运行期混凝土拱坝结构安全性评价方法研究

沈海尧（国家能源局大坝安全监察中心，浙江杭州，310014）

运行期混凝土拱坝结构安全性评价方法研究

沈海尧
（国家能源局大坝安全监察中心，浙江杭州，310014）

大坝结构安全性评价是水电站大坝安全定期检查的重要内容之一。电力行业目前尚无明确的运行期混凝土拱坝结构安全性评价方法和评价标准。在回顾总结国内外拱坝失事、损坏情况和近20多年水电站大坝安全定期检查经验的基础上，系统分析了运行期拱坝结构安全性评价的特点，总结了国内外拱坝安全性评价技术现状，研究提出了运行期混凝土拱坝结构安全性评价的实用方法、评价标准和评价时应注意的问题。

混凝土拱坝；运行期；安全评价

0　引言

拱坝是水利水电工程拦河坝的重要坝型之一。据国际大坝委员会1988年统计，全世界坝高超过15 m的拱坝共1 592座，其中我国为753座，占47%。据中国大坝协会2002年统计，全国坝高超过30 m的拱坝共607座。随着二滩、构皮滩、拉西瓦、小湾、溪洛渡、锦屏一级等一批特高拱坝的陆续建成，我国无论从数量上还是规模上都已成了名副其实的拱坝大国。

拱坝以节省筑坝材料工程量著称。与同属混凝土坝的重力坝相比，拱坝的应力水平更高，筑坝材料强度更能得到充分发挥，同时对坝址地形、地质条件的要求也更高。与其他类型的大坝一样，拱坝也存在损坏甚至溃决的可能。1959年法国马尔帕塞拱坝的溃决、1978年奥地利科恩布赖拱坝坝体严重开裂等事件表明，拱坝并非都是完美无缺的，对拱坝存在的缺陷或隐患进行合理辨识和评价，及时发现并消除缺陷或隐患，是拱坝业主、参建各方和政府主管部门的责任。

我国的水电站大坝安全定期检查始于1988年，目前已经进行到了第四轮。大坝安全定期检查的任务是从设计、施工、运行三大方面对大坝安全状况进行评价，依据是国家和行业的现行法规和技术标准。对拱坝结构安全性评价而言，根据多座拱坝的定期检查实践可以看出，评价依据大多是拱坝的设计规范。若各项指标均满足规范的要求，则拱坝结构安全的结论自然不难得出，但实际运行的拱坝极少能达到这一点。更多的是只有部分指标满足规范要求，部分指标不满足规范要求或某些运行性态出乎原设计意料的情况，如拉应力超标、坝体出现裂缝等。这时，不同的评价人员可能会得出不一样的、甚至截然相反的评价结论，过于保守将造成不必要的加固投入，过于冒进将增大失事的风险。如何合理评价运行期拱坝的结构安全性是摆在工程技术人员面前亟待解决的课题。

笔者旨在总结国内外拱坝失事的教训，借鉴国内外拱坝结构安全性评价的经验，特别是我国电力行业大坝安全定期检查的经验，针对运行期拱坝的特点，研究提出运行期混凝土拱坝结构安全性评价方法及评价标准。

1　国内外拱坝损坏情况及教训

国际大坝委员会在1995年的第99号公报中统计已失事的拱坝有7座，1999年出版的《水电工程评价导则》中统计已失事或严重损坏的拱坝有19座［1］。1995年，我国汝乃华先生根据国内外拱坝失事和损坏事件报导，对搜集到的52座失事或损坏的拱坝进行了介绍［2］。瑞士M·赫尔措格1990年对美国、法国、奥地利、瑞士、葡萄牙、南非等6个国家的20座拱坝损坏现象进行了介绍［3］。笔者对上述大坝损坏的现象、原因、危害性等进行归纳总结，旨在引以为戒，避免类似损坏的发生，或及早发现安全隐患，避免事故扩大。

1.1典型损坏情况

拱坝损坏现象主要有溃决、裂缝两种。坝面渗水、析钙也是拱坝常见的病害，但它往往伴随着裂缝而产生，因而也归于裂缝。

至今真正溃决的拱坝只有马尔帕塞拱坝和梅花试验拱坝两座。马尔帕塞拱坝于1954年建成，初期蓄水时库水位上升速度缓慢，历时4年尚未蓄满。坝顶位移每年观测一次，1959年7月第四次观测结果表明坝体径向位移增大，切向位移有向左岸增加趋势。同年12月初连降暴雨，库水位迅速上升至正常蓄水位以上1.6 m左右，大坝突然溃决，左岸坝段连同部分地基全部被冲走，右岸残存坝的底部混凝土和两个坝段。事后国际上多数坝工专家认为是左岸拱座或坝基失稳所致［1-4］。

大坝裂缝损坏案例相对较多。国际上影响较大的有奥地利的科恩布赖、前苏联的萨扬舒申斯克、法国的加日拱坝等。科恩布赖拱坝最大坝高200 m，正常蓄水位1 902 m，1976年初期蓄水，1978年库水位从1 869 m上升到1 892 m的过程中，渗漏量骤增，最大达200 L/s。放空水库发现河床坝段坝踵部位混凝土严重开裂，裂缝位于坝基面以上18 m处，缝长约100 m。从1979～1984年，一共进行了5次处理，但治理方案以防渗为主，忽视强度和变形，治标不治本，蓄到正常蓄水位后裂缝的数量和范围反而有所增加。最终采用在坝趾下游建重力止推座，适当约束梁底位移的措施加固成功［4］。

