以提高安全性为目标的南非大坝的升级改造

[南非]

W. 拉莫科帕 等

以提高安全性为目标的南非大坝的升级改造

[南非]

W. 拉莫科帕 等

分析了南非水利与卫生部所辖大坝的安全现状，总结出4个方面的安全风险，即溢洪道容量不足、坝坡稳定性问题、维护不充分以及泄流能力不足。利用基于风险的决策模型和方法，确定了需要改造的大坝。概述了大坝改造和升级过程中遇到的困难和问题。通过工程实例，介绍了大坝改造工程的具体实施措施。总结认为，南非大坝改造工程虽然成本高、难度大，但势在必行，且可通过科学方法实现既定目标和效益。

大坝；坝安全；安全风险；改造工程；南非

水利与卫生部(DWS)是南非水资源的主管部门，拥有并管理着境内320座大坝。作为该国大部分大坝的所有者，DWS应遵守《大坝安全条例》，该《条例》于1987年生效，2012年2月24日由政府139号令修订。

DWS所辖大坝一直在进行翻修和维护，但是由于资金不足，项目进度落后于实际需要。在2004～2005年，需要改造或升级，以达到最新大坝安全标准的部管大坝数量累计达160座。政府要求DWS在其所辖大坝中实施改造项目，使大坝达到可接受的安全标准。因此，开展了大坝安全改造项目(DSRP)，所需资金来自政府财政拨款。大坝集中改造始于2005年，并且计划在未来仍将继续进行。本文阐述了确定大坝是否需要改造的决策过程，并介绍了一些改造工程实例。

1 大坝安全问题

如上所述，被鉴定为存在安全问题的大坝数量较多，存在的问题如下：①溢洪道设计容量不足；②坝坡稳定性问题；③许多大坝在没有得到维护的情况下持续运行最终导致结构性安全问题；④大坝泄水系统泄流能力不足。

要了解这些问题产生的原因并加以解决，需要考虑过去100 a的大坝设计历史，以及当时南非宪法的规定。

20世纪80年代，DWS的大坝建设达到高峰，但到90年代末急剧减少。因此，大坝工程经历了从设计和建设到维护和改造的转变。另外，混凝土坝建设于20世纪60、70年代达到高峰，土石坝的建设高峰是在20世纪80年代。

大坝安全问题可以分为4种典型类型，以下列出了各种问题在160座大坝中均有所体现(总比例超过100%，因为许多大坝存在不止一类问题)。

(1) 80%的大坝溢洪道容量不足；

(2) 10%的大坝存在坝坡稳定性问题；

(3) 60%的大坝维护不充分，最终导致大坝安全问题；

(4) 80%的大坝泄水系统泄流能力不足。

1.1 溢洪道容量不足

大坝设计时做出的一项主要假设与水力学条件有关，该假设对大坝挡水尺寸和溢洪道尺寸有较大影响。水文分析的结论通常是专家争论的焦点，产生不确定性或争议的基本原因是缺乏精确的数据和长期的历史记录。然而，基于弗朗科-雷迪尔(Francou-Rodier)方法，获得历史最大洪峰观测数据，开发出极端洪峰的实证预测方法，这对解决上述问题起到了极大的促进作用。

超过一半的部管大坝位于原先的“黑人家园”(译者注：指过去在南非种族隔离制度下黑人有一定自治权的地区)中，该区域1994年以后才纳入DWS的管辖范围。尽管与大坝安全相关的法律法规是在1986年颁布的，但在1994年后才适用于这些地区。1986年后的大坝设计标准以及DWS在大坝安全法规、条例和南非国家大坝委员会(SANCOLD)指南生效前遵循的设计标准，并未在“黑人家园”实施。当时各“黑人家园”政府负责各自的设计准则和标准。大多数被认定为溢洪道容量不足的大坝是DWS从以前的“黑人家园”上接管的。

大坝安全法规及相关规定于1986年颁布，1987年初生效。绝大多数部管大坝建于1986年以前，也就是说，在建造那些大坝时并没有全国通用的大坝建造标准和指南。

在谷洼(Gcuwa)大坝、沃科铺普(Vaalkop)大坝和柯麦伦布(Kromellenboog)大坝改造中，采用加筋土，通过增加非溢流坝顶高程，成功实现了溢洪道扩容的目的，可谓是能经济有效增加溢洪道容量的方法。

