PFMA 在混凝土面板堆石壩安全監(jiān)測(cè)優(yōu)化布置中的應(yīng)用

馮龍海 ，王士軍，谷艷昌，吳云星

(1. 南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210029；2. 河海大學(xué) 水利水電學(xué)院，江蘇 南京 210098)

監(jiān)測(cè)是保證大壩安全的重要手段，以往的大壩安全監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)側(cè)重于與規(guī)范和設(shè)計(jì)值的比較，根據(jù)壩型和尺寸采用均勻布置的方式，并考慮最大壩高處、地質(zhì)地形突變處[1]。隨著大壩安全管理理念的轉(zhuǎn)變，傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方式已不能滿足風(fēng)險(xiǎn)管理的需求[2]，基于潛在破壞模式分析（potential failure mode analysis，PFMA）的大壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)[3]已開始研究與應(yīng)用。文獻(xiàn)[4]以尾礦壩為例研究了潰壩模式分析流程及監(jiān)測(cè)方法；周志維等[5]采用故障模式、影響及危害分析方法對(duì)均質(zhì)土壩監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，并進(jìn)行新老監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，論證了改進(jìn)后監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)的合理性；彭雪輝等[6]以阿爾塔什面板堆石壩為例研究了潛在潰壩模式分析方法及分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

混凝土面板堆石壩具有較高的安全性、經(jīng)濟(jì)性，在我國(guó)得到廣泛應(yīng)用和迅速發(fā)展。目前已建和在建的面板堆石壩有300 余座，壩高超過100 m 的有80 余座。我國(guó)正在規(guī)劃建設(shè)一批200 m 甚至300 m 級(jí)的高面板堆石壩。隨著混凝土面板堆石壩的大規(guī)模發(fā)展，深入研究其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和病害特征，采取有效的監(jiān)測(cè)措施保證其安全運(yùn)行至關(guān)重要。PFMA 可運(yùn)用于工程設(shè)計(jì)及運(yùn)行階段。本文在分析混凝土面板堆石壩結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及常見病害的基礎(chǔ)上，運(yùn)用潛在破壞模式分析方法分析工程在其運(yùn)行階段可能出現(xiàn)的破壞模式；并以某混凝土面板堆石壩為例，應(yīng)用潛在破壞模式分析方法對(duì)其現(xiàn)有監(jiān)測(cè)布置進(jìn)行改進(jìn)。

1 混凝土面板堆石壩結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

面板堆石壩壩體結(jié)構(gòu)通常由上游鋪蓋、上游蓋重、混凝土面板、墊層、過渡層、主堆石區(qū)、次堆石區(qū)、下游護(hù)坡等結(jié)構(gòu)組成[7]，典型斷面見圖1，壩體主要組成結(jié)構(gòu)及功能見表1。

圖 1 混凝土面板堆石壩典型斷面Fig. 1 Typical section of concrete face rockfill dam

2 混凝土面板堆石壩病害分析

混凝土面板堆石壩的筑壩材料為散粒體，受材料特性、碾壓工藝、施工質(zhì)量等影響，壩體具有易變形和變形時(shí)間長(zhǎng)的特點(diǎn)?；炷撩姘迮c堆石體物理力學(xué)性能的差異，導(dǎo)致面板與堆石體存在差異性沉降。變形不協(xié)調(diào)是導(dǎo)致面板堆石壩各種病害發(fā)生的主要原因?；炷撩姘宥咽瘔蔚闹饕『捌茐男问桨ǎ好姘鍓盒云茐?、面板開裂、面板塌陷、止水失效和地震震損。

表 1 混凝土面板堆石壩組成結(jié)構(gòu)功能Tab. 1 Structures and functions of concrete face rockfill dam

