[美國(guó)]P.J.里根

大壩事故與其運(yùn)行年限的關(guān)系

[美國(guó)]P.J.里根

有些大壩事故是源于其長(zhǎng)期運(yùn)行;有些大壩事故則與地震、洪水或其他一些原因密切相關(guān)。著重對(duì)大壩安全事故怎樣分布于大壩運(yùn)行壽命期內(nèi),大壩長(zhǎng)期運(yùn)行后是否會(huì)出現(xiàn)重大安全事故,不同型式的大壩的長(zhǎng)期運(yùn)行性能是否存在差異,何種潛在的潰壩模式有助于大壩安全事故分析,以及不同年代修建的大壩發(fā)生事故的類型是否存在差異等問題進(jìn)行了分析研究。

大壩;大壩失事;運(yùn)行年限;分析研究

負(fù)責(zé)大壩運(yùn)行安全的人員必須保持高度警惕,盡一切努力確保其管理的大壩、其他一些水利設(shè)施或水利樞紐工程的安全。無論是業(yè)主、監(jiān)管機(jī)構(gòu),還是咨詢專家,當(dāng)涉及到大壩安全時(shí),沒有人會(huì)掉以輕心?？墒?當(dāng)一座大壩在安全運(yùn)行相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間后,一種對(duì)大壩安全的自滿情緒常常會(huì)悄然而生。不知多少次聽到過或說過這樣的話:“這座壩已經(jīng)安全運(yùn)行50 a了,為什么您現(xiàn)在會(huì)對(duì)該壩的安全擔(dān)心呢？“

在聯(lián)邦能源管理委員會(huì)(FERC)多次召開的潛在潰壩模式分析會(huì)議上,這種推理被提出來作為降低大壩潛在潰壩模式分類的依據(jù)。

看來還是忽略了大壩正在經(jīng)受著老化與惡劣的自然環(huán)境等諸多影響。有些大壩事故是由于其長(zhǎng)期運(yùn)行的結(jié)果。對(duì)人類來說,長(zhǎng)時(shí)期的疲勞工作會(huì)導(dǎo)致腕管綜合癥;而對(duì)大壩來說,則可能會(huì)導(dǎo)致閘門啟閉機(jī)出現(xiàn)機(jī)械類故障。某些事故就是因長(zhǎng)期遭受惡劣環(huán)境的影響所導(dǎo)致的。

像癌癥等疾病可能會(huì)突然發(fā)生,或者會(huì)在體內(nèi)停留很長(zhǎng)一段時(shí)間。同樣,管涌在大壩第1次充水時(shí)就可能來勢(shì)兇猛,就像提堂壩情況一樣(提堂壩位于美國(guó)愛達(dá)荷州東南部的特頓河上,1976年6月5日大壩第1次沖水時(shí),發(fā)生了嚴(yán)重的潰壩事故)。否則,就有很長(zhǎng)一段時(shí)間的變化過程,如斯里蘭卡的坎泰爾(Kantale)壩,該壩表面上看來已經(jīng)安全運(yùn)行了117 a,可終究由于管涌而潰壩。

本文試圖解答以下4個(gè)問題:

(1)大壩安全事故在大壩的運(yùn)行壽命中是怎樣分布的？特別是,當(dāng)一座大壩在經(jīng)過一段重要時(shí)期明顯令人滿意的運(yùn)行以后,預(yù)示著該壩在其今后的運(yùn)行壽命中就不會(huì)出現(xiàn)重大的安全事故嗎？

(2)對(duì)于不同壩型的大壩,其長(zhǎng)期運(yùn)行性能有差異嗎？

(3)隨著對(duì)大壩潛在潰壩模式研究的深入開展,會(huì)有一些什么樣的潛在潰壩模式特別有助于對(duì)大壩安全事故進(jìn)行分析？

(4)因大壩修建年代不同而造成的事故類型有差異嗎？

為了解決上述問題,筆者開發(fā)了一個(gè)與大壩安全事故有關(guān)的“大壩事故與安全數(shù)據(jù)庫”。目前,該數(shù)據(jù)庫已收錄了84個(gè)國(guó)家4 000余座大壩破壞與安全事故的專門資料,其中1 158座大壩可以斷定出現(xiàn)潰壩或安全事故時(shí)的運(yùn)行壽命。

1 大壩安全事故在其運(yùn)行期的分布

對(duì)大壩安全事故在其整個(gè)運(yùn)行期的分布情況開展了研究(圖1)。特別是,當(dāng)一座大壩在具有非常令人滿意的運(yùn)行狀態(tài)的情況下,是否預(yù)示著該壩在其今后的運(yùn)行壽命中就不可能出現(xiàn)重大的安全事故呢？