其他方法是增加现有溢洪道的宽度，并运用新材料，以提高坝坡稳定性或非溢流坝顶高程。该方法成功应用于娜米(Nsami)大坝、裘尼斯波(Chuniespoort)大坝、玛莎山夏恩(Mashashane)大坝和格棱(Glen)大坝的改造中。

博世波(Bospoort)大坝溢洪道的机械闸门被拆除，另外设置了2座迷宫式溢洪道，以增加泄洪能力。在摩洛颇(Molepo)大坝则运用毛石混凝土(RMC)砌筑溢洪道，以增加泄洪能力。

1.2 坝坡稳定性问题

DWS管辖的大量土石坝，尤其是那些从“黑人家园”接管的大坝(绝大多数为一类坝和二类坝)，被设计成均质坝，其中部分坝体中筑有混凝土心墙；尽管有些设计图显示，在施工时坝壳由高渗透性材料填筑，但检测表明大部分坝段为均质坝。

两个因素显示这些大坝的潜在稳定性问题，一是背水坡出现轻微隆胀，二是背水坡可视的散浸现象。某些情况下，浸润线几乎与正常蓄水位等高。隆胀有可能是坝基沉降导致的，必须研究如何防止可能的溃坝。深入研究揭示，大多数有上述危险信号的大坝存在坝坡稳定性问题，在标准载荷下安全系数(FOS)为1～1.2，在极端荷载下安全系数低于1。

当年许多大坝是依据经验法设计的，尤其是一些小型坝。实际上，设计这些大坝时无一考虑坝坡稳定性问题。假设教科书设定的地下水位大约达到稳定条件时FSL的1/3，则这些大坝基本上能够满足坝坡稳定的安全标准。

此外，是一些坝体不同部分的过渡层存在问题。这些土层通常出现在使用了不同建筑材料的位置。有的土层含水量过多，导致夯实出现问题；有的土层过于干燥，在填筑下一层之前未得到恰当处理。

1.3 维护不充分

绝大多数“黑人家园”中的大坝建于1970～1985年。1994年之前，一直由当地政府负责这些大坝的运行和维护。大部分大坝一直未得到妥善维护，因而损坏严重，最终导致安全风险。1994年以后，南非接管这些大坝，随后由DWS运营。当时，随着政权更迭，未能立即开展积压的维护工程。由于维修资金不足，在1998～2000年间，仅仅完成了存在问题的量化统计。2003～2004年，政府认识到包括大坝在内的基础设施已经普遍严重受损。大坝维护不充分的主要原因是缺乏资金和技术团队，主要包括以下问题。

(1) 土石坝和溢洪道上树木丛生。树根深扎进坝体，向着迎水坡方向持续生长，并且不断长粗。现实的风险是，如果这些树木死亡，堤坝里的根系腐烂，将形成潜在的穿透坝体的渗透路径；随着时间的推移，腐烂的根系很容易导致管涌破坏。溢洪道上的植被会导致泄水槽表面粗糙和堵塞，降低泄流能力。

(2) 土石坝的护坡工程被忽视。一些坝段由松散的土壤夯筑而成，如果未能恰当地防护和设置反滤层，坝体的大面积侵蚀将不可避免。

(3) 各部管大坝背水坡被草覆盖，以草充当护坡。修建大坝时，背水坡面上铺盖了表土层，并播上草种。特别是农村地区的小型坝，极少用栅栏围挡坝身。由于背水坡地下水的长期浸润，草料生长繁茂，对牲畜很有吸引力。牲畜长期在堤坝上吃草，在背水坡上会形成其通过的小道。在这样的小道上，降雨积聚成水坑，雨季背水坡面最终形成饱和水层，导致坡面失稳或侵蚀。

1.4 泄流能力不足

在160座被认定为应当进行安全改造的大坝中，超过80%存在泄水系统设计泄流能力不足的问题，且老化损坏情况相当严重。多数情况下，由于大坝泄水系统的设计方式问题，难以靠近需要拆除和翻修的机械元件，因而维护泄水系统费时费力。维护保养机械部件的工作难以落实。泄水系统中设备的拆除和维修不到位或从未进行过，且存在控制阀维护不足等问题。

许多大坝设计时，未考虑如何到达泄水系统进水口的问题。维护和检修进水口的唯一方式是安排潜水员，这种方式使得检查或维护变得非常困难和昂贵。此外，水下维修时要确保合适的质量控制非常困难。简而言之，这些大坝的进水结构只能在低水位运行，因此通常会导致泥沙淤积。

