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1、? ? 年?月水利水 电快报? ?第? ?卷第?期扩一一一飞?运行 管理?一一一一浦大坝安全评估和风险分析?娜威?赫格摘要研究 了 大坝事故和失事的现有资料后,作 者考虑了什么是大坝的“非正 常,性状及须采取的补毅措施,并论述了风险分析 在大坝工程中的应用,同时 介绍了国际大坝委员会出版物和一些专业会议论文集刊 载的有关大坝事故 和破坏的统计资抖。幸新词大坝失事失事分析风险分析分析方 法坝 管 理大坝事故与失事统计最近 的国 际大坝委 员会? ?简报对世界范 围 内?中国 除外? ? ?座 混凝土坝 和土 石 坝的失 事及其原 因作了简要 的回顾?,? ? ? ?,见图?。图?清 楚地表明,多
2、数失事的坝 寿命很 短。表?所 列 资料,与美国发生事故或遭受破坏的? ?座土 石 坝?美国 国家研究 委 员会,? ? ?年?早期研究结果?表? ?是一致的。从表?,?可以看 出,内部俊蚀是引起大坝事故和 失事的主要原因。表?土石坝失事的主要原因?失事原因土坝堆石坝堆石坝?土坝漫顶?坝顶? ? ?坝体内部侵蚀?管涌? ? ?坝基 内部侵蚀?管涌? ? ? ?其他结构原因? ? ? 其他原因?总计? ? ? ?大坝总数量? ? ? 注?年? ? ?的资料。图?示 出 了挪威修建大型仁石坝 的情况,其中大部分 为冰 债心墙 堆石 坝。在挪威,? ?高以上的 土石 坝至今还 未有过 失事的先例,但
3、所建的? ?座坝中,已有 ? ?座进行过修补? ?座 上 游 护坡 受 到损坏?波 浪 和冰的作用?,?座 内部受到侵蚀?水 力致裂?,?座 出现 过大的或不均匀 的沉陷。? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?
4、? ? ?目目? ? ? ? ? ? ? ? ?目目日日日日目目目目目目目目习习习习习习习习习习习习习习? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?日日日日? ? ?目目目目目目目目目目】? ? ? ? ?目目月月目目口口日日门门? , ,门门二彭易报钵水?年图 ?按寿命统计的失事大坝数 目?据? ?的研究,? ?年?一按寿命统计 的失事大坝数目? ? 一寿命低于? ?年的失事大坝统计数目?一施工期间? ?一寿命不详? ? 年?月
5、水利水 电快报?第? ?卷第?期表?大坝事故和失事原因事故或失事原 因外部侵蚀?漫顶?波浪作 用?内部侵蚀?坝 体?坝基?基础失稳坝体过度变形损伤?物理?化学作用?闸门失灵地表作用施工差错占?。座坝的百分比?注?根据? ? 年美 国国家研究 委 员 会的 资料。明挪威已接 受 了经验 教训,其 设 计标 准和施工控制方法 均已得 到改进。总 之,对世 界各地现 有统计 资料进行研究、评估及分析 的结果表 明,各地区的 大坝事故原因和失事频率是不相同的,但过去的?一? ?年中,每座坝?年失 事的平均概率已从约?。一减至?。一?。而 且,? ?年前修建的运行 仍 然 良好的坝与用现代技术和质量控制
6、修建的坝 是 同 徉的安全。? ? ? ? ?日日日 ? ? ?口口口 日日 ? ? ? ? ?日日日日 ? ? ? ? ?口口口 日日 ? ? ? ? ?拓拓? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?口口口 ? ? ? ? ? ? ?目目 ? ? ?,?皿彭长耳坝高?, , ,? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?二二二 日日盛盛? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?止止止? ? ? ? ?卜一一可可可可可可可可可可可可?”?一? ?彭耳只? ? ? ? ? ! ? ?阳?日别?内。竣工年份图?娜威高于?的土
