瑞士大坝安全管理的启示

隆文非 李晓鹏 刘安康 钟晓强

(1.四川省都江堰外江管理处,四川,崇州,611230;

2.四川省水利科学研究院,成都,610072;3.四川省农田水利局,成都,610015)

1 瑞士大坝基本情况

瑞士是欧洲中西部的一个内陆国,东与奥地利、列支敦士登接壤,南邻意大利,西接法国,北连德国,东西长348km,南北距220km,国土面积4.1293万km2,人口约720万,总共有26个州(Canton)。境内高山林立,地势南高北低,南部地处欧洲屋脊阿尔卑斯山区的面积就占国土的60%以上。

瑞士人从19世纪中叶起就开始在阿尔卑斯山区雪线以下有利地形处筑坝拦截水流兴建水库和蓄水池,并通过地下隧道引入高山冰雪融水一同发电。其大部分的水坝项目位于阿尔卑斯山的中上部高程,水坝类型为混凝土重力坝(38%)、拱坝(26%)、土石坝(35%)、支墩坝(1%)。目前瑞士共有各类大坝1117座,瑞士联邦直接管辖202座(包括蓄水水头大于25m,蓄水水头大于15m且库容5万m3以上,蓄水水头大于10m且库容10万m3以上或库容50万m3以上的大坝)以及20座河道上的闸坝,995座小坝由26个州政府负责。直管大坝由瑞士联邦能源署聘请专业工程师监控。瑞士水库工程的首要目标是发电,其次是防洪、供水和灌溉。

笔者在2010年11月上旬考察了瑞士7座水坝,均位于阿尔卑斯山脉河流的中上游高海拔地区,海拔高程在1600m～2400m左右,坝高较大,但流量和库容均不大,淹没相对较小。在罗讷河支流迪克桑森斯河上,有世界上最高的Grande Dixence混凝土重力坝,坝高285m,总库容4亿m3,控制流域面积357km2。坝址处河谷呈V形,冰川融雪是水库储水的主要来源,水库水位季节性较强。为了增加水库水量,建有4座总装机为186MW的泵站,利用低能耗时段抽水,通过长达100km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m3,消耗电量约3.8亿k W.h。库水引至下游4座总装机200万kW的水电站,使得整个地区的水资源以峰值能量的形式得到充分利用开发。

2 瑞士大坝建设与管理的主要做法

2.1 健全的法律法规

瑞士联邦政府对大坝安全高度重视,早在1916年,联邦政府就制定了关于开发利用水资源的法律,1957年又根据联邦法律有关原则制定了《瑞士水利工程管理法规》(即大坝法规)。该法规由5个部分33项条款组成,将大坝安全管理制度作为国家法律执行。目前实施的《大坝法规》是1971年颁布的。

瑞士大坝安全的法律与行政管理,是基于1877年6月22日颁布的《瑞士联邦水工程治安法》,由此制定了《大坝安全条例》。现行的《大坝安全条例》对以前条例进行了修改,自1991年1月1日起施行。其适用范围取决于特定坝的几何标准(坝高与水库库容)及其对下游地区(受淹区)可能造成的潜在破坏,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)的职责。

2.2 完善的水坝安全体系

瑞士对人身和财产安全的重视非常深入人心,对水坝的安全尤其如此。他们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,其使用寿命一般都能达到100年,像闸门和阀门等构件一般使用40～50年就得更换。

瑞士对大坝的安全监测管理采取4层管理体系,即运行管理的检查和监测、业主代表的检查分析、咨询专家(政府认可的)的检查分析和联邦政府监督管理。大坝安全检查由联邦政府、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。大坝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。

2.3 完整的大坝监测系统

瑞士大坝的监测,建立了人工与自动监测相结合的监测系统,有一套完整的库水位与大坝变形、渗流量等方面的关系图。同时,重视人工检测制度,不完全依赖电气仪表。即不是所有观测仪器都采用自动检测,只有那些能独立判断坝体安全的观测项目,如坝体挠度、温度、渗水量、地基多点变位及扬压力等,才设置自动化信息采集系统。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。

