张云昌:关于水利水电工程使用寿命问题的探讨

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张云昌 (进入专栏)  

水利水电工程的使用寿命问题是水利工程建设与管理的原点问题,也是水利工作实现高质量发展的一个重大理论和实践问题。搞清楚这个问题,有利于转变观念,实现水利工作革命性的变革,有利于厘清水利水电工程建设和管理运行的目标,促进水利水电行业可持续发展,有利于节约资源和资金、保护生态和环境,实现人与自然的和谐发展。


一、水利水电工程建设和管理运行的目标应该是长期使用


(一)现行法规对水利水电工程使用寿命问题没有做出明确规定

工程使用寿命在不同的法规中有不同的表述:《中华人民共和国建筑法》第六十条规定,“建筑物在合理使用寿命内,必须确保地基基础工程和主体结构的质量”;《工程结构可靠性设计统一标准》将设计使用年限定义为“设计规定的结构或结构构件不需进行大修即可按预定目的使用的年限”;《建筑结构可靠度设计统一标准》将结构设计使用年限定义为“设计规定的结构或结构构件不需进行大修即可按其预定目的使用的时期”;《混凝土结构耐久性设计规范》中将结构使用年限定义为“结构各种性能均能满足使用要求的年限”;《混凝土结构耐久性设计与施工指南》将结构使用年限定义为“结构建成后,在预定的使用与维修条件下,结构所有性能均能满足原定要求的实际年限”。将设计使用年限或设计寿命定义为“设计人员用以作为结构耐久性设计依据并具有足够安全裕度或保证率的目标使用年限。


水利法规对水利水电工程使用寿命做出规定的是《水工混凝土结构设计规范》和《水利水电工程合理使用年限及耐久性设计规范》,但这两个规范并没有对水利水电工程使用寿命问题做出明确规定,只是提出了工程安全使用的最低要求年限。


《水工混凝土结构设计规范》将设计使用年限定义为“设计规定的结构或结构构件不需进行大修即可按预定目的使用的时期”。


《水利水电工程合理使用年限及耐久性设计规范》将水利水电工程及其水工建筑物的合理使用年限定义为“水利水电工程及其水工建筑物建成投入运行后,在正常运行使用和规定的维修条件下,能按设计功能安全使用的最低要求年限”,也就是说,工程的合理使用年限是指工程在正常设计、正常施工、正常运行使用和规定的维修(包括大修在内)下应达到的最低使用年限,包括按有关规定进行安全鉴定和必要的设计预定的检测、维护、修理。


《水利水电工程合理使用年限及耐久性设计规范》中有这样一张表:


水利水电工程合理使用年限 单位:年


这张表大概每一个水利水电工程师都背过,而且记忆深刻,因为这是水利水电工程建造师的考点。这张表给了很多人一个错误印像,水利水电工程是有寿命的,而且不长,最多不过150年,最短才30年。“合理使用年限”这一概念本身隐含一层意思,工程超过表中所列年限继续使用是不合理的。


但很多人忽略了《水利水电工程合理使用年限及耐久性设计规范条文说明》中一段重要的话:我国幅员辽阔,由于环境作用下的耐久性问题十分复杂,不仅环境侵蚀作用本身多变,存在较大的不确定和不确知性,而且结构材料在环境侵蚀作用下的劣化机理也有诸多问题有待进一步研究,目前尚缺乏足够的工程经验与数据积累,因此在使用本标准时,设计人员要结合工程重要性和环境条件等具体特点,充分考虑当地的实际情况,如有可靠的调查类比与试验依据,通过专门的论证必要时可以提高本标准的要求。这段话的要点有三:一、环境侵蚀作用存在不确定和不确知性;二、目前尚缺乏足够的工程经验与数据积累;三、必要时可以提高本标准的要求。这段话很大程度否定了《规范》关于水利水电工程使用寿命的界定,使我们陷入一种不可知。在实践中这一《规范》也只是作为设计、质量检查监督和工程验收的规范,而没有作为工程退役、拆除、重建的依据。


(二)现有研究支持水利水电工程可以做到长期使用

水利系统的科学家对水利水电工程使用寿命问题进行了长期研究。


水利水电工程长期使用最主要的制约因素主要有二:一是水库泥沙淤积,二是混凝土寿命。对此,水利系统组织了两次综合研究。


关于水库泥沙淤积。1958年,毛泽东同志提出,(三峡)这样的千年大计工程,二、三百年就淤死了,太可惜。此后,在林一山同志的组织下,原长江流域规划办公室进行了长达8年的研究,完成了《水库长期使用问题》报告,形成水库长期使用理论。这一理论经三门峡改造工程和葛洲坝工程运行检验,是科学的。