法国加日（Gage）拱坝最大坝高41 m，底厚2.57 m，1954年蓄水。至1960年，右岸上游面3个坝段的配筋区域出现平行于岸坡的斜裂缝；上、下游面未配筋区域局部有施工缝张开。1963年底在1号坝段下游坝面底部新出现了水平向裂缝，经检测，裂缝斜向深入坝体混凝土内部。虽曾数次对上游面采取防渗修补措施，但运行仍有很多困难。分析认为悬臂梁连续性遭破坏，结构整体性受损。最终将该坝报废，并于1966年在上游新建了一座拱坝［3］。

丰乐拱坝位于安徽省黄山市境内，工程以防洪、灌溉为主，最大坝高54 m，底厚12.5 m。大坝于1973年开始浇筑混凝土，1978年3月封拱灌浆结束，1978年空库度夏，同年冬季在左、右岸下游坝面分别发现9条和3条裂缝，裂缝未及时修补，1979年水库蓄水。1986年9月检查，裂缝已发展到20条，总长度达260.8 m，最大缝宽小于1 mm，超声波检测最大缝深2.3 m，在裂缝和横缝相交处，坝面潮湿、渗水，高水位时局部有喷射水雾现象。1986年冬季用改性环氧树酯进行灌浆。1986年以后，下游坝面裂缝及渗水点有所增多，至2001年底共发现有40多处漏水、析钙点。从几次裂缝检测结果看，丰乐拱坝下游面裂缝均为表面裂缝。2000年水利行业将丰乐拱坝鉴定为三类坝。2004～2005年采用喷射0.5～1.0 m厚的钢纤维混凝土和喷涂5 cm的聚氨酯泡沫塑料保温材料对下游坝面进行了加固处理［5］。

1.2损坏原因及教训

造成拱坝损坏的原因很多，文献［2］归纳为以下9种：温度变化、地震、漫坝、滑坡、混凝土质量差、扬压力超限、坝基破坏、坝体上滑失稳、勘测设计不当。文献［3］归纳为以下14种：地基破损、建基面受拉破损、岩石塑性变形、岩石裂隙、河谷缩窄或变宽、接缝开裂、混凝土裂缝、温度变化、坝基的嵌固、大坝变形、混凝土工艺、接缝灌浆、结构状况、设计人员的倾向性。

根据国内外拱坝的损坏情况，结合电力行业大坝安全定期检查工作实践，笔者认为可以归纳为：地基缺陷、体型不佳、施工质量差、违规运行、疏于检查、处理不力六方面。即，一是对坝基地质缺陷认识不足，处理方案不合理，造成坝基变形过大、渗压过大等不良现象，进而影响坝体应力和拱座稳定；二是拱坝体型设计不合理，不能较好适应河谷的地形、地质条件，或荷载及其组合考虑不周，或计算方法、计算成果有误，造成应力严重超标或拱座安全度不足；三是施工质量差，包括坝基处理、混凝土浇筑和温控、封拱灌浆等质量未达到设计要求，造成坝体、坝基强度不足或温度荷载超过设计假定等；四是运行期未按设计要求进行水库调度，人为造成发生设计禁止的不利工况（如空库度夏），或下泄水流冲刷拱座岩体；五是检查、监测不及时，或认识水平有限，未能识别事故征兆，未能及时发现隐患；六是对缺陷或隐患的处理不及时，延误时机，甚至酿成重大事故。

2　运行期拱坝结构安全性评价的特点

与勘测设计阶段的拱坝设计方案评价相比，运行期拱坝结构安全性评价既有相同之处，也有显著的不同点。最大的相同之处是两者都重视基于力学原理的拱坝结构应力、拱座稳定分析，将拱坝结构安全性定义为由坝体、坝基构成的结构体系具有足够的强度和稳定性，可以安全地承受作用其上的水压、温度、泥沙、地震等荷载；此外，对荷载及其组合的基本原则、对坝基及拱座地质条件的重视程度等两者也基本一致。与设计阶段相比，运行期拱坝结构安全性评价有以下不同点：

（1）通过实际坝基开挖揭示和处理，人们对坝址地质条件有更进一步的认识。

（2）实际坝体混凝土的浇筑、温度控制、接缝灌浆等施工质量与设计预想往往存在差异。

（3）运行期实际作用于拱坝上的温度、渗压等荷载与设计预估常存在较大差异，某些拱坝运行中实际遇到的荷载组合已经超出设计预计。

（4）实际运行拱坝常不同程度地存在一些裂缝，或施工缝的胶结、横缝灌浆效果不理想，致使坝体混凝土并非设计假定的各向同性连续介质。

（5）实际运行中普遍存在坝体混凝土表面裂缝、渗水、析钙，地质条件较差的拱坝坝基变形量可能过大，少数拱坝坝踵拉裂甚至破坏防渗帷幕等，与设计预期有较大出入。

（6）设计阶段对拱坝安全性的分析论证属于纸上谈兵，对一些于安全不利的因素（如计算模型与实际的差异、坝基处理及坝体混凝土施工质量可能达不到要求、荷载和材料参数可能存在不确定性等），采用增加一定安全裕度的办法进行应对，实践证明是可行的。但对于运行期大坝来说，设计阶段的某些不确定因素已变为确定因素，或不确定性已大幅降低，再加上拱坝一般都埋设有大量变形、应力、应变、渗流、温度等监测设施，就好比1∶1的大比例尺模型，拱坝在不同荷载作用情况下的实际结构响应已较为明了。

