老坝的安全评价

G.S.Sarkaria

0 概述

没有两座坝是完全相同的。各坝之间存在型式、规模、坝址、坝基地质、功能、设计方法、施工和维护方法以及坝龄的区别。精心建成的大坝，其设计应该足够安全，但这并不意味着所有大坝都有同等的安全度。

大坝的安全是相对的，从一定程度上看，它随时间而变化，不仅是因为坝龄的增长，也可能由于周围环境因素影响到大坝条件或相应的评价准则的改变，需要对它的安全和安全裕度进行评价。

有的大坝像好酒一样能经受时间的考验，随着时间的推移而不断完善。而有些大坝就像人体，老化过程中会产生病痛。例如，大坝老化可能致使土石坝或混凝土坝孔隙水压力异常、混凝土逐渐脆弱碎裂、闸门结构、阀门和管道逐渐腐蚀或衰化。此外，大坝和人体的老化还有很多其它相似之处，因此大坝安全评价和人的综合体检一样，是一种全面、综合检查，需要定期进行。

1 影响大坝安全的因素

影响大坝安全的因素很多，包括自然因素、人为因素，还有一些不断发展演变的因素，控制了大坝的安全。主要因素包括：

自然因素：水文、基础（主要是地质）、水库库岸稳定、水库淤积、下游洪泛平原和地震活动。

人为因素：设计、施工材料和方法、基础处理、大坝运行、维护和水库上下游的发展和使用。

演变因素：大坝和附属建筑物的老化、基础和水库岸坡风化。

总结以上因素对大坝安全的影响，导致以下有趣的普遍印象：

（1）现代大坝比坝龄40年或以上的大坝安全。这是因为在过去40年里，设计实践、施工质量控制和大坝维护水平得到了长足的进步。

（2）一般小坝的安全性不如重点大坝好。这是由于一般小坝，常常设计不当、维护很差或根本没有维护。

（3）有些大坝的结构型式，其安全性不如另外类型。混凝土拱坝的安全性最好，水力填筑坝安全性最差。

以上结论建立在广泛的前提下，即用来相互比较的大坝其它条件都一样。虽然大坝有共性，但进行大坝综合安全评价时，应将以上观察结论牢记在心。

2 潜在风险

鉴于大坝安全评价的主要目的是发现并避免破坏，因此，对大坝进行潜在风险分析是必要的。每座蓄水的大坝溢流和泄洪都会对下游人民的生命和财产有潜在的危害，具体来说，大坝和水库的潜在危险可用以下一些因素来表示：

Vr为水库库容；Hd为坝高；L为大坝距下游主要居民区和财产重镇的距离；D为水库水面和下游居民区的高差；P为临危居民和财产的价值指数；Td为各类型大坝固有相对整体稳定性参数。

大坝潜在风险指数（DHPI）可由下式表示：

其它如大坝坝龄、溢洪道和泄水孔泄量及水库淤积等因素，也可以量化后加入到以上计算DHPI的公式中去。

通过图1中两个例子的比较，就可更好理解影响大坝潜在风险的各种因素的重要性。很明显，大坝潜在风险与水库蓄水量、大坝坝高及所危及的居民和财产数量直接相关。人口聚集地距大坝远，其风险也逐渐减小。水库水位和临危居民区之间的高差与潜在风险大致成二次方关系。Td表示大坝稳定性，其相对取值如下：拱坝为1.0；混凝土重力坝和支墩坝为1.5；堆石坝和土石坝为2.0；水力填筑坝为3.0；尾矿坝为4.0。

通过DHPI，如果其它条件都相同，可获得如下结论：

（1）拱坝的潜在风险是水力填筑坝的1/3；

（2）如果一座大坝库水位与受威胁人口聚集地的高差为1 000 m，而另一座大坝库水位与下游人群高程差为500 m，则前者的潜在风险为后者的4倍。

3 现代大坝安全评价概念

以上讨论大坝安全评价概念的目的是引起工程师们的重视，大坝安全评价是对大坝安全的全面评估，而不仅限于结构稳定分析，其基本概念应是评估方法必须包括“最薄弱环节”的检查。

