楊啟貴，王秘學

（1.長江設計集團有限公司，430010，武漢；2.國家大壩安全工程技術研究中心，430010，武漢）

一、新時期水庫大壩安全的新要求

水庫大壩是洪旱災害的“減震器”，是清潔能源的“穩(wěn)定器”，是國家水網(wǎng)的“重要結點”和“調(diào)節(jié)器”。三峽、南水北調(diào)、烏東德、白鶴灘等新時代“國之重器”承擔著保障國家防洪安全、供水安全、能源安全、生態(tài)安全等重要功能，具有很強的公益性、基礎性和先導性。

1.我國水庫大壩建設成就

通過70多年的實踐創(chuàng)新，至2022年年底，我國已建成各類水庫大壩約9.8萬座，總庫容9887億m3，水電裝機容量近4.135億kW（含抽水蓄能0.315億kW），其中大型水庫814座、中型水庫4192座，大壩數(shù)量、高壩數(shù)量及裝機規(guī)模均居世界第一。100 m以上高壩由2000年的50座增至2020年的223座，水布埡、錦屏一級、黃登等大壩壩高位居同類壩型之首。全世界已建成的200 m以上高壩共77座，我國有23座；全世界在建200 m以上高壩23座，我國有15座，均居世界之首。此外，面板堆石壩、碾壓混凝土壩、堆石混凝土壩、膠結顆粒料壩等新壩型發(fā)展迅速，展現(xiàn)出良好的適應性和生命力，我國高壩大庫建造技術已處于世界領先水平。

2.大壩安全面臨的形勢與任務

通過健全法規(guī)制度和技術標準體系、推動水管體制改革、開展病險水庫除險加固、強化水庫大壩安全監(jiān)管等工作，我國水庫大壩安全狀況得到根本改善。新時期，有力支撐經(jīng)濟社會高質(zhì)量發(fā)展對大壩安全提出了新要求，水庫大壩安全面臨新的形勢與任務。

（1）國家戰(zhàn)略對重大水利水電工程建設提出新需求

長江經(jīng)濟帶發(fā)展、“雙碳”目標等國家重大戰(zhàn)略對大壩安全提出了更高的要求?！吨腥A人民共和國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035年遠景目標綱要》提出實施國家水網(wǎng)、雅魯藏布江下游水電開發(fā)等重大工程，推進重大生態(tài)系統(tǒng)保護修復和重大引調(diào)水工程、防洪減災工程等項目建設。未來在高地震烈度、高陡邊坡與深厚覆蓋層等復雜地質(zhì)條件，高海拔、高寒大溫差、深山峽谷等建造條件，生態(tài)脆弱等復雜環(huán)境條件的西南部地區(qū)，大壩建設和安全保障任務非常繁重，技術挑戰(zhàn)巨大。

（2）保障現(xiàn)有水庫大壩安全是實現(xiàn)國家水安全的迫切需要

“十四五”規(guī)劃綱要提出要加快病險水庫除險加固，水利部明確在2025年年底前完成現(xiàn)有病險水庫除險加固任務，對新出現(xiàn)的病險水庫要及時除險加固，消除安全隱患。同時，要完善雨水情測報、安全監(jiān)測相關設施的建設，健全水庫運行管護長效機制。

2023年5月，中共中央、國務院印發(fā)《國家水網(wǎng)建設規(guī)劃綱要》。作為國家水網(wǎng)之“結”，水庫尤其高壩大庫是具有控制性地位與功能的調(diào)蓄工程，是水流集蓄、中轉、再分配的樞紐。根據(jù)國家水網(wǎng)布局，實施過程中既要充分利用現(xiàn)有水庫工程，還要新建一批結點水庫。

二、水庫大壩安全面臨的挑戰(zhàn)

1.運行潛在風險日益突出

（1）極端氣候引發(fā)超標準洪水頻發(fā)