关于混凝土寿命。1996年,长江科学院博士刘崇熙给全国政协副主席、民盟中央主席钱伟长写信,提出“三峡混凝土的耐久寿命预计50年”,钱伟长同志将信转给了江泽民同志,江泽民指示,认真加以处理,要经得起专家推敲。时任国务院三峡工程建设委员会副主任、三峡办主任郭树言组织建材系统、水利系统专家对水泥的寿命问题进行了系统研究。采用三峡施工用的水泥,在零下20度和最高40度做冻融试验150次,结果表明,水泥结构、强度等各方面没有发生变化,保持原样。科研和论证结束后,郭树言同志向李鹏和江泽民同志报送了《关于三峡大坝混凝土耐久寿命问题认识的报告》。李鹏同志《众志绘宏图—李鹏三峡日记》中摘录了郭树言同志的报告:


“水利部长江水利委员会长江科学院工学博士刘崇熙同志在《三峡大坝混凝土耐久寿命500年的设计构想》一文中,提出有关水利工程混凝土耐久寿命问题,指出‘我国兴建的大量混凝土坝在运行10至30年后局部呈现严重病害,以致危及到大坝安全’。文中提出了‘三峡混凝土的耐久寿命,预计50年’的估计。


对此,我们与混凝土耐久性方面的专家进行了研究。大家认为,混凝土建筑物的耐久寿命有特定涵义,系指建筑物在满足设计指标情况下正常运行而不必大修的年限。这类似于汽车发动机或飞机发动机第一次大修以前的使用期限一样,并不意味着到了这个期限发动机就要报废,而是须进行大修后再继续使用。如我国丰满大坝已运行50 多年,中间经过大修补强,现仍在正常使用中;三门峡大坝已运行近40年,亦在正常使用中,而且混凝土强度还在继续增长;四川都江堰水利枢纽工程经过历代的修缮已运行两千年以上。


对混凝土耐久性的影响因素十分复杂,由于其他因素难于量化,目前国内外一般只用混凝土抗冻融循环次数来表示混凝土的耐久性。我国现行标准规定,冻融循环次数最高为300次。各地按环境温度不同还可选用50次、100次、150次等不同抗冻标号的混凝土。三峡工程大坝在设计时按设计规范,对外部混凝土冻融标准定为150次,内部混凝土为50次。至于冻融次数与建筑物耐久寿命之间的关系,世界各国目前都没有定论。由此分析,提出大坝耐久寿命 50年、100年的说法是不确切的。”


中国水利水电科学研究院也对混凝土寿命问题进行了长期研究。水工结构专家朱伯芳院士在研究分析各种因素对混凝土坝使用寿命的影响后指出,优质实体混凝土坝的使用寿命有可能为无限大,换言之,它有可能超长期服役。坝体内部钻孔取芯试验资料表明,坝工混凝土具有足够的长期强度,根据当前的筑坝水平,混凝土碳化、冻融和冲蚀等表面损伤可以控制在允许范围内,实体混凝土坝断面厚度较大,即使产生了一些表面损伤,完全可以在不影响大坝正常运用条件下进行修复,因此优质实体混凝土坝可以长期服役。这与一般钢筋混凝土构件是完全不同的,我国是坝工大国,实现混凝土坝的超长期服役,对我国国民经济的长久发展无疑将发挥积极作用。


对于新建大坝,建议在坝型、结构、材料、施工和管理等方面采取较高标准,务使建成后可超长期服役。对在役实体混凝土坝,若目前质量较好,应加强管理和维修,实现超长期服役;如存在一些质量问题,可考虑适当改善,争取能够超长期服役。对在役单支墩大头坝,可考虑适当改造,使其可超长期服役。在役平板坝,难以长期服役,但可采取适当措施,例如,坝面加抗老化涂层,适当延长其使用寿命。


(三)历史上很多水利工程长期使用,效益显著

中国历史上一些著名的水工程:都江堰、灵渠、郑国渠等,历经2000多年,现在还运行良好,大家耳熟能详,这里不介绍了,讲讲近来很热门的两个水工程,简要分析其长期使用和拆除重建的原因。