2.1 面板壓性破壞

面板垂直縫擠壓破壞[8]是高面板堆石壩常見問題，如紫坪鋪、天生橋一級(jí)[9]等面板堆石壩。筑壩材料在自重及地震、水壓力等外荷載作用下，沿壩軸線方向由兩岸向河谷中部或由高向低移動(dòng)，形成壩體中部的強(qiáng)壓性變形區(qū)和靠近兩岸的弱壓性變形區(qū)或張拉區(qū)。面板在堆石體的拖拽作用下，由兩側(cè)向河谷中部移動(dòng)。壩體中部面板的相對(duì)移動(dòng)和阻礙作用，使得面板產(chǎn)生壓應(yīng)變和壓應(yīng)力，一旦壓應(yīng)變或壓應(yīng)力超過混凝土材料的極限承載力，面板即發(fā)生壓性破壞。垂直縫擠壓破壞受筑壩材料特性和河谷形狀的影響。

2.2 面板開裂

受筑壩材料變形、施工質(zhì)量、溫度等影響，混凝土面板容易產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性裂縫和非結(jié)構(gòu)性裂縫[10]。結(jié)構(gòu)性裂縫主要由筑壩材料在自重、水壓力、浪壓力、地震力等外力作用下，產(chǎn)生不均勻沉降導(dǎo)致；非結(jié)構(gòu)性裂縫是指在非外力作用下產(chǎn)生的裂縫，包括面板混凝土干縮、溫度應(yīng)力、凍融等。影響壩體變形的因素包括筑壩材料壓縮性、材料級(jí)配和分區(qū)、碾壓質(zhì)量、壩基處理質(zhì)量等。

面板裂縫大多呈水平狀，在岸坡較陡、水深較深時(shí)靠近兩岸易出現(xiàn)平行岸坡方向裂縫。面板裂縫會(huì)由表面逐漸發(fā)展成貫穿性裂縫，降低面板防滲性能。當(dāng)庫(kù)水位升高時(shí)，庫(kù)水侵入壩體侵蝕筑壩材料，加速面板開裂，嚴(yán)重威脅壩體穩(wěn)定。

2.3 面板塌陷

面板是支撐在堆石料上的薄板結(jié)構(gòu)，當(dāng)面板失去支撐作用，在外力作用下便會(huì)發(fā)生塌陷。面板失去支撐作用的原因包括：①滲流作用使得墊層料流失；②墊層料填筑質(zhì)量差，在水壓力作用下發(fā)生不均勻變形；③壩體變形使面板與墊層料脫空；④地震作用使得面板和墊層料脫空等。面板塌陷將會(huì)產(chǎn)生眾多貫穿性裂縫，加劇壩體滲透破壞，威脅壩體穩(wěn)定性。

2.4 止水失效

止水結(jié)構(gòu)是混凝土面板堆石壩防滲體系的重要組成部分，止水的破壞會(huì)導(dǎo)致壩體滲漏量急劇增大，引發(fā)壩體滲透破壞，甚至潰壩，如溝后水庫(kù)[11]由于庫(kù)水位超過防浪墻底板，防浪墻開裂和水平止水帶破壞，導(dǎo)致庫(kù)水侵蝕壩體，面板塌陷，最終導(dǎo)致潰壩事故。止水破壞原因包括止水結(jié)構(gòu)本身質(zhì)量問題、安裝質(zhì)量差、壩體變形過大、止水材料老化等。

2.5 地震破壞

地震作用下壩體將發(fā)生較大的沉降和水平位移，導(dǎo)致面板大面積脫空、施工縫錯(cuò)臺(tái)、周邊縫位移、垂直分縫擠壓破壞、止水破壞等[12]。面板脫空的主要原因是地震導(dǎo)致大壩堆石體產(chǎn)生的永久變形，地震永久變形隨著壩高的增大而增大，混凝土面板與筑壩材料變形不相協(xié)調(diào)導(dǎo)致面板與壩體之間發(fā)生脫空。堆石體的地震永久變形是導(dǎo)致混凝土面板及其接縫破損的主要原因。地震會(huì)導(dǎo)致壩體防滲結(jié)構(gòu)發(fā)生不同程度破壞，滲漏量明顯增加，滲漏水變渾濁。

3 基于PFMA 分析的混凝土面板堆石壩安全監(jiān)測(cè)布置

3.1 PFMA 方法

潛在破壞模式分析是指在充分了解結(jié)構(gòu)組成及功能的條件下，分析結(jié)構(gòu)可能破壞的位置、形式、發(fā)展路徑。潛在破壞模式分析步驟如下：

