德国西尔弗斯坦大坝改造工程

德国西尔弗斯坦(Sylvenstein)大坝为土石坝，坝高48 m，坝长180 m，坝址位于深100 m的深切峡谷中，山体由白云岩组成，被伊萨尔(Isar)河切割后，峡谷内淤积了大量的沉积物。20世纪50年代，该坝施工期间利用7排灌浆帷幕解决了冲沟渗水问题。坝体中间防渗心墙由人工粘土混凝土(碎石、细砂、粉砂和1%的钠基膨润土)组成，并和坝体上下游面的冰碛碎石反滤层连接。河床卵石、斜坡及坝体表面的植被共同塑造了大坝的表面景观。

该坝于1959年投运，水库开始发挥防洪减灾作用，并在干旱季节向伊萨尔河补水，维持其流量，还为公共电网提供清洁可再生的电能，此外，西尔弗斯坦水库的美景对当地居民和外地游客都极具吸引力。该水库作为巴伐利亚(Bavaria)州最古老的国有水库，曾于1994～2001年进行了现代化改造，新建了第二条溢洪道，泄洪能力为400 m3/s，坝体加高了3 m，水库的防洪库容也相应增加了2 000万m3。

由于大坝位于冰川峡谷中，运行期间曾发生过沉降，导致大坝心墙出现了裂缝，1970年、1987年、1988年曾分别对坝体进行过灌浆补强处理。此后，技术人员对大坝防渗心墙进行了详细调查。大坝内部孔隙水压力传感器数据及测量分析结果表明，防渗系统可能发生了变化。此外，大坝之前的沉降及补强灌浆施工破坏了渗流量监测系统，无法确定渗漏的源头，因此新建一套渗漏监测系统十分必要。

1 修复理念

大坝升级改造措施包括新建高性能防渗系统和高精度渗流监测系统。通过这些措施，可使大坝运行50a后恢复到先进状态，从而应对气候变化带来的影响和由此导致的大洪水。

直到2009年，巴伐利亚水资源管理部门还在对西尔弗斯坦大坝升级项目进行初步审议，2011年完成规划设计并开始实施，2015年完工。

升级改造过程主要分以下3个步骤：①2012年，在防渗心墙下部、坝基上游部位，布设一道深70 m的防渗墙；②2013年，新建一条基础廊道，包含交通廊道、始端竖井、终端竖井；③2014年，在防渗墙与基础廊道之间布设54根长约41 m的排水桩。

在整个施工阶段，西尔弗斯坦水库需要继续完成其主要的防洪任务，并维持低水位运行。

2 防渗墙施工

通过一系列钻探工作(总深度140 m)，查明了河谷冲积层主要由砂层和卵石层(含少量粘土)交替组成，局部分布湖相泥灰岩沉积层。基础范围内岩土体渗透性差异较大，曾进行过灌浆处理，灌浆材料为粘土水泥浆。

为防止内部侵蚀破坏，保证坝体稳定，防渗墙设计最小深度为60 m，但最终选定防渗墙深度为70 m，从而使得防渗墙能延伸至湖相泥灰岩中，并成为一个整体，且现有的技术和设备能够实现这一目标。

考虑到防渗墙的设计深度，防渗墙的宽度选定为1 m，材料为粘土混凝土，分两个阶段施工。为了保证在较短时间内完成10 000 m2防渗墙的施工任务，作业人员采用连续墙开槽机及抓斗同时施工。为了打开施工所需的工作面，在坝体下游增设倾斜式挡土墙，将坝顶加宽了4 m。

单个防渗面板的宽度为3.2 m，两个阶段面板施工所需的重叠区域为40 cm，最终62个面板组成了长170 m的防渗墙。位于心墙部位的上部防渗墙(深约35 m)通过液压抓斗施工，而其下部至深70 m的部分，以及防渗墙延伸至两岸岩体30 cm的部分则通过液压双轮铣施工。防渗墙从坝轴线移向下游2 m，以避免成槽设备施工期间碰到下部的老金属灌浆管，因此大部分前期心墙防渗体都可完整保留下来。

