論新時代水庫大壩安全

譚界雄 任翔 李麒 徐軼 徐琨

摘要：中國是世界上水庫大壩數量最多的國家，隨著一大批高壩大庫建成，流域多梯級水資源開發利用，水庫大壩安全已事關國計民生及國家重大公共安全。為了提升水庫大壩安全理論研究水平，促進大壩安全技術發展，重點闡述了新時代中國水庫大壩安全的新思路、新要求和新挑戰，主要體現在包含工程安全、生態安全、環境安全相互融合協調的全要素安全;以龍頭水庫為核心、梯級水庫群為重點的全流域安全;以及貫穿規劃、設計、建設、運行、退役不同階段的全生命周期安全。所提出的研究思路對于開展大壩安全工程技術與管理機制的研究具有較強的針對性和指導意義，對于解決現階段中國大壩安全面臨的問題與挑戰具有重要的理論意義。

關 鍵 詞：

水庫大壩; 全要素安全; 全流域安全; 全生命周期安全

中圖法分類號： TV62

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.05.023

新中國成立以來，中國興建了大量水庫，這些水庫在抵御洪澇災害、提供電力能源、保證農田灌溉和城鄉供水、保護生態環境、保障國民經濟快速發展等方面做出了巨大貢獻。然而受歷史建設條件、運行功能老化等原因影響，中國水庫大壩逐漸暴露諸多病害問題，在一定程度上制約了工程效益的正常發揮。中國國土地域遼闊，河流山川眾多，水利資源得到了全面系統的開發。水庫大壩在帶來清潔能源和水資源的同時，也改變了區域環境和生態的平衡，建筑物結構逐漸出現老化，這些都影響到水庫大壩的安全。中國已邁入發展的全新階段，隨著人民對美好生活的向往，水庫大壩安全狀況應得到更高程度的重視。為此，本文結合中國水庫大壩安全現狀與面臨的挑戰，探討新時代水庫大壩的安全健康發展之路。

1 中國水庫大壩安全現狀

長期以來中國面臨水害災害頻發、能源資源短缺等問題，水庫大壩具有防洪、發電、灌溉、供水等社會效益和經濟效益，是保障人民生命財產安全和社會經濟發展的必然選擇。新中國成立以來，通過大規模水利建設，中國取得了舉世矚目的成就，已成為世界上擁有水庫大壩數量最多的國家。

據水利部統計，截至2018年底，中國已建成各類水庫大壩98 822座，其中大型736座、中型3 954座，水庫總庫容8 953億m3[1]。數十年來，中國大壩建設發展迅速，已建、在建和規劃建設的大壩數量及壩高仍在不斷增加，其中壩高超過100.0 m的高壩已達200余座，已建成世界最高拱壩錦屏一級（壩高305.0 m），最高碾壓混凝土壩光照（壩高200.5 m），最高面板堆石壩水布埡（壩高233.0 m），還有三峽、小浪底、小灣、龍灘、溪洛渡等一大批世界級的水庫大壩先后建成并投入運行，建設管理技術水平已走在世界壩工領域的前沿。

中國水庫大壩在取得驕人成績的同時也面臨著風險與挑戰[2]。中國水庫大壩中95%以上為土石壩，95%以上是20世紀80年代以前建設的老壩，病險問題、潰壩災害不容忽視。據2007年統計，中國病險水庫有3.8萬座，病險率曾高達44%，且病害類型多樣。經大規模病險水庫除險加固，國務院批準的《全國病險水庫除險加固專項規劃》已全部實施。但由于中國水庫大壩數量多、土石壩多，出險幾率高，新的病險水庫仍不斷出現。2016年10月，仍有超過1萬座病險水庫尚需納入除險加固規劃。1954～2013年，全國共潰壩3 544座，年均潰壩高達60座。時至今日，潰壩現象仍時有發生，如2013年山西曲亭水庫、黑龍江星火水庫、新疆聯豐水庫、2018年新疆哈密射月溝水庫等大壩潰決。中國大壩安全仍然存在諸多問題，大壩安全保障任重道遠。

