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從大壩設(shè)計(jì)和風(fēng)險(xiǎn)分析看大壩安全論文
摘要：經(jīng)過一百年大壩實(shí)踐,據(jù)統(tǒng)計(jì)世界大壩潰壩率已從20世紀(jì)初的4？10？至世紀(jì)未的約0.2？小于),而從壩的可靠度設(shè)計(jì)理論可控制其失效概率在0.01？下,可見兩者的差距很大,說明目前大壩的實(shí)際安全度還應(yīng)設(shè)法提高。
關(guān)鍵詞：大壩設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)分析安全
經(jīng)過一百年大壩實(shí)踐,據(jù)統(tǒng)計(jì)世界大壩潰壩率已從20世紀(jì)初的4%～10%降至世紀(jì)未的約0.2%(或小于),而從壩的可靠度設(shè)計(jì)理論可控制其失效概率在0.01%以下,可見兩者的差距很大,說明目前大壩的實(shí)際安全度還應(yīng)設(shè)法提高。在完善大壩設(shè)計(jì)中,還要注意對大壩可能出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行深入論證,同時(shí)還應(yīng)做好風(fēng)險(xiǎn)管理以及為預(yù)防產(chǎn)生風(fēng)險(xiǎn)做好大壩安全監(jiān)測工作。我國壩工建設(shè)已有約3000年歷史,但現(xiàn)代大壩從上世紀(jì)末葉或本世紀(jì)初才逐漸興起。本文從近百年來已建成大壩的實(shí)際情況和統(tǒng)計(jì)資料說明世界及我國大壩安全狀況:潰壩率從本世紀(jì)初的4%已降低至世紀(jì)末的約0.2%以下。通過百年努力,由于設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行技術(shù)的提高,潰壩率已有長足的降低,但潰壩率0.2%仍是相當(dāng)驚人的。為了提高壩的安全度簡單地提高大壩設(shè)計(jì)的安全系數(shù)是無濟(jì)于事的。近年來各種工業(yè)民用建筑已逐漸推行了可靠度設(shè)計(jì),要求達(dá)到的可靠指標(biāo)β值應(yīng)在4.2～3.2之間,這樣其失效概率一般應(yīng)在(3～10)×10-5。此值比前述潰壩率0.2%還有很大差距(小數(shù)十倍)。這說明推行可靠度設(shè)計(jì)以后可規(guī)范工程在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該達(dá)到的可靠度指標(biāo),使工程設(shè)計(jì)趨于完善。從目前大壩潰壩或失事率看,大壩的安全還有待進(jìn)一步提高,還應(yīng)從各工程的特殊情況或途徑考慮。據(jù)查考,過去大壩潰決或失事大多由于各工程特殊原因造成,主要有:1洪水漫壩,或由于超標(biāo)準(zhǔn)洪水,或由于泄洪設(shè)施突然失控;2壩體質(zhì)量及基礎(chǔ)問題;3其他管理等問題。當(dāng)今投資興建工程,往往要求進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析,對大壩中可能出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行分析論證,在技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評估,為工程決策者提供依據(jù),同時(shí)對有關(guān)風(fēng)險(xiǎn)提出抑制措施或?qū)Σ摺?/p>
1大壩安全狀況
我國壩工建設(shè)發(fā)展較快,迄今已建8萬余座,其中包括高、中、低壩,大部分質(zhì)量較好,但也有一些質(zhì)量較差的病壩或險(xiǎn)壩,一些老壩年久失修,已開始老化。建壩后下游工農(nóng)業(yè)發(fā)展,人口增加,供水發(fā)電效益顯著,但由于種種原因,壩的潰決(特別是中小壩)時(shí)有發(fā)生,潰壩后果特別嚴(yán)重,主要反映在兩個(gè)方面:1巨大的防洪、供水、發(fā)電效益毀于一旦;2對下游人民的生命財(cái)產(chǎn)及國民經(jīng)濟(jì)造成極大損失。迄至1980年統(tǒng)計(jì),我國總潰壩率高達(dá)3%左右,但326座大型水庫中僅2座失事,其潰壩率亦達(dá)0.6%,而中小型潰壩較多,約在4%左右。這些中小型壩絕大部分都在大躍進(jìn)年代中修建,工程規(guī)模較小,施工質(zhì)量差,且管理不善。
國外大壩情況,1967年N.V.Schnitter統(tǒng)計(jì),美國1900～1959年60年中建壩共1650座,垮壩30座,占1.8%。其中1900～1910年占9%,以后逐年減少,到1950～1959年已降為0.4%。據(jù)1982年第14屆世界大壩會(huì)議報(bào)道認(rèn)為世界大壩潰壩率1900年以前一般大于4%,到1900年曾一度大于10%,以后逐漸減少,迄至1980年只有約0.2%。從以上看潰壩率是很高的。據(jù)我國統(tǒng)計(jì)總潰壩中因洪水漫壩的約占一半,因壩體及地基等質(zhì)量問題的約占40%,管理及其他方面的占10%。從國外資料分析,各家觀點(diǎn)不一,總的認(rèn)為以基礎(chǔ)原因或以洪水過大而失事居多。本文不擬在潰壩的數(shù)量及原因上多加闡述,只是說明國內(nèi)外已建成大壩的失事率還很高,應(yīng)設(shè)法改善。