（7）拱坝设计的主要依据是设计规范，设计规范发布以后，随着时间的推移，无论是突破规范的成功经验，还是拱坝损坏事故的教训都会不断增加，运行期拱坝结构安全性评价时可能有其他拱坝的成功经验或失事教训可供借鉴或吸取。

上述不同点除了可能造成计算模型、力学参数、作用荷载等的差异，进而影响结构分析成果外，应力、稳定的判别准则或容许值可能也不尽相同。因此，直接采用拱坝设计规范规定的荷载、参数确定原则以及应力、稳定判别准则进行运行期拱坝结构安全性评价显然是不合适的。

3　国内外运行期拱坝评价技术现状

众所周知，国内外拱坝设计规范差别较大，对运行期拱坝安全性评价方法也有较大区别。笔者以国内水利行业的大坝安全鉴定、电力行业的大坝安全定期检查时对拱坝结构安全性的评价实践说明国内的现状，以美国联邦能源管理委员会的拱坝安全评价方法为例说明国外的现状。

3.1水利行业

水利部2000年发布的《水库大坝安全评价导则》［6］第5.3.1条规定，混凝土坝结构安全性评价主要是复核强度与稳定是否满足规范规定。坝体应力和拱座抗滑稳定计算方法参照当时的拱坝设计规范SD145-85。

结构计算采用的计算参数：对于高坝，必要时重新进行坝体或坝基钻探和试验；对于中、低坝，当分析表明应力较高或变形较大或安全系数较低时，也应重新试验确定计算参数。有观测资料时，应同时利用观测资料进行反演分析，综合确定计算参数。

结构计算采用的荷载：水压力及相应的扬压力、浪压力根据复核的上、下游水位和有关观测、试验资料确定；温度荷载、泥沙压力等根据观测资料确定，在缺乏观测资料时参考设计文件取用。

拱坝结构安全性评判，只要拉应力、压应力、抗滑稳定安全系数有一项不满足SD145-85规定，就认为拱坝结构不安全（C级）。此外，当大坝存在对结构安全有危害的裂缝、混凝土压碎、拱座明显变形、渗水量突增等异常现象时，可认为大坝结构不安全或存在隐患。

3.2电力行业

电力行业早在1988年就开始了拱坝的定期检查工作，检查对象包括了流溪河、陈村、泉水、白山、紧水滩、东江、二滩等不同时代著名拱坝在内的电力行业所有拱坝。拱坝结构安全性评价是拱坝安全定期检查的重要内容之一。从首轮定检至目前正在开展的四轮定检，共对30余座拱坝进行了结构安全性评价，有些拱坝评价次数已达4次。

首轮大坝安全定期检查时，由于早期工程建设中技术水平有限、实践经验缺乏、建设程序不规范、档案资料不全等原因，对大多数拱坝都进行了设计复核、施工复查、现场检查、裂缝等缺陷检测、监测资料分析等工作。二轮定检以后，虽然对已在工程竣工安全鉴定时进行过设计自检、施工自检的大坝不统一要求进行设计复核、施工复查，但通过查阅设计、施工资料，全面了解和掌握拱坝的建设质量还是必须的。当然，现场检查、裂缝等缺陷的检测、监测资料分析等工作是每次定期检查时都应开展的。

电力行业拱坝结构安全性评价工作的基本原则是从设计、施工、运行三方面评价拱坝的安全状况。坝体应力大小和分布、拱座稳定安全系数是拱坝结构安全性必须评价的内容，变形性态、裂缝形态、渗控效果等也是重要的评价内容。应力、稳定分析的计算方法同拱坝设计规范，计算参数和荷载取值考虑建成后拱坝的实际情况，这些与水利行业基本相同。但在评判标准上，电力行业的做法不同于水利，也与规范规定不完全相同。正常坝的要求是稳定安全系数满足规范规定，压应力在考虑实际强度后满足规范规定，拉应力在一定条件下可以不满足规范规定。

3.3美国

在美国，联邦政府拥有的大坝由其管理机构，如垦务局、陆军工程师团等管理；非联邦政府拥有的具有水力发电功能的大坝由联邦能源管理委员会管理；其他用于供水、灌溉等的大坝由各州负责管理。联邦能源管理委员会在水电工程评价导则［1］中对拱坝结构安全性评价作了明确规定，有关要求为：

通过对已有档案资料（包括原设计、施工资料和运行维护资料）的复查、现场检查、必要的计算分析，对运行期拱坝安全性进行评价。拱坝结构安全性分析应首先采用偏于保守的假定和相对较为简单的技术，如果计算成果不满足要求，再进行较为严密和复杂的分析计算。

计算方法优先采用三维有限元法，体型简单、坝体及坝基材料参数较为单一时可采用试载法。若采用其他方法，其精度须经有限元法比较验证。

坝体、坝基材料的计算参数须在现场勘探和实验室试验的基础上确定，有条件时可进行参数敏感性分析。

计算工况分为常遇、偶然（洪水）、特殊（地震）三种。荷载按实际运行情况计算。温度荷载计算中的坝体内部温度场分布，根据实测上、下游边界温度计算确定。其中，对相对较厚的拱坝，因沿厚度方向呈非线性分布，采用有限元计算；对于相对较薄的拱坝，可按线性分布简化计算。坝体内部埋设有可靠的温度监测设施时，其监测成果可用于温度荷载计算。

