崔弘毅，薛建軍編 譯

（1.國家電力監(jiān)管委員會大壩安全監(jiān)察中心，浙江杭州 310014；2.中國機械設(shè)備工程股份有限公司，北京 100055）

0 引 言

瑞士對資源綜合開發(fā)利用非常重視，尤其對水能資源，已經(jīng)開發(fā)了近88%的經(jīng)濟可行性水電潛力。瑞士大部分的水壩項目位于阿爾卑斯山的中上部高程，水壩的類型為混凝土重力壩、拱壩、土石壩、支墩壩，其比例分別為38%、26%、35%、1%。目前，瑞士聯(lián)邦管轄下的5～285 m的大壩有217座，庫容從5萬m3到4億m3不等，壩高大于15 m有153座，大于100 m有25座，大于200 m有4座。州政府管轄的水壩153座。這些水壩85%屬水力發(fā)電工程。

瑞士的現(xiàn)代大壩修建始于135年前，一直到上世紀(jì)70年代進入停滯狀態(tài)。從那時候起，幾乎不再建造任何新的大壩。但實施了兩座主要拱壩的加高和一些大壩的補強加固工程。現(xiàn)有大壩的平均壩齡為50 a（見圖1）。一般，水電項目的許可權(quán)年限為80年，因此，對幾座稍老的水電站（主要是徑流式水電站）進行了補強加固，以使許可權(quán)繼續(xù)有效。補強加固過的水電站的預(yù)期服役年限是160年。他們必須達到現(xiàn)行設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和安全標(biāo)準(zhǔn)的要求。

現(xiàn)行安全標(biāo)準(zhǔn)中，除了關(guān)注壩齡外，主要關(guān)注點還有洪水和地震安全，在大多數(shù)大壩修建的年代，并沒有這些標(biāo)準(zhǔn)。長服役期限的前提是大壩和附屬建筑物的結(jié)構(gòu)安全。

圖1 兩座連續(xù)運行約50年的大壩Fig.1 Two dams have been in uninterrupted use for some 50 years

根據(jù)經(jīng)驗法則，只要保證科學(xué)合理的維護，大壩的服役年限可以足夠長，但沒有維護和不進行監(jiān)測的大壩應(yīng)另當(dāng)別論，實例就是格魯吉亞272 m高的Enguri拱壩——世界上最高的拱壩，上世紀(jì)90年代早期，由于內(nèi)戰(zhàn)和獨立期間社會動蕩而疏于維護，結(jié)果大壩安全狀況快速惡化。該實例表明，甚至對于新壩，幾年時間之內(nèi)也可能變得不安全。

對于設(shè)計精良、施工質(zhì)量好、維護和監(jiān)測都得當(dāng)?shù)耐潦瘔渭盎炷翂?，其服役年限可以輕易達到100年。但有些元件如閘門和閥門等，四五十年后就需要替換。電氣設(shè)備和電子控制單元的服役年限則短得多，其中一些元件的更換頻率和電腦一樣，因為他們技術(shù)上已經(jīng)過時，無法進行維護。

文章中討論的大壩安全綜合概念主要包括四方面內(nèi)容：結(jié)構(gòu)安全、監(jiān)測安全、運行安全和應(yīng)急預(yù)案。前三方面內(nèi)容已經(jīng)被大家所熟知，但對應(yīng)急預(yù)案則相對陌生一些，因為警報系統(tǒng)和人口疏散通常由軍方或民防機構(gòu)控制，原因是在戰(zhàn)爭中，大壩可能作為襲擊目標(biāo)，恐怖分子會鐘情于此類破壞力強的對象。

1 瑞士的大壩安全

1.1 大壩安全法律和行政方面情況

1877年6月22日出臺的瑞士聯(lián)邦法相關(guān)水政策中規(guī)定：“聯(lián)邦委員會將保證對現(xiàn)有和未來將建的大壩采取必要措施，以盡量避免由已有工程、或因維護不夠、或因戰(zhàn)爭因素等引起的危害或損壞?！备鶕?jù)該法律，制定了《大壩安全條例》?，F(xiàn)行的《大壩安全條例》于1999年1月1日生效，是之前規(guī)則的修訂版本。大壩安全規(guī)則應(yīng)用于具體大壩則是基于幾何尺度（壩高和庫容）和對下游地區(qū)的潛在破壞力（淹沒范圍）。

規(guī)范規(guī)定了大壩安全相關(guān)部門的職責(zé)，如大壩安全當(dāng)局、大壩業(yè)主、大壩工程師和大壩專家。為推動現(xiàn)行大壩安全規(guī)則的實施，大壩安全當(dāng)局發(fā)行了以下導(dǎo)則：

