顧沖時，蘇懷智

(1.河海大學水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，江蘇南京 210098;2.河海大學水利水電學院，江蘇南京 210098)

1949年新中國成立以來，我國修建了數(shù)量眾多的混凝土壩，尤其是近年來在金沙江、雅礱江和瀾滄江等河流上修建了一批混凝土高壩。與其他工程結(jié)構(gòu)物不同，混凝土壩不僅要承受各種動、靜循環(huán)荷載及各種突發(fā)性災害的作用，還要承受來自惡劣環(huán)境的侵蝕與腐蝕、材料性能劣化等的組合影響;另外，混凝土壩建設(shè)投資巨大，社會影響面廣，而且在漫長的服役過程中逐漸與周圍環(huán)境達到了一種新的平衡，其退役和拆除需要特別慎重。朱伯芳院士認為，優(yōu)質(zhì)實體混凝土壩可以長期服役，在采取必要的技術(shù)措施后甚至能夠超長期服役［1］。美國胡佛大壩建成于1936年，至今已健康運行近80年，一定程度上佐證了混凝土壩的長效服役能力。

混凝土壩在長期服役過程中，發(fā)揮巨大工程效益的同時，也存在一定的風險，特別是一旦潰決失事，不僅大壩損毀，還會給下游帶來嚴重災害。1928年，美國St.Francis重力壩潰決失事，造成400余人死亡;1959年，法國Malpasset拱壩潰決失事，造成500多人死亡和失蹤，財產(chǎn)損失約300億法郎。因此，全面了解混凝土壩存在的風險并對其進行評定，不僅有利于大壩安全管理工作的開展，也有利于混凝土壩長效服役的實現(xiàn)。本文旨在介紹混凝土壩長效服役和風險評定的研究現(xiàn)狀，并對今后的發(fā)展提出一些建議。

1 我國混凝土壩工程建設(shè)與安全現(xiàn)狀

從20世紀50年代開始，我國開工建設(shè)了幾乎所有類型的混凝土壩，如重力壩、拱壩、連拱壩、大頭壩、平板壩等，至20世紀70年代末，混凝土壩是這一時期高壩建設(shè)的重點，代表性工程有劉家峽重力壩、響洪甸拱壩、佛子嶺連拱壩、新豐江大頭壩、湖南鎮(zhèn)梯形壩等。1978年改革開放以來，通過引進和吸收國外先進技術(shù)和經(jīng)驗，并在工程實踐中不斷創(chuàng)新，我國的壩工技術(shù)取得了長足的進步。這一時期，混凝土壩在高壩建設(shè)中仍占據(jù)重要地位，1978—2011年間，已建、在建100 m以上大壩共164座，其中重力壩13座，拱壩24座，碾壓混凝土重力壩26座，碾壓混凝土拱壩16座［2］。在重力壩建設(shè)方面，三峽水利樞紐工程的裝機容量、金屬結(jié)構(gòu)、大壩混凝土總方量均位居世界第一，并且在建設(shè)過程中解決了混凝土高強度澆筑與溫控、巖體高邊坡開挖穩(wěn)定等技術(shù)難題，極大地推動了我國重力壩技術(shù)的發(fā)展。在拱壩建設(shè)方面，溪洛渡雙曲拱壩(285.5 m)、小灣雙曲拱壩(294.5m)和錦屏一級雙曲拱壩(305m)的高度均超過了格魯吉亞的英古里拱壩(271.5m)，標志著我國高拱壩技術(shù)已達到世界先進水平，拱壩建設(shè)邁入了300 m級階段。

碾壓混凝土壩以干硬性混凝土為主要筑壩材料，采用振動碾分層壓實修筑而成，具有水泥用量少、施工工藝簡單、施工速度快、造價低等特點［3］。我國從20世紀80年代開始研究和建設(shè)碾壓混凝土壩，并于1986年建成坑口碾壓混凝土重力壩。經(jīng)過30多年的探索和實踐，我國碾壓混凝土筑壩技術(shù)已達到世界先進水平，筑壩數(shù)量和高度不斷增長，已建成的碾壓混凝土高重力壩有光照壩(200.5m)、龍灘壩(一期192 m)、官地壩(168 m)等，碾壓混凝土高拱壩有云龍河三級壩(135 m)、大花水壩(134.5 m)等。目前，碾壓混凝土壩在混凝土壩中所占比例越來越大。

