意大利 瓦依昂

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所属分类:物理海洋

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Vajont Dam地理位置图(据Google.Earth资料)

瓦依昂坝(Vajont Dam)位于意大利北部阿尔卑斯山区皮亚韦(Piave)河的左岸支流瓦依昂河上,下游距河口2km,临近城市瓦依昂,离世界著名水城威尼斯(Venice)只有90km。瓦依昂坝(Vajont Dam)为混凝土双曲拱坝,最大坝高262m,水库总库容1.69亿m3。瓦依昂坝(Vajont Dam)建成时,成为当时世界上最高的双曲薄拱坝。

瓦依昂坝(Vajont Dam)工程于1956年开工,1961年建成。瓦依昂坝的独到之处在于采用了双曲拱结构,坝体在水平和垂直两个方向都呈弧形,前卫大胆的设计使载荷施加在坝拱上,减轻了梁的载荷,不但受力条件更好,可以承载更强的负荷,而且坝身可以造得很薄,节省了工期和用料。为了改善坝体应力状况,沿坝体周边还设置了一道像铰一样的缝,将坝体与其下的垫座分开,坝体从上到下也设置了4条水平缝,从而大大加强了拱的作用。

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Vajont Dam所处区域的地形特征(据Google.Earth资料)

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Vajont Dam地区地质构成(据Google.Earth资料)

1959年秋天,瓦依昂大坝竣工,1960年2月水库开始试验性蓄水。原本相对稳定的岩层在巨大的水压下开始渗水,水和岩层深处的粘土发生作用,坡体开始变得不稳定。同年10月,当水位到达635m时,左岸地面出现一道长达1800~2000 m的裂缝,随后发生了局部崩塌,塌方体积达70万m3,坝前出现高达10m的涌浪。一个月以后水位上升到652m,崩塌滑坡再次发生,岸坡位移速度达到3.5cm/天,恐惧万分的水电站工人连夜撤离——至少这回没人敢于无视问题了,蓄水随后停止,水位被降至600m以下,位移随即减少至0.3cm/天左右。设计部门认为,水位上升引起孔隙水压力上升是造成滑坡发生的关键因素,并认定降低水位上升速度可以阻止滑坡发展。在接下来的2年时间里,这一措施受到了一定成效,但随着蓄水和排水试验的反复进行,岸坡位移也随之时大时小,始终无法彻底消除,库区地震也十分频繁。

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灾后的瓦依昂大坝,右侧坝肩的损毁情况清晰可见

1962年底,国家电力公司(ENEL)从SADE手中买下了瓦依昂水库,为尽早通过验收,从1963年初开始,蓄水试验的步子再一次加快。到4月份,库区水位突破700m,达到702m;7月中旬,水位进一步增至710m,某些控制观察点录得超过0.5cm/天的移动量;到8月份增加到0.8cm/天。到了9月初,水位提高至715m时,位移速度已增至3.5cm/天。ENEL企图降低位移速度,开始缓慢降低水位至705m,但从9月28开始瓦依昂地区普降大雨,进一步恶化了岸坡结构,所以位移不但没有降低,反而继续增加,至超过20cm/天的惊人水平。瓦依昂山谷中发出奇怪的声音,水库里的水也变得浑浊,山脚下的公路在两年的时间里移动了0.5m之多。当地政府发出警告,惶恐不安的村民开始陆续逃离家园,然而这一切已经太晚太晚。

1963年10月9日22点39分。连日的大雨刚刚停息,这是一个雨后晴朗的夜晚,瓦依昂山谷仿佛睡着了一般,夜幕下的一切都显得那么静谧安宁。就在这一刻,瓦依昂水库南坡一块南北宽超过500m、东西长约2 000m、平均厚度约250m的巨大山体忽然发生滑坡,超过2.7亿m3的土石以100km的时速呼啸着涌入水库,随即又冲上对面山坡,达到数百米的高度,整个时间不超过45秒。滑坡时发出的巨大轰鸣声数十公里以外都能听见。此时水库中仅有5000万m3蓄水,不到设计库容的1/3。

所有的水在一瞬间沸腾起来,掀起的巨浪高达250m。横向滑落的滑坡体在水库的东、西两个方向上产生了两个涌浪冲击波:东面的冲击波沿山谷冲向水库上游,将上游10 km以内的沿岸村庄、桥梁悉数摧毁;西面的冲击波高于大坝150m,翻过大坝冲向水库下游,由于坝下游河道太狭窄,越坝洪水难以迅速衰减,致使涌浪前峰到达下游峡谷出口时仍然高达70m。洪水涌人皮亚韦河,彻底冲毁了下游沿岸的1个市镇和5个村庄。从滑坡开始到灾难发生,整个过程不超过7分钟,共有1900余人在这场灾难中丧命,700余人受伤。巨大的空气冲击波使电站地下厂房内的行车钢梁发生扭曲剪断,将廊道内的钢门推出12m,正在厂房内值班和住宿的60名技术人员除1人幸存外,其余全部死亡;事件遇难的人们中,还包括了正在坝顶监视安全的大坝设计者和工程师们。