7、石坝内部侵 蚀是 大 坝修复、加 固 的主要原因,而造成内部侵蚀的主要 原 因则 是 由于卜游护 坡受波浪和冰的 作 用遭 到 损 坏? ?年修建的一 座 ? ?高的上坝,由于穿 过冰债心墙的混凝土涵管周 围坝体受 到侵蚀而 失 事?。在挪威,补救工作系改进乱石 护坡的 设计与施工,以及 用水一水 泥一膨 润卜砂 混合料灌浆来控制内 部侵蚀与渗漏。挪威自? ? !年以来建筑的大坝 中只有?座 须修复。这 表?大坝性能与安全评估许 多情况 下,土石 坝 出现大量 的渗漏、内 部侵蚀、过大位移和 不均匀沉陷或裂缝的原 因可能并 不 明显,在决定采取修复 或加 固措施前,须对 用肉眼和?或?现场仪器
8、观察的结果作慎 重 的 整理分析,以便对情况进行评估。对于意外的观测结果,即使能找到符合逻辑的解释,也不一 定是人们对坝的安全感到 关切 的理由。这里有?个根本性的 问题?什么是大坝 的“非 正常”性状?观 测的性状 可能与设计人 员 预测 的有很大出入,而根 据 行家经验所作的检验,可能证明此情况并非不正常。是否与预测性状有 出 入就意味着 坝的安 全性比设计所要求的更低?是否性状与设计的不符就须采取修复、补 强或加 固等补救措施?在 下面几 节中,就土 石 坝性状的 两个方面来阐明作 出决策 前须对观测结果作 出正确的 整理分析。?竣工后坝体位移的预测和观测?在 记录 和计算竣工后的坝顶位
9、移时,逐一登 记各测点的位置 和竣工后首次测 量 的时间?即以后 测 量 的 基 准值?是一个重要 环节。上石坝坝 顶 上游缘测点的垂直位移?即沉降?比坝 顶 下游缘相应测 点的沉降量大得 多的情况 是常见的。这 主要是由于 库水位的上升,特别是 最高库水位 的 最 后? ?的库水位上大坝安全评估和风险分析表?娜威坚硬坝基上堆石坝的沉降量一一升所 致。在几个 实例 中,由于上 游坝体的 水下部分不断压缩和沉降,使得丘游 坝 壳与心 墙 之间 产 生相对滑 动?图?,从 而 导致坝 顶 的 横向不均匀沉陷和可能 的纵向裂缝。其实就大坝 的安全 而言,这种现象不值得担忧,因为水库经首次充水、库水位
10、下降和再次 充水这一循环之后,沉降就稳定下来,且不会引起横向裂缝。观测 结 果 表明,无 须平整?游 坝坡,可能须对乱石护坡作一些修整。坝型坝名年份垂直沉降?坝高? ?坝顶合墙坝顶上游缘 顶端下游缘奥达特约恩斯瓦特万瓦特呐达伦德格工尼海勒伦瓦特呐达伦尤克拉? ? ? ? ? !? ? !? ? ? ? ? ! ? ? ? ?一? ? ? ? ?中间或微斜粘冰土硕心墙坝? ? ? ? ! ? ? ? ? ? ? ?湖湖湖湖瓦 尔尔格卡托达斯伯斯 蒂斯里薄沥青混凝上心墙坝一州卜一一倾斜仪图 ?加拿大?一?土石坝上游坝体的沉降?一裂缝宽度?一?陡倾表?列 出挪 威 自? ?年以来建在坚硬坝基 上 的
11、一些大型堆 石坝完建后实 测 的坝顶沉降量?上游、心墙顶 及下游?。从表?可以看出,瓦特呐达伦坝和德格坝,其心墙顶和坝顶下游缘处的沉降量是很 小的,但在 坝 顶有限长度内上 游缘处的沉降量 则相当大,这是上述堆 石的饱和作用导致上 游坝坡顶局部沉陷所致。瓦特呐达伦坝上游坝坡为?,德格 坝 为?。图?简略示 出世 界各国建在坚硬 坝基上的 堆石 坝完建后 实测 的坝顶沉降量。自? ? ?年以来建成 的大多数坝,其 坝顶沉降 与时 间的对数近似地呈线性关系?运行? ?年后,坝顶 总沉降量为最大坝高的?一?,但没有明显地表现出坝越高坝 顶沉降量越大的趋势?即坝顶沉降量 不 随 坝高 的二次 方增加?