經(jīng)過60多年的工程實踐，我國在混凝土壩建設(shè)方面積累了豐富的經(jīng)驗，成功解決了一系列復雜的技術(shù)難題，已建混凝土壩數(shù)量、高度、規(guī)模等均居世界前列。但20世紀50—70年代修建的混凝土壩，由于水文系列資料短缺、設(shè)計和施工技術(shù)落后等原因，部分混凝土壩存在防洪標準低、工程質(zhì)量差等問題，加上管理維護不善，隨著服役時間的增長，不少混凝土壩出現(xiàn)嚴重安全隱患，成為病險大壩。1978年以后，我國混凝土壩施工技術(shù)迅速發(fā)展，混凝土壩工程質(zhì)量普遍提高，而且在服役過程中重視管理維護，總體安全狀況大有好轉(zhuǎn)，但也有少量混凝土壩存在一定的安全隱患。總的來說，混凝土壩主要存在以下安全問題［4-5］:

a．防洪安全問題。產(chǎn)生防洪安全問題的原因主要有兩個:一是建壩時水文系列資料短缺或未按規(guī)范設(shè)計等原因，造成原防洪標準偏低;二是由于泄洪建筑物存在安全隱患或下游河道設(shè)障等原因，洪水不能正常下泄。雖然混凝土壩能夠承受漫壩洪水，但也存在漫頂破壞的可能性。

b．混凝土劣化問題。凍融、碳化、堿集料反應(yīng)等破壞作用會導致混凝土性能降低，出現(xiàn)開裂、剝落等現(xiàn)象，降低結(jié)構(gòu)承載能力，甚至會威脅混凝土壩安全。如豐滿、云峰等大壩長期遭受凍融破壞，混凝土大面積破壞;新安江、古田溪一級等大壩碳化現(xiàn)象嚴重，碳化深度較大。

c．裂縫問題。裂縫產(chǎn)生的原因很多，如混凝土性能差、溫控措施不當、大壩結(jié)構(gòu)不合理、凍融破壞、堿集料反應(yīng)等。裂縫問題和混凝土劣化問題是相互促進的關(guān)系?；炷翂瘟芽p問題非常普遍，比如陳村拱壩和佛子嶺連拱壩均出現(xiàn)了不同程度的裂縫問題。

d．基礎(chǔ)地質(zhì)問題。由于勘探不到位或基礎(chǔ)處理不全面、不徹底，部分混凝土壩基礎(chǔ)存在地質(zhì)問題，比如葛洲壩、新安江等大壩基礎(chǔ)中存在軟弱夾層。

e．抗震安全問題。目前西部強地震區(qū)已建或在建數(shù)座300 m級高拱壩，這些高壩存在一定的震害風險。此外，20世紀50—70年代建設(shè)的一些混凝土壩的抗震安全問題也應(yīng)予以重視。

f．安全管理問題。安全管理問題在小型水利工程中尤為突出，主要表現(xiàn)為專職管理人員、專業(yè)技術(shù)人員缺乏，水文監(jiān)測、大壩監(jiān)測設(shè)施陳舊落后或根本沒有等。

綜上所述，混凝土壩長效服役的影響因素和演化過程非常復雜，既受到施工質(zhì)量、運行管理等影響，又受到人類活動與環(huán)境因素等影響，其相互之間存在復雜的互饋和綜合作用。因此，混凝土壩長效服役與風險評定研究是一個多學科交叉和多研究手段綜合的復雜課題，涉及材料、大壩隱患病害、施工質(zhì)量和安全管理模式等相互關(guān)聯(lián)的多方面問題?；炷敛牧闲阅艿臅r變演化和大壩的隱患病害關(guān)系著混凝土壩的安全性和服役壽命，優(yōu)良的施工質(zhì)量是混凝土壩長效服役的基礎(chǔ)，而先進的安全管理模式有助于減小大壩風險，延長大壩服役壽命。

2 混凝土壩材料性能演化規(guī)律及阻傷措施

混凝土作為混凝土壩最主要的筑壩材料，其材料性能的劣化是導致混凝土壩服役性能降低的內(nèi)在因素，也會直接影響混凝土壩的服役壽命?；炷潦蔷哂袕碗s結(jié)構(gòu)的復合材料，其在服役過程中不僅要承受各種荷載作用，也要承受復雜的環(huán)境作用，諸多因素之間交互作用，材料性能演化規(guī)律十分復雜［6］。影響混凝土材料性能演化的因素很多，如凍融破壞、碳化、硫酸鹽侵蝕、堿集料反應(yīng)和力學破壞等。