大壩潰壩統(tǒng)計(jì)材料較少,不易精確統(tǒng)計(jì)。從以上初略統(tǒng)計(jì)資料看,按不同地區(qū)統(tǒng)計(jì)出入很大,但總的趨勢相近,故可以這樣認(rèn)為,潰壩率從世界宏觀看,已從本世紀(jì)初的4%到10%,至世紀(jì)末已降到0.2%或以下。經(jīng)過這100年潰壩率已降低很多,但0.2%還是較大的。
2大壩設(shè)計(jì)
世界壩工歷史悠久,但據(jù)稱第一座按照極粗淺的穩(wěn)定和應(yīng)力要求設(shè)計(jì)的高60m的丹佛重力壩僅開始于百余年前。19世紀(jì)末葉波特蘭水泥問世以后才正式出現(xiàn)了混凝土壩和以水泥為膠凝材料的漿砌石壩,而近50m高的土石壩亦開始于19世紀(jì)末葉。由于壩工及其他工程的長期實(shí)踐,人們的認(rèn)識(shí)逐漸提高。本世紀(jì)開始,材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、水力學(xué)、土壤力學(xué)以及壩工學(xué)等逐漸興起,壩的設(shè)計(jì)及施工才慢慢地趨于完善�？梢哉J(rèn)為現(xiàn)代大壩的設(shè)計(jì)及施工主要是在最近一個(gè)世紀(jì)內(nèi)進(jìn)行的。通過精心設(shè)計(jì),大壩結(jié)構(gòu)逐漸趨于完善,壩的安全也逐漸得到改善。正如前節(jié)中所述,此期間大壩的潰壩率已從世紀(jì)初的4%降至世紀(jì)末的0.2%以下。大壩安全雖然已取得了明顯的改善,但潰壩率仍相當(dāng)高。由于潰壩影響太大,故潰壩率還應(yīng)盡量降低。當(dāng)然主觀愿望希望能建一座絕不會(huì)垮的壩,但從統(tǒng)計(jì)原理,其可靠指標(biāo)不能達(dá)到100%,只能做到99.99%或99.999%等,相應(yīng)地失效概率為0.01%到0.001%。到底多少合理,就要改變過去安全系數(shù)設(shè)計(jì)方法為可靠度設(shè)計(jì)方法。我國已頒布了《工程結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》,工民建等方面已按這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)行。水利水電方面亦已頒布了《水利水電工程結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》,同時(shí)還相應(yīng)地頒發(fā)了鋼筋混凝土及重力壩等規(guī)范。其設(shè)計(jì)可靠指標(biāo)β值對、、級(jí)壩規(guī)定為4.2、3.7和3.2,亦即可靠指標(biāo)為99.99%至99.997%,失效概率相應(yīng)為(3～10)×10-5。這說明僅僅從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),從荷載(作用)和材料強(qiáng)度(抗力)變異性(或不均勻性)及其他不定因素經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析可能出現(xiàn)的失效概率,至于施工、運(yùn)行中出現(xiàn)的異常情況尚無法估計(jì)在內(nèi)。目前將推行的可靠度設(shè)計(jì)還是一種漸近的和近似的以分項(xiàng)系數(shù)為實(shí)用方法的設(shè)計(jì)。除前述作用及材料系數(shù)可以通過統(tǒng)計(jì)分析確定外,其余結(jié)構(gòu)系數(shù)、結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)、結(jié)構(gòu)狀況系數(shù)憑經(jīng)驗(yàn)按1.2～1.3及1.1～0.9來選定。這種可靠度設(shè)計(jì)雖還不夠完善,但朝正確地選定工程的可靠度方面向前進(jìn)了一步。
3風(fēng)險(xiǎn)分析