安全性评判标准，认为应力、稳定最小安全系数满足表1时结构是安全的。

表1　安全系数表Table1　Safety factors

关于混凝土的抗压强度，按美国材料与试验协会（ASTM）的混凝土试样抗压强度试验方法确定。

关于拉应力和抗拉强度，文献认为由于拱坝实际存在水平向施工缝、垂直向收缩缝、原生裂缝，没有必要精确确定完整混凝土的抗拉强度。通常的做法是，当线弹性有限元计算的拉应力值达到或超过“表观抗拉强度（apparent tensile strength）”时，认为混凝土会开裂，并在模型中考虑该裂缝后重新进行计算，经过多次迭代计算，最终确定应力分布。可用拉斐尔（Raphael）1984年提出的抗拉-抗压强度关系，根据抗压强度确定混凝土的抗拉强度和表观抗拉强度。

该文献特别指出，表观抗拉强度不是容许抗拉强度，若拉应力分布面积过大，即使拉应力值未超过表观抗拉强度，也应重新分析计算接缝和裂缝张开对应力重分布的影响。

关于抗剪强度，文献认为可近似取抗压强度的20%。

关于抗滑稳定，表1中的安全系数是按抗剪公式计算的结果。

3.4中外评价方法的比较

从上述我国水利、电力行业和美国的拱坝结构安全性评价方法可见，三者都强调结合大坝实际情况进行安全性评价，都把拉、压应力和拱座稳定作为重要的评价指标，但在具体评判准则上存在差异。

水利行业的应力、稳定评判准则与评价导则发布时的拱坝设计规范完全一致，即只要拉应力、压应力、抗滑稳定安全系数有一项不满足SD145-85规定，就认为拱坝结构不安全，是三者中最偏于安全或保守的。

联邦能源管理委员会的应力、稳定评判准则总的特点是应力较设计容许值有较大放松、稳定仍较严。如常遇工况下设计容许抗压安全系数为3.0，而评价时只要达到2.0即认为是安全的；拉应力设计允许1.03 MPa，而评价无此限制，允许混凝土局部开裂；拱座稳定抗剪安全系数设计允许1.5，评价要求达到此值才认为是安全的。是三者中相对偏于最宽松的。对于混凝土抗压强度，这里应该说明的是，美国标准的试验为直径45 cm、高90 cm、龄期365 d的圆柱体，与我国现行拱坝规范的15 cm立方体、90 d龄期试件不同。根据中国水利水电科学研究院的研究成果［7］，两者抗压强度的比值在0.68～0.87左右，美国安全系数3.0大致相当于我国的4.0。

电力行业的应力、稳定评判准则不同于上述两种，拱座稳定和压应力相对较严，原则上满足规范要求才能评定为结构安全；拉应力指标较松，即使超过规范要求，只要对应部位无明显的结构性裂缝，一般不认为结构不安全。是介于我国水利行业和美国联邦能源管理委员会之间的做法。

4　运行期混凝土拱坝结构安全性评价方法研究

在总结国内外拱坝安全性评价，特别是电力行业25年来数十座拱坝结构安全评价经验的基础上，对运行期混凝土拱坝结构安全性评价方法进行研究，提出拱坝结构安全性评价应遵循的原则，以及具体评价内容、评价方法、评判应注意的问题。

4.1评价原则

国内外众多拱坝的成功经验和失事教训都表明，拱坝能否按设计预期安全地运行与拱坝建设期的设计、施工质量和运行期的控制、维护情况有很大关系。即使建设质量较好的拱坝，若不按设计控制原则运行（如夏季库水位过低、库水位人为逼高造成漫坝冲刷坝脚等），也会造成坝体结构的损坏；建设质量一般，甚至存在先天缺陷的拱坝，这些坝若在投运后能及时消缺和补强，也能安全运行。鉴于运行期拱坝安全评价的主要目的是及时发现和消除隐患，笔者认为评价时应遵循以下原则：

（1）评价性质。既不同于勘测设计阶段的分析计算，也不同于纯学术意义上安全度的精确计算，重在分析运行性态、评估缺陷的危害性、评定安全等级。

（2）评价依据。原则上按电力行业现行拱坝设计规范，但在理解其精神实质的前提下，可适当调整，不必死扣设计规范；对某些评价内容可采用工程类比。

（3）评价方法。强调紧密结合客观实际，切忌纸上谈兵。重视对拱坝设计、施工情况的全面了解，重视现场检查，重视坝基（含拱座抗力体）地质缺陷和坝体混凝土缺陷的处理效果，重视对不安全因素的评价。

（4）评价手段。强调科学、简捷，不搞繁琐哲学。若用相对简单的计算方法和偏于保守的荷载、参数假定的分析结论是安全的，不必进行更复杂、更精确的分析计算。

4.2评价内容

根据上述评价原则，为及时发现隐患，笔者认为拱坝结构安全性评价应包括拱坝布置、坝体构造、坝基处理、坝体应力、拱座稳定、坝体及坝基变形、坝体和坝基防渗等内容。具体如下：