混凝土因內(nèi)部孔隙水的凍融循環(huán)產(chǎn)生的破壞稱為凍融破壞。北方寒冷地區(qū)的水工混凝土建筑物常常會遭受凍融破壞，尤其是大壩水位變化區(qū)、溢流面、泄水霧化濺水區(qū)等部位。由于混凝土凍融破壞的復雜性，目前還沒有能夠完全揭示其內(nèi)部破壞機理的理論，普遍接受的有靜水壓理論和滲透壓理論。靜水壓理論認為，毛細孔中的水結(jié)冰時，體積膨脹產(chǎn)生靜水壓力，導致混凝土發(fā)生破壞［7-8］。滲透壓理論認為，在溫度降低時，孔徑較大的毛細孔中的水首先開始結(jié)冰，使得溶液濃度增大，而孔徑較小的毛細孔和凝膠孔中的水并不結(jié)冰，溶液之間出現(xiàn)濃度差，水從小孔向大孔遷移和重分布，從而產(chǎn)生滲透壓，引起混凝土破壞［9］。我國在凍融破壞機理方面的研究相對較少，多是從實驗和假設(shè)出發(fā)，以質(zhì)量損失、孔體積和孔徑分布的變化和宏觀力學參數(shù)(抗壓強度、彈性模量等)為判斷依據(jù)來研究混凝土的抗凍性［10-11］。實際工程中可以通過選擇合適品種水泥、使用優(yōu)質(zhì)骨料、降低水灰比、摻入外加劑、嚴格控制施工質(zhì)量等措施提高混凝土抗凍性。

碳化是指空氣中的CO2通過孔隙和裂縫向混凝土內(nèi)部擴散，并與堿性物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，使得混凝土堿性下降的復雜物理化學過程［12-13］。碳化雖然能夠降低混凝土孔隙率，提高密實度和強度，但是會使鋼筋容易銹蝕，引起混凝土開裂，甚至剝落。目前，在碳化機理已經(jīng)較為明晰的情況下，國內(nèi)外學者在碳化深度預測和影響因素等方面進行了較多的研究。影響混凝土碳化的因素眾多，主要包括材料因素(水泥品種、水灰比、摻和料及外加劑等)、環(huán)境因素(相對濕度、溫度、應(yīng)力及二氧化碳濃度等)和混凝土施工質(zhì)量［12］?；炷撂蓟课豢梢圆捎帽樯皾{、環(huán)氧厚漿涂料、硅粉砂漿等材料進行處理。

硫酸鹽侵蝕的破壞作用可以概括為:SO24-與水泥水化物發(fā)生反應(yīng)，生成鈣礬石、石膏等產(chǎn)物，這些產(chǎn)物吸水膨脹導致混凝土破壞;pH值降低引起C-S-H凝膠解體，降低混凝土強度和黏結(jié)性能［14］。硫酸鹽侵蝕破壞機理非常復雜，現(xiàn)有研究仍無法完全對其進行解釋，一些理論仍存在爭議，比如混凝土硫酸鹽結(jié)晶破壞理論［15］。混凝土材料自身性質(zhì)和外部環(huán)境都會影響硫酸鹽侵蝕的嚴重程度，比如水泥品種、密實度、SO24-濃度、溶液pH值等。實際工程中可以通過合理設(shè)計混凝土材料、提高混凝土密實度以及設(shè)置保護層等措施提高混凝土抗硫酸鹽侵蝕能力。

堿集料反應(yīng)是指混凝土中的堿性物質(zhì)與集料中的活性成分之間發(fā)生化學反應(yīng)，生成物吸水膨脹從而導致混凝土開裂的復雜過程［16］。裂縫的產(chǎn)生又加劇了其他物理或化學不利因素的破壞作用，極大地降低混凝土結(jié)構(gòu)的強度和工程壽命。堿集料反應(yīng)具有滯后性，在混凝土結(jié)構(gòu)建成之后才會發(fā)生，并且一旦發(fā)生很難阻止和修復，常被稱為混凝土的“癌癥”。一般來說，實際工程中可以采用限制混凝土含堿量、合理選用集料、摻入引氣劑等措施預防和抑制堿集料反應(yīng)［16-17］。