2 水庫大壩安全面臨的新挑戰

中國水庫大壩安全管理主要歷經3個發展階段[3-5]：從新中國成立到1978年的粗放管理階段，從改革開放到20世紀90年代的制度建設完善階段，新世紀以來以水利工程管理體制改革和病險水庫除險加固為特征、以市場經濟為導向的發展階段。

伴隨水庫管理體制的不斷完善，大壩安全的理念在近40 a內已經發生了巨大的變化。在20世紀70～80年代，世界上包括中國在內，都是將大壩安全狹義地理解為大壩的工程特性，即壩體結構的現狀與規范要求指標的符合程度，只要大壩不破壞、惡化和潰決，大壩就是安全的。但是20世紀90年代后，大壩安全的理念已經包括了工程安全與公共安全，即風險理念，包括將風險控制在公眾可接受范圍的一切措施和辦法[3]。隨著中國經濟社會的快速發展，水庫大壩數量的不斷增多、規模不斷擴大、運行年限不斷延長，對工程、生態、環境、社會等因素的影響也在不斷擴大。

目前，中國200 m級以上高壩主要集中在西部地區，具有高海拔、高地震烈度、高邊坡、地質條件極為復雜等工程特點，對水工建筑物的安全性、穩定性、耐久性要求十分高，由此帶來的安全風險也更加突出，許多技術難題稍有不慎就可能埋下安全隱患。金沙江、雅礱江、瀾滄江、大渡河等大江大河流域的梯級水庫群開發利用，引發了對流域安全風險傳播和風險阻斷的思考，也提出了控制性龍頭水庫安全和梯級水庫群聯合安全的管理問題。

水庫大壩建設管理涉及到規劃、設計、建設、運行、退役等不同階段，任何一個階段存在薄弱環節，都會給水庫大壩安全造成影響。長期以來，中國水利行業存在著“重建輕管”的普遍現象。由于缺乏系統的維護管理，工程老化加劇，水庫大壩老齡化問題越來越突出。

2017年以來，中國政府提出新時代統籌推進“五位一體”戰略目標，水生態文明建設、綠色發展理念已成為大壩安全理念的重要組成部分。水庫大壩是推動社會可持續發展的重要基礎設施，是中國推進生態文明建設的重要支撐，是實現綠水青山美麗中國夢的重要依托。新時代中國社會主要矛盾轉變為人民日益增長的美好生活需要和不平衡不充分發展之間的矛盾，全社會的安全意識不斷增強，對于水庫大壩的安全保障和生態保護水平提出了新的更高要求。

因此，大壩安全的理念呈現出全要素安全、全流域安全、全生命周期安全等越來越多的新內涵。需要進一步開展創新研究，提高對大壩安全的認識，提出適宜于中國現代化建設實際情況的新理念和新思路，更好地推動中國大壩安全技術發展，提升中國大壩安全水平。

3 新時代水庫大壩安全新內涵

3.1 全要素安全

新中國成立以來特別是改革開放以來的快速發展，使中國水利建設進入新時期，中國治水的主要矛盾已經從人民群眾對除水害興水利的需求與水利工程能力不足之間的矛盾，轉變為人民群眾對水資源水生態水環境的需求與水利行業監管能力不足之間的矛盾[6]。大壩安全的內涵也由傳統的單一工程安全，逐漸轉變為包含工程安全、生態安全、環境安全相互融合協調的全要素安全。當前，水庫大壩工程安全內涵發生轉變，生態安全問題凸顯，環境安全面臨巨大挑戰。

3.1.1 工程安全內涵發生轉變

工程安全是水庫大壩安全最基本最重要的部分。傳統意義上水庫大壩的工程安全主要是指工程自身的安全，進入水利建設新時代，水庫大壩的工程安全有了新的內涵：① 從工程自身安全向風險控制轉變。21世紀中國提出了一系列治水新思路，在防洪減災方面，從“洪水入海為安”轉化為“承受適度風險”，從“洪水控制”轉化為“洪水管理”，從采用“工程措施”轉化為“綜合采用工程措施和非工程措施”[7]，這大大超出了大壩自身安全的概念，正在形成一種以風險理念對大壩進行風險管理的新體系[2]。② 在強度設計基礎上強化耐久性設計理念。從水利工程運行狀況來看，大壩自身結構強度和穩定滿足設計是工程安全運行的基礎，在強度設計基礎上強化耐久性設計理念就是要在確保工程安全的基礎上，提升工程性能，延長工程壽命，保障水庫大壩長期安全運行。③ 將傳統工程安全提升至“工程+庫區”安全。對于高壩大庫，庫區蓄水后庫岸綿延數十到數百千米，庫區內不良地質構造或危巖體眾多，水庫蓄水后庫區的地質災害問題更為突出。將傳統工程安全提升至“工程+庫區”安全，不僅豐富了工程安全的內涵，也是對工程安全的科學完善。