（1）系統(tǒng)定義與拆解。根據(jù)結(jié)構(gòu)部位和功能將壩體拆解為基本組成單元?；窘M成單元要細(xì)化到結(jié)構(gòu)的每個(gè)部分，以便進(jìn)行結(jié)構(gòu)功能和影響分析。

（2）基本單元功能。壩體組成結(jié)構(gòu)拆解后，需要確定每個(gè)基本單元的功能。單元功能及其相互關(guān)系的分析將有助于潰壩路徑的識(shí)別。

（3）破壞模式分析。破壞模式通常由多種因素導(dǎo)致一個(gè)或多個(gè)基本結(jié)構(gòu)破壞，進(jìn)而影響本身及其他結(jié)構(gòu)功能的發(fā)揮，由此造成一系列的破壞事件，最終導(dǎo)致潰壩事故的發(fā)生。破壞模式識(shí)別就是分析系統(tǒng)各組成部分功能損壞的順序及其發(fā)展過程，通常包含起始→發(fā)展→破壞等3 個(gè)階段。

3.2 基于破壞模式的混凝土面板堆石壩安全監(jiān)測(cè)布置

安全監(jiān)測(cè)的目的是對(duì)工程隱患進(jìn)行早期識(shí)別，評(píng)估其破壞風(fēng)險(xiǎn)，及時(shí)預(yù)警并采取降低風(fēng)險(xiǎn)的措施。破壞模式分析結(jié)合其破壞過程中的可監(jiān)測(cè)性分析，可為大壩安全監(jiān)測(cè)項(xiàng)目及布置提供依據(jù)，使得監(jiān)測(cè)儀器能夠給予破壞模式早期信息及其發(fā)展過程。

基于破壞模式的安全監(jiān)測(cè)改進(jìn)主要內(nèi)容包括資料收集、破壞模式分析、可監(jiān)測(cè)參數(shù)分析、監(jiān)測(cè)位置分析、現(xiàn)有監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分析評(píng)價(jià)、監(jiān)測(cè)布置改進(jìn)[13]。分析過程見圖2。

圖 2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)改進(jìn)流程Fig. 2 Improvement process of monitoring system

根據(jù)混凝土面板堆石壩的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及常見病害分析結(jié)果，運(yùn)用可能破壞模式分析方法總結(jié)混凝土面板堆石壩的可能破壞模式，并對(duì)各破壞模式的可監(jiān)測(cè)項(xiàng)目和重點(diǎn)部位進(jìn)行分析，結(jié)果見表2。

表 2 混凝土面板堆石壩可能破壞模式及監(jiān)測(cè)分析Tab. 2 Possible failure modes and monitoring analysis of concrete face rockfill dam

壩體各基本單元的破壞模式都會(huì)引起壩體表面及內(nèi)部變形；面板開裂及止水破壞會(huì)引起壩體滲壓升高、滲流量變大，對(duì)于存在內(nèi)部侵蝕破壞的破壞模式需監(jiān)測(cè)滲漏水質(zhì)。人工巡視檢查是保證大壩安全的必備手段。根據(jù)潰壩模式進(jìn)行巡視檢查具有目的性強(qiáng)、效率高的特點(diǎn)。因此，無論潰壩模式如何，大壩需要進(jìn)行日常人工巡視檢查，設(shè)置壩體表面及內(nèi)部變形，進(jìn)行滲壓、滲流量及滲流水質(zhì)監(jiān)測(cè)。

4 案例分析

某大型水利樞紐，主壩為混凝土面板堆石壩。壩頂高程275.70 m，最大壩高102.20 m，壩頂長(zhǎng)約621.32 m，壩頂寬8.00 m，壩體用灰?guī)r和部分工程開挖頁(yè)巖料填筑。上游壩坡為1∶1.40，下游戧臺(tái)間壩坡坡度1∶1.35，綜合邊坡坡度1∶1.50。上游混凝土面板厚0.30～0.59 m，下游依次為墊層區(qū)、過渡區(qū)、灰?guī)r堆石區(qū)、次堆石區(qū)和下游灰?guī)r堆石區(qū)。工程運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)壩頂混凝土存在裂縫、破損，面板存在眾多裂縫、露筋及頂部止水局部脫開等質(zhì)量缺陷。

