澳大利亚罗沃兰坝的升级改造

澳大利亚罗沃兰坝的升级改造

澳大利亚罗沃兰坝于1967年完工，1968年11月发生了管涌事故，经相关部门对其加固处理后，已安全运行50余年。而今由于该坝施工年代久远，已经不能满足现代技术规范要求。为保证大坝安全运行，塔斯马尼亚水电公司对该坝进行升级改造。对罗沃兰坝升级改造过程中的洪水风险控制措施作了详细介绍。

管涌；加固处理；洪水风险控制；罗沃兰坝；澳大利亚

洪水预报(发生概率、时间及等级)对水电站日常运行和风险管控至关重要。尤其是大坝大规模整修期间，及时可靠的洪水预警能为实施应急预案争取时间，从而避免洪水淹没和建筑物破坏，甚至发生溃坝事故。

2012～2013年和2014～2015年夏季，塔斯马尼亚水电公司(Hydro Tasmania)成功完成了技术复杂且具有挑战性的罗沃兰(Rowallan)坝改造项目，该项目难点是中央泄洪道两侧结合部位的开挖，从坝顶开挖至建基面，从而揭开大坝心墙。

该公司的安全管理员称，在运行的大坝上施工作业尚属首次，另外，还要维持罗沃兰水库1.3亿m3的库容，这就意味着该工程施工期间洪水风险高。

罗沃兰坝为粘土心墙堆石坝，坝高43 m，是莫西福斯(Mersey-Forth)水电站的挡水建筑物，该电站年发电量约占塔斯马尼亚水电公司年总发电量的14%。电站于1967年完工，配套两座土石坝，分别位于中央泄洪道(混凝土衬砌)的两侧，泄洪道挡墙比土石坝高15 m。

1 管涌事故及处理

罗沃兰坝的粘土心墙结构容易受到内部侵蚀的影响，其常见的破坏模式为“管涌”。

在水库首次蓄水后的1968年7月，泄洪道右导水墙附近区域出现轻微下沉，沉降近300 mm。同年11月，在坝顶下游边缘靠近该右导水墙附近发现了一个直径 1.5 m、深 1.3 m的渗坑，该渗坑是管涌的唯一表象。随后立即通过电站和压力钢管旁通阀来降低水库水位，并于同年年底启动大坝勘测和修复工作。

通过在管涌影响区附近开挖检查井发现，接触部位的粘土(泄洪道挡墙旁填筑的高塑性粘土)已经被侵蚀到坝体下游反滤层，几处不同高程部位形成了管涌通道。如果任其发展，该侵蚀通道将可能破坏土石坝与泄洪道的结合部位，导致溃坝事故。1968年对检查井进行了回填修复处理，并对土石坝上部进行改造，同时修复加固了对泄洪道左侧导水墙与土石坝结合部位。至今，该坝运行正常，未发现异常现象。

虽然罗沃兰坝在1968年发生了管涌事件，但对该坝已经提供了近50 a的优质服务。2011年对大坝现状和性能进行的详查表明，该坝能满足设计、施工及寿命的预期要求。但自该坝建成后，已修订了相关工程标准，因此需要按现行标准对其进行大规模升级改造，并对早期发生管涌的区域进行永久性修复，以降低发生类似事故的风险。

2 现代化改造方案

罗沃兰坝升级改造方案主要可分为两个阶段。

(1)升级改造现有的泄洪道导流墙(2013～2015年)。由于这些导流墙过于单薄，施工期间就已变形，导致管涌事件。该阶段改造方案是按照现行标准在原导流墙内侧增设新钢筋混凝土导流墙。

(2)拆除泄洪道两侧与土石坝结合部位的大坝建基面以上部分受管涌影响的土石料(开挖深度为15 m)，并按照现代设计标准使用新材料和可再利用的材料来替换被清除的材料。此外，还要移除并替换整个大坝坝顶以下7 m范围内的土石坝材料，以降低大坝上部的管涌风险。原心墙(原心墙顶部比坝顶低1.5 m)也被加高到与大坝顶部齐平，以便遇极端洪水时能预防漫顶事故的发生。

经过升级改造，罗沃兰坝将能够抵御20 000 a一遇的极端洪水。

3 施工期风险控制

如此巨大的开挖工程需要严谨的施工计划，以降低建设风险。

项目经理指出，这是最优化的问题，到达工作面需要卡车及大型设备能运行，同时需要制定方案，以确保施工期该工程不被洪水淹没。

另外，以下问题还需得到解决：在项目正常运行的情况下，开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？如何准确地进行洪水预测？水库水位将会是多少？

为降低洪水风险，开挖工程实行轮班制，24 h连续作业。此外，相关部门还制定了回填工作面的应急方案，在该方案中充分考虑到开挖及重建过程中所有阶段的情况，确保暴雨天气情况下能够快速回填工作面。

项目经理还提到，何时启动应急方案是其难点之一，如果回填不及时，洪水涌入正在施工的工作面内，大坝就会有溃坝的风险，甚至会给下游带来严重后果。另一方面，如果判断失误，启动了本来不需要启动的应急方案，代价则太高。