3.1.2 生態安全問題凸顯

在水利建設新時代，治水的主要矛盾要求我們要牢固樹立和深入踐行“綠水青山就是金山銀山”的理念，積極開展生態友好型水庫大壩建設。生態友好型水庫大壩建設就是建設生態安全的水庫大壩。

當前，中國水庫大壩建設對生態系統的影響突出，主要表現在以下幾方面：① 高壩工程阻隔效應突顯，土著魚類洄游通道切斷，低溫水排泄，導致庫區及下游江河魚類資源、物種的多樣性呈下降趨勢。② 水文形勢改變，引起原有生態系統紊亂，生物群落原有棲息地被破壞。③ 江湖關系發生變化，湖泊枯水期提前。④ 水庫消落帶生態難以恢復等。

此外，隨著西部大開發和西電東送的大力推進，中國水電工程建設重點地域也從中、東部轉向西部。西部地區多為高海拔地區，是中國生態環境最脆弱的區域，環境承載力低，生態一旦破壞，再難恢復。在該類地區開展水電工程建設，做到工程建設與生態系統的和諧共存，面臨著以下巨大挑戰：① 高原庫壩區氣候環境影響，包括高原永久凍土層融化對生態環境影響、氣候改變引起冰川變化影響;② 高原庫壩區河流生態環境影響，包括水量、水質變化對上下游環境與生態影響、河流生態系統變化對生物群落影響。如何應對以上問題與挑戰，做到水庫大壩生態安全，創造人水和諧，建設生態友好型水庫，將是新時代水利建設的一個重大課題。

3.1.3 環境安全面臨巨大挑戰

水庫大壩的環境安全不僅指修建水庫大壩引起的環境改變問題，同時也包含環境對大壩安全的影響。

中國正值水利建設新時代，如何協調水庫大壩與環境的關系，促進其和諧發展，同樣面臨諸多問題與挑戰，主要表現在：① 局部氣候發生改變。水庫建成蓄水后，庫水大量匯集，在一定程度上會影響庫區降雨、溫度、大氣等氣候環境。② 水文環境平衡被打破，原有河流的水文條件變化，影響庫區生物原有棲息環境。③ 可能誘發地質災害。庫區地殼承載水壓力增加，庫岸邊坡受力情況發生改變，可能誘發地震、庫岸滑塌、滑坡等地質災害。深入開展水庫地震監測和監測資料分析，提煉水庫誘震因素，揭示水庫地震規律和誘震機理是水電工程建設中急需開展的攻關課題[8]。④ 泥沙淤積問題。水庫大壩的修建改變了原有河道泥沙的輸移沉積模式，大量泥沙淤積在庫區，會降低水庫有效庫容，影響樞紐建筑物安全，限制發電、通航、灌溉等功能效益的發揮。⑤ 泄洪霧化問題。大壩挑流泄洪會引發強降雨及霧化區，對水利樞紐的正常運行、下游邊坡穩定造成影響[9]。高水頭大流量的泄洪需求、高海拔低氣壓的復雜氣候環境以及高邊坡窄河谷的復雜地形環境，使得中國高壩泄洪環境越來越復雜，泄洪霧化引發的安全問題也愈發凸顯[10]。⑥ 庫盆變形。高壩蓄水會引發庫盆變形和谷幅收縮，可能影響大壩的工作性態和長期安全狀況。如拱壩對壩基變形敏感，拱壩安全問題往往與庫盆變形破壞密切相關，特別是蓄水后庫盆急劇變形的時期[11]。⑦ 極端氣候影響。全球氣候變化引起的極端天氣出現的幾率更為頻繁，高山峽谷地區大壩面臨的自然環境更為復雜，持續高/低溫、強紫外線照射、超強降雨等影響著大壩安全運行。如何應對極端氣候條件下大壩面臨的新問題是今后水庫大壩建設、設計、運行過程中的研究新方向。