石龙坝水电站是中国第一座水电站,位于云南省昆明市西山区海口街道螳螂川上游。


1908年末,由昆明商人招募商股、集资筹建,1910年8月21日石龙坝水电站正式开工建设。来自江苏、浙江、广东等省以及云南省内玉溪、昭通、昆明等地1000多名工匠纷纷涌到石龙坝,克服前所未有的艰难困苦,用坚强的意志开启了中国水电建设的大幕。建设中,工程因地制宜就地取材,利用裸露岩石为建筑材料,牢固耐久;水渠、车间就地用石料加工成长条方石砌成。经过100多年风雨剥蚀,这些石材如今依然坚固完好。1912年4月12日,两台240千瓦水轮发电机组建成发电,石龙坝水电站发出的电能源源不断地输送到昆明市区。


从电站建成到解放初期,该电站进行了6次扩建,发电机组均来自德国或瑞士。1935年,为解决旱季水源不足问题,建设了中滩抽水站和蓄水拦河坝,这是我国抽水蓄能电站的雏形。1957年第7次扩建时,电站进行了彻底改造,安装了我国哈尔滨电机厂自主设计制造的第一批3000千瓦机组,总装机容量达到6000千瓦。原有7台小机组拆除,无偿赠给云南省楚雄、文山、通海、元江、沾益、富源等地装用,支援地方工农业生产。


1988年,石龙坝水电站从通海县购回最初发电的240千瓦老机组1台,1989年在第一车间复装最初发电的德国生产发电机、奥地利生产的水轮机。至此,全厂总装机容量达7040千瓦。2021年,电站复建第二车间,安装了320千瓦立式水轮发电机组,复建完成后总装机为7360千瓦,历经百年的石龙坝水电站,依然担当着提供清洁绿色能源的使命。


2006年,石龙坝水电站被国务院批准列入第六批全国重点文物保护单位。2018年1月,这座百年电站又入选了首批中国工业遗产保护名录。另外,该电站还获评为中国红色文化教育基地、云南省爱国主义教育基地。


丰满水电站(Fengman Hydropower Station),位于吉林省吉林市境内的松花江上,1937年日本侵占东北时期开工兴建,电站大坝坝高91米,坝长1080米,坝底宽60米,坝顶宽9~13.5米,坝体混凝土量194万立方米。设计泄洪量9020立方米/秒,设计洪水位为266米,形成的水库贮水面积550平方公里,总库容107.8亿立方米,是当时亚洲规模最大的水电站。


日伪时期,水电站的修建持续了8年多时间,日本侵略者用强抓、骗招、征集等手段,掠夺劳动力数万人。绝大部分的中国劳工在日本监工、特务、警察的残酷虐待下,每天进行繁重艰苦的劳动长达十几个小时。他们吃的是橡子面,住的是夏季潮湿闷热、冬季彻骨冰寒的半地下式工棚,近万劳工被折磨致死,吉林城南丰满劳工纪念馆内的层层白骨就是见证。1938年4月,“江堤工场大暴动事件”发生,900多名劳工不堪凌辱,和日本监工菊地发生冲突,菊地受重伤,三分之二监工被打。此次事件后,劳工的反抗运动此起彼伏,从未停止。


至解放时,丰满水电站没有完建。解放后,党和国家领导人非常重视丰满水电站未完工程建设,“一五”计划将丰满水电站未完工程建设列为重点建设项目。1950年2月,前苏联外交部正式派遣专家工作组到达丰满,根据我国提出的要求,采用先进技术改建大坝,采取补强加固措施,处理大坝缺陷,提高大坝整体稳定性。1951年,前苏联电站部水电设计院为改建丰满水电站而编制的《第366号设计书》陆续完成。《366号设计书》在丰满水电站修复续建工程中发挥了重要指导作用,除了恢复发电、加固大坝,更重要的意义在于防洪观念的强化。


由于工程建设于特殊的历史时期,丰满水电站大坝设计与施工有严重的先天缺陷,虽经多年改造加固,仍存在大坝混凝土强度低、整体性差,防渗漏、冻胀、溶蚀、洪水能力不足等隐患。


2012年10月,国家发改委下发《关于吉林丰满水电站全面治理(重建)工程项目核准的批复》,丰满水电站全面治理(重建)工程通过核准。10月29日,丰满水电站全面治理(重建)工程正式开工。该工程是按恢复电站原任务和功能的目标,在原址下游120m处新建一座大坝。在国际水电史上,进行百亿库容、百万装机、近百米坝高的大型水电站重建尚属首例。丰满水电站重建工程新安装6台20万千瓦混流式水轮发电机组,加上保留的两台14万千瓦发电机组,工程竣工后丰满水电站总装机容量148万千瓦。