（1）根据坝址地形、地质条件、实际枢纽布置和拱坝的体型、构造等，评价拱坝布置和拱坝构造的合理性。

（2）根据运行期变形和混凝土应变等实测成果，分析评价拱座岩体有无趋势性变形，坝体混凝土是否处于弹性工作状态，坝体变形是否整体协调，时效变形是否逐年趋于收敛，力学参数是否与设计取值相近。

（3）根据大坝建成后的实际结构和荷载情况、反演力学参数，按电力行业现行拱坝设计规范，复查或复核大坝在静、动力条件下的坝体混凝土应力及拱座岩体抗滑稳定安全度，评价坝体应力和拱座岩体抗滑稳定是否满足要求。

（4）根据运行期渗流实测成果、坝体及拱座岩体表面渗水情况以及建设期的设计、施工资料，分析评价大坝的渗流控制措施是否有效，防渗结构是否可靠，实际渗流状态是否稳定。

（5）对坝体和坝基中存在的缺陷或隐患，根据运行期实际检查、检测和监测成果，以及必要的结构计算，评价其对大坝结构安全性的影响。

4.3评价方法

拱坝结构安全评价应在全面了解拱坝的设计、施工、运行维护情况的基础上，通过对现场的详细检查、对监测资料的全面分析，以及必要的检测、勘探和复核计算，综合评价大坝的结构安全性。具体如下。

4.3.1了解和掌握拱坝设计情况

通过查阅设计资料，检查原设计与现行拱坝设计规范的符合性，对不符合项定性分析其对结构安全性的影响。主要检查内容为：

（1）原设计依照的规范及其发布部门、适用范围、适用条件，与现行设计规范相比，在坝基处理、拱坝构造、温控、应力和稳定的计算方法和控制标准等方面的主要差异；

（2）坝基主要地质缺陷、断层破碎带及影响带处理要求，坝基开挖、灌浆、排水要求等；

（3）拱坝布置和体形、坝体混凝土强度、抗渗、抗冻要求、温度控制要求、封拱灌浆要求等；

（4）荷载及组合、计算模型、计算参数、计算方法及计算程序、坝体应力、拱座稳定计算成果；

（5）对运行提出的特殊要求，如分期蓄水、不利工况限制、坝面保温措施等；

（6）超规范问题的论证情况；

（7）设计审批（查）相关结论，以及整改意见落实情况；

（8）重大设计变更和审批（查）情况。

4.3.2了解和掌握拱坝施工情况

通过查阅施工资料，检查实际施工质量与原设计文件和现行拱坝设计规范等的符合性，对不符合项定性分析对结构安全性的影响。主要检查内容为：

（1）坝基（含抗力体）处理措施及质量，包括开挖后建基面形状、岩体质量、固结灌浆、帷幕灌浆质量情况、断层破碎带等地质缺陷处理情况、岩体透水率、波速等检测成果；

（2）混凝土施工质量，包括水泥、砂石、掺和料等原材料特性、混凝土强度、温控措施和效果、施工期混凝土裂缝及处理措施等；

（3）封拱灌浆情况，包括分区、上部盖重高度、混凝土龄期、接缝开度、灌浆压力、耗灰量、实际封拱温度场等；

（4）施工期坝体临时挡水情况；

（5）坝体泄流孔施工情况及施工期泄流情况；（6）重大施工质量问题的处理和效果。

4.3.3了解和掌握拱坝实际运行情况

通过查阅运行期的水库运行和拱坝监测、检查、维护、加固处理等资料，检查拱坝的实际运行情况是否在设计范围，运行中发现的缺陷、隐患是否及时得到处理，处理后是否达到预期效果等。主要检查内容为：

（1）实际运行中拱坝经受的荷载及其组合是否在设计考虑范围以内，对超出设计的现象，定性分析对结构安全性的影响。主要有：

①冬夏两季水库高低水位的组合情况；

②实测水温、气温、库底温度；

③实测坝体封拱温度场、准稳定温度场、冬夏两季典型温度场；

④实测日照情况；

⑤实测寒潮发生情况；

⑥实测水库泥沙淤积高程。

（2）拱坝的实际运行性态是否正常，重要监测量是否在设计控制范围或同类工程经验值以内，有无不利变化趋势等，对量值过大或过小或呈不利变化趋势的现象，定性分析对结构安全性的影响。主要监测量有：