踐行水庫大壩與環境和諧共存的安全理念，新時代水利建設應著力突破大壩環境安全所面臨的問題與挑戰，深化研究，將環境安全理念切實融入到水庫大壩的全要素安全中。

3.2 全流域安全

隨著中國水資源的不斷開發利用，一個流域內往往會建設一系列呈階梯式的水庫，形成一個水庫群。如黃河上游、長江上游和清江梯級水庫群等。龍頭水庫作為流域內的主要控制性水庫，其安全至關重要，同時梯級水庫群的規劃設計與管理調度也不容忽視，它不僅決定著水庫群發電、供水、航運等綜合運用功能是否能充分發揮，而且關系到水庫自身結構安全和下游地區的防洪安全。因此，以龍頭水庫安全為核心，重點關注梯級水庫群規劃設計與運行管理，對中國水資源安全具有重要的戰略意義。

3.2.1 龍頭水庫安全

在梯級水庫群中，建設有足夠調控水資源能力的龍頭水庫是水安全的重要保障，直接影響著下游水庫群的整體安全。在流域梯級龍頭水庫的規劃及建設過程中，必須確保其安全風險最低。主要可以從以下方面考慮：① 壩址選擇。龍頭水庫一般布置在流域上游，其壩址的選擇應更加謹慎，需綜合考慮地質、地形及氣候等自然條件，盡量避開斷層和地震多發地帶。② 壩型選擇。龍頭水庫壩型論證階段，需要在滿足任務要求、適應壩址自然條件、技術可行的基礎上盡量選擇可靠度更高的混凝土壩作為首選壩型。③ 壩體建設。龍頭水庫設計可適當提高大壩安全系數，建設應加強質量監管。

3.2.2 梯級水庫群安全

目前，將梯級水庫群作為一個整體，全面研究、分析和評價其安全性還較少見，現有的水庫大壩安全評價標準和分析方式設定也均是基于“單庫”模式，缺乏對單個水庫與梯級水庫群整體安全的關聯性考慮[12]。對于梯級水庫群安全，必須認識到某一單庫失事必將對其他梯級水庫帶來不可忽視的影響。例如“63·8”特大洪水造成海河流域319座大壩相繼潰決，受災人口達2 200余萬;“75·8”特大洪水造成洪汝河流域2座大型水庫、2座中型水庫和58座小型水庫漫溢潰壩，直接死亡人數超2.6萬[13]。上述兩次特大洪水中，由于水庫實有的抗洪能力明顯偏低，同時流域內絕大多數為土石壩，壩型結構單一，抵抗潰壩連鎖反應風險的能力較弱。因此，在梯級水庫群規劃設計階段，要充分考慮各水庫規模及壩型的協調性;同時在制定洪水標準時要統籌考慮梯級水庫群的設計洪水標準，當新建工程上游或下游已建或規劃有梯級水庫時，既要考慮上游水庫泄洪對本工程的影響，也要考慮本工程對下游的影響，經過統籌研究、相互協調，最終確定合理的洪水設計標準。對于防洪標準不匹配、不協調的梯級水庫群，要制定與之對應的防洪調度方案及應對措施。未來要對梯級水庫群的風險共擔問題展開深入調查研究，形成系統的梯級水庫群安全管理及風險防控機制。

在梯級水庫群運行管理階段，由于缺少流域集中管理和統籌協調，導致梯級水庫群的水資源綜合利用和整體效益發揮不理想，也制約了梯級水庫群防洪減災的統一部署。例如長江上游水庫群建設和管理主體多，涉及流域機構、各級地方政府、發電公司以及河流開發公司等，從而大幅增加了梯級電站統一調度的復雜性[14]。因此，有必要組建流域運行管理機構，統一協調流域內水庫群的建設、運行及調度管理，特別是防洪調度，以保障水庫大壩全流域安全。通過流域水資源統一管理和調度，可以實現梯級水庫群的綜合利用，提高水庫群及大壩工程的安全性。

