老壩的安全評價

G.S.Sarkaria

0 概述

沒有兩座壩是完全相同的。各壩之間存在型式、規(guī)模、壩址、壩基地質(zhì)、功能、設計方法、施工和維護方法以及壩齡的區(qū)別。精心建成的大壩，其設計應該足夠安全，但這并不意味著所有大壩都有同等的安全度。

大壩的安全是相對的，從一定程度上看，它隨時間而變化，不僅是因為壩齡的增長，也可能由于周圍環(huán)境因素影響到大壩條件或相應的評價準則的改變，需要對它的安全和安全裕度進行評價。

有的大壩像好酒一樣能經(jīng)受時間的考驗，隨著時間的推移而不斷完善。而有些大壩就像人體，老化過程中會產(chǎn)生病痛。例如，大壩老化可能致使土石壩或混凝土壩孔隙水壓力異常、混凝土逐漸脆弱碎裂、閘門結(jié)構、閥門和管道逐漸腐蝕或衰化。此外，大壩和人體的老化還有很多其它相似之處，因此大壩安全評價和人的綜合體檢一樣，是一種全面、綜合檢查，需要定期進行。

1 影響大壩安全的因素

影響大壩安全的因素很多，包括自然因素、人為因素，還有一些不斷發(fā)展演變的因素，控制了大壩的安全。主要因素包括：

自然因素：水文、基礎（主要是地質(zhì)）、水庫庫岸穩(wěn)定、水庫淤積、下游洪泛平原和地震活動。

人為因素：設計、施工材料和方法、基礎處理、大壩運行、維護和水庫上下游的發(fā)展和使用。

演變因素：大壩和附屬建筑物的老化、基礎和水庫岸坡風化。

總結(jié)以上因素對大壩安全的影響，導致以下有趣的普遍印象：

（1）現(xiàn)代大壩比壩齡40年或以上的大壩安全。這是因為在過去40年里，設計實踐、施工質(zhì)量控制和大壩維護水平得到了長足的進步。

（2）一般小壩的安全性不如重點大壩好。這是由于一般小壩，常常設計不當、維護很差或根本沒有維護。

（3）有些大壩的結(jié)構型式，其安全性不如另外類型?；炷凉皦蔚陌踩宰詈?，水力填筑壩安全性最差。

以上結(jié)論建立在廣泛的前提下，即用來相互比較的大壩其它條件都一樣。雖然大壩有共性，但進行大壩綜合安全評價時，應將以上觀察結(jié)論牢記在心。

2 潛在風險

鑒于大壩安全評價的主要目的是發(fā)現(xiàn)并避免破壞，因此，對大壩進行潛在風險分析是必要的。每座蓄水的大壩溢流和泄洪都會對下游人民的生命和財產(chǎn)有潛在的危害，具體來說，大壩和水庫的潛在危險可用以下一些因素來表示：

Vr為水庫庫容；Hd為壩高；L為大壩距下游主要居民區(qū)和財產(chǎn)重鎮(zhèn)的距離；D為水庫水面和下游居民區(qū)的高差；P為臨危居民和財產(chǎn)的價值指數(shù)；Td為各類型大壩固有相對整體穩(wěn)定性參數(shù)。

大壩潛在風險指數(shù)（DHPI）可由下式表示：

其它如大壩壩齡、溢洪道和泄水孔泄量及水庫淤積等因素，也可以量化后加入到以上計算DHPI的公式中去。

通過圖1中兩個例子的比較，就可更好理解影響大壩潛在風險的各種因素的重要性。很明顯，大壩潛在風險與水庫蓄水量、大壩壩高及所危及的居民和財產(chǎn)數(shù)量直接相關。人口聚集地距大壩遠，其風險也逐漸減小。水庫水位和臨危居民區(qū)之間的高差與潛在風險大致成二次方關系。Td表示大壩穩(wěn)定性，其相對取值如下：拱壩為1.0；混凝土重力壩和支墩壩為1.5；堆石壩和土石壩為2.0；水力填筑壩為3.0；尾礦壩為4.0。

通過DHPI，如果其它條件都相同，可獲得如下結(jié)論：

（1）拱壩的潛在風險是水力填筑壩的1/3；

（2）如果一座大壩庫水位與受威脅人口聚集地的高差為1 000 m，而另一座大壩庫水位與下游人群高程差為500 m，則前者的潛在風險為后者的4倍。

3 現(xiàn)代大壩安全評價概念

以上討論大壩安全評價概念的目的是引起工程師們的重視，大壩安全評價是對大壩安全的全面評估，而不僅限于結(jié)構穩(wěn)定分析，其基本概念應是評估方法必須包括“最薄弱環(huán)節(jié)”的檢查。

