德國西爾弗斯坦大壩改造工程

德國西爾弗斯坦(Sylvenstein)大壩為土石壩，壩高48 m，壩長180 m，壩址位于深100 m的深切峽谷中，山體由白云巖組成，被伊薩爾(Isar)河切割后，峽谷內(nèi)淤積了大量的沉積物。20世紀(jì)50年代，該壩施工期間利用7排灌漿帷幕解決了沖溝滲水問題。壩體中間防滲心墻由人工粘土混凝土(碎石、細(xì)砂、粉砂和1%的鈉基膨潤土)組成，并和壩體上下游面的冰磧碎石反濾層連接。河床卵石、斜坡及壩體表面的植被共同塑造了大壩的表面景觀。

該壩于1959年投運，水庫開始發(fā)揮防洪減災(zāi)作用，并在干旱季節(jié)向伊薩爾河補(bǔ)水，維持其流量，還為公共電網(wǎng)提供清潔可再生的電能，此外，西爾弗斯坦水庫的美景對當(dāng)?shù)鼐用窈屯獾赜慰投紭O具吸引力。該水庫作為巴伐利亞(Bavaria)州最古老的國有水庫，曾于1994～2001年進(jìn)行了現(xiàn)代化改造，新建了第二條溢洪道，泄洪能力為400 m3/s，壩體加高了3 m，水庫的防洪庫容也相應(yīng)增加了2 000萬m3。

由于大壩位于冰川峽谷中，運行期間曾發(fā)生過沉降，導(dǎo)致大壩心墻出現(xiàn)了裂縫，1970年、1987年、1988年曾分別對壩體進(jìn)行過灌漿補(bǔ)強(qiáng)處理。此后，技術(shù)人員對大壩防滲心墻進(jìn)行了詳細(xì)調(diào)查。大壩內(nèi)部孔隙水壓力傳感器數(shù)據(jù)及測量分析結(jié)果表明，防滲系統(tǒng)可能發(fā)生了變化。此外，大壩之前的沉降及補(bǔ)強(qiáng)灌漿施工破壞了滲流量監(jiān)測系統(tǒng)，無法確定滲漏的源頭，因此新建一套滲漏監(jiān)測系統(tǒng)十分必要。

1 修復(fù)理念

大壩升級改造措施包括新建高性能防滲系統(tǒng)和高精度滲流監(jiān)測系統(tǒng)。通過這些措施，可使大壩運行50a后恢復(fù)到先進(jìn)狀態(tài)，從而應(yīng)對氣候變化帶來的影響和由此導(dǎo)致的大洪水。

直到2009年，巴伐利亞水資源管理部門還在對西爾弗斯坦大壩升級項目進(jìn)行初步審議，2011年完成規(guī)劃設(shè)計并開始實施，2015年完工。

升級改造過程主要分以下3個步驟：①2012年，在防滲心墻下部、壩基上游部位，布設(shè)一道深70 m的防滲墻；②2013年，新建一條基礎(chǔ)廊道，包含交通廊道、始端豎井、終端豎井；③2014年，在防滲墻與基礎(chǔ)廊道之間布設(shè)54根長約41 m的排水樁。

在整個施工階段，西爾弗斯坦水庫需要繼續(xù)完成其主要的防洪任務(wù)，并維持低水位運行。

2 防滲墻施工

通過一系列鉆探工作(總深度140 m)，查明了河谷沖積層主要由砂層和卵石層(含少量粘土)交替組成，局部分布湖相泥灰?guī)r沉積層。基礎(chǔ)范圍內(nèi)巖土體滲透性差異較大，曾進(jìn)行過灌漿處理，灌漿材料為粘土水泥漿。

為防止內(nèi)部侵蝕破壞，保證壩體穩(wěn)定，防滲墻設(shè)計最小深度為60 m，但最終選定防滲墻深度為70 m，從而使得防滲墻能延伸至湖相泥灰?guī)r中，并成為一個整體，且現(xiàn)有的技術(shù)和設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)這一目標(biāo)。

考慮到防滲墻的設(shè)計深度，防滲墻的寬度選定為1 m，材料為粘土混凝土，分兩個階段施工。為了保證在較短時間內(nèi)完成10 000 m2防滲墻的施工任務(wù)，作業(yè)人員采用連續(xù)墻開槽機(jī)及抓斗同時施工。為了打開施工所需的工作面，在壩體下游增設(shè)傾斜式擋土墻，將壩頂加寬了4 m。

單個防滲面板的寬度為3.2 m，兩個階段面板施工所需的重疊區(qū)域為40 cm，最終62個面板組成了長170 m的防滲墻。位于心墻部位的上部防滲墻(深約35 m)通過液壓抓斗施工，而其下部至深70 m的部分，以及防滲墻延伸至兩岸巖體30 cm的部分則通過液壓雙輪銑施工。防滲墻從壩軸線移向下游2 m，以避免成槽設(shè)備施工期間碰到下部的老金屬灌漿管，因此大部分前期心墻防滲體都可完整保留下來。

防滲墻施工期間，利用現(xiàn)有的滲流監(jiān)測系統(tǒng)，通過觀測點加密監(jiān)測大壩及壩基的滲漏情況。因此，在新的滲流監(jiān)測系統(tǒng)尚未建成前，也可在短期內(nèi)驗證已經(jīng)施工防滲體的防滲效果。施工期間，西爾弗斯坦水庫的正常蓄水位降低了約5 m，但可以維持其基本功能(汛期防洪和旱季補(bǔ)水)。