3.3 全生命期安全

水庫大壩作為事關國計民生的重要基礎設施，必須貫徹落實高質量發展的要求，這就需要在大壩規劃、設計、建設、運行、退役各個階段堅持高質量標準，嚴格把關，從而保障水庫大壩全生命周期安全可靠。

在規劃階段要開展詳盡的調研工作，突出生態優先、綠色發展的規劃理念，大壩壩址應盡量避開有大型斷裂構造帶、近壩庫岸失穩區及地震活躍帶等重大地質安全隱患地帶，堅決落實“安全第一”理念。設計階段在面對建設經驗較少的200 m級以上超高壩時，雖然有基于安全系數或可靠度的安全冗余，其安全風險仍然不可忽視，在大型水庫特別是高壩大庫中應慎重采用新壩型。施工階段要嚴把質量關，做好施工圖審查、施工方案報批、重大工程施工組織設計等工作，對施工中發現的質量缺陷及時采取處理措施，并加強施工監管工作。在新時代水庫大壩建設階段，要重點加強高寒高海拔、高地震烈度、高陡邊坡及深厚覆蓋層等復雜條件下的筑壩技術研究。

水庫大壩全生命周期中，“重建輕管”的現象十分普遍，因此需加強水庫大壩運行及退役階段的安全管理，并在規劃設計階段予以考慮。運行階段應加強大壩安全監測，定期開展安全巡視檢查，及時整理分析觀測資料。根據工程特點及實測資料建立水庫大壩安全預警指標及準則，制定適合自身需求的安全預警應急機制及應急保障體系，并針對工程運行中可能遇到的各種風險進行識別、研究、評估和處理，加強極端工況下（超標洪水、地震、爆炸）的風險分析，結合風險的可能性（即建筑物病險程度）和產生的后果進行綜合評價。退役階段需建立完善的水庫大壩降等及報廢機制，中國水庫多建于20世紀50～70年代，根據SL654-2014《水利水電工程合理使用年限及耐久性設計規范》，很多工程已超過合理使用年限，正在超期服役，水庫降等及報廢工作十分緊迫。因此，需在對水庫大壩超期服役安全性態評估的基礎上，制定水庫大壩安全提升或拆除退役處理方案，消除水庫大壩降等與報廢后依然存在的安全隱患并加強安全管理，深入評估退役拆除對周圍生態系統的再次干擾，主要包括河流形態、泥沙運輸、水生環境和生物多樣性等方面的影響[15]，從時空角度開展相關影響研究[16]，并針對拆壩河流的生態恢復問題提供相應技術指導。

水庫大壩全生命期安全不僅要總結已有工程經驗、汲取事故教訓，更要與時俱進，采用新技術、新手段、新方法：如推廣應用BIM+GIS技術，從規劃建設期就開始管控水庫大壩工程質量與安全，模擬可能的形變、滲流、應力等情況，預測工程完成后的工作態勢;綜合利用互聯網+大數據+云計算、5G+邊緣計算等信息化手段，提高水庫大壩實時監控和評價的能力與水平;結合AI攝像頭實現定制化場景識別，提供不同時期大壩安全可視化監控等。

4 結 語

隨著中國社會經濟的持續發展，公眾對水庫風險認知和關注程度不斷提高，對水庫大壩安全的要求也越來越高。為此急需建立適合中國國情的水庫大壩安全管理及工程技術體系，引入工程安全、生態安全、環境安全相互融合協調的全要素安全，統籌考慮流域龍頭水庫及梯級水庫群的全流域安全，將水庫大壩安全貫穿于工程的規劃、設計、建設、運行以及退役的全生命期、全過程管理與控制。這要求我們要不斷研究水庫大壩的自然規律，深刻認識新時代大壩安全內涵，創新理論、技術、材料和工藝，既要通過工程技術手段提升大壩工程性能，確保大壩自身的安全性，又要健全法律、完善制度、加強管理，同時加大對大壩安全管理及工程技術體系研發投入，促進中國大壩安全管理整體水平的提升，不斷適應時代對水庫大壩安全的新要求。

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（編輯：鄭 毅）