當(dāng)然,大多數(shù)觀點(diǎn)認(rèn)為,大壩在投入運(yùn)行后的最初幾年是出現(xiàn)嚴(yán)重事故的時(shí)期。而且本數(shù)據(jù)庫資料也證實(shí)了這一觀點(diǎn)。

在本文所分析的出現(xiàn)安全事故的大壩中,約有31%的大壩事故是發(fā)生在施工期或出現(xiàn)在大壩投入運(yùn)行后的前5 a。從壩型的統(tǒng)計(jì)資料來看,有些壩型發(fā)生安全事故的概率有明顯的差異。在投入運(yùn)行后的前5 a,重力壩發(fā)生安全事故的概率為18%,拱壩為29%;而土壩和堆石壩發(fā)生安全事故的概率為42%,且均是發(fā)生在施工期或投入運(yùn)行后的前5 a內(nèi)。

圖1 綜合各類壩型的大壩安全事故數(shù)量與運(yùn)行年限的關(guān)系

大壩在投入運(yùn)行后的前5 a內(nèi)事故的出現(xiàn)率高,說明對(duì)潛在壩址進(jìn)行反復(fù)的深入的研究、認(rèn)真審查、對(duì)大壩設(shè)計(jì)方案是否全面考慮了可能會(huì)導(dǎo)致誘發(fā)和發(fā)展大壩潛在事故模式的特定壩址條件進(jìn)行核實(shí)、謹(jǐn)慎施工以使觸發(fā)大壩事故模式的可能性降至最低,以及實(shí)施重點(diǎn)監(jiān)控和全面監(jiān)測(cè)的措施,實(shí)時(shí)掌控大壩的運(yùn)行狀態(tài)等至關(guān)重要。

至于當(dāng)一座大壩在經(jīng)過一段非常令人滿意的運(yùn)行期后,是否預(yù)示該壩在其今后的運(yùn)行壽命中就不會(huì)出現(xiàn)重大安全事故的問題,通過對(duì)運(yùn)行5 a后出現(xiàn)事故的大壩的相關(guān)資料進(jìn)行認(rèn)真研究,可以得出滿意的答案。

運(yùn)行5 a后發(fā)生大壩安全事故的比率示于圖2。由圖2可以看出超出某一使用年限后發(fā)生的有記錄的大壩事故率。根據(jù)筆者開發(fā)的大壩事故與安全數(shù)據(jù)庫的統(tǒng)計(jì),在所有大壩事故中,49%的大壩事故發(fā)生在大壩運(yùn)行50 a或更長(zhǎng)的時(shí)間?，F(xiàn)有資料表明,大壩事故率在任一一個(gè)5 a運(yùn)行期內(nèi)沒有明顯差異。

圖2 運(yùn)行5 a后的大壩事故率

大壩事故高峰期出現(xiàn)在其投運(yùn)后的前5 a運(yùn)行期之后的第2個(gè)5 a運(yùn)行期內(nèi),即運(yùn)行期內(nèi)的第6～10 a間。據(jù)數(shù)據(jù)庫的資料統(tǒng)計(jì),其間共發(fā)生大壩事故72件;運(yùn)行期內(nèi)的第11～15 a間,共發(fā)生事故61件。而第3個(gè)大壩事故發(fā)生的高峰期則出現(xiàn)在大壩運(yùn)行期內(nèi)的第81～85 a間,其間共發(fā)生大壩事故55件。

毫無疑問,發(fā)生潰壩或出現(xiàn)嚴(yán)重事故的大壩數(shù)量在已建大壩的總數(shù)中所占比率相對(duì)較小。然而,資料顯示,大壩在運(yùn)行50 a或50 a以上時(shí),出現(xiàn)與大壩安全有關(guān)的事故比率相當(dāng)大。

顯然,不能忽視大壩的運(yùn)行年限,也不要因大壩的老化發(fā)生安全事故而感到驚奇。事實(shí)上,有些大壩的事故模式更是隨著壩齡在發(fā)生變化。

本文分析研究中采用的大壩事故與安全數(shù)據(jù)庫中的平均建壩時(shí)間是1933年,距今已有77 a。根據(jù)該數(shù)據(jù)庫的統(tǒng)計(jì)資料,即可以確定大壩發(fā)生事故的時(shí)間。但是,由于統(tǒng)計(jì)中包含有少數(shù)非常老的大壩,因而會(huì)使平均建壩時(shí)間有誤差,其中,最早建成的大壩是在1550年;而有451(39%)座大壩是建于1945年以后,其運(yùn)行年限還不足60 a。