為說明評估的進行，可參閱圖2堆石壩－發(fā)電站－溢洪道樞紐工程平面圖和斷面圖。安全評價不能僅包括對填筑壩或混凝土建筑物進行傳統(tǒng)的穩(wěn)定和應力分析，這是不夠的，對最薄弱環(huán)節(jié)的系統(tǒng)性復核還應包括的檢查項目有輸水道、主壩、發(fā)電系統(tǒng)和溢洪道的各個部件。例如，對主壩而言，也許最薄弱的環(huán)節(jié)是粘土心墻和壩肩的接觸面（B-2），而不是壩坡（B-4）；對發(fā)電系統(tǒng)而言，最薄弱的環(huán)節(jié)可能是壓力鋼管和機組蝸殼的接頭（C-4）或者進水口和壓力鋼管所處的層狀地基上（C-1），而不是進水口壩段的混凝土應力。同樣，對溢洪道而言，最薄弱的環(huán)節(jié)可能是溢洪道閘門的支鉸（D-3），而不是陡槽（D-4）或壩頂結(jié)構。引水隧洞進口段或閘門（A-1）的失事比隧洞阻塞的危害更大，它會消弱大壩的運用，甚至影響工程安全，可能比大壩裂縫和主壩部分滑坡的危害更大。

當前對老壩和新壩的安全評價方法是不同的，現(xiàn)代壩工實踐已認識到了潰壩的潛在風險，因而已將其融入到設計準則、方法和施工質(zhì)量控制中去，用現(xiàn)實、可謀求的大壩安全因素以抵消壩基條件中不可知因素或異常的自然力量對大壩的影響。因此，對一座新壩的安全調(diào)研應主要包括獨立的設計復核和大壩觀測資料分析。

對老壩而言，其設計通常會存在缺陷或者有關大壩及附屬建筑物結(jié)構逐漸惡化、施工質(zhì)量控制不好、重點部位的觀測數(shù)據(jù)缺失等，因此，安全評估計劃應更全面，并應更加細致地安排和實施。

4 綜合評估計劃

老壩安全綜合評估的主要內(nèi)容包括以下幾方面：定期進行全方位大壩性態(tài)檢查；重新建立設計、施工及質(zhì)量控制方法；根據(jù)自身和運行性態(tài)資料，編撰工程實例說明；鑒定異常運行性態(tài)及最薄弱環(huán)節(jié)；試驗、鑒定和分析；補救措施的制定和實施；監(jiān)測補強加固后結(jié)構的運行性態(tài)，重復定期進行大壩性態(tài)檢查。

對于老壩，要了解其特性，必須仔細研究施工細節(jié)、壩基條件和處理情況的相關記錄，以便了解其新建成時的情況。如果相關記錄不充分或無法獲取，則有必要通過探測和檢驗一定數(shù)量的芯樣，以了解大壩和附屬建筑物目前的情況，但是，筑壩材料隨時間推移改善還是惡化，對此很難下定論。

對混凝土壩，通過外觀檢查、安裝監(jiān)測儀器和鉆孔取芯試驗等方法，可檢測到大壩老化、風化、堿骨料反應、滲漏、化學物質(zhì)浸析、收縮裂縫和結(jié)構應力對大壩的影響。對土石壩，用類似方法可檢測到其滲漏、表面沉降、變形和表面裂縫等。老的混凝土壩和碾壓壩的主要區(qū)別在于，混凝土質(zhì)量的明顯變化對混凝土壩大壩性態(tài)和強度的影響較小，而在老碾壓壩，壩體材料?？赡苡休^大的改變，因而可能在孔穴或薄弱區(qū)域引發(fā)潰決事故，其中，壩體材料對其影響更大，所以，在老碾壓壩的安全評估中，對孔穴和薄弱區(qū)域的檢測、結(jié)合孔隙水壓力和滲流的觀測是關鍵。

5 監(jiān)測方案

在美國，對新建的重要大壩，對運行性態(tài)進行定期觀測和監(jiān)測幾乎已成為標準，但根據(jù)每個地區(qū)和每座壩的不同情況，具體實施時也不盡相同。對老的小壩，這方面可能被完全忽略。

運行性態(tài)監(jiān)測計劃應根據(jù)大壩的重要性來合理制定，在判斷工程相對重要性時，大壩潛在風險指數(shù)（DHPI）可作為一個衡量工具?；颈O(jiān)測計劃應包括以下三方面的內(nèi)容：（1）采用三角測量方法對壩頂進行水平和垂直變形觀測；（2）壩體和基礎滲流觀測；（3）壩體和基礎的滲透壓力觀測。

