探析重大水利水電工程壽命診斷的理論和方法

■張 亮 ■開封黃河工程開發(fā)有限公司，河南 開封 475000

水利水電工程主要被用作防洪、灌溉和發(fā)電，為我國社會安定和經(jīng)濟(jì)繁榮提供了重要保障。但據(jù)不完全統(tǒng)計顯示，在全國3100 多座大中型水庫大壩和80000 多座小型水庫大壩中，各有約30%和40%的工程存在著不同程度的安全隱患問題［1］。可見，對水利水電工程壽命進(jìn)行診斷具有多么重要的意義。

1 影響水利水電工程壽命的因素---以都江堰為例

1.1 設(shè)計的科學(xué)性

都江堰主要由渠首、附屬工程、灌溉渠系工程三部分構(gòu)成，以魚嘴、飛沙堰、寶瓶口作為渠首，其工程結(jié)構(gòu)合理，各部分配合巧妙，已有2200多年的歷史。在歷史的長河中，其魚嘴和飛沙堰的位置都因岷江河道水勢的變遷歷經(jīng)多次變動和調(diào)整，但仍然保持著其整體功能的完整性，且運轉(zhuǎn)維護(hù)費用低，具有巨大的經(jīng)濟(jì)價值、社會價值和生態(tài)價值，雖然也有諸如地質(zhì)復(fù)雜、對罐區(qū)水量控制要求嚴(yán)格、泥沙問題嚴(yán)重、防洪要求高等諸多問題存在，但還是可見其設(shè)計的科學(xué)性，畢竟科學(xué)的設(shè)計才是延長工程壽命的基礎(chǔ)保證。

1.2 與生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展

只注重經(jīng)濟(jì)效益，不注重與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的水利水電工程，必然不能長久的存在下去［2］。比如三門峽工程，雖然水庫為黃河下游的防洪、灌溉和發(fā)電帶來了明顯的社會效益，但由于其在建造時對泥沙問題的忽視，使得泥沙問題日益加重。而成都平原的生態(tài)環(huán)境在都江堰建成的2200 多年中，一直不斷的得到改善，灌溉效益明顯，工程規(guī)模宏大、布局巧妙、景色壯麗，與自然和諧共處，正是由于都江堰與生態(tài)環(huán)境的和諧共建，才使其健康持續(xù)存在兩千多年。

1.3 工程的修與保護(hù)

每過數(shù)載便要對都江堰樞紐主體——竹籠和砌石進(jìn)行修繕或更換，可見工程壽命并不完全取決于建筑材料的耐久性，因為可以通過對材料的修補，新材料、新技術(shù)的應(yīng)用來對工程進(jìn)行維護(hù)，延長其使用壽命。

2 確定水電工程壽命的原則

任何事物都有自己的生命周期，水利水電工程的壽命不僅涉及到工程技術(shù)問題，還涉及到社會、經(jīng)濟(jì)、政治問題，對其壽命的確定應(yīng)以“社會經(jīng)濟(jì)效益最大化，對生態(tài)環(huán)境負(fù)面影響最小”為總的指導(dǎo)原則，具體細(xì)節(jié)上要滿足強度、耐久性等對安全的要求;實現(xiàn)防洪、灌溉、發(fā)電等功能效益的發(fā)揮;遵循“以人為本，人與自然和諧共處”的原則。

3 水利水電工程壽命診斷理論和方法

3.1 安全性層面

對水利水電工程壽命的診斷，應(yīng)針對工程的結(jié)構(gòu)強度、使用的穩(wěn)定性和耐久性兩方面進(jìn)行考量，在滿足現(xiàn)行規(guī)范要求的同時，還要定期對大壩進(jìn)行檢查和分析，了解老化、病變機(jī)理，明確其對大壩安全產(chǎn)生的影響。

(1)強度分析理論與方法。水利水電工程的設(shè)計規(guī)范中規(guī)定以控制部位的拉應(yīng)力、壓應(yīng)力是否滿足允許應(yīng)力來判斷，即保證最大拉、壓應(yīng)力小于需要用的拉壓應(yīng)力［3］。在宏觀上利用固體力學(xué)和彈性力學(xué)對其塑性大變形的可能性進(jìn)行研究，并應(yīng)用有限元軟件實現(xiàn)仿真模擬優(yōu)化;在細(xì)觀上應(yīng)用彈性基體加離散位錯對行為進(jìn)行描述;在納觀上結(jié)合原子鑲嵌模型和分子動力學(xué)理論，對裂紋尖端附近區(qū)域的行為進(jìn)行模擬。

(2)穩(wěn)定分析理論與方法。水利水電工程的設(shè)計規(guī)范中規(guī)定荷載作用力下，當(dāng)沿著滑動面的安全系數(shù)大于等于規(guī)范值的時候，證明其具有穩(wěn)定性，反之則處于失穩(wěn)狀態(tài)。有限元法是近年來解決工程力學(xué)問題的主要方法，但其不足也隨著工程應(yīng)用范圍的擴(kuò)展逐漸顯露出來，出現(xiàn)一些諸如DDA、NMM 等新的理論和方法。