2 不同壩型的大壩長(zhǎng)期運(yùn)行性能的差異

已對(duì)各類壩型的大壩在其投入運(yùn)行的前5 a后發(fā)生安全事故的資料數(shù)據(jù)進(jìn)行了收集整理,并對(duì)整理結(jié)果作了分析。分析表明,對(duì)于各類壩型的大壩來說,其長(zhǎng)期運(yùn)行性能都存在著一些明顯的差異。

與各類壩型大壩的總事故率接近已建壩總數(shù)的50%相比,土壩在投入運(yùn)行的前50 a內(nèi),事故率要高于各類壩型的總平均事故率;而在運(yùn)行50 a或50 a以上的情況下,土壩的事故發(fā)生率僅為31%。與此相反,重力壩在投入運(yùn)行的前70 a,其平均運(yùn)行性能要優(yōu)于所有的壩型。在投入運(yùn)行的最初幾年,堆石壩和拱壩的運(yùn)行性能比各類大壩的平均性能都差?？偟恼f來,更趨近于土壩或重力壩的平均性能。

在對(duì)各類壩型的大壩事故模式進(jìn)行仔細(xì)分析后,對(duì)土壩和重力壩在運(yùn)行性能方面存在的差異可以得到部分的解釋。土壩的主要破壞模式包括:內(nèi)部溶蝕、滲漏和管涌,共110次;漫頂105次,結(jié)構(gòu)破壞47次。

重力壩發(fā)生與洪水載荷相關(guān)的事故101次,這些事故往往與溢洪道有關(guān)。115次結(jié)構(gòu)性破壞中,包括混凝土破壞以及附屬建筑物的結(jié)構(gòu)性損壞,如溢洪道閘門和閘門操縱機(jī)構(gòu)失靈等;另外有27座重力壩的壩基發(fā)生管涌。在115座大壩結(jié)構(gòu)的破壞中,有41座涉及溢洪道閘門。

如果水庫水位不小于臨界水位,滲漏即是一種隨時(shí)可能發(fā)生的潛在事故模式;而在洪水季節(jié),水位升高時(shí)滲漏還會(huì)加劇;由于地震引起的開裂,也會(huì)導(dǎo)致給滲流提供方便的通道張開。因此,對(duì)于所有的土石壩和其他壩型的壩基來說,壩體的內(nèi)部溶蝕和管涌都是必須慎重考慮的潛在破壞模式。而洪水載荷導(dǎo)致的大壩事故,特別是特大洪水這類相對(duì)罕見的洪水事件,在一座壩的運(yùn)行初期,發(fā)生的概率相對(duì)較小。同理,大壩的性能退化進(jìn)程也與時(shí)間有關(guān),比如堿-硅反應(yīng)或凍融等老化反應(yīng),只有當(dāng)其在持續(xù)一段時(shí)間以后,才會(huì)對(duì)大壩的結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生負(fù)面影響。

大壩的運(yùn)行性能退化,也是導(dǎo)致水電站機(jī)電設(shè)備出現(xiàn)故障的重要因素。而機(jī)電設(shè)備的性能退化則可能是由于在其正常運(yùn)行中的磨損或是缺乏日常維護(hù)所致。

3 大壩安全事故分析

隨著對(duì)大壩潛在潰壩模式研究的深入,會(huì)有一些什么樣的潛在潰壩模式特別有助于對(duì)大壩安全事故進(jìn)行分析？為了尋找解決這一問題的方法,對(duì)本數(shù)據(jù)庫資料按大壩發(fā)生事故時(shí)的壩齡進(jìn)行排列;而且也將事故模式分為以下3類:

(1)與洪水相關(guān)的事故模式;

(2)與結(jié)構(gòu)相關(guān)的事故模式;

(3)與滲漏/管涌相關(guān)的事故模式。

庫岸滑坡、其他類水庫事故以及另外一些與上述3類事故模式無關(guān)的事故模式,在已查明的事故中所占比例微不足道,因而未將其納入數(shù)據(jù)庫的資料中。所有與洪水泛濫有關(guān)的事故模式,無論是由特大洪水、溢洪道堵塞,還是由于閘門操作失效等導(dǎo)致的事故,均歸納為洪水泛濫類。與壩體結(jié)構(gòu)破壞相關(guān)的事故包括壩基滑移、邊坡失穩(wěn)、地震破壞、混凝土結(jié)構(gòu)劣化和閘門故障等事故。與滲漏/管涌相關(guān)的事故包括各種內(nèi)部溶蝕、管涌以及釀成潰壩的滲漏,其中包含壩身滲漏、壩基滲漏、繞壩滲漏。對(duì)數(shù)據(jù)庫中的所有大壩事故資料和已經(jīng)經(jīng)過了第1個(gè)5 a運(yùn)行期的大壩資料都進(jìn)行了分析。