水工混凝土材料性能的演化是多種力學因素和環(huán)境因素耦合作用的結(jié)果。這些力學因素和環(huán)境因素并非簡單疊加在一起，因素之間也相互影響，若只考慮單一因素來研究水工混凝土材料性能演化規(guī)律顯然不符合實際情況。目前，混凝土材料性能演化規(guī)律的研究大多針對單一破壞因素，多因素耦合作用的研究相對較少，部分學者開展了此方面的研究工作，比如Nguyen［18-19］等通過試驗研究了鈣離子析出和力學破壞作用下混凝土材料性能的變化規(guī)律，并建立了化學-力學耦合模型;于琦等［20］基于Papadakis碳化模型和數(shù)值分析技術(shù)，研究了凍融環(huán)境對混凝土碳化的影響，建立了碳化深度預測模型。此外，常通過試驗手段來獲得混凝土材料性能演化規(guī)律，而GB/T50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》只針對單一破壞因素，沒有多因素耦合作用的試驗標準，這給研究帶來了一定的困難。

3 混凝土壩隱患病害監(jiān)測、檢測與診斷

凍融、碳化、溫度疲勞、溶蝕、裂縫等破壞因素的單獨作用或共同作用，會導致混凝土材料性能劣化、大壩強度和穩(wěn)定性下降、壩體與基礎(chǔ)防滲能力降低等諸多問題的出現(xiàn)。為了解混凝土壩的安全運行狀態(tài)，常將巡視檢查、原位監(jiān)測與現(xiàn)場檢測相結(jié)合，通過對所得信息與資料進行分析，來監(jiān)控和診斷大壩安全狀況。

3.1 混凝土壩隱患病害監(jiān)測與檢測技術(shù)

3.1.1 原位監(jiān)測技術(shù)

混凝土壩原位監(jiān)測是指在壩體和基礎(chǔ)內(nèi)埋設(shè)各種監(jiān)測儀器，比如應(yīng)力計、應(yīng)變計、溫度計、滲壓計、引張線儀等，通過定期或?qū)崟r監(jiān)測的方式獲得埋設(shè)部位的應(yīng)力應(yīng)變、溫度、滲流、變形等監(jiān)測資料［21］。國外在19世紀末20世紀初即開始對混凝土壩位移、溫度、揚壓力等進行觀測，但早期對大壩進行觀測主要是為了檢驗并改進壩工設(shè)計理論和方法。20世紀中葉國外相繼發(fā)生潰壩事故，引起了人們對大壩安全的重視，原位監(jiān)測作為保障大壩安全的重要手段得到了迅速發(fā)展，一大批新型監(jiān)測儀器被用于原位監(jiān)測，同時自動化監(jiān)測系統(tǒng)開始出現(xiàn)并不斷得到完善。我國從20世紀50年代才開始混凝土壩原位監(jiān)測技術(shù)的研究和應(yīng)用，早期主要以引進國外監(jiān)測技術(shù)為主，并在實踐中加以改進。1978年改革開放之后，國家投入了大量資金用于水利水電工程大壩建設(shè)，也帶動了原位監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展。

混凝土壩原位監(jiān)測需要使用大量傳感器，目前以差動電阻式、差動電容式、振弦式、步進馬達式等傳統(tǒng)傳感器為主。智能傳感器在傳統(tǒng)傳感器的基礎(chǔ)上加入微處理器模塊，提高了傳感器的精度和可靠性，是傳感器技術(shù)未來的發(fā)展方向。光纖傳感器是近年來發(fā)展起來的一種新型傳感器，可用于監(jiān)測大壩位移、溫度、滲流、裂縫等，但光纖傳感器在實際水利工程中的應(yīng)用還不是很多。GPS技術(shù)在20世紀90年代被用于大壩變形監(jiān)測，雖然因部分混凝土壩處于高山峽谷地區(qū)而受到一定限制，但在隔河巖大壩、石門子水庫大壩等工程中也得到了成功應(yīng)用。

3.1.2 現(xiàn)場檢測技術(shù)

