云南鲁甸地震堰塞湖变身奇迹背后的难题

经过数年的恢复重建，云南省昭通市鲁甸县龙头山镇已从6.5级地震中重生。在数公里外的牛栏江河谷中，一江碧水被长约1公里的堰塞坝拦腰截住，犹如利刃劈开的山体上已经布满防护网，下游的水轮机静静地转动叶片。截至2020年底，光明水电厂已发电2亿度。

这就是2014年8月3日鲁甸6.5级地震形成的牛栏江红石岩堰塞湖，通过科研工作者、设计团队、施工单位等不懈努力，如今已变为集发电、灌溉等为一体的综合水利枢纽。

短短6年多时间，牛栏江红石岩堰塞湖何以开创了“应急抢险-后续处置-整治利用”一体化利用工程的先例，成为化害为利、转危为机的样本?

奇迹背后的难题

2014年8月3日，鲁甸县火德红镇红石岩村，山体崩塌堵塞牛栏江，形成巨大的堰塞湖，水位快速抬升，成为地震抢险救灾的主要难题之一。

极大——堰塞湖总库容2.6亿立方米，堰塞体总方量约为1000万立方米，属大型堰塞湖;

极险——危险级别为极高级，严重威胁4县区3万余人生命财产、3.3万亩耕地安全;

极难——采取工程措施排险，需要抢通震毁公路，让大型设备进入堰塞体，同时水位还在不断上升。

一场排危抢险决战就此打响。经过解放军、武警和民兵预备役部队1100多名官兵的紧张奋战，红石岩堰塞湖泄流槽于2014年8月12日全面打通，险情基本排除。当年10月3日，红石岩堰塞湖后续处置任务完成，险情进一步缓解。

但在应急排险和后续处置两个阶段后，堰塞湖的情况并不意味着万事大吉，仍是悬在灾区人民头上的一把利剑。

当时，红石岩堰塞湖形成后，水位急剧上涨，上游会泽、鲁甸两县牛栏江沿岸5000多亩土地及居民房屋被淹没，近4000名群众临时安置在堰塞湖附近村庄或公路路边，亟待恢复正常的生产生活。

“抢险处置后，红石岩堰塞湖也仅能满足全年常年洪水标准的度汛要求，标准很低，到次年汛期如遇较大洪水，将对上游部分居民和小岩头电站造成淹没，加剧库区地质灾害的发生。当时，堰塞湖仍威胁着下游沿江两岸的鲁甸、巧家、昭阳三县(区)10个乡镇、3万余人、3万亩耕地、3个水电站的安全。”云南水投牛栏江堰塞湖工程建设有限公司董事长李钊说。

“破”与“立”之间

站在堰塞体上眺望，堰塞湖左岸是鲁甸县火德红镇，右岸是巧家县包谷垴乡，一片片新房掩映在绿树丛中。环顾两侧，壁立千仞。山体崩塌后，堰塞湖两岸形成了负角度的陡峭岩壁，高达600米，犹如一片片巨大的利刃插在山体上。

从地质勘探图上可以看出，堰塞坝的前方、后方、左岸、右岸乃至下游，都存在崩塌体或堆积体。

李钊介绍，地震引起的堰塞湖地质灾害问题严重。堰塞体右岸崩塌形成了高达600米的边坡，危岩体不断坍塌和崩落，“堰塞湖库区发育有12个滑坡、7个崩堆积体、14处不稳定斜坡及4条泥石流沟。这些不良地质体对堰塞体、堰塞湖库周居民安全均存在巨大的威胁，必须尽快整治。”他说。

由于堰塞体方量大，堆积体高约102米，加之周围交通不便，堰塞湖难以通过拆除方式恢复天然河流状态。专家认为，受制于红石岩堰塞湖的地质、地形、地貌等，常规方案不是消除隐患的最优解，但堰塞湖也具备综合利用的条件。

根据测量，堰塞体迎水面宽阔约286米，背水面狭窄，约78米。“这个宽窄比大约为3.7∶1，经过我们计算分析，在堰顶不漫流的情况下，堰塞体基本稳定，一般情况不会被冲刷导致溃堰。同时，应急抢险及后续处置阶段开挖的泄流槽与原红石岩电站引水隧洞可以派上用场，这就为后期永久整治创造了有利施工条件。”红石岩堰塞湖整治工程副总设计师洪振伟介绍。

据洪振伟、李钊介绍，在红石岩堰塞湖整治工程可行性研究的“破”和“立”之间，专家组给出“立”的方案，即将地震造成的红石岩堰塞湖整治成综合水利设施，涉及了由堰塞坝、高边坡治理、右岸溢洪洞、右岸泄洪冲沙放空洞、右岸引水发电建筑物、下游供水及灌溉建筑物等组成的整治工程。

此外，永久整治方案可建成一座20.1万千瓦装机容量的光明水电站，还可以通过电站重建融资贷款解决投资资金缺口，建成后通过售电收入维持项目运营。

“逆向建坝”破局

红石岩堰塞湖整治技术难度大，国内外均无类似工程经验。施工团队介绍，通常情况下建设大型水利枢纽工程，都是遵循截流、开挖、筑坝及防渗的顺序。但把红石岩堰塞湖整治成兼具灌溉、发电和防洪等效益的综合水利枢纽工程，意味着“逆向建坝”。

