經(jīng)過數(shù)年的恢復重建，云南省昭通市魯?shù)榭h龍頭山鎮(zhèn)已從6.5級地震中重生。在數(shù)公里外的牛欄江河谷中，一江碧水被長約1公里的堰塞壩攔腰截住，猶如利刃劈開的山體上已經(jīng)布滿防護網(wǎng)，下游的水輪機靜靜地轉動葉片。截至2020年底，光明水電廠已發(fā)電2億度。
圖為空中俯瞰紅石巖堰塞湖綜合水利樞紐工程。江文耀 攝
這就是2014年8月3日魯?shù)?.5級地震形成的牛欄江紅石巖堰塞湖，通過科研工作者、設計團隊、施工單位等不懈努力，如今已變?yōu)榧l(fā)電、灌溉等為一體的綜合水利樞紐。
短短6年多時間
牛欄江紅石巖堰塞湖何以開創(chuàng)了
“應急搶險-后續(xù)處置-整治利用”
一體化利用工程的先例
成為化害為利、轉危為機的樣本？
圖為空中俯瞰紅石巖堰塞湖綜合水利樞紐工程。江文耀 攝
奇跡背后的難題
2014年8月3日，魯?shù)榭h火德紅鎮(zhèn)紅石巖村，山體崩塌堵塞牛欄江，形成巨大的堰塞湖，水位快速抬升，成為地震搶險救災的主要難題之一。
極大——堰塞湖總庫容2.6億立方米，堰塞體總方量約為1000萬立方米，屬大型堰塞湖；
極險——危險級別為極高級，嚴重威脅4縣區(qū)3萬余人生命財產(chǎn)、3.3萬畝耕地安全；
極難——采取工程措施排險，需要搶通震毀公路，讓大型設備進入堰塞體，同時水位還在不斷上升。
一場排危搶險決戰(zhàn)就此打響。經(jīng)過解放軍、武警和民兵預備役部隊1100多名官兵的緊張奮戰(zhàn)，紅石巖堰塞湖泄流槽于2014年8月12日全面打通，險情基本排除。當年10月3日，紅石巖堰塞湖后續(xù)處置任務完成，險情進一步緩解。
但在應急排險和后續(xù)處置兩個階段后，堰塞湖的情況并不意味著萬事大吉，仍是懸在災區(qū)人民頭上的一把利劍。
當時，紅石巖堰塞湖形成后，水位急劇上漲，上游會澤、魯?shù)閮煽h牛欄江沿岸5000多畝土地及居民房屋被淹沒，近4000名群眾臨時安置在堰塞湖附近村莊或公路路邊，亟待恢復正常的生產(chǎn)生活。
“搶險處置后，紅石巖堰塞湖也僅能滿足全年常年洪水標準的度汛要求，標準很低，到次年汛期如遇較大洪水，將對上游部分居民和小巖頭電站造成淹沒，加劇庫區(qū)地質災害的發(fā)生。當時，堰塞湖仍威脅著下游沿江兩岸的魯?shù)椤⑶杉?、昭陽三縣（區(qū)）10個鄉(xiāng)鎮(zhèn)、3萬余人、3萬畝耕地、3個水電站的安全。”云南水投牛欄江堰塞湖工程建設有限公司董事長李釗說。
“破”與“立”之間
站在堰塞體上眺望，堰塞湖左岸是魯?shù)榭h火德紅鎮(zhèn)，右岸是巧家縣包谷垴鄉(xiāng)，一片片新房掩映在綠樹叢中。環(huán)顧兩側，壁立千仞。山體崩塌后，堰塞湖兩岸形成了負角度的陡峭巖壁，高達600米，猶如一片片巨大的利刃插在山體上。
圖為堰塞湖右岸邊坡臨邊松散體清除。張艷華 攝
從地質勘探圖上可以看出，堰塞壩的前方、后方、左岸、右岸乃至下游，都存在崩塌體或堆積體。
李釗介紹，地震引起的堰塞湖地質災害問題嚴重。堰塞體右岸崩塌形成了高達600米的邊坡，危巖體不斷坍塌和崩落，“堰塞湖庫區(qū)發(fā)育有12個滑坡、7個崩堆積體、14處不穩(wěn)定斜坡及4條泥石流溝。這些不良地質體對堰塞體、堰塞湖庫周居民安全均存在巨大的威脅，必須盡快整治。”他說。
