大壩安全保障體系分析理論與關(guān)鍵問(wèn)題綜述

曾 欣，王 龍

(水利部水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)總院，北京 100120)

1 概述

我國(guó)作為筑壩數(shù)量最多的國(guó)家，目前大壩數(shù)目接近10萬(wàn)座[1]。大壩作為重要的水工建筑物，在工農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及社會(huì)安全等方面具有基礎(chǔ)性作用[2]。由于建國(guó)初期技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)等原因，在大壩建設(shè)施工、運(yùn)行、管理等過(guò)程中不可避免地帶來(lái)一些問(wèn)題，隨著水庫(kù)大壩服役時(shí)間的推長(zhǎng)，這些問(wèn)題會(huì)導(dǎo)致工程系統(tǒng)逐漸出現(xiàn)影響大壩整體安全的隱患，而這些隱患是造成大壩局部破壞或者整體失穩(wěn)的因素之一[3-4]。帶病服役的大壩不僅降低了工程正常功效的發(fā)揮，并且影響著上下游國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民社會(huì)的安全[5]。與此同時(shí)，隨著西部水電基地的開發(fā)建設(shè)，突破現(xiàn)行規(guī)范適用范圍的高壩大庫(kù)越來(lái)越多，導(dǎo)致大壩設(shè)計(jì)理論不能滿足當(dāng)前的需求[6]。因此應(yīng)結(jié)合大壩安全監(jiān)控技術(shù)，開展原位觀測(cè)和反饋分析[7]，確保水庫(kù)大壩安全長(zhǎng)效運(yùn)行，推進(jìn)水利工程系統(tǒng)化、信息化發(fā)展，充分發(fā)揮水利工程在新時(shí)期“綠水青山”國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略的作用。為了保障大壩安全運(yùn)行，適時(shí)地進(jìn)行大壩安全監(jiān)控體系理論的總結(jié)和探討相關(guān)關(guān)鍵問(wèn)題就顯得尤為重要。

目前，我國(guó)在大壩建設(shè)工程中積累了大量經(jīng)驗(yàn)，自主研發(fā)了特高壩筑壩技術(shù)，其水平處于世界領(lǐng)先位置，但由于系統(tǒng)安全理論的研究相較于國(guó)外還不夠深入，需要進(jìn)一步提高其安全管理水平以確保高壩大庫(kù)的安全[8]。因此，應(yīng)該跟蹤國(guó)際先進(jìn)管理體系及理論，以國(guó)內(nèi)工程為研究對(duì)象，進(jìn)行多學(xué)科的安全管理理論融合，提高水利系統(tǒng)的整體安全冗余，識(shí)辨管理過(guò)程中的關(guān)鍵熱點(diǎn)難點(diǎn)問(wèn)題，是大壩安全管理工作的主要內(nèi)容。為此，本文首先總結(jié)了大壩安全保障分析理論和技術(shù)研究進(jìn)展，進(jìn)而討論了目前存在的4個(gè)方面的關(guān)鍵問(wèn)題。

