从大坝设计和风险分析看大坝安全

经过一百年大坝实践 ,据统计世界大坝溃坝率已从 2 0世纪初的 4%～ 1 0 %降至世纪未的约 0 . 2 %(或小于 ) ,而从坝的可靠度设计理论可控制其失效概率在 0 . 0 1 %以下 ,可见两者的差距很大 ,说明目前大坝的实际安全度还应设法提高。在完善大坝设计中 ,还要注意对大坝可能出现的风险因素进行深入论证 ,同时还应做好风险管理以及为预防产生风险做好大坝安全监测工作。我国坝工建设已有约 3 0 0 0年历史 ,但现代大坝从上世纪末叶或本世纪初才逐渐兴起。本文从近百年来已建成大坝的实际情况和统计资料说明世界及我国大坝安全状况 :溃坝率从本世纪初的 4%已降低至世纪末的约 0 . 2 %以下。

通过百年努力 ,由于设计、施工、运行技术的提高 ,溃坝率已有长足的降低 ,但溃坝率 0 . 2 %仍是相当惊人的。为了提高坝的安全度简单地提高大坝设计的安全系数是无济于事的。近年来各种工业民用建筑已逐渐推行了可靠度设计 ,要求达到的可靠指标 β值应在 4. 2～ 3 . 2之间 ,这样其失效概率一般应在 (3～1 0 )× 1 0 - 5。此值比前述溃坝率 0 . 2 %还有很大差距 (小数十倍 )。这说明推行可靠度设计以后可规范工程在设计时应该达到的可靠度指标 ,使工程设计趋于完善。从目前大坝溃坝或失事率看 ,大坝的安全还有待进一步提高 ,还应从各工程的特殊情况或途径考虑。据查考 ,过去大坝溃决或失事大多由于各工程特殊原因造成 ,主要有 :1洪水漫坝 ,或由于超标准洪水 ,或由于泄洪设施突然失控 ; 2坝体质量及基础问题 ; 3其他管理等问题。当今投资兴建工程 ,往往要求进行风险分析 ,对大坝中可能出现的风险因素进行分析论证 ,在技术上和经济上进行风险评估 ,为工程决策者提供依据 ,同时对有关风险提出抑制措施或对策。

1 大坝安全状况

我国坝工建设发展较快 ,迄今已建 8万余座 ,其中包括高、中、低坝 ,大部分质量较好 ,但也有一些质量较差的病坝或险坝 ,一些老坝年久失修 ,已开始老化。建坝后下游工农业发展 ,人口增加 ,供水发电效益显著 ,但由于种种原因 ,坝的溃决 (特别是中小坝 )时有发生 ,溃坝后果特别严重 ,主要反映在两个方面 :1巨大的防洪、供水、发电效益毁于一旦 ; 2对下游人民的生命财产及国民经济造成极大损失。迄至 1980年统计 ,我国总溃坝率高达3 %左右 ,但 326座大型水库中仅 2座失事 ,其溃坝率亦达 0.6%,而中小型溃坝较多 ,约在 4%左右。这些中小型坝绝大部分都在大跃进年代中修建 ,工程规模较小 ,施工质量差 ,且管理不善。

国外大坝情况 , 1967年 N. V. Schnitter统计 ,美国 1900～1959年 60年中建坝共1650座 ,垮坝 30座 ,占1.8%。其中1900～1910年占 9%,以后逐年减少 ,到 1950～1959年已降为 0.4%。据 1982年第14届世界大坝会议报道认为世界大坝溃坝率1900年以前一般大于4%,到1900年曾一度大于10%,以后逐渐减少 ,迄至1980年只有约 0.2%。从以上看溃坝率是很高的。据我国统计总溃坝中因洪水漫坝的约占一半 ,因坝体及地基等质量问题的约占40%,管理及其他方面的占10%。从国外资料分析 ,各家观点不一 ,总的认为以基础原因或以洪水过大而失事居多。本文不拟在溃坝的数量及原因上多加阐述 ,只是说明国内外已建成大坝的失事率还很高 ,应设法改善。

大坝溃坝统计材料较少 ,不易精确统计。从以上初略统计资料看 ,按不同地区统计出入很大 ,但总的趋势相近 ,故可以这样认为 ,溃坝率从世界宏观看 ,已从本世纪初的 4%到10%,至世纪末已降到 0.2%或以下。经过这 100年溃坝率已降低很多 ,但 0.2%还是较大的。

2 大坝设计

世界坝工历史悠久 ,但据称第一座按照极粗浅的稳定和应力要求设计的高 60m的丹佛重力坝仅开始于百余年前。19世纪末叶波特兰水泥问世以后才正式出现了混凝土坝和以水泥为胶凝材料的浆砌石坝 ,而近 50m高的土石坝亦开始于1 9世纪末叶。由于坝工及其他工程的长期实践 ,人们的认识逐渐提高。本世纪开始 ,材料力学、结构力学、水力学、土壤力学以及坝工学等逐渐兴起 ,坝的设计及施工才慢慢地趋于完善。