（1）適用于大壩安全規(guī)則的大壩的標(biāo)準(zhǔn)；

（2）大壩結(jié)構(gòu)安全；

（3）大壩防洪安全；

（4）大壩抗震安全；

（5）大壩監(jiān)測和維護。

大壩，即是指蓄水水頭超過25 m、或蓄水水頭超過15 m且?guī)烊莩^50 000 m3、或蓄水水頭超過10 m且?guī)烊莩^100 000 m3、或庫容大于500 000 m3的大壩。大壩的監(jiān)管由聯(lián)邦大壩安全當(dāng)局執(zhí)行，其聘請了專業(yè)大壩工程師。小壩的安全則是州（?。┑呢?zé)任。

安全當(dāng)局負責(zé)審查和批準(zhǔn)新大壩的建造以及對現(xiàn)有大壩的除險加固工程。因此，大壩業(yè)主必須向當(dāng)局提交工程圖紙、分析和設(shè)計報告、地質(zhì)和水文調(diào)查結(jié)果等資料，以取得批復(fù)。在最終設(shè)計得到批復(fù)之前，不得動工。

施工過程中，當(dāng)局會執(zhí)行檢查，確認(rèn)是否與批復(fù)的方案一致。所有檢查結(jié)果都將記錄在案。

大壩的首次蓄水要求得到大壩安全當(dāng)局的授權(quán)。

在大壩運行過程中，當(dāng)局會組織有經(jīng)驗的工程師和專家監(jiān)督業(yè)主的監(jiān)察組織。資深工程師和專家的大壩現(xiàn)況和性狀評估報告將立即通報給大壩安全當(dāng)局。其中，資深工程師的報告是每年提交一次，專家評估報告是每5年提交一次。

如果監(jiān)測或檢查發(fā)現(xiàn)需要采取修補措施，則必須馬上實施。

1.2 大壩安全概念的基本要素

每個安全概念都包括兩個主要目標(biāo)：減小各類風(fēng)險和以最好的方式控制各類風(fēng)險。為達到此目標(biāo)，瑞士引進了綜合大壩安全概念，包括了以下要素：（1）結(jié)構(gòu)安全；（2）大壩監(jiān)測和大壩維護；（3）應(yīng)急預(yù)案。

1.2.1 結(jié)構(gòu)安全

要減小風(fēng)險則需要對大壩進行合理的設(shè)計和良好的施工。這意味著應(yīng)根據(jù)最新的技術(shù)發(fā)展情況來定期復(fù)核大壩設(shè)計（設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計理念），以保證結(jié)構(gòu)安全。圖2為伊朗的Sefid Rud支墩壩，其經(jīng)歷了遠超設(shè)計強度的地震。今天看來，其采用的地震設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和動態(tài)分析方法已經(jīng)過時。

1.2.2 大壩監(jiān)測和大壩維護

即使大壩設(shè)計和施工采用最先進的技術(shù)和知識，也不能完全消除風(fēng)險，風(fēng)險只能被減小。因此，有必要盡快對出現(xiàn)的任何反常性態(tài)、損傷、結(jié)構(gòu)安全缺陷、新型風(fēng)險等進行探測，這樣才能及時采取正確的應(yīng)對措施。為達到此目的，需要對大壩進行定期檢查和定期安全評價。定期檢查的目的是監(jiān)測大壩的實際性態(tài)，定期安全評價的目的則是對其長期性態(tài)進行監(jiān)控，并確保其結(jié)構(gòu)安全。瑞士的大壩監(jiān)管系統(tǒng)如表1所示。各塊對大壩監(jiān)管和大壩安全監(jiān)測的職責(zé)如下：

圖2 伊朗Sefid Rud支墩壩的補強加固Fig.2 Repair and strengthening of Sefid Rud buttress dam in Iran

（1）業(yè)主：大壩業(yè)主需要讓大壩維持在較好的工況中，因此，業(yè)主設(shè)立了一個組織來監(jiān)測和維護大壩。大壩業(yè)主的技術(shù)人員實施月度或每周的常規(guī)肉眼檢查和測量。每月都會采用人工讀數(shù)對自動記錄的測量結(jié)果進行檢查。大壩技術(shù)人員需對泄洪閘門的操作數(shù)據(jù)進行檢查，至少每年一次。觀測和測量結(jié)果會遞交給業(yè)主指定的資深工程師。

（2）資深工程師：資深工程師需檢查連貫的監(jiān)測結(jié)果、對大壩進行年度檢查并在年度報告中匯編大壩性態(tài)和工況分析。該工程師通常也為大壩業(yè)主提供咨詢。