①坝体水平、垂直位移的整体协调性、与河谷形状和坝基工程地质条件的一致性，与设计计算值的差异，时效位移的发展趋势；

②坝体混凝土裂缝宽度变化规律，缝宽变化是否收敛；

③坝体混凝土的反演弹模和线胀系数是否与设计取值接近；

④坝体混凝土实测应力分布和变化规律是否与理论计算相符；

⑤坝基变形及两岸拱座岩体水平、垂直位移与受力特点及坝基工程地质条件是否相符；

⑥坝踵部位变形及混凝土与基岩结合情况，坝基帷幕有无破坏迹象；

⑦两岸坝肩岩体地下水位是否在拱座抗滑稳定计算扬压力取值之内。

（3）运行期拱坝的日常检查、维护情况，历次补强加固情况及处理效果。主要有：

①坝体混凝土裂缝发现时间及历次检查缝长、缝宽、缝深发展变化情况；

②水平施工缝和横缝开合情况；

③坝体混凝土渗水、析钙、老化或受酸性水腐蚀情况；

④坝体混凝土与坝肩岩体结合情况；

⑤坝基和拱座岩体渗水和析出物情况；

⑥拱座岩体开裂、崩塌、挤压错动等情况；

⑦历次补强加固的设计、施工情况及实际处理效果。

4.3.4检查拱坝现状

通过现场目视检查和必要的仪器探查，查明拱坝存在的缺陷，定性分析重大缺陷对结构安全性的影响。主要检查内容为：

（1）检查拱坝外观情况，包括坝体混凝土裂缝、渗水、析钙、拱座岩体开裂、渗水、崩塌、挤压错动等的具体部位和发展程度，具体检查内容同4.3.3（3）；

（2）对重大缺陷或隐患进行重点探查或检测，如：

①裂缝深度的声波和钻孔检测；

②混凝土质量的取芯检测和试验；

③建基面结合情况的钻孔取芯及孔内摄像；

④基岩完整性、抗渗性能的钻孔取芯、孔内摄像、声波检测和压水试验；

⑤渗水来源的同位素示踪或有色液体探查；

⑥析出物成分、水质等的分析。

4.3.5复核计算坝体应力和拱座稳定

4.3.5.1复核条件

当荷载、建成的体型、混凝土质量、坝基特性和处理情况与原设计或最近一次复核时有较大差别，且根据现有资料尚不能评判坝体应力和拱座稳定安全状况时，应进行坝体应力和拱座稳定的复核计算。主要情况如下：

（1）实际运行情况与原设计的差异较大，如库水位、水温、气温、泥沙淤积高程、坝肩岩体渗透压力等荷载及其组合与设计取值的差异较大，定性分析认为对大坝结构有不利影响；

（2）实际施工情况与原设计要求差异较大，如坝基超（欠）挖较多、坝体体型做了较大调整、封拱温度与设计要求有较大差别、混凝土力学参数与设计取值有较大差别等，定性分析认为对大坝结构有不利影响；

（3）坝体混凝土存在结构性裂缝等缺陷；

（4）拱座存在岩体开裂、崩塌、挤压错动等缺陷；

（5）原设计规范与现行规范差异较大，如计算方法、主要荷载及其组合的计算原则与现行规范有较大变化等，定性分析认为对大坝结构有不利影响；

（6）原设计计算成果或最近一次复核成果可能有误。

4.3.5.2计算方法

应力计算方法以拱梁分载法为基本方法，对高拱坝或情况比较复杂的拱坝（如坝内设大孔洞、坝体存在结构性裂缝、基础条件复杂等）还应进行有限元法分析。

拱座稳定以刚体极限平衡法为主，当拱座稳定不满足规范规定时，应采用有限元等方法进行分析。刚体极限平衡法计算公式，SD145-1985［8］、DL/T5346-2006［9］均明确规定1、2级拱坝应按抗剪断公式计算，只有3级及以下拱坝才可按抗剪公式计算。实际评价时，1、2级拱坝若按抗剪断公式计算不满足规范规定，可参考美国、前苏联、日本的规定，按抗剪公式计算论证。

4.3.5.3力学参数

计算采用的力学参数（基岩变模、混凝土弹模和线胀系数、拱座岩体滑动面抗剪断摩擦力和凝聚力等）根据施工期试验成果或钻孔取芯试验成果或反演结果分析后确定。

对抗剪断参数f′、c′，不同阶段、不同规范的规定不尽相同。电力系统新老规范SD145-1985、DL/T5346-2006均采用峰值平均值［8，9］，而水利系统现行拱坝设计规范要求采用峰值小值平均值［10］，原混凝土重力坝设计规范SDJ21-1978也规定采用峰值小值平均值［11］。参数取值原则不同，相应的容许安全系数也不同，如SD145-1985的1级建筑物K′为3.5（参数取峰值平均值），SDJ21-1978的1级建筑物K′为3.0（参数取峰值小值平均值），其实两者安全度是基本相同的。因此，在进行抗滑稳定安全性评价时，要特别注意弄清原设计抗剪断参数的取值原则，并与相应的安全度评判标准一致。

当计算成果不满足规范规定时，应对主要参数进行敏感性分析计算。

4.3.5.4作用荷载

计算荷载取值要综合考虑实际遭遇的可能性和规范规定，原则上取用较为不利的荷载。

对于温度荷载，只要有可靠的实测资料，原则上应在分析实际封拱温度场、上下游边界温度、坝体高低温季节准稳定场的基础上确定。对某些拱坝，还应注意寒潮影响和两岸日照差异的影响。

对于扬压力荷载取值，当实测扬压力小于设计采用值时，原则上仍按原设计取值，但如果这时抗滑稳定不能满足规范要求，在对扬压力现状及今后可能变化情况进行周密分析后，可以取用实际或预计值。

对于水库泥沙压力荷载取值，当实测泥沙淤积高程低于设计采用值时，原则上仍按原设计取值，但如果这时应力或抗滑稳定不能满足规范要求，在对上游水利水电工程建设和运行情况以及今后可能的入库泥沙量变化情况进行周密分析后，可以取用实际或预计值。

当计算成果不满足规范规定时，应对主要荷载进行敏感性分析计算。

4.4安全性评判标准

拱坝结构安全性应从应力、稳定计算指标的符合性和实际运行性态两方面进行评价。计算指标主要包括拱座稳定安全度、坝体压应力和坝体拉应力3项；运行性态主要包括实际变形、渗流和裂缝3项。各要素可分为安全、基本安全、不安全、危险四级。当各计算指标均满足规范规定且运行性态无异常时，认为拱坝结构安全。当某些计算指标不满足规范规定或运行性态有异常时，应结合拱坝实际运行情况，具体分析其对结构安全的影响程度，综合分析评价拱坝结构的安全性。具体如下：