为说明评估的进行，可参阅图2堆石坝－发电站－溢洪道枢纽工程平面图和断面图。安全评价不能仅包括对填筑坝或混凝土建筑物进行传统的稳定和应力分析，这是不够的，对最薄弱环节的系统性复核还应包括的检查项目有输水道、主坝、发电系统和溢洪道的各个部件。例如，对主坝而言，也许最薄弱的环节是粘土心墙和坝肩的接触面（B-2），而不是坝坡（B-4）；对发电系统而言，最薄弱的环节可能是压力钢管和机组蜗壳的接头（C-4）或者进水口和压力钢管所处的层状地基上（C-1），而不是进水口坝段的混凝土应力。同样，对溢洪道而言，最薄弱的环节可能是溢洪道闸门的支铰（D-3），而不是陡槽（D-4）或坝顶结构。引水隧洞进口段或闸门（A-1）的失事比隧洞阻塞的危害更大，它会消弱大坝的运用，甚至影响工程安全，可能比大坝裂缝和主坝部分滑坡的危害更大。

当前对老坝和新坝的安全评价方法是不同的，现代坝工实践已认识到了溃坝的潜在风险，因而已将其融入到设计准则、方法和施工质量控制中去，用现实、可谋求的大坝安全因素以抵消坝基条件中不可知因素或异常的自然力量对大坝的影响。因此，对一座新坝的安全调研应主要包括独立的设计复核和大坝观测资料分析。

对老坝而言，其设计通常会存在缺陷或者有关大坝及附属建筑物结构逐渐恶化、施工质量控制不好、重点部位的观测数据缺失等，因此，安全评估计划应更全面，并应更加细致地安排和实施。

4 综合评估计划

老坝安全综合评估的主要内容包括以下几方面：定期进行全方位大坝性态检查；重新建立设计、施工及质量控制方法；根据自身和运行性态资料，编撰工程实例说明；鉴定异常运行性态及最薄弱环节；试验、鉴定和分析；补救措施的制定和实施；监测补强加固后结构的运行性态，重复定期进行大坝性态检查。

对于老坝，要了解其特性，必须仔细研究施工细节、坝基条件和处理情况的相关记录，以便了解其新建成时的情况。如果相关记录不充分或无法获取，则有必要通过探测和检验一定数量的芯样，以了解大坝和附属建筑物目前的情况，但是，筑坝材料随时间推移改善还是恶化，对此很难下定论。

对混凝土坝，通过外观检查、安装监测仪器和钻孔取芯试验等方法，可检测到大坝老化、风化、碱骨料反应、渗漏、化学物质浸析、收缩裂缝和结构应力对大坝的影响。对土石坝，用类似方法可检测到其渗漏、表面沉降、变形和表面裂缝等。老的混凝土坝和碾压坝的主要区别在于，混凝土质量的明显变化对混凝土坝大坝性态和强度的影响较小，而在老碾压坝，坝体材料常可能有较大的改变，因而可能在孔穴或薄弱区域引发溃决事故，其中，坝体材料对其影响更大，所以，在老碾压坝的安全评估中，对孔穴和薄弱区域的检测、结合孔隙水压力和渗流的观测是关键。

5 监测方案

在美国，对新建的重要大坝，对运行性态进行定期观测和监测几乎已成为标准，但根据每个地区和每座坝的不同情况，具体实施时也不尽相同。对老的小坝，这方面可能被完全忽略。

运行性态监测计划应根据大坝的重要性来合理制定，在判断工程相对重要性时，大坝潜在风险指数（DHPI）可作为一个衡量工具。基本监测计划应包括以下三方面的内容：（1）采用三角测量方法对坝顶进行水平和垂直变形观测；（2）坝体和基础渗流观测；（3）坝体和基础的渗透压力观测。