3 基礎(chǔ)廊道和排水樁施工

為了建設(shè)基礎(chǔ)廊道，需要在壩腳白云巖中建造一條長80 m的交通隧洞，并在其末端開挖始端豎井。廊道采用隧道掘進(jìn)機(jī)(TBM)施工，避免了爆破作業(yè)，由于巖體穩(wěn)定性較好，基礎(chǔ)廊道除了采用噴射混凝土支護(hù)外，無需額外的支護(hù)措施。

在16 m×8.5 m×7.5 m(長×寬×高)的始端豎井中組裝推進(jìn)器，從而推動整個TBM(直徑為 3.5 m)前進(jìn)。預(yù)制鋼筋混凝土管也安裝在長190 m的基礎(chǔ)廊道內(nèi)。

每段預(yù)制鋼筋混凝土管重18 t(長 2.8 m、外徑3 m、內(nèi)徑 2.4 m)，直接在TBM后面利用液壓推進(jìn)裝置安裝，相鄰的預(yù)制鋼筋混凝土管通過環(huán)鏈相連接。安裝前，利用帶橡膠圈的不銹鋼箍進(jìn)行密封止水。

終端豎井長約20 m，深41 m，垂直于廊道軸線，直徑為 6.5 m,須提前在基礎(chǔ)廊道末端使用鉆爆法開挖施工，這樣TBM才可被拆成兩個部分吊出。該終端豎井現(xiàn)在被用作緊急出口。

歷經(jīng)16 d的挖掘，TBM到達(dá)終端豎井。在基礎(chǔ)廊道施工前，作為保護(hù)措施的新建防滲墻已經(jīng)完工，因此廊道挖掘施工期間，水庫可保持正常水位運行。

基礎(chǔ)廊道施工初期，2013年暴雨引發(fā)了大洪水，由于西爾弗斯坦水庫預(yù)留了防洪庫容，伊薩爾河流向慕尼黑的洪峰由不攔洪的1 300 m3/s削減至770 m3/s。伊薩爾河沿途未發(fā)生重大破壞情況。新的防滲墻可在很長一段時間內(nèi)減少大壩的滲漏量。由于多瑙河(Danube)沿岸堤壩超負(fù)荷運行，甚至出現(xiàn)了兩處決堤，堤壩也需要新建防滲墻。

2013年8月3日，西爾弗斯坦水庫可控的防洪庫容達(dá)到了其總庫容的 99.7%，蓄水量達(dá)到了6 100萬m3，整個水庫幾乎被蓄滿。水庫的最大入庫流量為675 m3/s(2013年6月2日17：00)，而此時最大的允許下泄流量僅為60 m3/s，精細(xì)的水庫管理和水庫下泄流量限制，保障了該區(qū)域下游慕尼黑-弗賴辛(Freising)-蘭茨胡特(Landshut)等地區(qū)的用水需求和多瑙河流向帕紹(Passan)的最小流量。

為了將大壩滲流值降至最小，2014年5月，深41 m的排水樁開始施工，位于防滲墻后，距基礎(chǔ)廊道約 1.2 m。通過鉆機(jī)將54根排水樁安裝在直徑為900 mm的鉆孔中，相鄰兩根排水樁的軸心間距為 2.8 m，同時在排水樁中設(shè)置了開槽管，用于匯集滲水，并流入基礎(chǔ)廊道中。

基礎(chǔ)廊道中安裝的儀表可永久監(jiān)測整個壩體斷面的滲流量。

4 經(jīng)驗總結(jié)

西爾弗斯坦水庫運行50 a后，在壩體及壩基部位新建防滲墻，并安裝了精確的滲流監(jiān)測系統(tǒng)。在正常運行的大壩中建造深70 m的塑性混凝土防滲墻，并深入兩岸壩基巖體，這在德國尚屬首次。通過在新建基礎(chǔ)廊道內(nèi)安裝監(jiān)測儀，可以監(jiān)測壩體滲漏情況。排水樁施工是從壩頂通過壩體打入致密的巖石中，并深入兩岸巖體，整個施工過程未影響水庫的正常運行。通過升級改造，西爾弗斯坦水庫可以安全應(yīng)對未來可能發(fā)生的大洪水，2013年6月的洪水事件就已證實了這一點。

除了控制功能外，有必要增設(shè)連接基礎(chǔ)廊道和壩基之間的鉆孔，并增設(shè)監(jiān)測點，以更好地監(jiān)測壩基的滲壓和滲流情況，為灌漿等其他施工提供技術(shù)支撐。通過對西爾弗斯坦大壩的升級改造，保障了巴伐利亞州確信伊薩爾河、慕尼黑市區(qū)以及巴伐利亞下游地區(qū)的現(xiàn)代防洪標(biāo)準(zhǔn)。為使役齡超過50 a的老壩滿足現(xiàn)代技術(shù)及德國標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)會(DIN)標(biāo)準(zhǔn)，巴伐利亞州合理利用了2300萬歐元預(yù)算，完成了這一目標(biāo)，其中歐洲區(qū)域發(fā)展基金提供了50%的融資支持。