2 大壩安全保障分析理論和技術(shù)研究進(jìn)展

當(dāng)前，國(guó)際發(fā)展水平較高的國(guó)家在水利行業(yè)的開發(fā)和管理已經(jīng)處在較高水平[9]。在大壩安全保障分析理論方面，風(fēng)險(xiǎn)分析理論已經(jīng)開發(fā)應(yīng)用到實(shí)際工程；基于概率論的可靠度理論得到深入研究；大壩運(yùn)行預(yù)警指標(biāo)以及綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系已經(jīng)十分成熟；基于統(tǒng)計(jì)回歸、模糊數(shù)學(xué)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等機(jī)器學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)理論方法的大壩特性預(yù)測(cè)模型的研究相當(dāng)充分，根據(jù)不同運(yùn)行條件下的不同壩型提出相應(yīng)的預(yù)測(cè)模型，其預(yù)測(cè)的精度和可靠度能夠滿足工程實(shí)際的需要。目前，基于大數(shù)據(jù)和深度學(xué)習(xí)的預(yù)測(cè)和安全評(píng)價(jià)模型是大壩安全分析理論研究新的熱點(diǎn)。在大壩安全檢測(cè)和監(jiān)測(cè)方面，一些先進(jìn)的傳感技術(shù)被成功應(yīng)用到壩工領(lǐng)域，如遙感技術(shù)、光纖光柵監(jiān)測(cè)技術(shù)、智能壓電陶瓷等[10]。與此同時(shí)，由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，在水利工程的結(jié)構(gòu)分析方面，由經(jīng)典力學(xué)向現(xiàn)代力學(xué)轉(zhuǎn)變，特別是一些有限元分析軟件可以較好地解決水工結(jié)構(gòu)力學(xué)特性分析的難題以研究和診斷大壩的結(jié)構(gòu)安全，如ADINA、Marc.、ANSYS、ABAQUS等。在監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析和研判大壩運(yùn)行的性態(tài)方面，大量的智能算法方法已經(jīng)廣泛地應(yīng)用到其中[11-13]。在壩工除險(xiǎn)加固方面，主要以新材料、新工藝為研究及應(yīng)用熱點(diǎn)，如高強(qiáng)度水泥、水下高分子裂隙修補(bǔ)材料、特快硬水泥等。由此可知，大壩安全監(jiān)控和保障已經(jīng)跨越包括水工結(jié)構(gòu)工程、軟件工程、傳感儀器、力學(xué)、材料學(xué)等多學(xué)科，需要從業(yè)人員以多學(xué)科視角去理解和處理大壩的安全管理[14]。