（3）專家：蓄水水頭超過40 m或蓄水水頭超過10 m且?guī)烊莩^1 000 000 m3的大型壩，指定專家每5 a對其進行一次全面安全復(fù)核。這些專家，即土木工程師和地質(zhì)學(xué)家，是大壩工程界的專業(yè)人士，經(jīng)大壩安全當(dāng)局同意，由業(yè)主指定。

（4）大壩安全當(dāng)局：大壩安全當(dāng)局負責(zé)檢查資深工程師提交的年度報告及專家提交的五年評估報告。當(dāng)局也進行現(xiàn)場檢查，觀測證實年度報告和評估報告中的建議，并確保采取必要的措施。

1.2.3 應(yīng)急預(yù)案

若大壩發(fā)生明確的風(fēng)險，則根據(jù)應(yīng)急預(yù)案來處理。很重要的一點即是需要采取的措施已提前準(zhǔn)備好。這些措施包括策略和應(yīng)急方案。若發(fā)生潰壩事故，應(yīng)確定可能洪泛區(qū)，結(jié)果應(yīng)用洪水淹沒地圖的形式加以呈現(xiàn)。該地圖中也可以規(guī)劃洪水淹沒地區(qū)人口的疏散。更多的應(yīng)急預(yù)案措施包括安裝或至少規(guī)定采用的警報設(shè)施以及確立組織保證人口疏散。應(yīng)急策略劃定了三種危險水平，對每個危險水平，都制作了對應(yīng)的技術(shù)、操作和應(yīng)急行動計劃。

2 大壩安全、潰壩后果和減小風(fēng)險的措施

如今，可能造成較嚴(yán)重破壞的工程，如大型蓄水壩、核設(shè)施等，都采用了綜合安全概念。對大壩，包括了以下幾個關(guān)鍵要素：（1）結(jié)構(gòu)安全；（2）大壩安全監(jiān)測；（3）運行安全和維護；（4）應(yīng)急預(yù)案。通常，設(shè)計工程師主要關(guān)注結(jié)構(gòu)安全，但對關(guān)鍵設(shè)施，如大型蓄水壩，其安全不僅僅是結(jié)構(gòu)安全，還必須包括監(jiān)測、運行、維護和應(yīng)急預(yù)案等方面。瑞士大壩安全概念中沒有明確考慮運行安全，但運行安全是非常重要的，必須加以考慮。一個典型案例就是發(fā)生于2005年12月Taum Sauk抽水蓄能電站上水庫的潰壩事故。

表1 瑞士大壩監(jiān)管系統(tǒng)Table 1:Structure of dam surveillance system in Switzerland

大壩潰決的后果包括：生命損失（應(yīng)急預(yù)案的首要任務(wù)是減少生命損失）、環(huán)境損壞、洪泛區(qū)財產(chǎn)損失、設(shè)施損毀、電站和發(fā)電量損失、社會-經(jīng)濟影響、政治影響等。

通過一系列工程和非工程措施，可以減輕這些后果。工程措施主要是關(guān)于大壩安全，即防洪安全、地震安全和現(xiàn)場工況。非工程措施主要包括以下方面：在正常和非正常運行條件下的水庫安全操作導(dǎo)則、應(yīng)急行動實施、水情警報系統(tǒng)的應(yīng)用、人員培訓(xùn)、在安全相關(guān)事件中降低水位、定期安全檢查、工程支持以有效應(yīng)對異常和緊急狀況、土地使用計劃（政治決策）、保險范圍、第三方責(zé)任范圍（減小經(jīng)濟損失）等。非工程措施通常比工程措施更有效。

3 瑞士的應(yīng)急預(yù)案

應(yīng)急程序應(yīng)包括如何向當(dāng)局和民眾預(yù)警的計劃。

大壩業(yè)主必須提供洪水淹沒地圖，地圖中必須包括淹沒區(qū)域、能量水頭高度和洪水到達時間。

對庫容超過2 000 000 m3的大壩，在所謂的近壩區(qū)域必須安裝水情警報系統(tǒng)。近壩區(qū)域即是指最多兩小時內(nèi)就會被洪水淹沒的區(qū)域，對應(yīng)于大壩下游30 km的范圍。水情警報系統(tǒng)包括特定的警報器，可在大壩壩址處直接啟動，大壩業(yè)主需要對其進行維護并定期測試。在遠壩區(qū)（即剩下的洪泛區(qū)域），警報由民防通用報警器直接發(fā)出，該報警器由州政府維護。事實上，將安裝啟用新一代的報警器，既可作為水情警報，又可作為其他警報。