受全球性氣候變化影響，我國強降水等極端事件增多增強，氣候風險水平趨于上升。根據(jù)《中國氣候變化藍皮書（2021）》，我國1991—2020年氣候風險指數(shù)平均值（6.8）較1961—1990年平均值（4.3）增加了58%。以全球變暖為主要特征的氣候變化，導致特大暴雨、超標準洪水發(fā)生的機率和強度顯著增加。如2021年“7·20”鄭州特大暴雨，多個國家級氣象觀測站監(jiān)測的日降雨量突破有氣象記錄以來的歷史極值，主要防洪河道出現(xiàn)超標準洪水，導致重大人員傷亡和經(jīng)濟損失。隨著極端氣候事件的增多，暴雨洪澇災害的突發(fā)性、反常性、極端性、不可預見性日益突出，突破歷史紀錄、顛覆傳統(tǒng)認知的水災害事件頻繁出現(xiàn)，水庫大壩安全面臨巨大挑戰(zhàn)。如2023年9月，受“丹尼爾”颶風影響，利比亞瓦迪德納河兩座梯級水庫連潰，致1.13萬人遇難、1.01萬人失蹤，造成災難性后果。

（2）土石壩數(shù)量多，中小型水庫防洪能力偏低

土石壩作為歷史最為悠久的壩型，占我國大壩總數(shù)的92%，但其抗風險能力相對較弱。1954—2018年，全國各類水庫發(fā)生潰壩事件3541起，土壩占92.8%，其中1/3以上是由于遭遇特大洪水、設計洪水偏低和泄洪設備失靈而引起洪水漫頂失事。中小型水庫潰壩占比96.27%。中小型水庫防洪能力不足主要體現(xiàn)在防洪標準偏低和泄洪能力不足。

①防洪標準偏低。美國高風險區(qū)小型水庫洪水標準為0.5倍至1倍的可能最大洪水（PMF），我國3、4、5級永久性水工建筑物校核洪水標準分別為2000年一遇～1000年一遇、1000年一遇～300年一遇、300年一遇～200年一遇，洪水標準相對偏低。隨著經(jīng)濟社會快速發(fā)展，我國許多水庫已變?yōu)槌沁吷踔脸侵兴畮?，下游人口密集、城市密集、?jīng)濟布局密集，其防洪保護對象和運行環(huán)境變化很大，按照當前的防災標準衡量，相當數(shù)量的中小型水庫洪水標準偏低。

②部分水庫泄洪能力不足。我國早期修建的中小型水庫大壩放水設施大多采用壩體埋管的形式，由于運行時間長、壩體出現(xiàn)沉降等，涵管老化、破裂、堵塞等問題突出，導致洪水宣泄能力嚴重不足。大范圍病險水庫除險加固實施后，仍可能存在部分水庫泄洪設施可靠性難保證、部分行洪通道被侵占導致泄洪能力明顯降低等問題。

（3）超合理使用年限的大壩數(shù)量多

我國水庫大多建于20世紀50—70年代，占已建水庫的82%。《水利水電工程合理使用年限及耐久性設計規(guī)范》（SL 654—2014）中規(guī)定3、4、5級工程合理使用年限為50年，2030年約76%的大壩將超合理使用年限，隨著工程繼續(xù)服役還可能產(chǎn)生新的病險。

（4）流域梯級水庫群多，運管安全風險較高

我國在貓?zhí)?、紅水河、烏江干流及金沙江、大渡河干流等初步建成首尾銜接梯級水庫群，梯級間風險存在傳遞、疊加、放大效應，一旦失事將造成公共災難。1954年至今，我國水庫連潰事件共發(fā)生130余起，給下游帶來了嚴重后果。

2.運行管理信息化、智能化水平不高

（1）中小型水庫安全監(jiān)測感知能力不足

監(jiān)測感知設施是水庫大壩安全運行的“耳目”?！秶鴦赵恨k公廳關于切實加強水庫除險加固和運行管護工作的通知》（國辦發(fā)〔2021〕8號）要求開展小型水庫監(jiān)測能力提升試點等工作，但囿于資金、水平等原因，仍存在水庫監(jiān)測項目不全、監(jiān)測采集自動化水平低、監(jiān)測感知設施完好率低、新型智能巡檢及空天地感知手段應用普遍偏少等，中小型水庫監(jiān)測感知能力仍顯不足。

（2）大壩安全智能化分析預警能力有待提升

水庫大壩的各類檢查信息、監(jiān)測數(shù)據(jù)等是判斷工程安全性態(tài)的重要依據(jù)。目前，多數(shù)水庫建設的安全監(jiān)測管理類系統(tǒng)主要功能為監(jiān)測數(shù)據(jù)查詢統(tǒng)計、圖形報表制作以及數(shù)據(jù)管理等，大部分尚未建立安全分析預警體系，且分析應用能力相對薄弱，不能及時研判大壩運行性態(tài)，大壩安全智能化分析預警應用能力較數(shù)字孿生水利工程要求的預報、預警、預演、預案“四預”能力建設仍存在相當距離。