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Vajont Dam地质滑坡的发生,使库区右岸台地上的村庄遭受毁灭性灾害(据Google.Earth资料)

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地质灾害发生后的Vajont Dam

唯一在洪水中幸免于难的是瓦依昂大坝本身。坝体设计方案提供者——意大利模型结构试验研究所(ISMES)不愧是世界顶尖的结构力学研究所,事后计算得知,滑坡引起的涌浪对坝体形成的动荷载约为4000万千牛,相当于设计荷载的8倍,在这样巨大的冲击力下,按照“无拉应力设计”准则设计的大坝依然十分坚固,表面具有一定斜度的拱形坝体将巨大的水平冲击力化解成向上的冲击波,减轻了直接冲击坝身的力量。洪水过后,瓦依昂大坝仅仅是右侧坝肩轻微受损,主体安然无恙,幸存的大坝拦住了部分泥石流,避免了更大灾难的发生。滑坡后第二天,瓦依昂山谷从痛苦中苏醒过来,大坝依然庄严地耸立在那里,但坝前不再是一汪清水,取而代之的是浑浊的泥浆和堆积如山的滑坡体,足足高出坝顶150m。

另外一个在鬼门关前转了一圈的是身处瓦依昂水库北岸山坡的萨索镇(Casso),由于地势较高,滑坡体冲到小镇脚下仅几十米的地方停了下来,全镇数千人因此逃过一劫。大难不死的萨索人事后足足举行了一个月的弥撒,并在每年的10月9日举行纪念活动,感谢万能的上帝对小镇的庇护,这一习俗沿袭至今。

灾难发生后,意大利政府在对灾民进行紧急救援的同时,还不得不面临瓦依昂水库的善后处理问题。由于坝前滑坡体对大坝产生的压力很大,灾后的首要大事就是抽空水库中残留的蓄水,并紧急开凿另外的穿山水道,将奔流而来的上游来水引开,绕过瓦依昂水坝流入皮亚韦河。善后工程进行了一年多方告结束。至于对灾民的安置、赔偿,灾区重建等工作,则一直持续到上世纪八十年代。然而灾难已经彻底改变了许多人的生活,滑坡体掩埋了瓦依昂山谷几乎所有良田,一些冲毁的村庄被完全废弃,生活再也回不到过去;灾难在人们心中造成的阴影也许还要持续很多年,也许永远都挥之不去。

由于滑坡涉及的范围太大,当地地质水文情况又极为复杂,要彻底弄清滑坡滑动机理及原因并不是件容易的事情,时至今日,瓦依昂灾难的许多细节仍不清楚。但毫无疑问,政客们明知在表决程序非法的情况下仍然通过决议,这背后是电力集团对利润的渴求;建设方在明知地质查勘不充分、地质人员素质不高的情况下仍然一意孤行。如果不是这些,大坝的高度就不会是后来的262m,而是最初设计的230m,对边坡的浸泡就不会有后来那么严重的灾难后果,至少滑坡的规模会大幅下降;即便大坝加高,发现滑坡苗头及时停止蓄水,而不是急于通过验收,也可以挽救上下游数千人的生命。

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Vajont Dam所处区域的地形特征。瓦依昂河左岸大片滑动的山体,仍是那场悲剧的见证(据Google.Earth资料)

1943年,意大利刚刚结束墨索里尼的独裁统治,从第二次世界大战的硝烟中摆脱出来。经过战火洗礼,这个国家早已满目疮痍,缺少从汽车到面包的几乎一切产品。为了获得重建所必需的电力供应,也为了满足电力集团对利润的渴望,在SADE(亚德里亚电力协会)的游说下,就在这一年,国会中35位部长中的13位被召集起来举行会议,决定在意大利东北部阿尔卑斯山区修建一座当时世界上最高的大坝——瓦依昂大坝(Vajont Dam)。尽管根据法律规定,要表决是否兴建瓦依昂大坝这样的议题,必须有超过半数的部长到会,因此表决结果事实上是非法和无效的,但1948年,意大利共和国的第一任总统路易吉?埃纳乌迪还是签署批准了这一议案。