(3)耐久性分析理論與方法。證明耐久性的指標(biāo)既包括抗凍、抗沖擊、抗?jié)B等常用指標(biāo)，還應(yīng)把現(xiàn)場檢測和監(jiān)測應(yīng)力應(yīng)變、滲漏量、裂縫等隱患缺陷等包括在內(nèi)，建立時變模型，并通過定量對耐久性的演變過程進(jìn)行分析。

(4)安全監(jiān)測技術(shù)。由于水利水電工程地理環(huán)境大都比較偏遠(yuǎn)，不可控因素多，因此利用納米監(jiān)測技術(shù)和4S 檢測技術(shù)(GIS-地理信息系統(tǒng)、RS-遙感技術(shù)、GPS-全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)、ES-專家系統(tǒng))對其進(jìn)行實時安全監(jiān)測，并定期檢測，同時進(jìn)行安全分析評價也十分必要?？衫酶哽`敏度的納米傳感器對大壩的滲流、變形等進(jìn)行監(jiān)測，采集數(shù)據(jù)、對比分析，為工程壽命診斷結(jié)果的客觀性及準(zhǔn)確性提供依據(jù);或者通過微觀診斷技術(shù)對工件內(nèi)物質(zhì)的損壞情況進(jìn)行診斷。

3.2 工程效益層面

由于水利水電工程自身功能特性，應(yīng)將水利水電工程壽命分為使用壽命和存在壽命，使用壽命才是其存在的價值所在［4］。因為耗費那么多人力、物力、財力修建水利水電工程的目的就是為了防洪、發(fā)電、灌溉等，當(dāng)水利水電工程的這些功能不再正常運轉(zhuǎn)，出現(xiàn)工程效益無法發(fā)揮或效益受損降低且無法修復(fù)，或經(jīng)綜合分析后修繕加固的費用遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出工程效益，亦或有引起下游嚴(yán)重災(zāi)害的失事風(fēng)險，即失去了使用價值時，應(yīng)予以拆除或不再投入使用。

3.3 生態(tài)影響層面

任何的發(fā)展都是需要付出代價的，一方面水利水電工程具有防洪、灌溉、發(fā)電等社會效益和經(jīng)濟(jì)效益，一方面又給生態(tài)環(huán)境帶來了一定的負(fù)面影響，但這些影響是能夠加以控制的。因此，我們在對水利水電工程壽命進(jìn)行診斷、評估時，其與生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展也應(yīng)包含在內(nèi)。

(1)耕地占用。水利水電工程規(guī)模巨大，占地面積廣，修建時往往需要將選址地的居民全部遷移，因此，應(yīng)當(dāng)保證將其遷移至可以重新發(fā)展生產(chǎn)的地方。

(2)是否會引起地質(zhì)災(zāi)害。大型水庫修建完成之后，地殼會因大體積水體的沖擊力導(dǎo)致地應(yīng)力增大，可誘發(fā)高地應(yīng)力、地震多發(fā)區(qū)和活動地質(zhì)構(gòu)造處發(fā)生地震。

(3)泥沙淤積問題。上流水位提高和河流寬度增大會導(dǎo)致水流速度變緩，降低其攜帶沙子的能力，當(dāng)泥沙積累到一定程度就會出現(xiàn)河流淤積，清水下泄，降低排洪能力，對下游河床和防洪堤產(chǎn)生沖刷的作用力，就像三門峽水庫對渭河產(chǎn)生影響一樣。因此對工程壽命進(jìn)行診斷評估時要對損失進(jìn)行分析或改變運行方式，盡量將災(zāi)害最小化。

(4)破壞水生動植物生存環(huán)境。修建水庫會對藻類的生長環(huán)境造成破壞，影響水的自凈能力;水庫蓄水，一則引起水溫結(jié)構(gòu)變化，對生物的繁衍生息造成影響，一則減小下游水量，甚至引起斷流，破壞下游生物生存環(huán)境。

圍繞工程效益和生態(tài)環(huán)境評估，我們可以采用四層生存診斷模型和退役評估理論對水利水電工程壽命進(jìn)行綜合評估。

4 結(jié)束語

水利水電工程對于國民生活安定和國家的經(jīng)濟(jì)繁榮具有重要作用，國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展后也逐漸加大對水利水電工程建設(shè)和修繕加固的投入力度，但因為其具有工程量大、施工復(fù)雜、建設(shè)周期長、成本高、對生態(tài)環(huán)境有影響等特點，必須重視起工程壽命問題，加強對水利水電工程壽命診斷理論和方法進(jìn)行深入探索和研究。

［1］盧良森.水利水電工程壽命診斷的方法及評價探討［J］.城市建設(shè)理論研究(電子版)，2013(24).

［2］賴書斌.探討重大水利水電工程壽命診斷的理論和方法［J］.建筑工程技術(shù)與設(shè)計，2014(36):674-674.

［3］劉明明.解析重大水利水電工程壽命診斷的理論和方法［J］.城市建設(shè)理論研究(電子版)，2012(22).

［4］付盈東.探討重大水利水電工程壽命診斷的理論方法［J］.城市建設(shè)理論研究(電子版)，2015，5(14):5684-5685.