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张云昌:关于水利水电工程使用寿命问题的探讨

更新时间:2022-09-13 23:22:06
作者: 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。(点击此处阅读下一页)


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本文责编:陈冬冬
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文章来源:生态修复网
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