以上内容适用于所有类型的大坝，这些项目相对容易实施，且较经济。观测数据的周期可以是一年两次，显示出库水位高低的极值情况。重要的是应在较长时段内取得连续的监测数据，这样，其运行性态的主要变化和趋势才能被发现。结合定期外观检查和对大坝以往记录的复核，对大部分潜在风险率低的中小型坝，这个基本方案已经足够了。

对大型坝和潜在风险率高的坝，其监测应更广泛全面，应包括内部外部观测仪器。除上述基本监测项目外，还应包括内部变形、应力应变、混凝土温度、内部孔隙水压力和地震震动监测。

要对大坝内部性态做出适当的解读，取决于观测资料的质量、规律和观测时段的长短。比如，要正确评价混凝土徐变对坝体应力的影响，首先要有新鲜混凝土弹性模量快速增长时期的应变和徐变数据。类似的，对碾压坝，如果施工期没有测量，就不能准确获得其总的变形量。对于老坝，常由于施工期间未安装监测仪器而无法获得这些数据，监测数据只反映安装后外荷载引起的变化，其对结构性能变化的解读有其局限。

监测仪器设置的范围、类型、数量及监测方案的实施程序等，都取决于大坝的重要性和大坝坝型、业主要求和相关运行管理法规。

6 水文标准

对于老坝，溢洪道泄洪能力不足是危及大坝安全的主要风险之一，这已经得到多次验证。由于大多数老坝设计时都未考虑洪水漫顶，因此，不论对大坝采取何种复核，都必须对溢洪道的泄洪能力进行复核，以下三个实例可充分说明了其重要性。

乌拉圭尼格罗河上的Rincon de Bonete工程事件说明了对水文因素进行持续复核的必要性。该坝设计于1935年，在之前的27年中，记录到的最大洪水流量为3 822.795 m3/s。采用设计洪水流量为9 203.025 m3/s，通过水库调节后溢洪道的最大泄流能力为5 663.4 m3/s。1959年4月，10 d时间里，面积为380.405×108m2的区域总降水量达175.086×108m3，进入Bonete水库的洪峰流量达17 131.785 m3/s，水位超过设计洪水位4.57 m，导致漫过大坝及其周围流量达9 627.78 m3/s。混凝土坝在这意想不到的冲击中幸存下来，但发电厂房和其附属建筑物被洪水淹没。根据Gruner的资料，Bonete坝设计时设计洪水标准为重现期1 000年，在同一基础上，1959年遭遇的洪水其重现期达50万年。

另一个例子是台湾石门大坝。石门大坝为高167.68 m的砂砾石土坝，于1963年7月完工。按照可能最大洪水通过水库调洪后，设计溢洪道最大泄流量为10 902.045 m3/s。据所获得的资料记载，1921年该流域最大平均降雨量为104.14 cm。1963年9月，“格洛尼亚”台风使该流域降雨平均达134.62 cm。降雨使水库急剧充满，溢洪道泄量达9 599.463 m3/s，为最大泄流能力的88%，也就是说这时大坝不漫顶的安全系数仅为1.07。坝顶和最高设计水位间的超高提供了一些额外安全裕度。考虑到该大坝才头一年运行，不禁要问，对于如此高的坝，这样低的安全系数难道认为足够了吗？

另外一个经典实例是赞比亚赞比西河上的Kariba拱坝。该坝在1957年开工施工前记录到的最大洪峰流量为8 211.93 m3/s。在第二年的2月20～26日，最大洪峰流量高达13 025.82 m3/s，河水刚退4 d，1958年3月1日，洪水又再次上涨。6月6日，观测到的最大流量为16 140.69 m3/s。其间洪水总量约为184.95～246.6亿m3，几乎等于该巨型水库的有效库容。

在同一季节出现这两次连续洪水的重现期为1 000～10 000年之间，溢洪道的最大泄流能力为6 512.91 m3/s，在与发电厂泄放1 132.68 m3/s流量组合后，可望满足入库洪峰流量为16 990 m3/s经过水库调节后下泄要求。

编译：崔弘毅

校核：陈道周