（1）当拱座稳定安全度计算成果不满足规范规定时，应深入复查计算假定、参数选取等的合理性，分析可能存在的安全或不安全因素，采用多种方法进一步分析论证拱座岩体失稳的可能性。对高坝或地质条件复杂的拱坝，可分析拱坝破坏状态的发展过程以及超载安全度，结合工程类比，综合评价拱坝整体安全性。

当抗滑稳定不满足规范规定，已有失稳迹象时，安全等级为危险；经综合论证存在一定的拱坝整体失稳可能时，安全等级为不安全；综合论证拱坝整体稳定时，安全等级为基本安全。

实例1：青海李家峡拱坝（坝高155 m）右岸K′值仅为2.6，远小于规范规定。工程安全鉴定认为底滑面F′7为硬性结构面，起伏差大，抗剪断参数变异性小，同时抗剪安全系数接近2.0，综合分析认为基本能满足抗滑稳定要求。李家峡大坝首次定期检查认可工程安全鉴定的意见，李家峡拱坝评为正常坝。

实例2：贵州东风拱坝（坝高163 m）右坝肩1号和5号夹层与F34断层组合岩体，按抗剪断公式计算的抗滑稳定安全系数偏低，设计和校核工况的最小K′值分别为2.86和2.63。2008年4月～2009年4月对右坝肩进行了加固处理，增设了120 根3 000 kN锚索，处理后设计和校核工况按SD145-1985计算的最小K′值分别为3.43和3.23，按DL/T5346-2006计算的抗力与作用比值分别为1.04和1.15，认为满足规范规定。东风拱坝第二次定期检查评定为正常坝。

（2）当拉应力计算成果超标时，应结合坝体对应部位混凝土的实际强度、裂缝情况和监测成果，综合分析对应部位坝体混凝土是否已发生结构性裂缝，或存在发生结构性裂缝的可能性。若可能发生结构性裂缝，应分析该裂缝对结构安全和坝基帷幕的影响。

拉应力不满足规范规定，且对应部位有结构性裂缝，并危及结构安全或破坏坝基帷幕，安全等级为不安全；相应工况下对应部位已经或可能会发生结构性裂缝，但不会危及结构安全，也不会破坏坝基帷幕，安全等级为基本安全；已经受相应工况考验，对应部位无结构性裂缝，或尚未经受相应工况考验，但经分析论证对应部位不会发生结构性裂缝，安全等级为安全。

实例1：紧水滩拱坝首次定检基本组合工况上、下游面分别为1.8 MPa和2.05 MPa，流溪河拱坝复核基本组合工况下游面为1.98 MPa，但对应部位大坝无结构性裂缝，定期检查认为上述大坝的拉应力不影响结构安全，均评定为正常坝。

实例2：泉水拱坝2009年定检复核，各工况坝体最大拉应力为1.62～2.98 MPa，拉应力较大区域主要集中在400 m高程以下的下游面以及下游面拱端的局部部位，与泉水拱坝目前发现的裂缝位置、裂缝密集区域基本一致，但经检测，裂缝深度未超过50 cm，且裂缝深度与历次检测成果相比未增加。泉水拱坝两次定检均评定为正常坝。

（3）当压应力计算成果超标时，应结合坝体对应部位混凝土的实际强度、表面挤压破坏缺陷检查情况和监测成果，综合分析对应部位坝体混凝土是否已发生大面积压坏，或存在大面积压坏的可能性。

当压应力不满足规范规定，且存在较大的混凝土大面积压坏的可能性时，安全等级为不安全；不存在混凝土大面积压坏的可能性时，安全等级为基本安全。

实例：泉水拱坝2009年定检复核最大压应力7.11 MPa，相应部位设计混凝土为60 d龄期200标号，施工期取样平均强度大于30 MPa，首次定检取芯样试验均大于30 MPa，坝体表面回弹试验强度更高。虽然泉水拱坝混凝土设计强度不高，但两次定检均认为实际强度达到了30 MPa，安全系数满足要求。

（4）当坝体各部位变形不协调或时效变形年变化速率未逐年减小时，应结合设计、施工情况和实际裂缝、渗水情况，进一步分析其原因、影响因素、发展趋势及其对拱坝结构安全的潜在影响。

当时效位移速率呈明显增大趋势，已影响整体结构安全，且存在明显的失稳迹象时，安全等级为危险；当时效位移速率呈明显增大趋势，继续发展将影响整体结构安全，但目前尚无明显的失稳迹象时，安全等级为不安全；当时效位移速率虽无明显增大趋势，但继续发展将影响整体结构安全时，安全等级为基本安全。

（5）当渗流变化不稳定、渗压值较大时，应进一步分析其对拱坝结构安全的潜在影响，除渗压测值过大对拱座稳定的影响在抗滑稳定复核中考虑外，应重视渗透坡降过大对基岩软弱夹层渗透变形的影响。

当基岩软弱夹层有渗透破坏可能，或坝体防渗结构大面积失效，坝体混凝土溶蚀、析钙严重，或坝体渗透压力普遍较高时，安全等级为不安全；当坝体防渗结构局部失效，渗流量、渗压持续增大，安全等级为基本安全。