目前，我國(guó)積累了大量水利工程的建設(shè)和管理經(jīng)驗(yàn)，逐漸形成具有中國(guó)特色的大壩安全保障管理體系，而其中風(fēng)險(xiǎn)管理是安全管理的重點(diǎn)。由于之前壩工從設(shè)計(jì)、施工到管理中以單方面強(qiáng)調(diào)工程的安全性，忽視了工程的整體和局部存在的風(fēng)險(xiǎn)源，這與我國(guó)水利工程建設(shè)水平不符，限制了工程效益的發(fā)揮[15]。當(dāng)前，水利工程行業(yè)已經(jīng)開始由安全管理向風(fēng)險(xiǎn)管理轉(zhuǎn)變，但考慮到不少老壩、小型壩的信息化水平不高，推廣至全行業(yè)依然需要一定的時(shí)間，較之國(guó)際高水平的風(fēng)險(xiǎn)管理，國(guó)內(nèi)壩工領(lǐng)域依然需要進(jìn)一步提高水利工程風(fēng)險(xiǎn)管理的水平。具體來(lái)看，在大壩安全保障分析理論方面，基于國(guó)際研究成果，根據(jù)國(guó)內(nèi)工程特點(diǎn)和需要，提出了結(jié)構(gòu)安全評(píng)估方法和健康診斷標(biāo)準(zhǔn)，編撰制定了SL 25—2017《水庫(kù)大壩安全評(píng)價(jià)導(dǎo)則》。發(fā)展完善了大壩安全評(píng)價(jià)體系，如定性安全評(píng)價(jià)方法、定量安全評(píng)價(jià)方法、概率風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)法、傷害范圍評(píng)價(jià)法和危險(xiǎn)指數(shù)評(píng)價(jià)法。吳中如院士[16]等融合壩工理論、數(shù)學(xué)力學(xué)、人工智能和現(xiàn)代計(jì)算等理論和技術(shù)，集成實(shí)測(cè)資料及其正反分析成果、設(shè)計(jì)和施工資料和專家知識(shí)等，研發(fā)了由綜合推理機(jī)、知識(shí)庫(kù)、方法庫(kù)、工程數(shù)據(jù)庫(kù)和圖庫(kù)組成的大壩安全綜合評(píng)價(jià)專家系統(tǒng)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)資料及專家知識(shí)進(jìn)行全面科學(xué)的管理，對(duì)大壩安全進(jìn)行全過(guò)程的實(shí)時(shí)分析評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)大壩的安全級(jí)別。在大壩安全技術(shù)發(fā)展研究層面，分別從壩工監(jiān)測(cè)儀器、變形監(jiān)測(cè)、結(jié)構(gòu)性態(tài)分析、新技術(shù)開發(fā)應(yīng)用、新材料和基于智能算法和深度學(xué)習(xí)的監(jiān)控等4個(gè)方面進(jìn)行討論。在壩工監(jiān)測(cè)儀器方面，依據(jù)不同的監(jiān)測(cè)部位和監(jiān)測(cè)對(duì)象，電阻式、弦式、電位式監(jiān)測(cè)儀器已經(jīng)廣泛應(yīng)用在內(nèi)部大壩運(yùn)行監(jiān)控；在變形監(jiān)測(cè)方面，采用垂線、引張線等方式進(jìn)行監(jiān)控；這些監(jiān)測(cè)儀器和方式能夠?qū)崿F(xiàn)基本的監(jiān)控目的，但依然存在維護(hù)難、不易更換等缺點(diǎn)。在結(jié)構(gòu)性態(tài)分析方面，國(guó)內(nèi)研究者基于傳統(tǒng)有限元法亦開始學(xué)習(xí)優(yōu)化了離散元、數(shù)值流形、無(wú)單元法等數(shù)理研究方法[17]；得益于計(jì)算機(jī)計(jì)算的發(fā)展，有限元計(jì)算向精細(xì)化、大型化發(fā)展。在新技術(shù)開發(fā)應(yīng)用的角度，國(guó)外的光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)、智能骨料等新技術(shù)方法已經(jīng)在國(guó)內(nèi)進(jìn)行了大量的驗(yàn)證，部分技術(shù)已經(jīng)得到小范圍的試用，距全面推廣還需要一定的時(shí)間[18]。在新材料和基于智能算法和深度學(xué)習(xí)的監(jiān)控方面，研究成果頗多，但核心算法的原創(chuàng)性不多，實(shí)際應(yīng)用的轉(zhuǎn)化程度不高[19]，多停留在理論探討研究的層次。

綜上所述，近年來(lái)我國(guó)壩工領(lǐng)域的安全保障的研究得到了較大的進(jìn)步，無(wú)論工程的實(shí)際監(jiān)測(cè)技術(shù)方法、管理體系和理念，還是新技術(shù)、新材料、新方法等方面都較之前取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。但在社會(huì)發(fā)展、技術(shù)進(jìn)步、筑壩標(biāo)準(zhǔn)提高等方面，著眼于系統(tǒng)工程的安全管理發(fā)展不足，當(dāng)前的管理模式已經(jīng)和目前的壩工發(fā)展不相適用。國(guó)內(nèi)在監(jiān)測(cè)技術(shù)及儀器的開發(fā)方面，其監(jiān)測(cè)精度較國(guó)外先進(jìn)水平存在一定差距；在安全管理的理念和理論研究方面，引進(jìn)消化居多，原創(chuàng)性不足。

3 急需解決的關(guān)鍵問(wèn)題

由目前我國(guó)壩工領(lǐng)域的安全管理現(xiàn)狀可知，安全保障管理需要由安全管理向風(fēng)險(xiǎn)管理轉(zhuǎn)變，由單一目標(biāo)向系統(tǒng)目標(biāo)轉(zhuǎn)變，進(jìn)行大壩安全監(jiān)控保障體系的深入研究。主要從以下4個(gè)方面論述壩工領(lǐng)域安全管理急需解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

