1）在原坝发生溢流前尽量利用原坝蓄水防洪；（2）当遇到原坝不能阻挡的洪水来袭时要保证现场施工人员的安全；（3）在施工期间不能一味降低最低库水位，要尽量减少水力发电的损失；（4）新坝施工期间要密切关注原坝的坝址安全；（5）建立安全可靠的水文模型，以便降低洪水风险。

[1]GaelMicoulet，Fabio 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，王伯乐.关于拱坝龙巴迪曲线的修正[C]//全国拱坝新技术研讨会论文集.北京：中国水利水电出版社，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.