1、2、3号机组分别于2019年9月、10月、12月投入运营。自1号机组发电以来,丰满水电站累计发电量超过5.6亿千瓦时。2020年4月28日,丰满水电站全面治理(重建)工程4号机组高质量投产发电。机组运行主要技术指标达到国际先进水平,比之前投产的3台机组进一步提升。


通过回顾石龙坝水电站、丰满水电站的建设、运行历程,我们很清楚地看到,设计、建设和运维也是影响水利水电工程的使用寿命的重要因素。如果说石龙坝水电站是一个长期安全可持续运行典范的话,那么丰满水电站则恰恰相反,建国后国家投入巨资维修加固,但由于该工程先天不足,最后不得不拆除重建。


二、以水利水电工程长期使用为目标,深化水利改革,推进水利高质量发展


(一)敬畏历史,敬畏文化,敬畏生态,树立水利水电工程长期使用、永续利用的理念

随着实践的深入,我们对水利水电工程的认识也越来越深入,越来越全面。水利水电工程是改造山河的工程,具有投资大,公共性强,公益性强,效益巨大,影响范围广、时间长、程度深、绝大多数不可逆的特点,这些特点要求我们对水利水电工程的建设与管理有更为长远、更为全面的考虑。我们要敬畏历史,敬畏文化,敬畏生态,树立水利水电工程长期使用、永续利用的理念;要向历史学习,传承古人的治水智慧;要向自然学习,返本开新,师法自然。从全国范围来看,像三峡工程、南水北调工程等特大型工程,在我们能够预见的未来,其功能作用都是巨大的、无可替代的,因此,对其设计、施工、运维都要按着长期使用、永续利用理念来进行。对于区域性的中小工程,我们也要秉持这一理念,因为这些工程对区域的作用和影响与大型工程是一样的。


(二)站在系统、流域、生态角度,重新审视水利规划,调整优化水利水电工程格局

解放后,我国有两次水利水电建设高潮,一次是文革时期,一次是改革开放初期,两次大建设形成了现在小、散、乱的水利水电工程格局。我们要辩证的看待这个问题,一方面,这些工程在不同的历史时期发挥了重要作用,另一方面,一些工程存在设计不科学,建设质量差,在整个流域中布局不合理,破坏生态环境等问题。我们不能苛责前人,但我们现在有条件、有能力对此进行调整和完善。要按照“确有必要、生态安全、可以持续”的原则,站在系统、流域、生态角度,重新审视水利规划,调整优化水利水电工程格局。


(三)改进病险水库改造和新建工程设计工作,加强工程建设质量管理

工程设计和建设质量是水利水电工程长期使用、永续利用的基础,要用长期使用、永续利用的理念指导工程设计和建设质量管理工作。修改或完善《水利水电工程合理使用年限及耐久性设计规范》,比如关于混凝土保护层设计要求,明显不适应工程长期使用的需要;妥善处理工程长期使用与经济性的矛盾。在许多情况下,建筑物的长期使用与工程的经济性并不矛盾,合理的耐久性设计在造价不明显增加的前提下就能大幅度提高建筑物的使用寿命,使工程具有优良的长期使用效益;选择水泥时不能以强度作为唯一指标 。不能认为强度高的水泥就一定好,由于结构混凝土的设计和质量检验习惯上仍以单一的强度指标作为衡量标准,导致水泥工业对水泥强度的不适当追求。提高水泥强度的主要手段只是增加水泥中的铝酸三钙与硅酸三钙含量以及提高水泥细度,导致水泥的水化速率过快,水化热大,早期强度发展过快过高,混凝土的微结构不良,收缩大,抗裂性下降,抗腐蚀性差。由于硅酸盐水泥的活性不断提高,水泥用量也随着混凝土强度等级提高而增加,加上追求早强效果,养护不足,这样强度提高了,耐久性却更差,愈早强的混凝土,耐久性愈差。混凝土早期强度越高,对混凝土长期性能越不利,在早期也越易开裂,抗腐蚀性更差,所以要慎用早强水泥。由于过分强调混凝土强度或为了保险而多用水泥会对耐久性带来不良后果;吸取丰满水电站拆除重建的经验教训,加强工程建设全过程管理,在材料采购、施工工艺、施工质量监理监督、员工培训等各个环节下足功夫,确保工程建设质量。