2.4 有效的预警系统

在瑞士,已经有65座大坝安装了洪水报警系统。第一批报警系统大约是在50多年前设立,考虑的主要威胁是战争。近年来,技术发展迅猛,洪水报警系统利用在设备和通信方面取得的新发展,针对许多大坝不再进行昼夜监测,偏远地区的大坝冬季无人值守,发生紧急情况如特大降雨期间或地震时通向大坝的交通无法确保畅通的问题,以及为了防止出现假警报,警报器通常不处在工作模式,即只有达到预定报警等级时才能启动等。在瑞士,对近场洪水波与远场洪水波作了区分,前者定义为洪水波在2h内行进的距离,后者则为2h以上的行进距离。大坝业主负责近场的洪水报警设备,远场设备则使用普通的民防警报器,到目前为止,还没有发生必须疏散人员的紧急情况。一年一度的演习只有各机构与大坝业主参加,其目的是检查报警设备是否运行正常。

2.5 积极而慎重的事故水坝处理措施

根据对监测数据的分析,及时发现大坝运行中存在的问题,慎重采用加固方案。我们现场参观的86m高的Les Toules拱坝和25m高的Fionnay土石坝,瑞士都根据长期监测的结果并认真分析、反复论证后,才采用非常慎重的方案进行了除险加固。

3 启示与建议

3.1 完整的大坝安全管理体系是做好大坝安全管理工作的前提

3.1.1 必须将大坝安全作为一个整体概念考虑。瑞士大坝安全管理的理念非常清晰,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。我国目前也逐渐将大坝安全作为一个整体概念来考虑,《水库大坝安全鉴定办法》(1995年发布,2003年修订)和《水库大坝安全评价导则》(2000年)将大坝对下游的影响作为一个重要因素来考虑,但在实际工作中未将洪水风险图等纳入安全评价的内容,只是将结构安全标准进行了适当提高。因此,在以后的水库大坝安全评价中,应将结构安全、监测安全、运行安全及应急计划等硬性纳入,应更加明确小型水库的应急预案及编制,特别考虑其可操作性和适用性。

3.1.2 必须有一个明确的安全理念。大坝安全管理应以风险管理为理念,从水坝规划设计开始,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;在运行管理上,不断更新完善风险图,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维护以及听证或监管,应急预案包括各种应急状况,通过检查和监测,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。

我省现有水库6700余座,其中绝大多数是小型水库,建设标准较低,目前多数已带病运行。中央及省等各级自2000年以来加大了对这批水库的整治力度,在防洪标准、结构安全上提高了安全等级。但多数小型工程由于经费原因,仅对大坝、溢洪道及放水设施等主体工程结构进行了加固,而观测设施等没有得到有效的设置。四川2008年以来形成的2069座震损水库,目前虽然其主体工程已基本完成,但小型水库仅布设了水位、位移、沉降和渗流量等简易监则设施,且靠人工进行观测,无自动化监测和数据传输系统,水库遇险时的报警方式也是各个水库根据具体情况约定。因此,我们在以后的工作中,应该把大坝安全提到公共安全的高度,通过法规建设和风险管理,尽快把高风险水库的风险水平降下来。特别是目前小型水库,对下游公众生命和财产的威胁过高,公共安全还达不到风险准则要求,要加强大坝运行监测与观测分析,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。

