楊弘，張志偉編譯

（二灘水電開發(fā)有限責(zé)任公司，四川成都610051）

0 引言

壩工界已經(jīng)積累了很多潰壩的記錄，并對它們的失事模式進(jìn)行了研究，未及時(shí)發(fā)現(xiàn)基礎(chǔ)缺陷和泄洪能力不足是其中主要的兩個(gè)原因。美國墾務(wù)局收集整理了大量具有代表性的失事模式，以期對現(xiàn)有大壩的安全評(píng)估提供幫助。

按慣例，特定壩址處最終選擇的壩型是在滿足地形地質(zhì)條件和工程目標(biāo)（防洪、發(fā)電等）前提下最經(jīng)濟(jì)的方案。確定設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)考慮大壩和基礎(chǔ)材料特性、荷載出現(xiàn)概率及其最大值的不確定性，通常會(huì)取較大的安全系數(shù)，大壩的安全度即取決于此。荷載不確定性的典型例子有可能最大洪水（PMF）和最大可信地震（MCE）。Wieland（1999年）曾指出，設(shè)計(jì)地震的估算距真實(shí)情況的差值可能超過30%。

最安全的大壩是一種概念上的實(shí)踐，建立在對壩基地質(zhì)狀況充分認(rèn)識(shí)的前提下，并且投資上可以接受。如果地基認(rèn)識(shí)不清楚，不可能實(shí)現(xiàn)真正的安全。1954年，阿斯旺工程顧問委員會(huì)提交給埃及政府的報(bào)告中，初步提到這一問題。它的核心被概括為一句話：粘土心墻堆石壩（上游布置鋪蓋和灌漿帷幕，范圍由顧問委員會(huì)確定）是沉積物地基上土石壩中最安全的。

建設(shè)最安全的大壩要遵守如下基本原則：首先，當(dāng)有備選方案時(shí)，選擇最安全的；其次，這個(gè)選擇不能大量增加投資。如果最安全的大壩投資遠(yuǎn)高于備選方案，那么人們會(huì)認(rèn)為這個(gè)差額即是“安全投資”。

1 最安全的大壩的內(nèi)涵

1.1 洪水

1988年，美國土木工程師協(xié)會(huì)關(guān)于溢洪道設(shè)計(jì)洪水選擇的報(bào)告稱，截至1984年，約有2900座不安全的大壩，其中2350座的主要原因是泄洪能力不足。隨后重新評(píng)價(jià)泄洪道設(shè)計(jì)洪水，一些重要大壩采取了新的標(biāo)準(zhǔn)即使可能最大洪水安全通過，工作委員會(huì)推薦采用美國原子能委員會(huì)標(biāo)準(zhǔn)中可能最大洪水值的計(jì)算方法。

可能最大洪水的確定是項(xiàng)復(fù)雜的工作，通常包含近似值逼近、估算、推測。目前還沒有一種方法可以做到洪峰的極限計(jì)算值準(zhǔn)確無誤。過了數(shù)十年后，原來的可能最大洪水設(shè)計(jì)值必須修正，有些會(huì)減小，有些則會(huì)增大。

可能最大洪水會(huì)受到氣候變化的影響，而且很難定量評(píng)估。由于溫室效應(yīng)對氣候變化的影響一直不斷被校正，嚴(yán)格說來，它對現(xiàn)有大壩的安全和未來設(shè)計(jì)工作一些參數(shù)的選擇影響較大，結(jié)果可能很快就會(huì)顯現(xiàn)。

最大入庫流量（即準(zhǔn)確的PMF）是估算的可能最大洪水加上估算誤差，盡管目前這個(gè)誤差還不能確定，但在設(shè)計(jì)“最安全的大壩”時(shí)必須考慮這個(gè)因素。

1.2 淤積

設(shè)計(jì)最安全的大壩有一個(gè)前提假設(shè)，即水庫最終淤滿并達(dá)到壩頂溢洪道堰頂高程，將此作為正常設(shè)計(jì)荷載考慮。

1.3 大壩

最安全的大壩應(yīng)采用對稱梯形斷面混凝土結(jié)構(gòu)，上下游坡面不用覆蓋其它材料。從長遠(yuǎn)安全角度考慮，可以無須考慮傳統(tǒng)重力壩的技術(shù)特征以節(jié)約投資。

基礎(chǔ)：理想的壩基是各向同性、合適硬度、較高彈模、無風(fēng)化侵蝕的新鮮巖體。

荷載：除了本文特殊規(guī)定外，最安全大壩的設(shè)計(jì)荷載可參考標(biāo)準(zhǔn)重力壩的設(shè)計(jì)慣例（例如，美國陸軍工程師兵團(tuán)1995年頒布的標(biāo)準(zhǔn)）。PMF和MCE的上限值則由設(shè)計(jì)者來決定。