回填成本高昂，而且可能将工期延至雨季和下一个夏季，这意味着将增加额外的建设成本及发电损失。

4 维持最优库水位

为使洪水风险降至最低，该工程选择在夏季施工，此时降雨量最少，罗沃兰水库的水位也已降至最低正常运行水位，以提供更大防洪库容，抵御突发强降雨。

与何时启动应急方案一样，在整个施工期间，确保在工程安全和尽量减少弃水的情况下，如何把握平衡并保持最优水位，也是个难题。 通过旁通阀下泄流量比较容易，但是所有计算过程都很复杂，涉及到不同库水位情况的蒸发损失及降雨补充等因素。

5 有效的洪水预测

先进的洪水预测预警系统是降低洪水风险的关键，该系统不仅能可靠地通知开展抗洪准备工作，保护在建工程，还可以准确调节罗沃兰水库的最优水位。为了开发该系统，塔斯马尼亚水电公司借鉴恩图阿(Entura)电力及水资源专业咨询公司的专家意见。

恩图阿公司的高级水文专家兼罗沃兰洪水预测系统项目经理解释道，罗沃兰洪水预报系统需要预测天气对施工现场的威胁是否迫在眉睫，及水库水位是否可能上升到触发应急预案水位，如果如此，则还要预测到达触发水位需要的时间。

触发应急预案的水位视工程施工的不同阶段而变化，但洪水风险级别一直保持不变。恩图阿公司的洪水预测系统将雨量数据和降雨预报结合后输入该流域的水文模型中，其中雨量数据来自流域周围7个遥测雨量计组成的监测网，降雨预报来自气象预报机构。

罗沃兰流域面积为344 km2，年平均降雨量为1 900 mm，该流域一旦饱和，强降雨将会使入库流量在几小时内急剧增加。为了降低该项目施工期洪水风险，塔斯马尼亚水电公司需要对原罗沃兰水库水位及流量预测系统进行大规模升级改造。

该系统需要采用先进的模型，并且能提供最优的预测结果。升级改造工作包括对降雨输入系统进行详查和升级、重建和校准入库流量模型，以及根据流量模型结果和水库调度规程开发水库水位运行模型。

升级后的整个模型程序自动运行，提前7 d发布预测结果，施工期间每隔2 h更新数据。此外，该系统还开发了绘图程序，以展示流域内降雨量预测最优值、入库流量及水库水位三者间的关系。水库运行管理单位可根据这些图表指导水库运行，维持合理的水库水位，降低施工期洪水风险。

该模型每天两次通过电子邮件将数据趋势报告及预测图表发送给现场施工组，同时这些数据也可以在网站上查询。如果预测结果超过预设的临界水位，就将触发洪水警报。洪水警报通过数据采集和监控系统(SCADA)传送到塔斯马尼亚水电公司每天24 h运行的总控台，同时还将通过手机短信(SMS)传送到大坝安全管理组以及现场施工组。

通过在模型中设置冗余和在大坝现场开发无需实时连接到数据库的独立系统，使该系统更加可靠，当该系统与大坝现场失去联系时，就会启用独立系统。

6 高置信度的洪水预报系统

采用安全及时的方法触发应急回填方案，要求洪水预报系统具有相当高的可靠性及精确度。

为确保重要部位的降雨和流量计正常运行，要求雨量计和流量计的任何维修养护工作都要严格按照时间计划表执行。同时也开发了计算机程序自动检查所有输入的数据是否有误，一旦检测出程序有误，将自动发出警告。若流域内关键部位雨量计的遥测数据确实失效，程序能够很快检测到此设备失效，以便立即派出直升机维修该设备。这些在此前都被认定为风险，而现在，这些纠正措施很容易理解且易于执行。

洪水预测系统输出的数据包括操作人员的运行指示、降雨预报和模型模拟结果。

通过将一个历史时期内的降雨量预报和雨量计数据相比较，研究出降雨预报不确定性因素。通过将历史降雨数据输入该模型并按照同一历史时期运行，其输出结果与实测水库水位相比较后，就可估算该模型的不确定性。

由于降雨量预测是导致该模型不确定性的主要来源，为确保模型的准确性，建立了一个专门处理流程，当触发洪水预警后，需要从气象局获取更详细的气象预报信息。这些额外的建议和信息对提高预报的置信度非常重要。

该项目大规模施工前，就已经在由国家应急事务局、警方、大坝安全管理机构以及其他利益相关者参与的演习中，对该模型和洪水管理响应机制进行了详细测试。

7 未来前景

该洪水预报系统主要是为罗沃兰坝改造项目而开发，且在实际建设期间发挥了良好作用。入库流量与同期的平均流量接近。

该项目的成功实践可供塔斯马尼亚水电公司水库洪水模型更新借鉴。

该洪水预报系统对该公司来说具有永恒价值。投运后，该系统转变为实时入库流量和洪水预报系统，以确保发电，并保证大坝风险管理的安全性和可持续性。

2015年8月，塔斯马尼亚水电公司的罗沃兰坝改造项目被澳大利亚项目管理协会授予建筑工程类的“2015年度塔斯马尼亚项目”。

周 荣 孙 言 译

(编辑：朱晓红)

2016-09-26

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