3.1 大壩全生命周期病變機(jī)理與模擬

大壩在施工建設(shè)、運(yùn)行服役過(guò)程中，特別是服役期后期，由于外部荷載的持續(xù)反復(fù)加載和卸載以及大壩材料的老化等多種因素疊加影響，導(dǎo)致大壩的結(jié)構(gòu)性態(tài)及安全性有所降低，弱化大壩的健康狀態(tài)及效益的發(fā)揮。為此需要繼續(xù)深入研究以下3個(gè)方向的內(nèi)容。

(1)大壩病變判別研究。開發(fā)大壩結(jié)構(gòu)劣化的監(jiān)測(cè)、檢測(cè)的新技術(shù)、新方法，進(jìn)一步提高對(duì)大壩結(jié)構(gòu)損傷信息的獲取[20]，依據(jù)信息技術(shù)加強(qiáng)對(duì)大壩服役狀態(tài)的感知。

(2)大壩病變風(fēng)險(xiǎn)研究。根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)理論，定性評(píng)價(jià)與定量評(píng)價(jià)相結(jié)合，綜合診斷及評(píng)定大壩病變的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，并進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別、風(fēng)險(xiǎn)損失、風(fēng)險(xiǎn)決策等相關(guān)新的評(píng)價(jià)方法研究。

(3)壩體病變機(jī)理的理論及方法研究。運(yùn)用現(xiàn)代力學(xué)理論及有限元方法模擬壩體病態(tài)的演化過(guò)程，探尋其劣化病變的數(shù)理規(guī)律以及外觀變化所表征的效應(yīng)理論。

3.2 大壩健康監(jiān)測(cè)、診斷與病變預(yù)警

由于水電開發(fā)一般以梯級(jí)電站和水電基地的方式進(jìn)行，大壩安全評(píng)價(jià)的指標(biāo)由過(guò)去的單一化向壩群化轉(zhuǎn)變?；谕辉u(píng)價(jià)尺度，構(gòu)建大壩安全評(píng)價(jià)及預(yù)警指標(biāo)，實(shí)時(shí)評(píng)定大壩的結(jié)構(gòu)性態(tài)，為壩群及單壩結(jié)構(gòu)服役提供新的評(píng)價(jià)模型。

(1)大壩安全監(jiān)測(cè)及檢測(cè)設(shè)備的開發(fā)。依據(jù)積累的經(jīng)驗(yàn)以及與儀器儀表學(xué)科聯(lián)合研究，研制新一代監(jiān)測(cè)、檢測(cè)設(shè)備。特別是根據(jù)不同的檢測(cè)、監(jiān)測(cè)對(duì)象，加強(qiáng)儀器的系統(tǒng)化、體系化，建立大壩傳感儀器的評(píng)價(jià)模型[21]。

(2)大壩在線安全評(píng)價(jià)和預(yù)警體系的研究。主要包括大壩災(zāi)變預(yù)警指標(biāo)體系研究以及預(yù)警系統(tǒng)的開發(fā)和實(shí)時(shí)監(jiān)控的目標(biāo)實(shí)現(xiàn)。

(3)大壩安全診斷的理論及模型研究?；诒O(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合智能算法及深度學(xué)習(xí)等非線性數(shù)學(xué)模型擬合預(yù)測(cè)大壩的結(jié)構(gòu)性態(tài)，進(jìn)一步研究大壩安全評(píng)價(jià)理論體系，構(gòu)建大壩安全評(píng)價(jià)模型和環(huán)境-大壩安全性態(tài)的反饋模型。

3.3 大壩除險(xiǎn)加固及風(fēng)險(xiǎn)管理

由于20世紀(jì)50、60年代建設(shè)的大壩已經(jīng)進(jìn)入運(yùn)行服役的中后期，不少工程已經(jīng)出現(xiàn)影響大壩正常運(yùn)行的工程問(wèn)題，這些工程需要全面綜合的安全診斷及除險(xiǎn)加固，所以研究和開發(fā)除險(xiǎn)加固的技術(shù)方法、加固材料就十分必要。此外，在除險(xiǎn)加固比選方案的研究方面，需要構(gòu)建更加經(jīng)濟(jì)合理的評(píng)價(jià)方法和指標(biāo)。因此，應(yīng)該著眼于風(fēng)險(xiǎn)管理理論進(jìn)行大壩病態(tài)修復(fù)工作。