原位監(jiān)測可以獲得儀器埋設(shè)部位所測物理量的變化規(guī)律，但是隱患病害不一定出現(xiàn)在監(jiān)測儀器埋設(shè)的部位，而且監(jiān)測儀器也可能會出現(xiàn)使用壽命終結(jié)的情況。應(yīng)將原位監(jiān)測與以無損探測為主的現(xiàn)場檢測技術(shù)配合使用。國外從20世紀70年代開始研究大壩隱患病害現(xiàn)場檢測技術(shù)，如意大利模型與結(jié)構(gòu)研究所(ISMES)將聲波層析方法用于大壩的安全檢查，日本曾用聲波層析方法對豐滿大壩進行檢測［22］。我國這方面的研究工作始于20世紀80年代，目前也已取得了較大的進展。

可用于混凝土結(jié)構(gòu)無損檢測的方法很多［23-26］，比如回彈法、超聲波法、沖擊回波法、射線法、聲發(fā)射法、電磁法、雷達法等;在滲漏檢測方面，有同位素示蹤法、水下攝像法、自然電場法、溫度場法等。雖然無損檢測方法很多，但是混凝土壩因其幾何尺寸等原因，有些檢測方法在現(xiàn)場檢測時并不合適，應(yīng)對這些方法的適用性進行研究，比如吳中如等［21］研究了重大水工混凝土結(jié)構(gòu)隱患病害的瑞利波法檢測、超聲波法檢測以及CT檢測的原理與資料分析方法，并探研了滲漏隱患的示蹤法檢測技術(shù)、水質(zhì)分析法檢測技術(shù)和水下攝像法檢測技術(shù);熊永紅等［27］將脈沖回波法引入到三峽工程，進行了現(xiàn)場測試;此外，SL713—2015《水工混凝土結(jié)構(gòu)缺陷檢測技術(shù)規(guī)程》也對水工混凝土結(jié)構(gòu)不同檢測項目及方法提出了建議和要求，主要檢測項目有混凝土強度檢測、內(nèi)部缺陷檢測、裂縫深度檢測、結(jié)構(gòu)厚度檢測、鋼筋分布及銹蝕檢測、水下缺陷與滲漏檢測等。

3.2 混凝土壩隱患病害診斷模型和方法

通過巡視檢查、原位監(jiān)測和現(xiàn)場檢測可以獲得混凝土壩隱患病害的信息和資料，然后借助工程經(jīng)驗、監(jiān)控模型、數(shù)值分析等方法實現(xiàn)對混凝土壩隱患病害的診斷。監(jiān)控模型診斷方法主要通過對大壩實測資料進行分析，建立數(shù)學監(jiān)控模型，同時對模型中的各個分量進行物理解釋，以了解大壩的工作性態(tài)，診斷分析異常狀況［21，28］。

國外開展監(jiān)控模型研究較早，20世紀50年代就已開始用統(tǒng)計回歸方法定量分析大壩變形觀測資料。1956年，Tonini［29］將水壓分量、溫度分量和時效分量作為影響大壩的主要自變量。1977年，Bonaldi等［30］提出了混凝土壩變形監(jiān)控的確定性模型和混合模型。我國在監(jiān)控模型研究方面起步較晚。20世紀70年代，陳久宇等［31］率先使用統(tǒng)計回歸方法分析原型觀測資料，為我國監(jiān)控模型研究奠定了基礎(chǔ)。吳中如等［32-33］系統(tǒng)研究了混凝土壩安全監(jiān)控的統(tǒng)計模型、確定性模型和混合模型，建立了大壩與壩基安全監(jiān)控模型體系，并在實際應(yīng)用中取得了滿意的效果。近年來，模糊數(shù)學、灰色理論、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、小波分析、遺傳算法、混沌理論等理論和方法被應(yīng)用于監(jiān)控模型研究，許多新型模型不斷出現(xiàn)［34-35］。目前，統(tǒng)計模型、確定性模型和混合模型仍然是混凝土壩最常用的監(jiān)控模型，但對于碾壓混凝土壩，需要考慮其施工特點對大壩工作性態(tài)的影響。此外，庫區(qū)和壩區(qū)的巖土體滑坡會影響大壩安全，所以也需要合適的監(jiān)控模型對其進行分析評價。