由于堰塞體方量大，堆積體高約102米，加之周圍交通不便，堰塞湖難以通過拆除方式恢復天然河流狀態(tài)。專家認為，受制于紅石巖堰塞湖的地質、地形、地貌等，常規(guī)方案不是消除隱患的最優(yōu)解，但堰塞湖也具備綜合利用的條件。
根據(jù)測量，堰塞體迎水面寬闊約286米，背水面狹窄，約78米。“這個寬窄比大約為3.7∶1，經(jīng)過我們計算分析，在堰頂不漫流的情況下，堰塞體基本穩(wěn)定，一般情況不會被沖刷導致潰堰。同時，應急搶險及后續(xù)處置階段開挖的泄流槽與原紅石巖電站引水隧洞可以派上用場，這就為后期永久整治創(chuàng)造了有利施工條件。”紅石巖堰塞湖整治工程副總設計師洪振偉介紹。
據(jù)洪振偉、李釗介紹，在紅石巖堰塞湖整治工程可行性研究的“破”和“立”之間，專家組給出“立”的方案，即將地震造成的紅石巖堰塞湖整治成綜合水利設施，涉及了由堰塞壩、高邊坡治理、右岸溢洪洞、右岸泄洪沖沙放空洞、右岸引水發(fā)電建筑物、下游供水及灌溉建筑物等組成的整治工程。
圖為溢洪洞出口。黃毅 攝
此外，永久整治方案可建成一座20.1萬千瓦裝機容量的光明水電站，還可以通過電站重建融資貸款解決投資資金缺口，建成后通過售電收入維持項目運營。
“逆向建壩”破局
紅石巖堰塞湖整治技術難度大，國內外均無類似工程經(jīng)驗。施工團隊介紹，通常情況下建設大型水利樞紐工程，都是遵循截流、開挖、筑壩及防滲的順序。但把紅石巖堰塞湖整治成兼具灌溉、發(fā)電和防洪等效益的綜合水利樞紐工程，意味著“逆向建壩”。
“作為一個非常規(guī)項目，工程地處地震頻發(fā)地區(qū)，整治技術難度大，沒有先例可以借鑒。”李釗坦言，堰塞體右岸高邊坡治理和堰塞體防滲工程是“除害興利”路上最大的兩只“攔路虎”。
為了解決好堰塞湖整治過程中出現(xiàn)的重大技術難題，堰塞湖公司委托水利部水利水電規(guī)劃設計總院承擔全過程的技術咨詢，同時依托以馬洪琪院士為組長、陳祖煜院士、鈕新強院士為主要成員的高層次專家團隊，全面提升咨詢服務水平。
為了將堰塞湖整治這張藍圖繪到烏蒙大地上，來自全國五湖四海的“水利人”齊聚于此。李明宇是中國電建集團中國水電基礎局有限公司紅石巖堰塞湖項目經(jīng)理，他從業(yè)20年，做過10余件大中型水利水電工程，但面對這個堰塞湖還是第一次。
首先是施工工藝上的顛覆。“防滲墻做好了，堰塞體才能變?yōu)閴误w，這種逆向的防滲施工比新建一座大壩困難得多。”李明宇說。
圖為堰塞壩防滲墻施工。張艷華 攝
其次是堰塞體構成復雜，看上去好像把牛欄江堵得嚴嚴實實，但夾雜著大量孤石，架空現(xiàn)象嚴重，最大的孤石有五六層樓那么高。
面對上述困難，設計單位充分計算論證，防滲墻施工前采用預爆預灌等工藝，首先爆破堰塞體內部的巨石，又從頂部向內澆灌混凝土，最終克服了137米堰塞體防滲墻施工難題，形成擋水堰塞壩。“這相當于建設了一座‘地下長城’。”李明宇說。
堰塞體右岸高邊坡治理也充滿驚險。堰塞體右岸邊坡總高度約620米，現(xiàn)場施工過程中創(chuàng)新采用無人機測繪、三維激光掃描技術為邊坡設計提供技術支撐，確定了分區(qū)分期、削坡減載、混凝土封閉軟巖條帶等工程治理措施。
圖為堰塞湖整治工程右岸高邊坡臨時棧道，離地面300余米。張艷華 攝