阿尔卑斯山区良好的森林覆盖和得天独厚的气候条件,使得这里春夏秋三季雨量充沛,山谷中河流淙淙,水利资源十分丰富。早在1939年,工程师们就对这里进行了考察,提出了最早的设计方案:鉴于单独一个山谷的溪流的水力较小、而相邻山谷相距很近的情况,工程师们提出了修建穿山隧洞,将相邻的峡谷湖泊、溪流联接起来,集中水量和落差,建立大型水电站的工程构想。瓦依昂山谷独特的地理条件,成为实现上述构想的最佳地点:山谷呈葫芦型,谷口狭窄便于修建大坝;山谷内腹宽阔、深度大,能最大程度地多蓄水。根据规划,瓦依昂坝的坝身高达230m。

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Vajont Dam所处区域的地形特征(据Google.Earth资料)

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在风雪中已矗立了已近50个春秋的瓦依昂坝Vajont Dam(据Google.Earth资料)。

主要的问题来自瓦依昂山谷的地质构造。数千万年前这里是一片海洋,形成了石灰岩和粘土相互层叠的结构,石灰岩层间的粘土层在受水浸润时极易形成泥浆,使岩层间的摩擦力降低,存在导致滑坡的隐患。考虑到了水库可能发生的各种灾害,如大坝坝体破坏、滑坡等问题,设计师在大坝下游及与居民点相近的地点设置了一系列防洪减灾设施;考虑到两岸岩体内裂隙发育,还采用了预应力锚索进行加固,左岸用125根,右岸用25根,每根长55m。大坝设计师、著名建筑学家塞门萨(Semenza)宣称,瓦依昂大坝可以承受超过设计值11倍的负荷而安然无恙。

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今日残存的瓦依昂水库(据Google.Earth资料)

从技术角度说,瓦依昂大坝的设计是成功的,建筑质量是过硬的,经受住了8倍于设计值的冲击而安然无恙;然而我们不能只从技术角度孤立地研究坝体结构本身,还要着重研究水利设施对人类生产生活的影响,看水利设施能否与人和自然和谐相处。瓦依昂水坝从建成到毁灭,没有发出一度电,却造成了上下游惨重的人员伤亡和财产损失;在滑坡发生后很长一个时期内,瓦依昂山谷失去了昔日的秀美,到处是裸露的岩石土丘。直到今天,山谷中仍然到处可见大片裸露的山体,生态没有完全恢复。瓦依昂水库今天依然存在,只是不再是原来的规模,只保留了一个很小的供观赏的人工湖,完全失去了蓄能发电的作用

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瓦依昂山谷中至今可见大片裸露的岩石,成为近50年前那场悲剧的见证(据Google.Earth资料)

目前的大坝,包括拱坝和重力坝,都是按静力载荷及地震动载荷设计的,对于涌浪之类冲击力一般不予考虑——或者说无法考虑,因为相应的数学理论还不完善。瓦依昂大坝在灾难中幸存下来,并不代表其它大坝在面临类似风险时就可以高枕无忧。事实上,学者研究发现,西方历史上几次著名的溃坝事件如法国马尔帕萨((Malpasset)拱坝溃坝、美国圣弗朗西斯(St. Francis)重力坝溃坝的背后,都有疑似滑坡引起的水库涌浪的影子。特别是通常被认为是稳如磐石的重力坝,由于缺少向库内凸出的弧面,如果遇到类似涌浪这样的动载荷,大坝将无法分解冲击力,承受能力反而要打上一个大大的问号。二战中的许多经典战例表明,攻击重力坝的最佳方式不是直接轰炸坝体本身,而是在靠近坝体的水中引爆炸弹,依靠冲击波打击坝体,由此导致的破坏将比直接攻击坝体本身高出许多。这也是工程师们需要考虑的一个问题。

值得欣慰的是,瓦依昂灾难促进了立法程序的改变,应民众的要求,阿尔卑斯山地的水电、流域开发项目,必须得到当地议会的通过才能实施。此外,灾难还促使意大利政府加强了对工程咨询顾问的监管,实行了“专家咨询终生负责制”。这些亡羊补牢的做法算是不幸之中的万幸了。

20世纪5O年代末和6O年代初,世界上发生两起震惊全球的重大岩体失稳事故。先是法国60m 高的马尔帕塞(Malpasset)薄拱坝,于1959年(蓄水后5年),由于左坝头沿片麻岩中的绢云母页岩发生滑动,导致坝体破裂而失事,这是世界拱坝建筑史上第一次重大破坏事件;另一起则是发生在意大利瓦依昂(Vajont)水库的地质灾害。这两起重大事件在岩石力学及工程地质界引起极大的震动,并且促进了岩石力学和工程地质学进入一个具有划时代意义的崭新的发展阶段。

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在风雪中已矗立了50个春秋的Vajont Dam(据Google.Earth资料)

原文始发于微信公众号(草根水利):意大利 瓦依昂

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