为了节省资金，大坝工程师在设计阶段往往忽视大坝泄水系统，大坝设计工程师应当切记，作为大坝的组成部分，泄水建筑物与坝体本身一样重要，应当得到足够重视。大多数情况下，没有泄水建筑物的大坝会丧失其基本功能。实际上，基础设施建设费用在其整个生命周期成本中占比很小，切不可为了节省初期建设成本而建设难以甚至不可维护的基础设施。

2 决策过程

1977年，南非决定制订大坝安全规程。终于在1986年，针对存在安全风险的大坝颁布了《大坝安全条例》，并提出了基于风险决策模型和方法的部管大坝概率安全性评价方法。1987年，DWS正式批准在其所辖大坝中实施基于风险的大坝安全管理方法。此后，该方法不断得到修订和更新。下面将具体讨论该方法的一些重要方面。

尽管南非大坝安全法规不强制要求开展风险分析，但自20世纪80年代以来，“零水平”风险分析已经成为DWS每5 a一次的强制性大坝安全评定的标准组成部分。“零水平”风险分析属于一种快速评估大坝风险资料的桌面研究。仅在溃坝可能性较大或风险标准要求精确评估溃坝概率时才进行更高级别的风险分析。大多数情况下，要达到可接受的设防标准，大坝改造工程的成本都比较高。一般而言，每年都会为其安排一定额度的年度预算。大坝安全工程师的任务之一是避免非必要支出，利用有限的维护经费，带来最优的结果，因为有些案例表明，大坝维护的经济效益(即降低风险的成本)低于事后维修工作的成本。

利用基于风险的决策模型和方法的结果，确定维修项目的优先顺序，这一过程可分为5个步骤：①判定溃坝概率；②开展溃坝分析；③评估溃坝潜在损失，评价溃坝影响和风险水平；④运用多标准决策模型判定优先顺序；⑤呈现事实。

基于风险的决策模型的部分主要概念包括：①人身伤亡；②经济损失(含直接经济损失和间接经济损失)；③社会经济价值；④社会重要性；⑤生态影响。

最初认定为需要进行改造或升级的大坝数量为160座，运用基于风险的决策模型评估后，该数量减少为82座。

3 挑 战

无法预料的工程条件是土木工程项目固有的问题。而大坝改造工程，因地下条件未知且缺乏改造部位的竣工图，尤其易受工程条件无法预测这一因素的影响。这导致咨询工程师和承包商经常变更方案和项目。

3.1 图 纸

如上所述，许多需要改造的大坝是从先前的“黑人家园”接管过来的，多数文档在1994年移交时遗失。多数大坝都没有设计图，更不用说竣工图。所有这些需要改造的大坝都相当老旧，其建设和完工早于电气时代。大部分设计图和其他文档都是打印稿或胶卷，因此难以恢复这样的图纸。

3.2 报 告

多数情形下，这些大坝既没有竣工报告也没有设计报告，因为在当年建造大坝时，这些文件并非必需，在《大坝安全条例》颁布后才成为必备资料。

3.3 设 计

由于大量原始工程信息不全，改造工程的基础设计必须做出多种假设。施工过程会出现新的可用信息，因此设计也会随之变更。同时施工中还会遇到许多意外情况，这就要求设计师和施工承包商灵活性很强。例如在开挖某管道时，发现其被混凝土包覆，而之前可用的设计图并未显示这一点。再比如，在拓宽某堆石坝以提高坝体稳定性的过程中，坝趾清基刚一开始，背水坡面就发生脱坡，因而不得不改变堆石料的填筑方式。

3.4 设计变更

施工过程中，新信息带来的频繁设计变更使合同管理变得很困难。由于DWS内部的技术能力有限，大量改造工程方案的设计和合同管理工作被分配给咨询公司。伴随新信息的出现，施工范围的频繁变更使咨询公司发出了许多合同变更单(VOs)，这也是其挑战一。

3.5 施工承包商

由于施工范围频繁变化，政府决定由DWS内部施工单位优先承担这些改造项目。该内部施工单位规模相当大，也能够同时承担若干重大改造项目，但主要问题是，其公共服务项目的运营经验并不适合施工类项目。