12、。据报导,某些现代坝化上 述那些 坝 的沉降量大得多,但没有令人满意 的解释。对于某些老坝,即建于本世纪?年代以前的堆 石 坝,施 工 时 大 多未经压实,大坝完建后 的 正常沉降量是相当大的,而 且沉降量 的差 异范 围也较大?图?。大坝完建后的位移取决于很多因素,主要有?堆石 料与心墙料的特性?填筑层的厚度与压实程度?填筑时堆石 的冲洗?外坡坡度?上 游防渗面 层或中央心墙?坝体分区?基础 刚度。然而,有时对坝的位移值进行评价和将其与其 他 土 石 坝相应的 实 测沉降量作比较时,却忽略了某些重要因素。这些 因素有?坝 顶 测点的位置?大坝 完建后首次测 量坝顶位移的时间?完建后 头几个月
13、的沉降量占长期沉降量的 很大比例?大坝 完工后埋设 坝 顶沉降观测栓时的水 位高程?大坝 施工 和水库蓄水的速率? ? 年?月水利水电快报? ? 第? ?卷第?期称称之?一一妈? ? ? 妈? 一一一一口口口?谈、呜、?叫? ? ?、月? ?,? ? ?不不不?队、爪爪自?,?年以以来来来来来来来来来来来来来来来来来来来来来来来来来来来 建成的大多多?、卜?口口数坝坝? ?产产? ? ?仪仪仪仪仪?盯盯盯?阮阮阮?口口? ? ? ? ? ? ? ?卜卜卜卜卜卜蔺蔺霍霍坛坝坝习习习习习 ? ? ?口口日日日?, ,口口日日日“口口闻闻闻闻闻闻闻目目目攀?叫世姑雄耳峻日报图?各国坚 硬坝荃上堆石坝
14、坝顶沉降?库水位变幅的大小。这些方面 给人们“公正”地比较沉降量?例如表?和 图?中的沉降量?带来了困难,但在判断大坝竣工后 的 实 测位 移量 是 否“不正常”之前则 必须考虑这 些 因素。?土心墙孔隙压力的预测和观测几座土石坝的土 心墙下游部分实测的孔隙压力比设计预测 的大得 多。下面利用两个资料齐全 的实例研究来说明这种现象。图?为挪 威斯瓦特万坝 最大横断面图。该坝为建在基岩上的宽级配薄冰债斜心墙堆石坝。图?示出了分别设置在心墙上游、中间和下游?个测 压管的 实 测水头一库水 位 关系。在同一个心墙横断面中总共布设了? ?个封闭式 电子测 压管?振弦式?。测压管? ?的读数均落在 4
15、5“的斜线上(图6)。这表明,靠近心墙上游 面 的实 测孔隙压力与同一高程的库水压力相等。第1年,测压管P1 4测出的孔隙压力比按传统的饱和稳态流理论预测的要高得多。不过,在库水位两个季节性升降全循环之后,测压管P1 4的实测水头显著下降。图7示 出直 到1989年即竣工后 的 1 3年测压管P 12、P1 3和P1 4的 实 测水头一时间关系。任何已知时间的库水位均 为测 压管P1 2记录的水位。平衡业已达到,下游侧的孔隙压 力就不再减小,因为P1 4反映的只是库水位的变化。挪威的瓦特呐达伦坝(见表3 )的实测孔隙压力变化情况,其趋势与此相同。图8和图9所示为 加拿大 WA C Be n-n
16、 et t坝 的横断面 及其心墙测压管读数结果。Stewart和Imrie(1993)在国 际大坝 安全 研究研讨会 上对这座18 3m高的 土 石坝的性能作了详细 的介绍 和报道。该坝规模很大,采用了宽级配冰债物厚心墙,因建在复杂地基上,使得对该坝性能的评估复杂化。如 图9所示,在1970一1976年 期间,EPO4实测测压管水头值比预测 的大得 多。不过 自那以后实测孔隙压 力持续递减,现在并不比根据饱和稳态流理论预测的高很多。图 5娜威斯瓦特万坝横断面图1一冰债物心墙2一砂砾石反滤层3一过渡区堆石4一支承堆石5一坝坡护面6一精选块石保护帽7一灌浆帷幕大坝安全评估和风险分析正如下面所讨论的