大壩運(yùn)行5 a后,不料各類滲漏事故的發(fā)生率竟有65%;然而,前5 a運(yùn)行期過后,與洪水相關(guān)的大壩事故率為74%,結(jié)構(gòu)性破壞事故率為78%。值得一提的是,大壩在運(yùn)行80 a之后,上述所有3類事故模式中未來事故的發(fā)生率幾乎相同。

數(shù)據(jù)分析表明,前5 a運(yùn)行期過后,不同事故模式出現(xiàn)的事故率存在著些許差異,結(jié)構(gòu)性事故率比較低。然而,在運(yùn)行45 a以后,無論是在洪水事故模式、滲漏事故模式還是結(jié)構(gòu)事故模式下,出現(xiàn)的事故率差異卻很小。

數(shù)據(jù)超級(jí)終端顯示,在運(yùn)行100 a以后出現(xiàn)潰壩或安全事故的大壩,有45座在事故出現(xiàn)時(shí)的運(yùn)行年限和事故模式分析的使用年限相一致。在45件事故中,有22件屬于洪水泛濫類事故,13件屬于結(jié)構(gòu)破壞事故,10件屬于滲漏事故。

這些信息表明,盡管地震和洪水載荷一般認(rèn)為是發(fā)生率不高的事故,而且對(duì)于漫頂或地震引起的潰壩等極端事件,無疑更有理由認(rèn)為是發(fā)生率不高的事故,但在處理土石壩和各類壩基時(shí),應(yīng)當(dāng)勞記管涌和其他滲漏造成的嚴(yán)重后果。

與滲漏相關(guān)的事故是大壩運(yùn)行初期最常見的事故模式,且將繼續(xù)成為長(zhǎng)期存在的重要的潛在事故模式。

4 建于不同年代的大壩事故類型差異

根據(jù)數(shù)據(jù)庫中收集的資料可以看出,大壩的平均建壩時(shí)間是1933年。通過該數(shù)據(jù)庫可以確定大壩在運(yùn)行多少年以后會(huì)發(fā)生破壞事故,這是巖石力學(xué)現(xiàn)代理論、濾光技術(shù)和讀寫存儲(chǔ)技術(shù)較重大的發(fā)展,是現(xiàn)代巖土工程理論在大壩設(shè)計(jì)中的運(yùn)用。事故數(shù)據(jù)庫中收集的資料顯示,大壩事故率高峰出現(xiàn)在某些建設(shè)時(shí)期,部分原因是由于在那些特定年代里修建了大量特定壩型大壩的緣故。隨后,大壩事故量減少,是由于在大壩設(shè)計(jì)和采用的施工技術(shù)方面取得了進(jìn)步;也是由于自20世紀(jì)60 ～70年代建壩高峰期以后,修建大壩的數(shù)量減少的原因;或者說,后來修建的大壩的老化期還未到來。

按照建壩時(shí)間,繪制了超出給定壩齡發(fā)生滲漏/管涌事故的比率圖,并且更詳細(xì)地研究了與土石壩滲漏有關(guān)的事故關(guān)聯(lián)性。按照建壩時(shí)間對(duì)大壩進(jìn)行了分組,具體可分為:

(1)1900年以前修建的大壩;

(2)1900～1950年修建的大壩;

(3)1950～1975年修建的大壩。

1900～1950年和1950～1975年修建的大壩中,共計(jì)有65座大壩發(fā)生事故;1900年以前修建的大壩中,有26座大壩發(fā)生事故。

為了說明自然環(huán)境對(duì)新老大壩運(yùn)行狀態(tài)產(chǎn)生影響的差異,剔除了前5 a運(yùn)行期內(nèi)發(fā)生事故和運(yùn)行時(shí)間超過45 a的大壩資料,這樣可以比較全面地了解5～45 a時(shí)間跨度內(nèi)大壩的運(yùn)行狀況。

數(shù)據(jù)顯示,修建于1900 ～1950年間的老土壩和1950年以后修建的大壩在事故發(fā)生率方面沒有實(shí)質(zhì)性的差別。但是修建于1900年以前的大壩的相關(guān)數(shù)據(jù)竟然顯示,一旦度過了投運(yùn)之后最初的5 a運(yùn)行期,這些較早修建的大壩發(fā)生事故的概率要大于在其以后所建大壩發(fā)生事故的概率,特別是壩齡為5～10 a的大壩。壩齡超過10 a以后,老壩發(fā)生事故的概率仍舊比在其以后修建的任何一類大壩發(fā)生事故的概率都要高。

陳 謙 編譯自美刊 《水電評(píng)論》2010年第6期

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2011-07-18