監(jiān)測(cè)資料分析結(jié)果表明：①大壩整體向左岸位移，左壩肩位移量大于右壩肩；②左壩肩高程200～220 m范圍周邊縫及面板變形較大；③上游兩側(cè)壩肩滲壓水頭高于庫(kù)水位；④上游面板出現(xiàn)眾多微裂縫。

破壞模式分析結(jié)果表明壩體可能破壞模式主要包括：①地震導(dǎo)致壩體沉降，壩體中部面板壓性破壞，豎向分縫止水破壞，庫(kù)水侵蝕壩體，面板開裂、塌陷，壩體滲透破壞；②面板上部與防浪墻連接的分縫止水破壞，洪水侵蝕壩體，滲透破壞，面板斷裂，壩體失穩(wěn)；③一期、二期面板施工縫（高程200 m）開裂，面板塌陷，壩體滲透破壞；④二期、三期面板施工縫（高程234 m）開裂，面板塌陷，壩體滲透破壞；⑤左壩肩高程200～220 m范圍周邊縫破壞，墊層料流失，面板塌陷，壩體滲透破壞；⑥左岸灌漿帷幕及固結(jié)灌漿失效，形成滲漏通道，侵入壩體，壩體細(xì)顆粒流失，壩體失穩(wěn)破壞；⑦三期面板開裂、壩體滲透破壞。

針對(duì)破壞模式分析結(jié)果，提出大壩監(jiān)測(cè)改進(jìn)措施：①樁號(hào)0+310.00 m 斷面垂直分縫增設(shè)單向測(cè)縫計(jì)；②在面板頂縫位置布置5 只單向測(cè)縫計(jì)，監(jiān)測(cè)頂縫開合情況；在單向測(cè)縫計(jì)相應(yīng)位置面板下方布置大量程位移計(jì)，監(jiān)測(cè)面板脫空情況；③在高程200 m、234 m 處分別增設(shè)6 只單向測(cè)縫計(jì)，監(jiān)測(cè)水平施工縫的開合情況；④在左壩肩周高程200～220 m 周邊縫附近面板布置電平儀，監(jiān)測(cè)面板撓度變化；⑤0+000.00～0+106.50 m范圍（左壩肩）內(nèi)，壩上0+060.00 m、壩上0+006.00 m、壩下0+005.0 m 布置3 個(gè)表面變形測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)左壩肩變形；⑥在下游側(cè)增設(shè)左右岸滲流量監(jiān)測(cè)點(diǎn)，并對(duì)滲流水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)；⑦在面板裂縫處布置單向測(cè)縫計(jì)，監(jiān)測(cè)裂縫開合發(fā)展情況。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文根據(jù)混凝土面板堆石壩的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及病害類型分析，應(yīng)用潛在破壞模式分析方法研究提出了混凝土面板堆石壩的潛在可能破壞模式及各破壞模式的可監(jiān)測(cè)項(xiàng)目和重點(diǎn)部位，并提出了基于潛在破壞模式分析的安全監(jiān)測(cè)改進(jìn)方法，在某混凝土面板堆石壩上進(jìn)行了應(yīng)用，對(duì)其現(xiàn)有監(jiān)測(cè)設(shè)施提出了改進(jìn)方案，提升了監(jiān)測(cè)效果。

研究表明潛在破壞模式分析能夠發(fā)現(xiàn)經(jīng)常被忽視或不易察覺的安全隱患，做到防患于未然。針對(duì)可能破壞模式選擇監(jiān)測(cè)項(xiàng)目和布置測(cè)點(diǎn)，可以有效監(jiān)控破壞模式的發(fā)生和發(fā)展進(jìn)程，提供預(yù)警信息，提高大壩安全管理效率和風(fēng)險(xiǎn)管控能力。