3.安全保障技術裝備存在薄弱環(huán)節(jié)

（1）深水深埋隱患診斷技術裝備不足

隨著運行時間的增加，大壩不可避免地出現(xiàn)老化、裂縫、鋼筋銹蝕、壩體或壩基滲漏等問題?，F(xiàn)有技術手段和裝備難以精準、快速查明深水缺陷、深埋隱患的程度及范圍。大壩水下?lián)p傷隱蔽性強、時空分布隨機，加之水特殊的傳導性和水下環(huán)境的復雜性，電、磁等方式難以準確檢測水下?lián)p傷。大壩混凝土內(nèi)部隱性裂縫、心墻土體的滲透破壞等病害具有隱蔽、復雜、埋深大的特點，常規(guī)無損檢測的電法、電磁法、振動波法等技術的高頻信號易被壩體材料吸收，抗干擾能力低，大壩安全監(jiān)測和隱患排查治理能力存在短板。

（2）深水加固作業(yè)手段有限

目前，大壩深水缺陷修補加固仍存在裝備瓶頸和技術短板，難度高、耗時長、代價大、影響廣、效果欠佳。人工潛水作業(yè)仍是當前水下處置最主要的方式，工程應用深度可達110 m，更大深度的飽和潛水（300 m級）作業(yè)在海洋行業(yè)中有所應用，但針對大壩深水環(huán)境、復雜工序、精細作業(yè)方面的設備研發(fā)、集成控制技術研究還不充分，缺乏成套技術設備，同時生命保障系統(tǒng)復雜、價格昂貴，應用推廣受限。

4.應急管理水平與技術能力有待提升

近年來，極端暴雨、特大洪水、超強臺風等極端事件出現(xiàn)的頻率和強度呈上升態(tài)勢，加之違規(guī)超蓄、下墊面變化、管理疏忽等人為因素的影響，水庫出險等情況仍有發(fā)生，當前應對水庫突發(fā)事件的水平和能力仍顯不足。如2023年7月底，受臺風“杜蘇芮”影響，華北、黃淮等地出現(xiàn)極端降雨過程，沿太行山地區(qū)局地48小時降水量接近1000 mm，均遠超過當?shù)爻Ｄ昶骄炅浚?00～700 mm），引發(fā)重大洪澇災害。

（1）突發(fā)事件的預警能力不足

表現(xiàn)為中小型水庫雨水情監(jiān)測設施不完備、預報精度不高、預警標準缺失，部分水庫缺乏極端天氣引發(fā)超標準洪水的識別、預警能力。部分中小型水庫巡視檢查和安全監(jiān)測制度未嚴格執(zhí)行。

（2）應急預案的有效性和可操作性不足

近年來，國家層面和水利行業(yè)出臺了水庫大壩突發(fā)事件的相關法律法規(guī)、規(guī)范導則等，包括《中華人民共和國突發(fā)事件應對法》《國家突發(fā)公共事件總體應急預案》《水庫大壩安全管理條例》《水庫大壩安全管理應急預案編制導則》等。各水庫大壩管理單位以此制定了各類應急預案，但預案的針對性、有效性和可操作性仍有提升空間，公眾風險意識也有待增強。

（3）應急避險設施建設不足

我國部分已投運的高壩大庫缺少應急放空設施或應急放空能力不足，遭遇地震、超標準洪水等極端事件時潛在風險大。中小型水庫方面，部分缺乏應急電源、物資和應急通信設備，部分小水庫未設上壩公路。