以上內(nèi)容適用于所有類型的大壩，這些項目相對容易實施，且較經(jīng)濟。觀測數(shù)據(jù)的周期可以是一年兩次，顯示出庫水位高低的極值情況。重要的是應在較長時段內(nèi)取得連續(xù)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，這樣，其運行性態(tài)的主要變化和趨勢才能被發(fā)現(xiàn)。結(jié)合定期外觀檢查和對大壩以往記錄的復核，對大部分潛在風險率低的中小型壩，這個基本方案已經(jīng)足夠了。

對大型壩和潛在風險率高的壩，其監(jiān)測應更廣泛全面，應包括內(nèi)部外部觀測儀器。除上述基本監(jiān)測項目外，還應包括內(nèi)部變形、應力應變、混凝土溫度、內(nèi)部孔隙水壓力和地震震動監(jiān)測。

要對大壩內(nèi)部性態(tài)做出適當?shù)慕庾x，取決于觀測資料的質(zhì)量、規(guī)律和觀測時段的長短。比如，要正確評價混凝土徐變對壩體應力的影響，首先要有新鮮混凝土彈性模量快速增長時期的應變和徐變數(shù)據(jù)。類似的，對碾壓壩，如果施工期沒有測量，就不能準確獲得其總的變形量。對于老壩，常由于施工期間未安裝監(jiān)測儀器而無法獲得這些數(shù)據(jù)，監(jiān)測數(shù)據(jù)只反映安裝后外荷載引起的變化，其對結(jié)構性能變化的解讀有其局限。

監(jiān)測儀器設置的范圍、類型、數(shù)量及監(jiān)測方案的實施程序等，都取決于大壩的重要性和大壩壩型、業(yè)主要求和相關運行管理法規(guī)。

6 水文標準

對于老壩，溢洪道泄洪能力不足是危及大壩安全的主要風險之一，這已經(jīng)得到多次驗證。由于大多數(shù)老壩設計時都未考慮洪水漫頂，因此，不論對大壩采取何種復核，都必須對溢洪道的泄洪能力進行復核，以下三個實例可充分說明了其重要性。

烏拉圭尼格羅河上的Rincon de Bonete工程事件說明了對水文因素進行持續(xù)復核的必要性。該壩設計于1935年，在之前的27年中，記錄到的最大洪水流量為3 822.795 m3/s。采用設計洪水流量為9 203.025 m3/s，通過水庫調(diào)節(jié)后溢洪道的最大泄流能力為5 663.4 m3/s。1959年4月，10 d時間里，面積為380.405×108m2的區(qū)域總降水量達175.086×108m3，進入Bonete水庫的洪峰流量達17 131.785 m3/s，水位超過設計洪水位4.57 m，導致漫過大壩及其周圍流量達9 627.78 m3/s?；炷翂卧谶@意想不到的沖擊中幸存下來，但發(fā)電廠房和其附屬建筑物被洪水淹沒。根據(jù)Gruner的資料，Bonete壩設計時設計洪水標準為重現(xiàn)期1 000年，在同一基礎上，1959年遭遇的洪水其重現(xiàn)期達50萬年。

另一個例子是臺灣石門大壩。石門大壩為高167.68 m的砂礫石土壩，于1963年7月完工。按照可能最大洪水通過水庫調(diào)洪后，設計溢洪道最大泄流量為10 902.045 m3/s。據(jù)所獲得的資料記載，1921年該流域最大平均降雨量為104.14 cm。1963年9月，“格洛尼亞”臺風使該流域降雨平均達134.62 cm。降雨使水庫急劇充滿，溢洪道泄量達9 599.463 m3/s，為最大泄流能力的88%，也就是說這時大壩不漫頂?shù)陌踩禂?shù)僅為1.07。壩頂和最高設計水位間的超高提供了一些額外安全裕度?？紤]到該大壩才頭一年運行，不禁要問，對于如此高的壩，這樣低的安全系數(shù)難道認為足夠了嗎？

另外一個經(jīng)典實例是贊比亞贊比西河上的Kariba拱壩。該壩在1957年開工施工前記錄到的最大洪峰流量為8 211.93 m3/s。在第二年的2月20～26日，最大洪峰流量高達13 025.82 m3/s，河水剛退4 d，1958年3月1日，洪水又再次上漲。6月6日，觀測到的最大流量為16 140.69 m3/s。其間洪水總量約為184.95～246.6億m3，幾乎等于該巨型水庫的有效庫容。

在同一季節(jié)出現(xiàn)這兩次連續(xù)洪水的重現(xiàn)期為1 000～10 000年之間，溢洪道的最大泄流能力為6 512.91 m3/s，在與發(fā)電廠泄放1 132.68 m3/s流量組合后，可望滿足入庫洪峰流量為16 990 m3/s經(jīng)過水庫調(diào)節(jié)后下泄要求。

編譯：崔弘毅

校核：陳道周