17、,Stewart和Imrie(1993)参考斯瓦特万坝的经验,对这种意外的性状进行了解释。国际研讨会文献 中介绍的其他几座坝也厂厂厂厂厂厂厂厂厂厂厂厂厂厂厂夕夕厂厂厂厂厂厂犷户户吧,尸尸尸尸尸尸产喇喇谈谈才才才才才.少少厂二二分才才谈谈谈么么二一.洲!l l l丁丁丁丁丁丁丁丁丁丁丁丁丁丁丁再彝汀汀翻翻口韶. . .目. . .沼匕二了护护111 1 1/ / / / / / / / /, , , , ,/ / / / / / / / / / / / / / / / /日水枷书死田库水位 /m图 6斯瓦特 万坝197 4 197 9年 实测 测压 管水头一库水位关 系日日日日日 日日日日口口
18、阿阿囚囚日日盯盯口口日日日日口口日日 口口网网门门门 尸尸 厂厂口口口口 陌陌团团口口口口口口口口日日阅阅叼叼 困困网网日日日 厂厂 欣欣团团夕夕 叮叮四四田田 冈冈日日阅阅 日日网网网网 网网日日I I I I I I I I I尸尸尸尸卜卜, 了一一 、广广二,电,二二,、 . 1. .一一一,尸,一P1 4 4 4口口口 日日 r r r口口口口 巨巨口口口口巨巨口口口口日日巨巨口口口口口口口口口 口口 口口口口口口 区区口口口口口口口口口口日日巨巨口口口口 口口水关如田屁1974119璧19789 80完工19 82198 419 8619 8网时间/:图 7斯瓦特万 坝197 3一
19、198 9年实测测 压管水头一 时间关系出现心墙下游部分的孔隙压力比预测的大的情况,多年来已提出了许多假说。下面即为一些解释。预测分析中未正确考虑 非均匀性、施工缺陷及水平渗透性大于垂直渗透性等因素,因而低估了下游孔隙压力。心墙中过大的施工孔隙压力的残留时间比预 测的长。由于 下游侧有效应力较大,造成下游侧渗透系数较上游侧的小。由于拱作用 的 心墙局部有效应力变小,导致水力致裂,孔隙压力通过这些裂缝传递,使下游孔隙压力增大。细 粒料从心墙移至下游反滤层中造成“堵塞”,因而下游部分的压力比用传统分析方法预测的大。心墙的裂缝张开(水力致裂)和 细粒料 移 动,使心墙与反滤 层的界面堵塞。裂缝在心墙
20、一反 滤 层 界面转 9 0“,再沿 心墙背面扩展,进而 造 成大范围 的堵塞。s tewa rt和Imrie(1993)对 WA C Bennett坝心墙下游部分孔隙压 力 增大的现象作了这样的解释(图10)。一种满意的假说或几种假说的组合,必 须 不仅能说明下游孔隙压 力过大的原因,而 且还 要能说明这一 压力随时间递减 的原因。自从介绍斯瓦特万坝 和WA C伯达尔湖坝孔隙压 力观测结果以来,加拿大魁北克水图 8加章大WA C氏nn et t坝的横断面1一心墙2一过渡区3一反滤层4一排水5一自由排水砾石6一乱堆石坝壳7一坝坡护面8一最高正常库水 位9一灌浆廊道10一灌浆帷幕电公司对几个类似
21、的情况都作了报道,同时Daseal(1995)作了 如下解释:土 心墙料经压实后,通常处 于 不饱和状态(一般为 5 0% 90%)。水库充水期间,浸水区残留有 空气。在不完全饱和 土中用密封式测 压管测得 的压 力 为孔隙空气压 力,一般情况下都高于孔隙水压力。年5月水利水 电快报EWR HI第1 8卷第9期刁刁刁刁刁刁1 1 1 1 1、爪爪爪刀刀刀口口才76 6 6/ / / / /那那徽徽爪爪嫉嫉一呱呱了/ / /声 八八/ / / / /月月涛涛忆忆J J J/ / /”萨储储 纂纂剖剖白白l l l丫丫/ / / / /月月 )7 3: : : : :州州民民民民/ / / / /