揚(yáng)壓力：假定多數(shù)壩基排水管排水不暢或完全堵塞，并得不到正常維護(hù)，所有排水設(shè)施設(shè)備（排水廊道、抽排設(shè)備等）喪失功能。由于沒有應(yīng)有的排水系統(tǒng)，揚(yáng)壓力得不到降低，上游帷幕也失去作用，壩體和基礎(chǔ)的揚(yáng)壓力可以認(rèn)為是從壩頂或最高洪水位到下游尾水呈線性分布的靜水壓力。

圖1 最安全的大壩Fig.1 The safest dam

穩(wěn)定性：壩體上游面受到水壓力和淤積壓力的聯(lián)合作用，但由于大壩質(zhì)量的增加和壩基更加平均的荷載分布，對稱的斷面也更加穩(wěn)定。對于相同的荷載狀況，最安全的大壩會(huì)比傳統(tǒng)的重力壩更不容易出現(xiàn)較高的拉、壓應(yīng)力。

混凝土：最安全的大壩不要求混凝土的強(qiáng)度很高，碾壓混凝土是典型的代表。膠凝材料含量低（100 m的高壩含量約為50 kg/m3），非塑性的細(xì)屑作為填充料，可以提供充足的粘合料；骨料是最方便得到的，可以使用當(dāng)?shù)靥烊换蛉斯ぬ幚磉^的砂石。

這樣的混凝土彈模低、徐變大，并有較高的抗拉能力，第1年的抗壓強(qiáng)度即可達(dá)到7～10 MPa。由這種材料建設(shè)的大壩，在大多數(shù)的荷載狀況下（包括溫度應(yīng)力）都有足夠的變形能力以避免開裂。

對于多數(shù)的混凝土集合料，沒有密實(shí)和成型前，其坡度在0.8∶1（H∶V）或再陡一點(diǎn)均可保持穩(wěn)定，這種方式建設(shè)大壩的上下游面最經(jīng)濟(jì)，安全性也沒有降低。壩頂寬度在方便建設(shè)的情況下可以取最小。

廊道：從大壩安全的角度講，取消壩體內(nèi)各式的廊道是有益的。因?yàn)槔鹊朗谴髩蔚囊粋€(gè)薄弱帶，易被恐怖分子襲擊；地震時(shí)廊道周圍容易產(chǎn)生較大拉應(yīng)力。另外，廊道處也易出現(xiàn)大的滲漏。

滲漏：在必要的地方，一般會(huì)采用帷幕灌漿的方法減少通過壩基和壩肩的繞壩滲流。沒有墊層振搗的碾壓混凝土壩，其水平縫的滲透性對壩體總滲流量有重要影響。但這個(gè)因素對結(jié)構(gòu)不會(huì)產(chǎn)生大的影響，滲漏量隨時(shí)間逐漸變小。

監(jiān)測儀器：從邏輯上來說，最安全的大壩不需要監(jiān)測儀器（除了壩后滲流監(jiān)測），因?yàn)樗Y(jié)構(gòu)簡單、變形性能好、基礎(chǔ)和壩內(nèi)應(yīng)力水平低、膠凝材料含量低、可以承受全水頭揚(yáng)壓力。

1.4 溢洪道

對于最安全的大壩來說，閘門溢洪道是不滿足這個(gè)概念要求的，因?yàn)殚l門溢洪道的出流永遠(yuǎn)不會(huì)超過水庫的入庫流量。無閘門溢洪道可以排除閘門操作方面帶來的任何風(fēng)險(xiǎn)，不會(huì)受大量伴隨洪水而來的漂浮物撞擊的影響。

另外，無閘門溢洪道減少了投資，在壩肩適當(dāng)防護(hù)后，允許洪水漫過整個(gè)壩頂。由于采取了對稱橫斷面，漫頂時(shí)，最安全的大壩較傳統(tǒng)重力壩更穩(wěn)定。

對于設(shè)計(jì)者來說，他們擁有巨大的選擇空間。多數(shù)情況下，將溢洪道布置在中間壩段（可以宣泄重現(xiàn)期500年的洪水），剩余壩段可以作為超標(biāo)準(zhǔn)洪水情況的備用溢流壩段，這種方式將是設(shè)計(jì)者首選的；另一些情況，整個(gè)壩頂都作為溢洪道，如圖1所示，即滿足最安全大壩概念的溢洪道布置形式。

1.5 消能

作為最安全大壩的必要組成部分之一，布置碾壓混凝土襯砌消力池或類似型式的消能工，可以使泄槽內(nèi)高速水流的流速在到達(dá)下游天然河道前充分降低。

1.6 壩肩防護(hù)

壩肩防護(hù)的手段包括將大壩碾壓混凝土澆筑延伸至超越壩趾，并對薄弱帶巖體進(jìn)行置換、加固。

1.7 加高和波浪

最安全的大壩壩頂高于溢洪道堰頂高程，不需要專門加高；大風(fēng)或者地震產(chǎn)生的波浪可以翻越壩頂，而不會(huì)對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞。

1.8 壩頂公路

大壩不是用來作為交通設(shè)施的，設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是安全。當(dāng)整個(gè)壩頂作為無閘門溢洪道被超標(biāo)準(zhǔn)洪水翻越時(shí)，其各項(xiàng)操作和維護(hù)僅限于保障大壩安全，而不是為了其它無關(guān)的目的。