实例：福建水东水电站碾压混凝土重力坝曾因坝体防渗和排水结构整体失效，坝体混凝土渗水、析钙严重，下游坝面大面积湿润或冒水，在2001年首次大坝安全定期检查时被评定为病坝。

（6）当坝体混凝土存在裂缝时，应查清裂缝的规模、形态，鉴别属浅表裂缝还是结构性裂缝。对于结构性裂缝，应结合裂缝产生机理、实际处理措施和运行考验情况，分析现状或继续发展后是否会影响大坝整体安全及坝基帷幕防渗效果，关注是否经受了不利工况的考验，以及处理效果的耐久性。

当裂缝现状或继续发展将危及结构安全或破坏坝基帷幕时，安全等级为不安全；裂缝现状或继续发展尚不会影响坝体结构整体性及安全性，或结构性裂缝处理后仅经受短期考验未发展时，安全等级为基本安全；裂缝属浅表裂缝，且变化已基本稳定，或结构性裂缝经长期考验未发展，可认为结构安全。

实例1：国外有不少因结构性裂缝造成拱坝严重损坏的实例。奥地利科恩布赖拱坝（坝高200 m，底宽37 m，坝顶长626 m，河谷底宽150 m）因下部出现多条结构性裂缝影响安全运行，曾长时间限制水位运行，进行了多次加固处理，处理前失事风险巨大，安全等级应为不安全。

实例2：法国加日拱坝（坝高41m，坝顶长153 m，坝底宽2.57 m）因多条严重结构性裂缝而报废，安全等级应为不安全。

5　结语

在回顾总结国内外拱坝失事、损坏情况和近二十多年水电站大坝安全定期检查经验的基础上，针对运行期拱坝结构安全性评价的特点，总结了国内外运行期拱坝评价技术现状，提出了运行期混凝土拱坝结构安全性评价的方法和评价标准。

（1）现实中的拱坝并非都完美无缺，拱坝损坏原因可以归纳为地基缺陷、体型不佳、施工质量差、违规运行、疏于检查、处理不力等六方面。对拱坝存在的缺陷或隐患进行合理辨识和评价，及时发现和消除缺陷或隐患，对确保拱坝长期安全运行十分重要。

（2）国内外都强调应针对建成后拱坝的运行实际进行评价，均把拉、压应力和拱座稳定作为重要的评价指标，且拱座稳定评判标准都较严格，但在拉、压应力的评判标准上存在差异。在拉应力评判上，水利行业过于保守；电力行业结合裂缝评价，较为合理；美国要求计算开裂后应力重分布，较为复杂。在压应力评判上，水利行业较严，电力行业相对松一些，美国最松。

（3）拱坝结构安全性可分为安全、基本安全、不安全、危险四级。应在全面了解拱坝设计、施工、运行维护情况的基础上，通过对现场的详细检查、对监测资料的全面分析，以及必要的检测、勘探和复核计算，经综合分析提出评价结论。

（4）评价内容包括安全度计算指标的符合性和实际运行性态两方面。计算指标包括拱座稳定安全度、坝体压应力和坝体拉应力3项；运行性态包括实际变形、渗流和裂缝3项。当计算指标不满足规范规定或运行性态有异常时，应结合拱坝实际运行情况，具体分析其对结构安全的影响程度，按危害性大小分析评价拱坝结构的安全性。

［1］CHAPTER 11-ARCH DAMS，Engineering Guidelines for the Evaluation of Hydropower Projects［S］.Division of Dam Safety and Inspection，Federal Energy Regulatory Commission，1999.

［2］汝乃华，姜忠胜.大坝事故与安全·拱坝［M］.中国水利水电出版社，1995.

［3］M.赫尔措格.对20座拱坝损坏现象的探讨［C］.

［4］戴会超，王健.国内外水利水电工程混凝土裂缝及其防治技术研究［M］.黄河水利出版社，2005.

［5］李瓒，陈飞，郑建波，等.特高拱坝枢纽分析与重点问题研究［M］.中国电力出版社，2004.

［6］张丹青，陈怀宝.从丰乐混凝土双曲拱坝裂缝的分析探讨拱坝设计中的有关问题［J］.水电站设计，2003（3）.

［7］SL258-2000，水库大坝安全评价导则［S］.

［8］朱伯芳，张超然.高拱坝结构安全关键技术研究［M］.中国水利水电出版社，2010.

［9］SD145-85，混凝土拱坝设计规范［S］.

［10］DT/T5346-2006，混凝土拱坝设计规范［S］.

［11］SL282-2003，混凝土拱坝设计规范［S］.

［12］SDJ21-78，混凝土重力坝设计规范［S］.

Title:Methods for structural safety assessment of concrete arch dams in operation//by SHEN Hai-yao// Large Dam Safety Supervision Center of National Energy Administration

By review of the failures and damages at the arch dams，combined with the experience of periodical inspection，the paper mainly analyzes the characteristics of the structural safety assessment and summarizes the updated assessment technology.Further，the paper presents the applicable method，assessment standards and the issues calling for attention in the structural safety assessment of arch dams，for reference.

concrete arch dam；operation；safety assessment

TV698.1

A

1671-1092（2015）01-0017-10

2015-01-20

沈海尧（1962-），男，浙江慈溪人，教授级高级工程师，主要从事大坝安全监测与大坝安全技术管理工作。

作者邮箱：shen_hy@ecidi.com