防渗墙施工期间，利用现有的渗流监测系统，通过观测点加密监测大坝及坝基的渗漏情况。因此，在新的渗流监测系统尚未建成前，也可在短期内验证已经施工防渗体的防渗效果。施工期间，西尔弗斯坦水库的正常蓄水位降低了约5 m，但可以维持其基本功能(汛期防洪和旱季补水)。

3 基础廊道和排水桩施工

为了建设基础廊道，需要在坝脚白云岩中建造一条长80 m的交通隧洞，并在其末端开挖始端竖井。廊道采用隧道掘进机(TBM)施工，避免了爆破作业，由于岩体稳定性较好，基础廊道除了采用喷射混凝土支护外，无需额外的支护措施。

在16 m×8.5 m×7.5 m(长×宽×高)的始端竖井中组装推进器，从而推动整个TBM(直径为 3.5 m)前进。预制钢筋混凝土管也安装在长190 m的基础廊道内。

每段预制钢筋混凝土管重18 t(长 2.8 m、外径3 m、内径 2.4 m)，直接在TBM后面利用液压推进装置安装，相邻的预制钢筋混凝土管通过环链相连接。安装前，利用带橡胶圈的不锈钢箍进行密封止水。

终端竖井长约20 m，深41 m，垂直于廊道轴线，直径为 6.5 m,须提前在基础廊道末端使用钻爆法开挖施工，这样TBM才可被拆成两个部分吊出。该终端竖井现在被用作紧急出口。

历经16 d的挖掘，TBM到达终端竖井。在基础廊道施工前，作为保护措施的新建防渗墙已经完工，因此廊道挖掘施工期间，水库可保持正常水位运行。

基础廊道施工初期，2013年暴雨引发了大洪水，由于西尔弗斯坦水库预留了防洪库容，伊萨尔河流向慕尼黑的洪峰由不拦洪的1 300 m3/s削减至770 m3/s。伊萨尔河沿途未发生重大破坏情况。新的防渗墙可在很长一段时间内减少大坝的渗漏量。由于多瑙河(Danube)沿岸堤坝超负荷运行，甚至出现了两处决堤，堤坝也需要新建防渗墙。

2013年8月3日，西尔弗斯坦水库可控的防洪库容达到了其总库容的 99.7%，蓄水量达到了6 100万m3，整个水库几乎被蓄满。水库的最大入库流量为675 m3/s(2013年6月2日17：00)，而此时最大的允许下泄流量仅为60 m3/s，精细的水库管理和水库下泄流量限制，保障了该区域下游慕尼黑-弗赖辛(Freising)-兰茨胡特(Landshut)等地区的用水需求和多瑙河流向帕绍(Passan)的最小流量。

为了将大坝渗流值降至最小，2014年5月，深41 m的排水桩开始施工，位于防渗墙后，距基础廊道约 1.2 m。通过钻机将54根排水桩安装在直径为900 mm的钻孔中，相邻两根排水桩的轴心间距为 2.8 m，同时在排水桩中设置了开槽管，用于汇集渗水，并流入基础廊道中。

基础廊道中安装的仪表可永久监测整个坝体断面的渗流量。

4 经验总结

西尔弗斯坦水库运行50 a后，在坝体及坝基部位新建防渗墙，并安装了精确的渗流监测系统。在正常运行的大坝中建造深70 m的塑性混凝土防渗墙，并深入两岸坝基岩体，这在德国尚属首次。通过在新建基础廊道内安装监测仪，可以监测坝体渗漏情况。排水桩施工是从坝顶通过坝体打入致密的岩石中，并深入两岸岩体，整个施工过程未影响水库的正常运行。通过升级改造，西尔弗斯坦水库可以安全应对未来可能发生的大洪水，2013年6月的洪水事件就已证实了这一点。

除了控制功能外，有必要增设连接基础廊道和坝基之间的钻孔，并增设监测点，以更好地监测坝基的渗压和渗流情况，为灌浆等其他施工提供技术支撑。通过对西尔弗斯坦大坝的升级改造，保障了巴伐利亚州确信伊萨尔河、慕尼黑市区以及巴伐利亚下游地区的现代防洪标准。为使役龄超过50 a的老坝满足现代技术及德国标准化学会(DIN)标准，巴伐利亚州合理利用了2300万欧元预算，完成了这一目标，其中欧洲区域发展基金提供了50%的融资支持。