澳大利亞羅沃蘭壩的升級改造

澳大利亞羅沃蘭壩的升級改造

澳大利亞羅沃蘭壩于1967年完工，1968年11月發生了管涌事故，經相關部門對其加固處理后，已安全運行50余年。而今由于該壩施工年代久遠，已經不能滿足現代技術規范要求。為保證大壩安全運行，塔斯馬尼亞水電公司對該壩進行升級改造。對羅沃蘭壩升級改造過程中的洪水風險控制措施作了詳細介紹。

管涌；加固處理；洪水風險控制；羅沃蘭壩；澳大利亞

洪水預報(發生概率、時間及等級)對水電站日常運行和風險管控至關重要。尤其是大壩大規模整修期間，及時可靠的洪水預警能為實施應急預案爭取時間，從而避免洪水淹沒和建筑物破壞，甚至發生潰壩事故。

2012～2013年和2014～2015年夏季，塔斯馬尼亞水電公司(Hydro Tasmania)成功完成了技術復雜且具有挑戰性的羅沃蘭(Rowallan)壩改造項目，該項目難點是中央泄洪道兩側結合部位的開挖，從壩頂開挖至建基面，從而揭開大壩心墻。

該公司的安全管理員稱，在運行的大壩上施工作業尚屬首次，另外，還要維持羅沃蘭水庫1.3億m3的庫容，這就意味著該工程施工期間洪水風險高。

羅沃蘭壩為粘土心墻堆石壩，壩高43 m，是莫西福斯(Mersey-Forth)水電站的擋水建筑物，該電站年發電量約占塔斯馬尼亞水電公司年總發電量的14%。電站于1967年完工，配套兩座土石壩，分別位于中央泄洪道(混凝土襯砌)的兩側，泄洪道擋墻比土石壩高15 m。

1 管涌事故及處理

羅沃蘭壩的粘土心墻結構容易受到內部侵蝕的影響，其常見的破壞模式為“管涌”。

在水庫首次蓄水后的1968年7月，泄洪道右導水墻附近區域出現輕微下沉，沉降近300 mm。同年11月，在壩頂下游邊緣靠近該右導水墻附近發現了一個直徑 1.5 m、深 1.3 m的滲坑，該滲坑是管涌的唯一表象。隨后立即通過電站和壓力鋼管旁通閥來降低水庫水位，并于同年年底啟動大壩勘測和修復工作。

通過在管涌影響區附近開挖檢查井發現，接觸部位的粘土(泄洪道擋墻旁填筑的高塑性粘土)已經被侵蝕到壩體下游反濾層，幾處不同高程部位形成了管涌通道。如果任其發展，該侵蝕通道將可能破壞土石壩與泄洪道的結合部位，導致潰壩事故。1968年對檢查井進行了回填修復處理，并對土石壩上部進行改造，同時修復加固了對泄洪道左側導水墻與土石壩結合部位。至今，該壩運行正常，未發現異常現象。

雖然羅沃蘭壩在1968年發生了管涌事件，但對該壩已經提供了近50 a的優質服務。2011年對大壩現狀和性能進行的詳查表明，該壩能滿足設計、施工及壽命的預期要求。但自該壩建成后，已修訂了相關工程標準，因此需要按現行標準對其進行大規模升級改造，并對早期發生管涌的區域進行永久性修復，以降低發生類似事故的風險。

2 現代化改造方案

羅沃蘭壩升級改造方案主要可分為兩個階段。

(1)升級改造現有的泄洪道導流墻(2013～2015年)。由于這些導流墻過于單薄，施工期間就已變形，導致管涌事件。該階段改造方案是按照現行標準在原導流墻內側增設新鋼筋混凝土導流墻。

(2)拆除泄洪道兩側與土石壩結合部位的大壩建基面以上部分受管涌影響的土石料(開挖深度為15 m)，并按照現代設計標準使用新材料和可再利用的材料來替換被清除的材料。此外，還要移除并替換整個大壩壩頂以下7 m范圍內的土石壩材料，以降低大壩上部的管涌風險。原心墻(原心墻頂部比壩頂低1.5 m)也被加高到與大壩頂部齊平，以便遇極端洪水時能預防漫頂事故的發生。

經過升級改造，羅沃蘭壩將能夠抵御20 000 a一遇的極端洪水。

3 施工期風險控制

如此巨大的開挖工程需要嚴謹的施工計劃，以降低建設風險。

項目經理指出，這是最優化的問題，到達工作面需要卡車及大型設備能運行，同時需要制定方案，以確保施工期該工程不被洪水淹沒。

另外，以下問題還需得到解決：在項目正常運行的情況下，開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？如何準確地進行洪水預測？水庫水位將會是多少？

為降低洪水風險，開挖工程實行輪班制，24 h連續作業。此外，相關部門還制定了回填工作面的應急方案，在該方案中充分考慮到開挖及重建過程中所有階段的情況，確保暴雨天氣情況下能夠快速回填工作面。

項目經理還提到，何時啟動應急方案是其難點之一，如果回填不及時，洪水涌入正在施工的工作面內，大壩就會有潰壩的風險，甚至會給下游帶來嚴重后果。另一方面，如果判斷失誤，啟動了本來不需要啟動的應急方案，代價則太高。