1.9 壩身泄水孔

對任何碾壓混凝土壩，不管何種斷面，都不適合采用壩身泄水孔，因?yàn)檫@樣干擾了碾壓混凝土的快速澆筑，而且泄水孔的位置也會(huì)成為一個(gè)滲漏源。

由于人員比較容易進(jìn)入壩身泄水孔，曾有恐怖分子進(jìn)入其中安放炸藥破壞大壩。鑒于這個(gè)原因，最安全的大壩較理想的泄水孔是布置在壩肩并采用鋼板襯護(hù)。

1.10 水庫放空設(shè)施

從安全的意義上講，最安全的大壩不需要水庫放空設(shè)施來放空水庫。

1.11 檢查和維護(hù)

最安全大壩的維護(hù)工作量是最小的，這一點(diǎn)很重要，特別是對維護(hù)資金不充足、維護(hù)工作經(jīng)常拖延或擱置的一些地方。泄水孔、閘門和各式的閥門是僅有的一些金屬結(jié)構(gòu)，幾乎沒有什么復(fù)雜的構(gòu)件需要維修，而且也不需要安全監(jiān)測系統(tǒng)。

1.12 成本和進(jìn)度

澆筑體積為500000 m3的大壩，采用常規(guī)的低摻膠凝材料的碾壓混凝土，其綜合平均單價(jià)為35～40美元/m3，而同類高摻膠凝材料的碾壓混凝土成本為45～50美元/m（31995年）。這個(gè)價(jià)格包含了模板、上游防水、基礎(chǔ)處理、表面處理、廊道、內(nèi)部排水、橫縫和所有的常規(guī)混凝土的費(fèi)用。通過取消所有這些輔助工程（除了溢洪道堰頂混凝土），減少50%的膠凝材料，降低碾壓混凝土澆筑中的阻礙，放寬骨料質(zhì)量范圍，壩體結(jié)構(gòu)中盡可能少用常規(guī)混凝土，將單價(jià)降低至20～25美元/m3不是沒有可能。

對于高100 m、壩頂寬5 m的大壩，對稱斷面體型和標(biāo)準(zhǔn)重力斷面體型的體積比為1.9∶1，說明相同高度大壩，采用對稱斷面體型和重力斷面體型投資成本是相同的。

減少成本的地方還包括：取消壩內(nèi)交通廊道、壩基排水孔、壩肩永久平硐和壩內(nèi)抽排設(shè)備，還減少了監(jiān)測儀器數(shù)量和運(yùn)行期操作、維護(hù)費(fèi)用?；谏鲜鲞@些考慮，最安全大壩的成本費(fèi)用可能還低于傳統(tǒng)斷面的碾壓混凝土重力壩。

特別是，最安全的大壩建基面順河向距離增長導(dǎo)致泄水孔長度增加約20%，在壩身外面建設(shè)泄水道可能會(huì)產(chǎn)生額外的巨大投資。對于這兩種壩型來說，溢洪道投資基本上是相同的。

1.13 其它需要注意的地方

（1）發(fā)電尾水

對于壩后式廠房，將引水系統(tǒng)設(shè)置在壩身內(nèi)部通常是不經(jīng)濟(jì)的。而將引水管道首部水平布置在引水壩段內(nèi)，并在壩后貼著壩面延伸直到廠房，這種壩后背管式方案最近在印度尼西亞兩座近100 m高的碾壓混凝土大壩工程中得到了應(yīng)用。

（2）沖淤設(shè)施

如果布置沖淤設(shè)施，最有效的方式是在壩基位置布置相應(yīng)的孔管。

2 結(jié)語

鑒于公眾對大壩安全越來越關(guān)注和極限荷載狀況的不確定性（特別是在發(fā)展中國家），文中假定了一種經(jīng)過修改的壩型，作為最安全的大壩。

最安全的大壩是碾壓混凝土澆筑的低強(qiáng)度、對稱橫斷面的大壩，能建基在任何巖基上，并可以達(dá)到和傳統(tǒng)重力壩同樣的高度。溢洪道不配制閘門，長度可以延伸至整個(gè)壩頂，洪水順著大壩下游面宣泄進(jìn)入混凝土襯砌的消能工。最安全大壩的突出特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單。

最安全的大壩滿足了常規(guī)的穩(wěn)定性要求，但不依賴于那些傳統(tǒng)的維持長期安全的因素——特別是壩體、基礎(chǔ)排水和防水設(shè)施設(shè)備。在任何情況下，都能安全通過上限設(shè)計(jì)洪水，并使出庫洪峰流量不大于入庫洪峰。整個(gè)壩基接觸區(qū)域處于壓縮狀態(tài)，在所有正常和特殊荷載組合情況下，大壩最大主應(yīng)力為壓應(yīng)力。■

[1]Michael A.Stevens,Jack Linard.The Safest Dam[J].Journal of Hydraulic Engineering，2002（02）:139～142.