尽管不同主体通过该内部施工单位发挥作用时，存在不同的契约关系，但委托人和承包商之间仍需保持明确界限。而大多数情况是，DWS既是委托人也是承包商，设计师、委托人和承包商可以紧密合作。因为内部承包商主要关注的不是利润，而是改造工程质量和维持长期客户的基础，其走捷径的需求不如私人承包商那样迫切。因此，委托人和工程师相信，内部承包商会比私人承包商更能够按照计划和规范实施。制定并有效执行明确的质量保证计划对建立和维护这种信任关系至关重要。这种方法优势明显，但仍需注意在不同主体间划分界限，以确保职责不会冲突，义务属于分别授权的独立个体。尽管参与大坝改造工程的不同主体之间的交流可能非常自由，但仍应按照一定规范进行交流，并保存需求和决策记录。为了能够将施工单位的业绩与基准进行比较，并持续提高其业绩，保留精确、详细的成本报告是非常重要的。

4 改造项目实例

4.1 艾兰兹骓夫特拦河坝

位于大鱼(Great Fish)河的艾兰兹骓夫特(Elandsdrift)拦河坝，是为南非大都会区等地供水的重要导流建筑物。在之前的大坝安全检查中，发现了影响该坝安全的各种问题，如防洪能力不足，尤其是在大型弧形闸门无法运转时。其他安全问题还包括：一旦辅助溢洪道启用，通往伊丽莎白港的主要铁路线极有可能因漫坝而损毁，背水坡坡脚受侵蚀还可能造成溃坝。水力机械等泄洪弧形闸门损坏或操作失误，会进一步加大漫顶风险。解决这些问题的措施是关闭铁路线一侧的副溢洪道，采取破垸分洪措施，即在主坝打开一个缺口，在坝趾利用喷射灌浆水泥土和常规混凝土修筑重力式结构。该混凝土重力结构建在冲积土层的潜水层之下，即使当洪水期分洪口溃决时，也可通过左岸水道向各用户供水。

4.2 摩洛颇大坝

摩洛颇大坝形成的水库可为当地社区供水。鉴于维护严重不足导致大坝条件很差，且溢洪道容量不足的问题，采用了新方法，即毛石圬工多扶壁拱形溢洪道来解决。这也为当地提供了大量就业机会，缓解了其高失业率的问题。此外，还通过抛石护坡来稳定和防护原本受侵蚀严重的土坝坡脚。

4.3 裘尼斯波大坝

(位于北部省的)裘尼斯波土坝受到极为严重的侵蚀，其溢洪道容量也不足。通过乱石护坡对坝体进行改造和保护。为了增加溢洪道泄洪能力，通过毛石圬工新建溢洪道和胸墙。

4.4 博世波大坝

博世波大坝以前安装了弧形闸门。由于机械设备性能差，无法开展正常的维护工作，加之维护措施不到位，许多闸门已无法启动。当时决定对所有安装了闸门的大坝进行全面维修，计划拆除旧闸门并改造成开敞式溢洪道。尽管该方案并不适用于所有情况，但在博世波大坝得以成功实施。通过乱石护坡对土质侧翼进行了整修和防护。拆除了弧形闸门，在该部位建造了迷宫式溢洪道。新建的溢洪道泄洪能力仍然不足，为此另建了一座副溢洪道。

5 结 语

DWS的基于风险的大坝安全管理方法效果良好，保证了确需改造的大坝得到维护。

过去，DWS的大坝设计以保守著称，但是考虑到当前的标准和指南，保守设计并不可取。时间证明，以如今的安全和国际通行标准和指南来衡量，南非的许多大坝的设计标准偏低。而且由于未来多种因素的影响，其规程和指南将更加严格。

大坝改造耗资巨大且难于实施，在下列情况下将更加困难：①需扩容或更换泄水系统；②在无法降低坝前水位时却又必须安装新的检修闸门；③混凝土拱坝出现地质基础问题；④需大幅度增加溢洪道容量。大坝作为一种基础设施，其寿命难以预测。

当大坝完成其功能或达到使用年限后，不能像其他建筑物一样，立刻被拆除或替换。现存大坝的历史可能超过几代人，因此，需要探寻大坝的维护和管理方式。大坝设计师必须考虑未来需求，而不能仅仅依照当前的短期(20～50 a)需要。

王郁夫 周 波 译

(编辑：陈紫薇)

2017-01-15

1006-0081(2017)05-0041-04

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