可以认为现代大坝的设计及施工主要是在最近一个世纪内进行的。通过精心设计 ,大坝结构逐渐趋于完善 ,坝的安全也逐渐得到改善。正如前节中所述 ,此期间大坝的溃坝率已从世纪初的 4%降至世纪末的0.2%以下。大坝安全虽然已取得了明显的改善 ,但溃坝率仍相当高。由于溃坝影响太大 ,故溃坝率还应尽量降低。当然主观愿望希望能建一座绝不会垮的坝 ,但从统计原理 ,其可靠指标不能达到100%,只能做到99.99%或 99.999%等 ,相应地失效概率为 0.01%到0.001%。到底多少合理 ,就要改变过去安全系数设计方法为可靠度设计方法。我国已颁布了《工程结构可靠度设计统一标准》,工民建等方面已按这个标准实行。水利水电方面亦已颁布了《水利水电工程结构可靠度设计统一标准》,同时还相应地颁发了钢筋混凝土及重力坝等规范。其设计可靠指标β值对一、二 、三 级坝规定为 4.2、3.7和 3.2 ,亦即可靠指标为99.99%至 99.997%,失效概率相应为 (3～10 )×10 -5。这说明仅仅从结构设计 ,从荷载 (作用 )和材料强度 (抗力 )变异性 (或不均匀性 )及其他不定因素经统计分析可能出现的失效概率 ,至于施工、运行中出现的异常情况尚无法估计在内。目前将推行的可靠度设计还是一种渐近的和近似的以分项系数为实用方法的设计。除前述作用及材料系数可以通过统计分析确定外 ,其余结构系数、结构重要性系数、结构状况系数凭经验按 1.2～1.3及 1. 1～0.9来选定。这种可靠度设计虽还不够完善 ,但朝正确地选定工程的可靠度方面向前进了一步。

3 风险分析

当今投资兴建工程 ,往往除设计外还要求进行风险分析 ,对可能出现的风险在技术上和经济上 (甚至包括政治、社会等方面 )进行评估。本文主要就工程技术方面的风险进行论述。如第 1节中所述 ,我国中小坝溃决较多 ,有时每年多至数座 ,而从世界范围看每年约有一起到几起严重的大坝事故。究其原因 ,或由于洪水漫坝 ,或由于基础失稳 ,或由于大坝质量 ,或由于其他管理因素 ,故在大坝设计时应抓住其主要风险因素进行分析。

由于大坝枢纽工程首先应对水文地质情况 ,大坝、厂房、输泄水设施以及机电设施等进行风险识别 ,明确主要风险因素 ,对主要的风险提出抑制或处理措施。对风险发生的可能性和产生的后果要进行分析论证。通过风险分析发现的主要风险 ,或设计存在的主要问题 ,如 :（1）当发现某工程水文、洪水复杂 ,对某工程可能是关键 (或称风险 ) ,就应在设计中补充阐述 ,必要时进行 PMF或其他有效分析并采取必要的工程措施 ; （2）如地震作用是关键 ,就应进行地震危险性分析以确定地震加速度等参数。必要时对地震风险进行破坏分析或模型试验 ,以确定地震时可能出现的破坏情况 ; （3）如发现风险可能来自闸门未能及时启闭 ,就应增设或加强电源的可靠性或其他临时非常的启闭办法 ;（4）如发现地基存在缺陷 ,可能成为运行中的隐患 ,应尽量提出加固措施或其他大坝安全监测及预警等措施。以上对各种风险从技术上进行分析 ,采取抑制、减免等技术措施。

此外 ,必要时还应对风险一旦出现后带来的损失进行估算。如遇超标准洪水漫坝导致大坝溃决 ,视工程的重要性应对大坝溃决后对下游造成的淹没范围和经济损失进行溃坝计算和分析。从大坝及泄洪工程的型式、结构等进行综合论证。如为了减少大坝漫溢造成的风险 ,采用混凝土坝较土石坝更为有利。其他如地震等自然灾害 ,战争等特殊灾害 ,以及常易出现的火灾等亦应予以考虑。以上风险经考虑论证后 ,在工程上采取切实有效的措施使风险出现的可能性尽量减小 ,并对其影响范围予以限制。除在工程上采用技术措施对风险的出现予以有效的抑制外 ,也可采取近代工程风险的管理办法 ,使不利风险得以回避、抑制、转移 ,必要时可采用保险等经济措施 ,在风险发生后能够得到补偿。