對洪泛區(qū)比較小的小型壩，水情警報由民防通用報警器發(fā)出。

州和市政府負責(zé)應(yīng)急指令和人口疏散的計劃和準(zhǔn)備工作。

洪水淹沒地圖一方面用于應(yīng)急計劃，另一方面用于確定具體大壩的規(guī)范可操作性。洪水的強度由水深和流速的乘積決定，必須由表2給出的極限值來評定。

4 應(yīng)急行動計劃

應(yīng)急預(yù)案的主要目的是拯救生命。大壩業(yè)主的經(jīng)濟損失及洪水淹沒區(qū)的受災(zāi)損失由保險公司賠償。

應(yīng)急預(yù)案（EAP）用于幫助大壩業(yè)主、運行管理者和應(yīng)急官員減小由潰壩或水庫非受控型泄水引起的洪水所帶來的危害。EAP將指導(dǎo)責(zé)任人判定、監(jiān)測、應(yīng)對和緩解緊急情況，它規(guī)定了緊急情況下或影響大壩和水電站安全的非常規(guī)事件發(fā)生時“誰、做什么、時間、地點和怎么做”。應(yīng)定期更新EAP，或在重要的緊急事件后更新EAP?；旧希纱髩螛I(yè)主負責(zé)采用安全監(jiān)測、人工操作、維護、維修和補強加固等手段來維持大壩安全。

緊急情況中，大壩業(yè)主負責(zé)監(jiān)測、確定合適的預(yù)警水平、發(fā)出通告、在大壩處采取應(yīng)急行動、確定什么時候排除緊急狀況以及記錄所有行動。在緊急情況下，大壩業(yè)主需第一時間通知當(dāng)局，當(dāng)局負責(zé)對受影響居民發(fā)出警報并組織疏散。警報由特定水情預(yù)警系統(tǒng)發(fā)出。人口疏散計劃的實施基礎(chǔ)是潰壩洪水分析。通過潰壩洪水分析，可得出發(fā)生最壞潰壩事故（即忽然潰壩的）時洪水淹沒區(qū)域，另外還可得到洪水的到達時間、流速和水深。根據(jù)經(jīng)驗，洪水兩小時將到達下游30 km處。

EAP包括幾個要素或任務(wù)，即：

表2 洪水危險程度的評定Table 2:Definition of danger levels of flood waves

風(fēng)險分類：確定會影響安全的風(fēng)險分類。風(fēng)險可與自然事件或進程聯(lián)系起來（如洪水、風(fēng)暴、地震、內(nèi)部侵蝕等，見圖3），也可與安全方面的水電機械或電氣設(shè)備的操作聯(lián)系起來（如閘門故障、監(jiān)測儀器失效等），也可與人為破壞聯(lián)系起來（如破壞、恐怖行動、戰(zhàn)爭等）。

圖3 影響大壩安全的自然環(huán)境引起的風(fēng)險Fig.3 Hazards from natural environment affecting dams

緊急情況分類：確定一場事故、某監(jiān)測儀器、某機械或電氣部分的非正常性態(tài)的嚴(yán)重程度，分為三個層次：（1）內(nèi)部警報；（2）正在發(fā)展的險情；（3）緊急情況。作為判斷嚴(yán)重程度的輔助手段，可開發(fā)一個評估矩陣（可應(yīng)用于多個設(shè)施，其決定于大壩特性和環(huán)境），見表3。

當(dāng)發(fā)現(xiàn)或被告知有異常情況時，必須對以下兩種可能情況做出判斷，即是否需要外部支援和是否存在對人口、結(jié)構(gòu)或環(huán)境造成不利影響的威脅。在對事故進行嚴(yán)重性分類時，其緊急程度是主要因素，可分為以下警報程度和緊急情況：

（1）大壩工作人員可管理和控制的由異常事件引起的內(nèi)部警報事件。典型的內(nèi)部警報事件為在收到洪水規(guī)模和可能引起危害的具體信息之前的洪水警報以及某儀器讀數(shù)異常，超過預(yù)先設(shè)定的安全限值（如測壓管水頭、排水設(shè)施排放量或結(jié)構(gòu)位移）。

表3 水電站風(fēng)險矩陣及要求的保護措施示例Table 3:Example of hazard matrix for hydro power plant showing hazards and required protective measures