三、大壩安全運維思考

1.構建更具韌性的大壩防洪安全體系

（1）完善中小水庫的防洪安全復核標準

根據(jù)《水庫大壩安全評價導則》（SL 258—2017），對于防洪標準達不到現(xiàn)行規(guī)范要求的，可分期提高運用洪水標準，但近期非常運用洪水標準不得低于《水利樞紐工程除險加固近期非常運用洪水標準的意見》（水規(guī)〔1989〕21號），意見中并未明確給出4、5級建筑物的近期非常運用洪水標準，而是由各省（自治區(qū)、直轄市）水利（水務）廳（局）自行確定，部分省份確定的近期非常運用洪水標準明顯低于《水利水電工程等級劃分及洪水標準》（SL 252—2017）的要求。建議安全評價時盡可能提高大壩特別是土石壩的防洪標準，對于不滿足《防洪標準》（GB 50201—2014）和《水利水電工程等級劃分及洪水標準》（SL 252—2017）的直接評定為三類壩。

（2）加強基于全流域的防洪調(diào)度

考慮到近年來極端強降雨事件頻發(fā)、極端洪水事件增多，需加強基于全流域的防洪調(diào)度，將流域內(nèi)具有水文、水力聯(lián)系的水庫以及相關工程設施進行統(tǒng)一的防洪協(xié)同調(diào)度，使整個流域的洪災損失降至最低。建議針對各梯級大壩風險特征賦予不同的風險防控目標及安全標準，統(tǒng)籌考慮梯級水庫群的設計洪水標準，制定對應的防洪調(diào)度方案，保障大壩在極端組合條件下的安全。

（3）加強雨水情監(jiān)測預報預警

水庫雨水情信息為水庫防洪、興利調(diào)度提供數(shù)據(jù)支撐，當前中小型水庫雨水情監(jiān)測以大壩上固定的雨量站、水位站為主，需補充完善必要的庫區(qū)雨水情監(jiān)測站網(wǎng)，拓展“天空地”采集手段和遙感等現(xiàn)代技術應用，構建氣象衛(wèi)星和測雨雷達、雨量站、水文站組成的雨水情監(jiān)測預報“三道防線”，增強監(jiān)測能力，開展中小河流洪水預報預警，提高預見期和預報精度，實現(xiàn)洪水影響范圍預報及洪水風險預警，保障中小型水庫的安全運行。

（4）提升土壩漫頂防潰能力

當土壩遭遇超標準洪水漫頂時，下游壩體在水流沖刷作用下可能會逐步崩解垮塌甚至潰決。建議在土石壩壩頂及后壩坡采取襯砌防護或防沖刷措施，如預設漫頂段采用現(xiàn)澆混凝土面板襯砌、砌石護坡結合加糙或臺階式消能等防沖設施，使洪水漫壩時能夠在預先設置的防護段下泄以滿足壩面短歷時過水要求，降低潰壩風險甚至實現(xiàn)土石壩“漫而不潰”。

2.建設更具智慧的大壩安全管理體系

（1）提升大壩運行管理信息化水平

根據(jù)數(shù)字孿生水利工程建設要求，圍繞大壩運行及監(jiān)督管理業(yè)務，建設配套的物聯(lián)感知、通信傳輸、數(shù)據(jù)融合與存儲、數(shù)據(jù)共享與發(fā)布、網(wǎng)絡安全、業(yè)務應用、系統(tǒng)運維等行業(yè)技術標準。同時，分級建立全國統(tǒng)一的水庫管理信息填報、審核、更新機制，實現(xiàn)水庫運行管護等信息動態(tài)管理。

（2）加強大壩安全感知能力建設

大壩安全態(tài)勢感知提升能力需結合數(shù)字技術，如物聯(lián)網(wǎng)、北斗、遙感等建設。對于小型水庫，要采用自動化、智能化以及普惠性的新技術、新裝備、新產(chǎn)品，力爭做到全覆蓋，保障監(jiān)測設施及時維護、正常運行。同時，加強大中型水庫大壩監(jiān)測設施智能化改造工作，增設監(jiān)測設施和自動化采集裝置，提升監(jiān)測設施自動化監(jiān)測水平。加強水庫監(jiān)測數(shù)據(jù)整編分析，提升預測、預警能力。

（3）加快推進數(shù)字孿生工程

按照水利部部署，加快水庫大壩數(shù)字孿生建設相關研究和實踐，實現(xiàn)大壩全過程安全管理的信息化、可視化、智慧化。借助數(shù)字孿生技術，積累和漸進式地開展數(shù)據(jù)治理，將設計數(shù)據(jù)、地理空間數(shù)據(jù)、工程建設過程數(shù)據(jù)、規(guī)則數(shù)據(jù)等進行知識結構化，使大壩工程開展物理實體建設的同時，在信息空間同步構建數(shù)字孿生體，實現(xiàn)對大壩全生命期的模擬、驗證、控制和預測。