“由于時間緊迫，右岸高邊坡整治工程就在震后支離破碎的山體中開始，安全隱患極大，只能邊研究、邊設計、邊施工。”云南建投集團堰塞湖整治邊坡治理工程項目總工崔慶孔回憶，那時余震頻發(fā)，常常有石塊從堰塞體右岸高邊坡上滾落下來，給現(xiàn)場施工造成了極大的麻煩。
面對刀削一般的陡崖，大型機械毫無用武之地，只能依靠“蜘蛛人”——工人系上安全繩從崖頂下去，進行作業(yè)。直到“蜘蛛人”在巖壁上搭起棧道，才能上一些小型機械，施工進度由此快了起來。
圖為堰塞湖右岸高邊坡采取蜘蛛人方式掛網(wǎng)施工。張艷華 攝
目前
堰塞湖的邊坡治理工作基本完成
“除害”問題得到解決
監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示
治理后的右岸高邊坡穩(wěn)定性良好
危局中開新局
2019年12月，紅石巖堰塞湖整治工程順利下閘蓄水，2020年6月首臺機組順利并網(wǎng)發(fā)電，除害興利任務基本實現(xiàn)。
在6年多時間內，紅石巖堰塞湖成為“危機中育新機”的樣本，在國際學術和工程界產(chǎn)生了重要影響，全面提升了中國堰塞壩應急處置與國家自然災害防治技術能力，其中“堰塞壩應急處置與綜合整治關鍵技術”獲2019年中國大壩工程學會科技進步特等獎。
目前，紅石巖堰塞湖綜合水利樞紐工程僅僅發(fā)揮了防洪、部分發(fā)電的功效，等后續(xù)工程建設完成后，將更好地發(fā)揮灌溉、發(fā)電和旅游等綜合效益。
牛欄江紅石巖堰塞湖所處河段水能資源集中，通過整治可形成庫容1.8億方的大二型水庫，建成的20.1萬千瓦裝機容量的光明水電站，平均每年可為當?shù)厣鐣峁┙?.9億度電的清潔能源。
“目前僅有一臺機組運行，今后3臺機組同時投入運行后，將為當?shù)丶霸颇鲜〉纳鐣?jīng)濟發(fā)展提供更充足的清潔、優(yōu)質能源。”光明水電廠廠長周平說。
灌溉工程竣工后，屆時可有效解決魯?shù)椤⑶杉?、昭陽區(qū)相關鄉(xiāng)鎮(zhèn)每年3.6萬畝耕地、4.5萬人、2萬頭牲畜的灌溉、飲用水問題，為當?shù)厣鐣l(fā)展提供水源保障。
更重要的是
紅石巖堰塞湖整治工程
為堰塞壩應急處置
與我國自然災害防治
帶來啟示
魯?shù)闉膮^(qū)重建以云南省為主，把自主權交給地方，重在發(fā)揮地方各級政府的主導作用和災區(qū)群眾的主體作用，有助于調動市場和社會各界力量，形成強大合力。云南建立了省級統(tǒng)籌、部門指導、市負總責、縣抓落實的重建機制。紅石巖堰塞湖治理同樣如此，云南水投牛欄江堰塞湖工程建設有限公司作為堰塞湖整治工程項目法人，多年來將一張藍圖繪到底。
李釗、洪振偉等人認為，回顧我國堰塞湖應急處置的歷程，從唐家山堰塞湖到紅石巖堰塞湖，我國堰塞湖應急處置技術實現(xiàn)了從無到有、從有到優(yōu)，在實際處置案例中，根據(jù)不同情況確立減災或排險、除害或興利的處置目標體現(xiàn)了“因地制宜”處置大型堰塞湖的基本經(jīng)驗，為堰塞壩應急處置與國家自然災害防治帶來啟示。
其中，紅石巖堰塞湖整治工程中的強震碎裂高陡邊坡整治關鍵技術、130米級堰塞壩防滲綜合治理、非接觸式地基干涉雷達掃描安全監(jiān)測等關鍵技術為類似堰塞壩應急處置及整治利用提供參考和借鑒建議。