4 混凝土壩施工質(zhì)量控制

優(yōu)良的施工質(zhì)量是混凝土壩長效服役的基礎(chǔ)?；炷翂问┕すば驈碗s，從開始施工至建成要經(jīng)歷基礎(chǔ)開挖及處理，混凝土制備、運輸、澆筑與養(yǎng)護，壩體缺陷處理等多道工序，施工質(zhì)量控制應(yīng)貫穿整個施工過程和各道工序。

混凝土壩的基礎(chǔ)應(yīng)具有足夠的強度、穩(wěn)定性以及抗?jié)B能力?；A(chǔ)開挖的深度和形狀應(yīng)根據(jù)大壩對基礎(chǔ)的要求以及基礎(chǔ)的地形、地質(zhì)條件分析確定，并在澆筑前進行徹底的清理?；炷翂位A(chǔ)處理措施有很多，比如灌漿、開挖置換、預應(yīng)力錨固等。因每個工程情況不同，應(yīng)根據(jù)實際情況設(shè)計地基處理方案，如向家壩水電站從建基面選擇、滲控體系、基礎(chǔ)加固處理3個方面設(shè)計地基處理方案［36］;李家峽大壩綜合利用開挖置換、高壓固結(jié)灌漿、預應(yīng)力錨索加固、設(shè)置完善的排水系統(tǒng)等措施對復雜地基進行處理［37］。

混凝土是混凝土壩的主要筑壩材料，其材料性能在很大程度上決定了大壩的工程質(zhì)量?；炷猎牧蠌牟少?生產(chǎn))、存儲到加工都要滿足規(guī)范和設(shè)計要求，然后按照配合比進行拌和?；炷翂尾煌课粚炷敛牧闲阅艿囊笠灿兴顒e，應(yīng)根據(jù)澆筑部位的工作條件和原材料品質(zhì)，由室內(nèi)試驗和現(xiàn)場試驗確定最優(yōu)配合比。混凝土制備完成后，應(yīng)及時運輸?shù)浆F(xiàn)場進行澆筑，并避免在運輸過程中出現(xiàn)骨料分離、嚴重泌水等現(xiàn)象。因為混凝土壩施工強度高，混凝土用量大，且存在多種混凝土同時運輸?shù)那闆r，一個合理高效的混凝土運輸方案是非常必要的。三峽水電站為避免錯料等質(zhì)量事故發(fā)生，提高運輸效率和拌和系統(tǒng)生產(chǎn)能力，采用計算機運輸條碼識別系統(tǒng)指揮混凝土運輸［38］。鐘桂良等［39］借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和計算機技術(shù)，研究了混凝土運輸過程智能控制技術(shù)，并在某300 m級高拱壩施工中進行了可行性驗證。在混凝土壩施工過程中，對材料運輸過程進行智能控制是當前研究和應(yīng)用的熱點。

混凝土澆筑與養(yǎng)護是壩體成型的重要環(huán)節(jié)，既要滿足施工進度要求，又要保證壩體澆筑質(zhì)量達到規(guī)范和設(shè)計要求，質(zhì)量控制難度較大。眾所周知，混凝土壩容易產(chǎn)生溫度裂縫，需要采取必要的溫控措施，比如埋設(shè)冷卻水管、薄層澆筑等。過去，混凝土溫度多是依靠人工進行控制，有時候溫控效果并不理想。潘鎮(zhèn)濤等［40］為了減少溫度控制過程中人為因素的影響，利用模糊控制理論建立了模糊溫控系統(tǒng)，對大體積混凝土溫度進行控制，以避免混凝土開裂。段云嶺等［41］利用分布式光纖溫度測量系統(tǒng)測量混凝土內(nèi)部溫度，實現(xiàn)了溫度仿真程序標定，以便確定合適的溫控措施。林鵬等［42］針對人工通水冷卻的弊端，建立了通水冷卻智能溫度控制系統(tǒng)，并在溪洛渡拱壩建設(shè)中得到了應(yīng)用。目前，混凝土溫度控制方法有由人工控制向智能控制轉(zhuǎn)變的趨勢。