(四)改革水利工作管理体制机制,建立岁修制度

早在上世纪80年代,水利部领导就提出“把水利工作的着重点转移到管理上来”,但迄今为止,水利系统重建轻管的痼疾始终没有彻底消除。这一问题的形成既有宏观政治、经济环境的影响,也有本系统长期形成的路径依赖、路径锁定的原因。要按照十八届三中全会关于进一步深化改革的总要求,持续不断地推进水利管理体制机制改革,实现水利管理体系和能力的现代化。


如前所述都江堰、灵渠、郑国渠、石龙坝水电站和丰满水电站等水利水电工程,建设、管理、运行正反两方面的典型案例说明,保持水利水电工程长期、安全、可持续运行,最根本的一条经验是建立岁修制度。都江堰历经2200余年风雨,连年岁修不辍。石龙坝水电站,经历满清、民国、中华人民共和国三代110年,110年间,管理人员换了多代,水电机组换了多批,但始终保持一支高素质的管理团队稳定,持续管理经营,发挥效益。


集中采取除险加固措施来保证水利水电工程安全运行是无法之法,投资大,运动式消缺,效果也不一定好,治本的办法还是加强管理,建立岁修制度。


要把建立岁修制度作为深化水利管理体制机制改革的一项根本制度。要改革水利投资体制,不断增加运维投资的比例。认真研究制定不同类别水利水电工程岁修的标准和定额。加强水利水电工程运维人才培养,不断提高工程管理水平。


(五)推进精细调度、联合调度

据中国水利水电科学研究院解家毕、孙东亚的研究,我国水利水电工程因为漫顶导致的水库溃坝占比接近一半。水库溃坝导致巨大的人员伤亡、社会经济损失和生态环境问题。要避免这种灾难,除前面所述改进设计、加强质量管理之外,还要做好调度工作。


推进精细调度。现在要按照水利部的统一部署,做好数字孪生流域和数字孪生工程工作。要按照需求牵引、应用至上、数字赋能、提升能力的要求,以数字化、网络化、智能化为主线,以数字化场景、智慧化模拟、精准化决策为路径,以算据、算法、算力建设为支撑,加快推进数字孪生流域建设,实现预报、预警、预演、预案功能。


创造条件,开展联合调度。同一流域的水工程联合调度能发挥1+1大于2的效果,提高水资源保证率和防洪保障能力。水工程联合调度管理是根据不同水工程特性及实际调度需求,每年编制汛期、蓄水期、消落期联合调度方案,通过科学调度,发挥各水库优势,增加水库群调节能力和调度灵活性,实现综合效益最大化。


长江水利委员会开展以三峡水库为核心,干支流控制性水库群、蓄滞洪区、河道洲滩民垸、排涝泵站等水工程的联合防洪调度,效益显著。当长江中下游发生大洪水时,三峡水库联合上游金沙江、雅砻江、岷江、嘉陵江、乌江等干支流的水库,以及清江、洞庭湖支流的水库,以沙市、城陵矶等防洪控制站水位为主要控制目标,实施防洪补偿调度。自2012年起到2019年,将调度对象扩展至水库、泵站、涵闸、引调水工程、蓄滞洪区,数量达到100座,范围由长江上游逐步扩展至长江上中游最后至全流域。


(六)深化混凝土等主要建材侵蚀、耐久性和水库泥沙淤积等问题研究,为水利水电工程长期使用提供科技支撑

都江堰、灵渠、石龙坝水电站建设的主要材料是自然材料,其耐久性经受了时间的考验,但作为现代水利水电工程建设的主要材料--混凝土--发明只有170年历史,其侵蚀机理和劣化作用的最终后果现在还不清楚。研究表明,水利水电工程建成后,混凝土内部仍然在发生物理化学反应,对这种反应的研究也不充分。对混凝土坚固性和耐久性的研究也有待检验。总之,混凝土作为一种“新建材”,我们现在还不能充分把握,要进行长期的监测和研究。


水库泥沙淤积和调控问题,经过几代水利科学工作者的努力,我国研究水平处于世界领先地位,但仍然面临新的矛盾和问题:水资源利用、中小洪水调度和泥沙调度的矛盾、流域产沙发生重大变化、泥沙预测模型准确性、水利水电工程下游冲刷加剧,这些问题需要继续进行研究。


水利水电工程使用寿命问题是一个长期争论的问题,是一个涉及水利工作指导思想的问题,是一个事关水利改革和高质量发展的战略问题,本人不揣浅陋,写作此文,提出水利水电工程长期使用、永续利用的观点,请各位专家批评。



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本文责编:陈冬冬
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