4 提高大坝安全

国内外溃坝率已从本世纪初的高峰降至目前的 0.2%左右或稍低 ,百年来大坝的安全已大有改进 ,但目前大坝安全还有待进一步提高。从大坝可靠度分析 ,以作用及抗力等的不定性分析 ,大坝失效概率应在 0.003%～0.01%,较上述0.2%小得多,说明大坝的安全尚有潜力。如前所述 ,大坝设计逐步向可靠度设计过渡 ,同时应对工程存在的风险隐患给予高度重视 ,这对提高大坝安全是有益的。现对提高大坝安全提出以下建议 :

(1 )完善坝的设计和施工。简单地提高大坝的安全系数 ,并不一定能达到提高大坝安全的目的。安全系数失之过高或过低都是不妥的。可靠度设计通过作用和抗力的不均匀性及其他不定因素 ,以统计概率理论进行计算 ,要求满足一定的可靠度指标 ,这样确定的大坝可靠度是较为合适的。要重视地质勘测、水文气象及规划设计工作。合理选定作用及抗力的各种参数 ,对可能对大坝构成风险隐患的地方 ,在设计中应给予特别重视 ,进行专门分析和论证 ,如洪水的峰和量 ,大坝枢纽的调洪泄洪能力 ,大坝及各种建筑物抗御各种自然及特殊灾害的能力以及大坝地基抗滑抗渗稳定等等。总之在上节 3中述及的各种风险均应在设计中认真进行研究并提出对策 ,在大坝设计中排除各种风险的产生是十分重要的。一个好的设计还必须有一个好的施工质量来保证。目前设计施工中对材料抗力的选择和控制都是遵循统计概率理论 ,以离差系数 CV和保证率 P为判定标准。故设计施工必须配套。

(2 )做好大坝管理。施工及运行期间管理都十分重要 ,当然一个好的施工管理 ,对工程的影响极大 ,往往会建造成一座高质量的大坝。需要提出的是施工期间对工程各种质量检查和大坝监测的观测十分重要 ,特别是大坝蓄水前的观测初始值尤为重要。这些资料对今后大坝的查考、分析和研究是非常重要的 ,甚至对大坝的安危也是至关重要的。

近年来对现代大坝提出要进行风险管理。即针对工程施工及运行过程中可能出现的各种风险进行识别、研究、评估和处理。对风险的可能性和产生的后果进行综合评价。不仅要在技术上提出措施 ,在财务上亦应提出对策 ,如确定投保范围和限额等。做好各种大坝管理和风险管理有助于大坝安全。

(3 )加强大坝安全监测。要按照规定经常对大坝安全进行监测 ,定期进行安全检查和鉴定。对观测资料及时进行整理和分析。大坝监测具有长期性、连续性 ,必须持之以恒 ,同时它还具有一定的特殊性和突发性等。故大坝观测资料整理分析必须及时 ,发现异常情况必须及时处理 ,否则会延误时机 ,酿成大祸。据悉国外有的工程 ,设有预警装置 ,一旦观测分析知有险情 ,当即发出警报 ,必要时通知下游居民转移 ,这些经验值得我们借鉴。近年来我国大坝原型观测进展较快 ,观测资料分析除统计模型外 ,在反分析的基础上又发展了确定性模型 ,这样可以预测在今后高水位或其他特殊情况下大坝的性态 ,以判断大坝的实际安全度。如发现异常迹象 ,可及时进行加固或处理 ,以保证大坝安全。大坝的及时监测分析和及时维护处理对提高大坝安全具有重要的现实意义。

5　结　语

经过这一百年大坝实践 ,据统计大坝溃坝率已从20世纪初的4%～10%降至世纪末的约0.2%(或小 ) ,而坝的可靠度设计理论上可控制其失效概率在0.01%以下。上述两者差距很大 ,说明目前大坝的实际的安全度还应设法提高。提高大坝安全 ,关键在于第4节所述 3点即完善大坝设计和施工、做好大坝管理和加强大坝安全监测。应该强调指出 ,在完善大坝设计中还要注意对大坝可能出现的风险因素进行深入论证 ,在做好一般施工及运行管理的同时还应做好风险管理 ,以及预防风险产生做好大坝安全监测工作。

参　考　文　献

1　N. J. Schniffer. A Short History of Dam Engineering. Water Power& Dam Comstraction Apr. 1967

2　曹楚生 .从坝的可靠度分析和设计看大坝安全 .大坝观测及土工测试 , 1993 (1 )

3　M.法奈利 .已建大坝的安全评价与改善总报告 . 18届国际大坝会议 , 1994

4　 G. Marinier. Safety of Dams in Operation. 14届国际大坝会议 ,1982

作者简介

曹楚生　男　教授级高工中国工程院院士　设计大师　水利部天津水利水电勘测设计研究院

2000年第19卷第1期· DWRHE　水利水电工程设计