大坝事故与其运行年限的关系

[美国]P.J.里根

大坝事故与其运行年限的关系

[美国]P.J.里根

有些大坝事故是源于其长期运行;有些大坝事故则与地震、洪水或其他一些原因密切相关。着重对大坝安全事故怎样分布于大坝运行寿命期内,大坝长期运行后是否会出现重大安全事故,不同型式的大坝的长期运行性能是否存在差异,何种潜在的溃坝模式有助于大坝安全事故分析,以及不同年代修建的大坝发生事故的类型是否存在差异等问题进行了分析研究。

大坝;大坝失事;运行年限;分析研究

负责大坝运行安全的人员必须保持高度警惕,尽一切努力确保其管理的大坝、其他一些水利设施或水利枢纽工程的安全。无论是业主、监管机构,还是咨询专家,当涉及到大坝安全时,没有人会掉以轻心。可是,当一座大坝在安全运行相当长一段时间后,一种对大坝安全的自满情绪常常会悄然而生。不知多少次听到过或说过这样的话:“这座坝已经安全运行50 a了,为什么您现在会对该坝的安全担心呢？“

在联邦能源管理委员会(FERC)多次召开的潜在溃坝模式分析会议上,这种推理被提出来作为降低大坝潜在溃坝模式分类的依据。

看来还是忽略了大坝正在经受着老化与恶劣的自然环境等诸多影响。有些大坝事故是由于其长期运行的结果。对人类来说,长时期的疲劳工作会导致腕管综合症;而对大坝来说,则可能会导致闸门启闭机出现机械类故障。某些事故就是因长期遭受恶劣环境的影响所导致的。

像癌症等疾病可能会突然发生,或者会在体内停留很长一段时间。同样,管涌在大坝第1次充水时就可能来势凶猛,就像提堂坝情况一样(提堂坝位于美国爱达荷州东南部的特顿河上,1976年6月5日大坝第1次冲水时,发生了严重的溃坝事故)。否则,就有很长一段时间的变化过程,如斯里兰卡的坎泰尔(Kantale)坝,该坝表面上看来已经安全运行了117 a,可终究由于管涌而溃坝。

本文试图解答以下4个问题:

(1)大坝安全事故在大坝的运行寿命中是怎样分布的？特别是,当一座大坝在经过一段重要时期明显令人满意的运行以后,预示着该坝在其今后的运行寿命中就不会出现重大的安全事故吗？

(2)对于不同坝型的大坝,其长期运行性能有差异吗？

(3)随着对大坝潜在溃坝模式研究的深入开展,会有一些什么样的潜在溃坝模式特别有助于对大坝安全事故进行分析？

(4)因大坝修建年代不同而造成的事故类型有差异吗？

为了解决上述问题,笔者开发了一个与大坝安全事故有关的“大坝事故与安全数据库”。目前,该数据库已收录了84个国家4 000余座大坝破坏与安全事故的专门资料,其中1 158座大坝可以断定出现溃坝或安全事故时的运行寿命。

1 大坝安全事故在其运行期的分布

对大坝安全事故在其整个运行期的分布情况开展了研究(图1)。特别是,当一座大坝在具有非常令人满意的运行状态的情况下,是否预示着该坝在其今后的运行寿命中就不可能出现重大的安全事故呢？

当然,大多数观点认为,大坝在投入运行后的最初几年是出现严重事故的时期。而且本数据库资料也证实了这一观点。

在本文所分析的出现安全事故的大坝中,约有31%的大坝事故是发生在施工期或出现在大坝投入运行后的前5 a。从坝型的统计资料来看,有些坝型发生安全事故的概率有明显的差异。在投入运行后的前5 a,重力坝发生安全事故的概率为18%,拱坝为29%;而土坝和堆石坝发生安全事故的概率为42%,且均是发生在施工期或投入运行后的前5 a内。

图1 综合各类坝型的大坝安全事故数量与运行年限的关系

大坝在投入运行后的前5 a内事故的出现率高,说明对潜在坝址进行反复的深入的研究、认真审查、对大坝设计方案是否全面考虑了可能会导致诱发和发展大坝潜在事故模式的特定坝址条件进行核实、谨慎施工以使触发大坝事故模式的可能性降至最低,以及实施重点监控和全面监测的措施,实时掌控大坝的运行状态等至关重要。