“作为一个非常规项目，工程地处地震频发地区，整治技术难度大，没有先例可以借鉴。”李钊坦言，堰塞体右岸高边坡治理和堰塞体防渗工程是“除害兴利”路上最大的两只“拦路虎”。

为了解决好堰塞湖整治过程中出现的重大技术难题，堰塞湖公司委托水利部水利水电规划设计总院承担全过程的技术咨询，同时依托以马洪琪院士为组长、陈祖煜院士、钮新强院士为主要成员的高层次专家团队，全面提升咨询服务水平。

为了将堰塞湖整治这张蓝图绘到乌蒙大地上，来自全国五湖四海的“水利人”齐聚于此。李明宇是中国电建集团中国水电基础局有限公司红石岩堰塞湖项目经理，他从业20年，做过10余件大中型水利水电工程，但面对这个堰塞湖还是第一次。

首先是施工工艺上的颠覆。“防渗墙做好了，堰塞体才能变为坝体，这种逆向的防渗施工比新建一座大坝困难得多。”李明宇说。

其次是堰塞体构成复杂，看上去好像把牛栏江堵得严严实实，但夹杂着大量孤石，架空现象严重，最大的孤石有五六层楼那么高。

面对上述困难，设计单位充分计算论证，防渗墙施工前采用预爆预灌等工艺，首先爆破堰塞体内部的巨石，又从顶部向内浇灌混凝土，最终克服了137米堰塞体防渗墙施工难题，形成挡水堰塞坝。“这相当于建设了一座‘地下长城’。”李明宇说。

堰塞体右岸高边坡治理也充满惊险。堰塞体右岸边坡总高度约620米，现场施工过程中创新采用无人机测绘、三维激光扫描技术为边坡设计提供技术支撑，确定了分区分期、削坡减载、混凝土封闭软岩条带等工程治理措施。

“由于时间紧迫，右岸高边坡整治工程就在震后支离破碎的山体中开始，安全隐患极大，只能边研究、边设计、边施工。”云南建投集团堰塞湖整治边坡治理工程项目总工崔庆孔回忆，那时余震频发，常常有石块从堰塞体右岸高边坡上滚落下来，给现场施工造成了极大的麻烦。

面对刀削一般的陡崖，大型机械毫无用武之地，只能依靠“蜘蛛人”——工人系上安全绳从崖顶下去，进行作业。直到“蜘蛛人”在岩壁上搭起栈道，才能上一些小型机械，施工进度由此快了起来。

目前，堰塞湖的边坡治理工作基本完成，“除害”问题得到解决，监测数据显示，治理后的右岸高边坡稳定性良好。

危局中开新局

2019年12月，红石岩堰塞湖整治工程顺利下闸蓄水，2020年6月首台机组顺利并网发电，除害兴利任务基本实现。

在6年多时间内，红石岩堰塞湖成为“危机中育新机”的样本，在国际学术和工程界产生了重要影响，全面提升了中国堰塞坝应急处置与国家自然灾害防治技术能力，其中“堰塞坝应急处置与综合整治关键技术”获2019年中国大坝工程学会科技进步特等奖。

目前，红石岩堰塞湖综合水利枢纽工程仅仅发挥了防洪、部分发电的功效，等后续工程建设完成后，将更好地发挥灌溉、发电和旅游等综合效益。

牛栏江红石岩堰塞湖所处河段水能资源集中，通过整治可形成库容1.8亿方的大二型水库，建成的20.1万千瓦装机容量的光明水电站，平均每年可为当地社会提供近7.9亿度电的清洁能源。

“目前仅有一台机组运行，今后3台机组同时投入运行后，将为当地及云南省的社会经济发展提供更充足的清洁、优质能源。”光明水电厂厂长周平说。

灌溉工程竣工后，届时可有效解决鲁甸、巧家、昭阳区相关乡镇每年3.6万亩耕地、4.5万人、2万头牲畜的灌溉、饮用水问题，为当地社会发展提供水源保障。

更重要的是，红石岩堰塞湖整治工程为堰塞坝应急处置与我国自然灾害防治带来启示。

鲁甸灾区重建以云南省为主，把自主权交给地方，重在发挥地方各级政府的主导作用和灾区群众的主体作用，有助于调动市场和社会各界力量，形成强大合力。云南建立了省级统筹、部门指导、市负总责、县抓落实的重建机制。红石岩堰塞湖治理同样如此，云南水投牛栏江堰塞湖工程建设有限公司作为堰塞湖整治工程项目法人，多年来将一张蓝图绘到底。

李钊、洪振伟等人认为，回顾我国堰塞湖应急处置的历程，从唐家山堰塞湖到红石岩堰塞湖，我国堰塞湖应急处置技术实现了从无到有、从有到优，在实际处置案例中，根据不同情况确立减灾或排险、除害或兴利的处置目标体现了“因地制宜”处置大型堰塞湖的基本经验，为堰塞坝应急处置与国家自然灾害防治带来启示。

其中，红石岩堰塞湖整治工程中的强震碎裂高陡边坡整治关键技术、130米级堰塞坝防渗综合治理、非接触式地基干涉雷达扫描安全监测等关键技术为类似堰塞坝应急处置及整治利用提供参考和借鉴建议。