（2）發(fā)展中的險情即觀察到的險情明顯要轉(zhuǎn)變成對大壩安全和下游人口的嚴(yán)重威脅。在這個階段，還不能確定險情是否可以得到控制。

（3）緊急險情即事故或威脅的發(fā)生明顯不能停止，但可采取行動減輕其后果，如疏散有危險的人口等。

關(guān)于事故的交流或通告可以僅限于內(nèi)部，也可延伸到外部，外部則意味著與當(dāng)?shù)鼗蛑葚撠?zé)實施應(yīng)急行動的當(dāng)局的溝通。通知流程圖可表示出信息在相關(guān)組織和操作人員中的傳播順序，可幫助通告過程有條不紊地推進。事故信息僅限于內(nèi)部時，必要的措施將由應(yīng)急任務(wù)小組實施，其成員均為運行人員。

5 水情報警系統(tǒng)

瑞士65座大型壩裝有水情報警系統(tǒng)，第一批系統(tǒng)安裝于50 a前，這些系統(tǒng)是由軍隊推動安裝的。二次世界大戰(zhàn)時期，德國有幾座大壩被損壞，當(dāng)時安裝這些系統(tǒng)的主要目的是避免類似發(fā)生在德國的災(zāi)難。因此，當(dāng)時考慮的主要威脅是戰(zhàn)爭，但近年來已發(fā)生了改變。

近年來，科技發(fā)展迅速，水情警報系統(tǒng)需要利用許多儀器和通訊方面的新技術(shù)。但之前安裝的警報系統(tǒng)沒有做出改進，洪水淹沒地區(qū)也沒有變化。但是，隨著技術(shù)的發(fā)展，其他的警報設(shè)備（報警器）可能會派上用場。

但水情警報的觸發(fā)存在一個問題，那就是許多大壩已經(jīng)不由業(yè)主的工作人員對其實行24 h監(jiān)控了。在偏遠的地方，冬天壩址處沒有工作人員。因此，在緊急情況下能否到達壩址處是一個物流問題。在嚴(yán)重的降雨或地震后，道路可能被封鎖等。并且，為防止發(fā)出錯誤的警報，報警器通常不是可操作的模式，即當(dāng)大壩達到預(yù)先設(shè)置的警報程度時，警報器才會啟動。如果要人工啟動，則會花一些時間。僅當(dāng)報警器為可操作狀態(tài)且達到了最高警報程度，即預(yù)計大壩可能要潰決時，才會發(fā)出特定的聲音信號通知水情警報。

在瑞士，區(qū)分了近壩區(qū)和遠壩區(qū)。近壩區(qū)是指洪水2 h內(nèi)能到達的區(qū)域，遠壩區(qū)則是指這些區(qū)域以外的范圍。大壩業(yè)主負責(zé)近壩區(qū)的水情警報設(shè)備，遠壩區(qū)則使用普通民防報警器。所幸，目前為止，還未發(fā)生過需要疏散人口的險情。有關(guān)當(dāng)局和大壩業(yè)主每年都舉行應(yīng)急演練，并對儀器功能進行檢查。

很明顯，水情警報系統(tǒng)的存在意味著大壩業(yè)主和當(dāng)局很關(guān)心大型壩下游群眾的生命財產(chǎn)安全，這對提升大壩業(yè)主和當(dāng)局的良好形象有重要作用。

有一實例，距蘇黎世30 km處有一Sihlsee大壩，大壩潰決淹沒區(qū)的老百姓曾接到宣傳單，宣傳單上標(biāo)明了洪水淹沒區(qū)域以及兩種警報器示例，以提高民眾意識。

圖4 蘇黎世地區(qū)發(fā)的宣傳單示例Fig.4 Example of a leaflet distributed in Zurich

6 結(jié) 語

對大型壩來說，應(yīng)急預(yù)案和下游地區(qū)的水情警報系統(tǒng)都是必須的。即使大壩結(jié)構(gòu)安全，也可能因自然或人為原因引起潰壩。為提高應(yīng)急預(yù)案的有效性，其中必須包括下游的民眾，并且通知其在緊急狀況中該采取什么行動。瑞士第一批水情報警系統(tǒng)安裝于約50 a前。

對蓄水壩和徑流式水電站，應(yīng)急預(yù)案是有效的大壩安全管理工具，可幫助業(yè)主和運行管理人員處理大壩和其所在環(huán)境中可能出現(xiàn)的不利影響因素。應(yīng)急預(yù)案的組成內(nèi)容包括風(fēng)險定義和分類、異常工況矩陣、緊急程度分類及通知流程圖。

應(yīng)急預(yù)案可促進決策制定和相關(guān)責(zé)任人之間的高效溝通，為大壩業(yè)主機構(gòu)采取關(guān)鍵應(yīng)急措施提供支持。

[1]Martin Wieland and Rudolf Mueller.Dam safety,emergency action plans and water alarm systems[J].International Water Power&Dam Construction,2009,1:34-38.