3.提升更精準高效的大壩安全診斷與加固能力

（1）研發(fā)大壩高效精準檢測技術與裝備

借助無人機、激光、攝影測量、陣列超聲、水下機器人等先進技術，開展大壩智能檢測技術及裝備研究，突破復雜條件下缺陷智能識別與精細定位等技術瓶頸，實現(xiàn)大壩全方位檢測。借助無人機搭載高清攝像、紅外成像、激光傳感器等功能模塊，實現(xiàn)大壩裂縫、缺陷的精確探測定位與智能識別分析診斷。引入陣列超聲橫波反射成像檢測技術，結合聲波射線追蹤和反演成像技術，實現(xiàn)大壩結構全空間快速精細化檢測?；谒聶C器人檢測平臺，結合水下三維檢測技術，實現(xiàn)水下復雜結構的自動化和可視化檢測。創(chuàng)建新型水下聲吶滲漏檢測技術和高清示蹤檢測技術，提升深水機器人定位、檢測與作業(yè)的時效和精度。

（2）研發(fā)水下機器人作業(yè)平臺

針對大壩深水病害的多發(fā)性與共性特點，強化技術集成創(chuàng)新，推動載人潛水器、水下多功能高效作業(yè)、加固修復等核心技術突破和裝備研發(fā)，實現(xiàn)水下作業(yè)支持平臺和多功能作業(yè)協(xié)同控制。研究基于機器人的多功能一體化處置作業(yè)技術及設備，以適應深水、動水、渾水環(huán)境。研發(fā)基于機器人的水下鉆鑿、嵌填、灌漿模塊化作業(yè)設備，實現(xiàn)水下滲漏高效封堵、破損修復等多功能修復作業(yè)功能。

4.提高更實用管用的大壩安全應急處置水平

（1）建設全國水庫大壩安全應急平臺

圍繞災害預報、潰壩分析、風險評估、應急響應等研究通用化專業(yè)模型體系，建設全國水庫大壩安全應急平臺。平臺面向省、市、縣以及水庫管理單位等多個管理層級，涵蓋水庫風險管理及預警、應急信息發(fā)布、應急響應處置等多種功能、業(yè)務，支撐個人電腦、移動終端等多用戶、多設備管理業(yè)務應用，形成多部門、多領域、多區(qū)域聯(lián)動的決策模式，實現(xiàn)應急信息及時發(fā)布、快速獲取、極速響應，提高水庫應急管理能力和處置效率。

（2）提高應急預案的科學性實用性

基于梯級水庫群、多壩型潰壩規(guī)律及數(shù)值模擬結果，確定潰壩洪水演進過程及淹沒范圍，完善水庫大壩風險區(qū)規(guī)劃與相關標準。集成下游居民信息，利用GIS技術確定下游可能受災居民點，基于道路數(shù)據(jù)確定最佳撤離路線，并根據(jù)水庫大壩的運行環(huán)境變化適時更新應急預案，確保應急預案能真正發(fā)揮科學指導的作用。同時，加強水庫應急安全宣傳、培訓和應急演練，增強公眾的水庫大壩風險意識和應急避險能力。

（3）加快研發(fā)大壩潰決搶險技術與裝備

主要包括機械開挖或爆破成渠的專門技術，以及大功率高揚程機械抽排、虹吸排水等成套裝備。加大應對水庫大壩突發(fā)事件的應急避險設施建設力度，特別是建設高壩大庫安全且高效的應急放空設施。

四、結 語

回顧我國近75年的壩工建設史，成效巨大；展望未來，經(jīng)濟社會對水安全提出了更高要求，大壩安全保障任重道遠。在高質(zhì)量發(fā)展新階段，面對各流域洪旱防御、南水北調(diào)后續(xù)工程建設、抽水蓄能快速發(fā)展等繁重任務，按照美麗中國、數(shù)字社會、國家水網(wǎng)構建總要求，建議全方位完善大壩安全保障體系，包括構建更具韌性的防洪體系，建設更智慧的安全管理體系，提升診斷加固能力和應急處置能力，為如期全面建成社會主義現(xiàn)代化強國提供堅強的水安全保障貢獻壩工力量。