至于当一座大坝在经过一段非常令人满意的运行期后,是否预示该坝在其今后的运行寿命中就不会出现重大安全事故的问题,通过对运行5 a后出现事故的大坝的相关资料进行认真研究,可以得出满意的答案。

运行5 a后发生大坝安全事故的比率示于图2。由图2可以看出超出某一使用年限后发生的有记录的大坝事故率。根据笔者开发的大坝事故与安全数据库的统计,在所有大坝事故中,49%的大坝事故发生在大坝运行50 a或更长的时间。现有资料表明,大坝事故率在任一一个5 a运行期内没有明显差异。

图2 运行5 a后的大坝事故率

大坝事故高峰期出现在其投运后的前5 a运行期之后的第2个5 a运行期内,即运行期内的第6～10 a间。据数据库的资料统计,其间共发生大坝事故72件;运行期内的第11～15 a间,共发生事故61件。而第3个大坝事故发生的高峰期则出现在大坝运行期内的第81～85 a间,其间共发生大坝事故55件。

毫无疑问,发生溃坝或出现严重事故的大坝数量在已建大坝的总数中所占比率相对较小。然而,资料显示,大坝在运行50 a或50 a以上时,出现与大坝安全有关的事故比率相当大。

显然,不能忽视大坝的运行年限,也不要因大坝的老化发生安全事故而感到惊奇。事实上,有些大坝的事故模式更是随着坝龄在发生变化。

本文分析研究中采用的大坝事故与安全数据库中的平均建坝时间是1933年,距今已有77 a。根据该数据库的统计资料,即可以确定大坝发生事故的时间。但是,由于统计中包含有少数非常老的大坝,因而会使平均建坝时间有误差,其中,最早建成的大坝是在1550年;而有451(39%)座大坝是建于1945年以后,其运行年限还不足60 a。

2 不同坝型的大坝长期运行性能的差异

已对各类坝型的大坝在其投入运行的前5 a后发生安全事故的资料数据进行了收集整理,并对整理结果作了分析。分析表明,对于各类坝型的大坝来说,其长期运行性能都存在着一些明显的差异。

与各类坝型大坝的总事故率接近已建坝总数的50%相比,土坝在投入运行的前50 a内,事故率要高于各类坝型的总平均事故率;而在运行50 a或50 a以上的情况下,土坝的事故发生率仅为31%。与此相反,重力坝在投入运行的前70 a,其平均运行性能要优于所有的坝型。在投入运行的最初几年,堆石坝和拱坝的运行性能比各类大坝的平均性能都差。总的说来,更趋近于土坝或重力坝的平均性能。

在对各类坝型的大坝事故模式进行仔细分析后,对土坝和重力坝在运行性能方面存在的差异可以得到部分的解释。土坝的主要破坏模式包括:内部溶蚀、渗漏和管涌,共110次;漫顶105次,结构破坏47次。

重力坝发生与洪水载荷相关的事故101次,这些事故往往与溢洪道有关。115次结构性破坏中,包括混凝土破坏以及附属建筑物的结构性损坏,如溢洪道闸门和闸门操纵机构失灵等;另外有27座重力坝的坝基发生管涌。在115座大坝结构的破坏中,有41座涉及溢洪道闸门。

如果水库水位不小于临界水位,渗漏即是一种随时可能发生的潜在事故模式;而在洪水季节,水位升高时渗漏还会加剧;由于地震引起的开裂,也会导致给渗流提供方便的通道张开。因此,对于所有的土石坝和其他坝型的坝基来说,坝体的内部溶蚀和管涌都是必须慎重考虑的潜在破坏模式。而洪水载荷导致的大坝事故,特别是特大洪水这类相对罕见的洪水事件,在一座坝的运行初期,发生的概率相对较小。同理,大坝的性能退化进程也与时间有关,比如碱-硅反应或冻融等老化反应,只有当其在持续一段时间以后,才会对大坝的结构物产生负面影响。

大坝的运行性能退化,也是导致水电站机电设备出现故障的重要因素。而机电设备的性能退化则可能是由于在其正常运行中的磨损或是缺乏日常维护所致。

3 大坝安全事故分析

随着对大坝潜在溃坝模式研究的深入,会有一些什么样的潜在溃坝模式特别有助于对大坝安全事故进行分析？为了寻找解决这一问题的方法,对本数据库资料按大坝发生事故时的坝龄进行排列;而且也将事故模式分为以下3类:

(1)与洪水相关的事故模式;

(2)与结构相关的事故模式;

(3)与渗漏/管涌相关的事故模式。

库岸滑坡、其他类水库事故以及另外一些与上述3类事故模式无关的事故模式,在已查明的事故中所占比例微不足道,因而未将其纳入数据库的资料中。所有与洪水泛滥有关的事故模式,无论是由特大洪水、溢洪道堵塞,还是由于闸门操作失效等导致的事故,均归纳为洪水泛滥类。与坝体结构破坏相关的事故包括坝基滑移、边坡失稳、地震破坏、混凝土结构劣化和闸门故障等事故。与渗漏/管涌相关的事故包括各种内部溶蚀、管涌以及酿成溃坝的渗漏,其中包含坝身渗漏、坝基渗漏、绕坝渗漏。对数据库中的所有大坝事故资料和已经经过了第1个5 a运行期的大坝资料都进行了分析。

大坝运行5 a后,不料各类渗漏事故的发生率竟有65%;然而,前5 a运行期过后,与洪水相关的大坝事故率为74%,结构性破坏事故率为78%。值得一提的是,大坝在运行80 a之后,上述所有3类事故模式中未来事故的发生率几乎相同。

数据分析表明,前5 a运行期过后,不同事故模式出现的事故率存在着些许差异,结构性事故率比较低。然而,在运行45 a以后,无论是在洪水事故模式、渗漏事故模式还是结构事故模式下,出现的事故率差异却很小。

数据超级终端显示,在运行100 a以后出现溃坝或安全事故的大坝,有45座在事故出现时的运行年限和事故模式分析的使用年限相一致。在45件事故中,有22件属于洪水泛滥类事故,13件属于结构破坏事故,10件属于渗漏事故。

这些信息表明,尽管地震和洪水载荷一般认为是发生率不高的事故,而且对于漫顶或地震引起的溃坝等极端事件,无疑更有理由认为是发生率不高的事故,但在处理土石坝和各类坝基时,应当劳记管涌和其他渗漏造成的严重后果。

与渗漏相关的事故是大坝运行初期最常见的事故模式,且将继续成为长期存在的重要的潜在事故模式。

4 建于不同年代的大坝事故类型差异

根据数据库中收集的资料可以看出,大坝的平均建坝时间是1933年。通过该数据库可以确定大坝在运行多少年以后会发生破坏事故,这是岩石力学现代理论、滤光技术和读写存储技术较重大的发展,是现代岩土工程理论在大坝设计中的运用。事故数据库中收集的资料显示,大坝事故率高峰出现在某些建设时期,部分原因是由于在那些特定年代里修建了大量特定坝型大坝的缘故。随后,大坝事故量减少,是由于在大坝设计和采用的施工技术方面取得了进步;也是由于自20世纪60 ～70年代建坝高峰期以后,修建大坝的数量减少的原因;或者说,后来修建的大坝的老化期还未到来。

按照建坝时间,绘制了超出给定坝龄发生渗漏/管涌事故的比率图,并且更详细地研究了与土石坝渗漏有关的事故关联性。按照建坝时间对大坝进行了分组,具体可分为:

(1)1900年以前修建的大坝;

(2)1900～1950年修建的大坝;

(3)1950～1975年修建的大坝。

1900～1950年和1950～1975年修建的大坝中,共计有65座大坝发生事故;1900年以前修建的大坝中,有26座大坝发生事故。

为了说明自然环境对新老大坝运行状态产生影响的差异,剔除了前5 a运行期内发生事故和运行时间超过45 a的大坝资料,这样可以比较全面地了解5～45 a时间跨度内大坝的运行状况。

数据显示,修建于1900 ～1950年间的老土坝和1950年以后修建的大坝在事故发生率方面没有实质性的差别。但是修建于1900年以前的大坝的相关数据竟然显示,一旦度过了投运之后最初的5 a运行期,这些较早修建的大坝发生事故的概率要大于在其以后所建大坝发生事故的概率,特别是坝龄为5～10 a的大坝。坝龄超过10 a以后,老坝发生事故的概率仍旧比在其以后修建的任何一类大坝发生事故的概率都要高。

陈 谦 编译自美刊 《水电评论》2010年第6期

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2011-07-18