回填成本高昂，而且可能將工期延至雨季和下一個夏季，這意味著將增加額外的建設成本及發電損失。

4 維持最優庫水位

為使洪水風險降至最低，該工程選擇在夏季施工，此時降雨量最少，羅沃蘭水庫的水位也已降至最低正常運行水位，以提供更大防洪庫容，抵御突發強降雨。

與何時啟動應急方案一樣，在整個施工期間，確保在工程安全和盡量減少棄水的情況下，如何把握平衡并保持最優水位，也是個難題。 通過旁通閥下泄流量比較容易，但是所有計算過程都很復雜，涉及到不同庫水位情況的蒸發損失及降雨補充等因素。

5 有效的洪水預測

先進的洪水預測預警系統是降低洪水風險的關鍵，該系統不僅能可靠地通知開展抗洪準備工作，保護在建工程，還可以準確調節羅沃蘭水庫的最優水位。為了開發該系統，塔斯馬尼亞水電公司借鑒恩圖阿(Entura)電力及水資源專業咨詢公司的專家意見。

恩圖阿公司的高級水文專家兼羅沃蘭洪水預測系統項目經理解釋道，羅沃蘭洪水預報系統需要預測天氣對施工現場的威脅是否迫在眉睫，及水庫水位是否可能上升到觸發應急預案水位，如果如此，則還要預測到達觸發水位需要的時間。

觸發應急預案的水位視工程施工的不同階段而變化，但洪水風險級別一直保持不變。恩圖阿公司的洪水預測系統將雨量數據和降雨預報結合后輸入該流域的水文模型中，其中雨量數據來自流域周圍7個遙測雨量計組成的監測網，降雨預報來自氣象預報機構。

羅沃蘭流域面積為344 km2，年平均降雨量為1 900 mm，該流域一旦飽和，強降雨將會使入庫流量在幾小時內急劇增加。為了降低該項目施工期洪水風險，塔斯馬尼亞水電公司需要對原羅沃蘭水庫水位及流量預測系統進行大規模升級改造。

該系統需要采用先進的模型，并且能提供最優的預測結果。升級改造工作包括對降雨輸入系統進行詳查和升級、重建和校準入庫流量模型，以及根據流量模型結果和水庫調度規程開發水庫水位運行模型。

升級后的整個模型程序自動運行，提前7 d發布預測結果，施工期間每隔2 h更新數據。此外，該系統還開發了繪圖程序，以展示流域內降雨量預測最優值、入庫流量及水庫水位三者間的關系。水庫運行管理單位可根據這些圖表指導水庫運行，維持合理的水庫水位，降低施工期洪水風險。

該模型每天兩次通過電子郵件將數據趨勢報告及預測圖表發送給現場施工組，同時這些數據也可以在網站上查詢。如果預測結果超過預設的臨界水位，就將觸發洪水警報。洪水警報通過數據采集和監控系統(SCADA)傳送到塔斯馬尼亞水電公司每天24 h運行的總控臺，同時還將通過手機短信(SMS)傳送到大壩安全管理組以及現場施工組。

通過在模型中設置冗余和在大壩現場開發無需實時連接到數據庫的獨立系統，使該系統更加可靠，當該系統與大壩現場失去聯系時，就會啟用獨立系統。

6 高置信度的洪水預報系統

采用安全及時的方法觸發應急回填方案，要求洪水預報系統具有相當高的可靠性及精確度。

為確保重要部位的降雨和流量計正常運行，要求雨量計和流量計的任何維修養護工作都要嚴格按照時間計劃表執行。同時也開發了計算機程序自動檢查所有輸入的數據是否有誤，一旦檢測出程序有誤，將自動發出警告。若流域內關鍵部位雨量計的遙測數據確實失效，程序能夠很快檢測到此設備失效，以便立即派出直升機維修該設備。這些在此前都被認定為風險，而現在，這些糾正措施很容易理解且易于執行。

洪水預測系統輸出的數據包括操作人員的運行指示、降雨預報和模型模擬結果。

通過將一個歷史時期內的降雨量預報和雨量計數據相比較，研究出降雨預報不確定性因素。通過將歷史降雨數據輸入該模型并按照同一歷史時期運行，其輸出結果與實測水庫水位相比較后，就可估算該模型的不確定性。

由于降雨量預測是導致該模型不確定性的主要來源，為確保模型的準確性，建立了一個專門處理流程，當觸發洪水預警后，需要從氣象局獲取更詳細的氣象預報信息。這些額外的建議和信息對提高預報的置信度非常重要。

該項目大規模施工前，就已經在由國家應急事務局、警方、大壩安全管理機構以及其他利益相關者參與的演習中，對該模型和洪水管理響應機制進行了詳細測試。

7 未來前景

該洪水預報系統主要是為羅沃蘭壩改造項目而開發，且在實際建設期間發揮了良好作用。入庫流量與同期的平均流量接近。

該項目的成功實踐可供塔斯馬尼亞水電公司水庫洪水模型更新借鑒。

該洪水預報系統對該公司來說具有永恒價值。投運后，該系統轉變為實時入庫流量和洪水預報系統，以確保發電，并保證大壩風險管理的安全性和可持續性。

2015年8月，塔斯馬尼亞水電公司的羅沃蘭壩改造項目被澳大利亞項目管理協會授予建筑工程類的“2015年度塔斯馬尼亞項目”。

周 榮 孫 言 譯

(編輯：朱曉紅)

2016-09-26

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