3.1.3 法规建设要完善。瑞士的大坝安全条例规定了涉及大坝安全的相关各方职责,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,大坝安全机构依据《大坝安全条例》,发布了大坝标准、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。20世纪80年代以来,我国加大了水库管理法规与技术标准体系的建设力度,目前已初步形成了以《水法》《防洪法》等为基础,以《水库大坝安全管理条例》为骨干,以一系列规章、规范性文件和技术标准为辅助的较为完备的水库管理法规与技术标准体系,为水库管理的法制化、规范化奠定了基础。依据有关法律法规,建立了水库大坝注册登记制度、水库大坝安全鉴定制度等一系列行之有效的水库管理制度。各地方也相继出台了相应的管理办法。但我省目前尚未形成一套行之有效的、完整的法律法规和管理制度体系。为此,应专门针对水库大坝安全管理,形成一套严密、完整的安全管理体系,将大坝的结构安全、监测安全、运行安全、风险管理及应急等全部纳入其中。

3.2 大坝安全监测尤为重要

水利水电工程安全监测的目的在于:监视工程安全(通过安全监测,可以及时获取第一手资料,评价水利水电工程的安全状况,实现对工程的在线、实时安全监控,并为实施安全预警和制定应急预案提供基础);服务工程效益(通过安全监测,可以及时了解和掌握水利水电工程的工作性态,发现工程的异常迹象,制定工程的控制运行计划和维护改造措施,为充分发挥工程经济效益提供技术服务和安全保障);检验设计和施工(通过安全监测,可以认识水利水电工程监测效应量的变化规律,对基本理论、设计方法、计算参数等作出验证,对施工措施、材料性能、工程质量等作出验证)。因此,必须加强大坝的监测系统建设,提高水库大坝管理及工程技术人员水平,更好地开展人工观测及巡查,以及加强对现有大坝观测设施的维护,使大坝的监测数据更加可信,为专家决定提供可靠依据;特别应专门针对量大面广的小型水库,开发一些实用、可靠的观测设备、观测数据传输系统和分析系统。

3.3 大坝加固措施必须慎之又慎

在瑞士对于出现问题的水库大坝,制定加固措施非常慎重,只有在彻底找出原因后才进行加固。

我省水库的除险加固,由于时间紧、任务重,往往是从安全鉴定到除险加固完成的周期都比较短。特别是震损水库,要求三年任务两年完成,从险情核查到加固设计都加快了脚步,由于设计单位和专家都比较馈缺,致使加固施工中存在较多的设计变更。因此,结合瑞士和我省对病险水库除险加固所采取的措施,要求安全评价单位的技术人员必须认真分析观测资料,同时对大坝做必要的取样试验和钻探;安全评价的专家,要认真审核有资质的设计单位提供的安全评价报告,认真做出结论;水库大坝的主管部门必须认真对待大坝安全评价的结果;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、积极进行。

3.4 大力开展大坝风险分析与管理技术研究

目前大量水库大坝已经运行数十年,老化问题比较突出,这些都说明我省水库大坝的风险实际上很高。小型水库虽然库容小,但由于溃决的概率大,实际风险并不小。再加上绝大多数小型水库由于历史的原因,没有完善的设计、施工、运行管理、水文和安全监测资料,进行安全鉴定的难度非常大。因此,各级水行政主管部门必须清楚地了解所辖水库大坝的风险程度,以便进行投资决策。我省目前小型水库无资料,采用工程措施来增加水库大坝的安全性,经济上是不现实的。工程和非工程措施的有机结合可以大大降低风险程度,实施水库大坝的应急预案会起到事半功倍的效果,可以选择性地采用风险评价和管理技术,尽快降低我国水库大坝目前的高风险。四川省处于地震高发区的水库,对其进行风险评估意义尤为重大,必须尽快开展。

3.5 加强国际合作

对于大坝安全管理,必须加强和先进国家合作,把外国专家请进来,培训一批技术干部,在较短的时间内迅速提高他们的技术水平,并完善我省的安全管理体系。针对中瑞“大坝安全加固”(DaSEP)项目,建议在四川现有水库中选择2个位置重要的、条件好一点的水库开展水库大坝安全监测,同时对四川基层管理人员进行培训,以加快四川省水库大坝安全管理制度建设。

■