當(dāng)今投資興建工程,往往除設(shè)計(jì)外還要求進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析,對可能出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)在技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上(甚至包括政治、社會(huì)等方面)進(jìn)行評估。本文主要就工程技術(shù)方面的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行論述。如第1節(jié)中所述,我國中小壩潰決較多,有時(shí)每年多至數(shù)座,而從世界范圍看每年約有一起到幾起嚴(yán)重的大壩事故。究其原因,或由于洪水漫壩,或由于基礎(chǔ)失穩(wěn),或由于大壩質(zhì)量,或由于其他管理因素,故在大壩設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)抓住其主要風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行分析。由于大壩樞紐工程首先應(yīng)對水文地質(zhì)情況,大壩、廠房、輸泄水設(shè)施以及機(jī)電設(shè)施等進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別,明確主
要風(fēng)險(xiǎn)因素,對主要的風(fēng)險(xiǎn)提出抑制或處理措施。對風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的可能性和產(chǎn)生的后果要進(jìn)行分析論證。通過風(fēng)險(xiǎn)分析發(fā)現(xiàn)的主要風(fēng)險(xiǎn),或設(shè)計(jì)存在的主要問題,如:1當(dāng)發(fā)現(xiàn)某工程水文、洪水復(fù)雜,對某工程可能是關(guān)鍵(或稱風(fēng)險(xiǎn)),就應(yīng)在設(shè)計(jì)中補(bǔ)充闡述,必要時(shí)進(jìn)行PMF或其他有效分析并采取必要的工程措施;2如地震作用是關(guān)鍵,就應(yīng)進(jìn)行地震危險(xiǎn)性分析以確定地震加速度等參數(shù)。必要時(shí)對地震風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行破壞分析或模型試驗(yàn),以確定地震時(shí)可能出現(xiàn)的破壞情況;3如發(fā)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)可能來自閘門未能及時(shí)啟閉,就應(yīng)增設(shè)或加強(qiáng)電源的可
靠性或其他臨時(shí)非常的啟閉辦法;4如發(fā)現(xiàn)地基存在缺陷,可能成為運(yùn)行中的隱患,應(yīng)盡量提出加固措施或其他大壩安全監(jiān)測及預(yù)警等措施。以上對各種風(fēng)險(xiǎn)從技術(shù)上進(jìn)行分析,采取抑制、減免等技術(shù)措施。此外,必要時(shí)還應(yīng)對風(fēng)險(xiǎn)一旦出現(xiàn)后帶來的損失進(jìn)行估算。如遇超標(biāo)準(zhǔn)洪水漫壩導(dǎo)致大壩潰決,視工程的重要性應(yīng)對大壩潰決后對下游造成的淹沒范圍和經(jīng)濟(jì)損失進(jìn)行潰壩計(jì)算和分析。從大壩及泄洪工程的型式、結(jié)構(gòu)等進(jìn)行綜合論證。如為了減少大壩漫溢造成的風(fēng)險(xiǎn),采用混凝土壩較土石壩更為有利。其他如地震等自然災(zāi)害,戰(zhàn)爭等特殊災(zāi)害,以及常易出現(xiàn)的火災(zāi)等亦應(yīng)予以考慮。以上風(fēng)險(xiǎn)經(jīng)考慮論證后,在工程上采取切實(shí)有效的措施使風(fēng)險(xiǎn)出現(xiàn)的可能性盡量減小,并對其影響范圍予以限制。除在工程上采用技術(shù)措施對風(fēng)險(xiǎn)的出現(xiàn)予以有效的抑制外,也可采取近代工程風(fēng)險(xiǎn)的管理辦法,使不利風(fēng)險(xiǎn)得以回避、抑制、轉(zhuǎn)移,必要時(shí)可采用保險(xiǎn)等經(jīng)濟(jì)措施,在風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生后能夠得到補(bǔ)償。
4提高大壩安全
國內(nèi)外潰壩率已從本世紀(jì)初的高峰降至目前的0.2%左右或稍低,百年來大壩的安全已大有改進(jìn),但目前大壩安全還有待進(jìn)一步提高。從大壩可靠度分析,以作用及抗力等的不定性分析,大壩失效概率應(yīng)在0.003%～0.01%,較上述0.2%小得多,說明大壩的安全尚有潛力。如前所述,大壩設(shè)計(jì)逐步向可靠度設(shè)計(jì)過渡,同時(shí)應(yīng)對工程存在的風(fēng)險(xiǎn)隱患給予高度重視,這對提高大壩安全是有益的。現(xiàn)對提高大壩安全提出以
下建議:
(1)完善壩的設(shè)計(jì)和施工。簡單地提高大壩的安全系數(shù),并不一定能達(dá)到提高大壩安全的目的。安全系數(shù)失之過高或過低都是不妥的�？煽慷仍O(shè)計(jì)通過作用和抗力的不均勻性及其他不定因素,以統(tǒng)計(jì)概率理論進(jìn)行計(jì)算,要求滿足一定的可靠度指標(biāo),這樣確定的大壩可靠度是較為合適的。要重視地質(zhì)勘測、水文氣象及規(guī)劃設(shè)計(jì)工作。合理選定作用及抗力的各種參數(shù),對可能對大壩構(gòu)成風(fēng)險(xiǎn)隱患的地方,在設(shè)計(jì)中應(yīng)給予特別重視,進(jìn)行專門分析和論證,如洪水的峰和量,大壩樞紐的調(diào)洪泄洪能力,大壩及各種建筑物抗御各種自然及特殊災(zāi)害的能力以及大壩地基抗滑抗?jié)B穩(wěn)定等等�？傊谏瞎�(jié)3中述及的各種風(fēng)險(xiǎn)均應(yīng)在設(shè)計(jì)中認(rèn)真進(jìn)行研究并提出對策,在大壩設(shè)計(jì)中排除各種風(fēng)險(xiǎn)的產(chǎn)生是十分重要的。一個(gè)好的設(shè)計(jì)還必須有一個(gè)好的施工質(zhì)量來保證。目前設(shè)計(jì)施工中對材料抗力的選擇和控制都是遵循統(tǒng)計(jì)概率理論,以離差系數(shù)CV和保證率P為判定標(biāo)準(zhǔn)。故設(shè)計(jì)施工必須配套。
(2)做好大壩管理。施工及運(yùn)行期間管理都十分重要,當(dāng)然一個(gè)好的施工管理,對工程的影響極大,往往會(huì)建造成一座高質(zhì)量的大壩。需要提出的是施工期間對工程各種質(zhì)量檢查和大壩監(jiān)測的觀測十分重要,特別是大壩蓄水前的觀測初始值尤為重要。這些資料對今后大壩的查考、分析和研究是非常重要的,甚至對大壩的安危也是至關(guān)重要的。
近年來對現(xiàn)代大壩提出要進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)管理。即針對工程施工及運(yùn)行過程中可能出現(xiàn)的各種風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行識(shí)別、研究、評估和處理。對風(fēng)險(xiǎn)的可能性和產(chǎn)生的后果進(jìn)行綜合評價(jià)。不僅要在技術(shù)上提出措施,在財(cái)務(wù)上亦應(yīng)提出對策,如確定投保范圍和限額等。做好各種大壩管理和風(fēng)險(xiǎn)管理有助于大壩安全。
(3)加強(qiáng)大壩安全監(jiān)測。要按照規(guī)定經(jīng)常對大壩安全進(jìn)行監(jiān)測,定期進(jìn)行安全檢查和鑒定。對觀測資料及時(shí)進(jìn)行整理和分析。大壩監(jiān)測具有長期性、連續(xù)性,必須持之以恒,同時(shí)它還具有一定的特殊性和突發(fā)性等。故大壩觀測資料整理分析必須及時(shí),發(fā)現(xiàn)異常情況必須及時(shí)處理,否則會(huì)延誤時(shí)機(jī),釀成大禍。據(jù)悉國外有的工程,設(shè)有預(yù)警裝置,一旦觀測分析知有險(xiǎn)情,當(dāng)即發(fā)出警報(bào),必要時(shí)通知下游居民轉(zhuǎn)移,這些經(jīng)驗(yàn)值得我們借鑒。近年來我國大壩原型觀測進(jìn)展較快,觀測資料分析除統(tǒng)計(jì)模型外,在反分析的基礎(chǔ)上又發(fā)展了確定性模型,這樣可以預(yù)測在今后高水位或其他特殊情況下大壩的性態(tài),以判斷大壩的實(shí)際安全度。如發(fā)現(xiàn)異常跡象,可及時(shí)進(jìn)行加固或處理,以保證大壩安全。大壩的及時(shí)監(jiān)測分析和及時(shí)維護(hù)處理對提高大壩安全具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
5 結(jié) 語
經(jīng)過這一百年大壩實(shí)踐,據(jù)統(tǒng)計(jì)大壩潰壩率已從20世紀(jì)初的4%～10%降至世紀(jì)末的約0.2%(或小于),而壩的可靠度設(shè)計(jì)理論上可控制其失效概率在0.01%以下。上述兩者差距很大,說明目前大壩的實(shí)際的安全度還應(yīng)設(shè)法提高。提高大壩安全,關(guān)鍵在于第4節(jié)所述3點(diǎn)即完善大壩設(shè)計(jì)和施工、做好大壩管理和加強(qiáng)大壩安全監(jiān)測。應(yīng)該強(qiáng)調(diào)指出,在完善大壩設(shè)計(jì)中還要注意對大壩可能出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行深入論證,在做好一般施工及運(yùn)行管理的同時(shí)還應(yīng)做好風(fēng)險(xiǎn)管理,以及預(yù)防風(fēng)險(xiǎn)產(chǎn)生做好大壩安全監(jiān)測工作。
參 考 文 獻(xiàn)
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2 曹楚生.從壩的可靠度分析和設(shè)計(jì)看大壩安全.大壩觀測及土工測試,1993(1)
3 M.法奈利.已建大壩的安全評價(jià)與改善總報(bào)告.18屆國際大壩會(huì)議,1994
4 G.Marinier.SafetyofDamsinOperation.14屆國際大壩會(huì)議,1982
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