3.4 大壩安全管理與保障

在大壩安全管理與安全保障方面，基于風(fēng)險(xiǎn)管理的理論，重新構(gòu)建大壩安全評(píng)價(jià)模型，以期提高舊有的安全管理模型的安全度，并進(jìn)一步研究發(fā)揮大壩的工程效益評(píng)價(jià)細(xì)則和大壩退役準(zhǔn)則。主要以大壩失事模式下的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)、基于風(fēng)險(xiǎn)管理的非工程和退役理論這3個(gè)方面為主。

(1)大壩失事方式、風(fēng)險(xiǎn)及后果評(píng)價(jià)研究。結(jié)合大壩長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和國(guó)內(nèi)外大壩失事案例，構(gòu)建大壩失事識(shí)別模式數(shù)據(jù)庫(kù)，定量研究大壩不同服役期失事的風(fēng)險(xiǎn)概率和相應(yīng)的損失及搶險(xiǎn)救災(zāi)的處理方案以及預(yù)警、應(yīng)急措施；結(jié)合可靠度等概率理論和現(xiàn)代力學(xué)，研究不同概率下的失事指標(biāo)，建立一整套在線失事預(yù)警系統(tǒng)，并進(jìn)行相關(guān)預(yù)案的研究。

(2)風(fēng)險(xiǎn)控制的非工程研究。在深入研究風(fēng)險(xiǎn)控制工程措施的基礎(chǔ)上，需要進(jìn)行相適應(yīng)的非工程措施的研究，比如大壩管理單位走進(jìn)庫(kù)區(qū)，為周邊群眾安排知識(shí)講座、散發(fā)宣傳傳單、錄制相關(guān)講解知識(shí)，政府部門組織相關(guān)的疏散演練方案的研究等。

(3)風(fēng)險(xiǎn)管理的退役理論?；诖髩涡б娴脑u(píng)估和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要以及社會(huì)安全的考慮，綜合研究大壩病化老化規(guī)律和退役機(jī)制。在宏觀和微觀兩個(gè)層面，構(gòu)建大壩退役的指標(biāo)評(píng)價(jià)體系和準(zhǔn)則，全面對(duì)標(biāo)退役評(píng)價(jià)體系和準(zhǔn)則，以研判大壩服役的性態(tài)。同時(shí)開展大壩退役后，其他功能的使用方案再評(píng)估，以達(dá)到二次利用的目的。

4 結(jié)論

(1)本文基于風(fēng)險(xiǎn)管理理論，綜合闡述水庫(kù)大壩的保障理論和相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)的研究進(jìn)展，這能夠?yàn)檠芯空吆痛髩喂芾砣藛T掌握當(dāng)前的研究現(xiàn)狀提供較為全面的視角。

(2)具體探討當(dāng)前急需解決的大壩全生命周期病變機(jī)理與模擬、大壩除險(xiǎn)加固及風(fēng)險(xiǎn)管理、大壩除險(xiǎn)加固及風(fēng)險(xiǎn)管理、大壩安全管理與保障4個(gè)問(wèn)題，要求國(guó)內(nèi)壩工從業(yè)人員以關(guān)鍵問(wèn)題為出發(fā)點(diǎn)，通盤研究大壩的風(fēng)險(xiǎn)管理和決策理論，以提高水庫(kù)大壩的服役效益。

(3)由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，加速各行業(yè)的深度融合，需要壩工領(lǐng)域加強(qiáng)多學(xué)科的合作，以推進(jìn)水工行業(yè)管理的現(xiàn)代化、信息化、智能化發(fā)展。