22、入入犷犷犷犷今今/、甲甲以以了 Z Z Z端端娜遗犬犬7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 l l l l l l l l l l l月月月月月月月月月月月月月月凡凡; ; ;:论稳飞飞豫线线夕夕入入/ / / / / / /片 科藉藉词词词词词犷犷份份仁瓣粼粼粼l l l l l l l l l l l l l l l l l喇书世测压管水 头/m口口口日日曰曰曰曰口口尸尸: : : 日日门门卜咋水! ! !阵,. . .口口巨巨口口巨巨口口口口口口口口门门门曰曰门门曰曰口口曰曰曰曰日日口口团团口口口口口口口口口口呀呀闷闷陌陌口口口口目目门门围围口口圈圈曰曰曰口
23、口团团团门门门门门门曰曰门门曰曰曰曰门门门门曰曰曰曰日日口口日日口口门门日日日门门口口门门口口口目目门门门门口口阵阵曰曰臼臼曰曰曰曰闷闷口口口口国国口口叮叮汗! ! ! ! !i门门口口口口门门门门曰曰阅阅阅门门国国口口日日曰曰口口口口户户目目反反刁刁口口口口巨 局局圈圈日日曰曰瓜瓜口口口口园园国国口口丁丁丁Z Z Z只只口口尸尸厂厂厂厂口口图图曰曰曰曰口口日日日日以以匹匹巨巨口口厂厂厅厅厅厅口口网网网弓弓团团日日口口曰曰曰下下口口曰曰曰曰曰曰曰曰旧旧曰曰口口门门巴巴门门曰曰几刁刁日日团团川川川厂厂门门口口口口口口口阿阿)石二二厂石屯屯门门门门瓜瓜摘摘口口口口曰曰门门门门门门门曰曰了了了厂厂厂
24、厂厂厂厂门门网网阿阿口口日日厂厂曰曰曰曰曰曰曰曰口口曰曰曰曰门门口口阿阿阿厂厂厂日日日一一一一一门门日日曰曰曰曰曰曰曰曰曰曰曰曰日日门门厂厂厂厂厅厅卜02 .巧巧,了 厂厂曰曰厂厂曰曰日日曰曰曰曰曰曰曰曰门门门门门门门门门门门门厂厂厂厂 丫 l 口口巨巨曰曰曰曰口口口口口口口口口口口口口口口口口口口口日水关如出班时间 /:图 9WA CB ennett坝1969一19 92年实测测压管水头一时 间关系( a)一EP0 4实测测压管水头和库水位与时 间的关系( b)一测 压管水头过 程线孔隙压力递减,而 空气体积顺流向增大。另外,上游水 中的溶解气体 顺流向逐渐逸 出,因此饱和度和 心墙的渗透性
25、向下游方向逐渐减小。这种渗透性的减小(可能相当 显著)使下游产 生孔隙压 力,且 比用渗流分析方法按均质心墙预测的大得多。只要 空气存在,渗流就会受到某种阻碍,达到 完全饱和 及稳定渗流状态可能须较长 的 时间,在此以前心墙的下游部分会产 生过大的孔隙压 力。没有一种假说能满意地解释研讨会文献中所遇到的即报道的情况。不 过 上述的第7条解释似乎很有根据,可适于许多 坝 的情况。例 如,斯瓦 特万 坝 和 WA CBe n n et t坝 出现的裂缝、侵蚀和细粒料输 移,或许都不是致使出现孔 隙压力意外性状的原因。当孔 隙压力比预测的高得多,而 且 攘哪袱基岩面还未开始减小时,人们极为关注。斯瓦特万坝的实 测孔隙压 力 没有 多长时间就开始减小,而WA C Be n n et t坝 的 实 测孔隙压力却经历 了数年时间才开始改变。为了更全面且定 量地弄清上述第7条假说中所涉及的不 同现象,应作进一步 的理论与试验研究。遗憾的是,似乎未见到伯达尔湖坝 随时间变化的渗透(渗漏)测量记录。渗透系数随饱和度增 加而增大的情况在 实测 流量中应有所反 映。(待续)堵 塞扩展到破坏区范围以外。图 10WA CB ennett坝心墙下游部分孔隙压力过大的解释图傅湘宁译自英刊水电与大坝19 9 6年第6期车友宜校(收稿日期1997一04一03)