由上述可知，混凝土壩施工過程中任一環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，都會對施工質(zhì)量產(chǎn)生不利影響。由于國外在建高混凝土壩較少，混凝土壩施工質(zhì)量控制方面的研究成果很少。近年來，國內(nèi)學者在混凝土壩施工質(zhì)量實時控制方面進行了大量的研究，并取得了豐富的成果，如Zhong等［43］考慮高拱壩施工過程中各種復雜的約束條件，研制開發(fā)了施工質(zhì)量與進度實時控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了施工過程的實時監(jiān)測與反饋控制;吳斌平等［44］基于GPS技術(shù)和RTK技術(shù)，建立了針對澆筑碾壓施工的質(zhì)量實時監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了對壓實質(zhì)量參數(shù)的有效控制。目前，這些研究成果已在錦屏一級拱壩、龍開口碾壓混凝土壩、官地碾壓混凝土壩等工程中得到了應(yīng)用，有力地保障了混凝土壩的施工質(zhì)量。

5 混凝土壩風險管理與評定

5.1 混凝土壩風險管理

目前，混凝土壩安全管理模式正由傳統(tǒng)的工程安全管理向風險管理轉(zhuǎn)變，以期實現(xiàn)大壩工程安全和下游公共安全的統(tǒng)籌考慮，提高混凝土壩安全管理水平。風險管理技術(shù)起源于美國，美國也最早將其應(yīng)用于水利工程領(lǐng)域。1976年Teton壩和1977年Kelly Barnes壩的相繼失事，使美國各界開始關(guān)注大壩的安全問題，推動了風險管理技術(shù)在大壩安全管理領(lǐng)域的研究與應(yīng)用。隨后，美國陸軍工程師團、美國墾務(wù)局等機構(gòu)和組織均制定了各自的風險管理辦法，對所管轄大壩進行安全管理。20世紀90年代，加拿大BC Hydro公司率先將風險分析技術(shù)引入大壩安全管理工作中，并為許多國家組織了大壩安全管理培訓［45］。澳大利亞在大壩風險管理方面亦處于世界先進水平，頒布了《大壩安全管理指南》、《大壩潰決后果評價指南》等多部指南［46-47］。2000年9月，“風險分析在大壩安全決策和管理中的應(yīng)用”成為了第20屆國際大壩會議的議題，標志著以風險分析為基礎(chǔ)的大壩風險管理技術(shù)受到了廣泛的關(guān)注和認可。目前，美國、加拿大和澳大利亞等國都已建立了比較完整的大壩風險管理體系，主要包括風險標準的建立、風險確認、風險評估和風險處理等內(nèi)容，能夠?qū)Υ髩未嬖诘娘L險進行全過程性管理［48］。我國開展大壩風險管理研究較晚，但也取得了一定的進展。

風險標準的制定需要綜合考慮經(jīng)濟發(fā)展情況、社會價值觀、法律體制等多方面因素，我國目前沒有統(tǒng)一的風險標準，但一些學者在這方面進行了積極的探索，如宋敬衖等［49］考慮我國東西部地區(qū)人口分布、經(jīng)濟發(fā)展水平的差異，提出了生命風險的區(qū)域劃分標準;彭雪輝等［50］在分析國外主要風險標準的基礎(chǔ)上，根據(jù)我國水庫潰壩資料，提出了個體生命風險標準、群體生命風險標準、經(jīng)濟風險標準和社會與環(huán)境風險標準;李宗坤等［51］將大壩風險標準與現(xiàn)行安全標準有效銜接，構(gòu)建了包括生命風險標準和經(jīng)濟風險標準的大壩風險標準體系。

風險評估主要通過計算潰壩概率和潰壩后果來對風險進行分析，然后將分析結(jié)果與風險標準進行比較，判斷風險是否可以接受。風險評估需要研究的技術(shù)要點很多，主要有潰壩模式研究、潰壩洪水研究、潰壩概率估算方法研究以及潰壩后果評價方法研究?；炷翂卧诜圻^程中可能遭受洪水、地震等各種不利因素作用，并且其本身也可能存在薄弱環(huán)節(jié)，導致大壩存在潰決失事的可能，潰壩模式研究就是為了分析大壩潰壩失事的模式與路徑?；炷翂螇沃诽幍暮樗嬎阆鄬Ρ容^簡單，難點在于潰壩洪水演進分析。潰壩洪水演進分析的方法有簡化分析法、經(jīng)驗公式法、數(shù)學模型法等，在實際應(yīng)用時可以根據(jù)具體情況選擇合適的分析方法［52］。

在對風險進行評估之后，應(yīng)根據(jù)評估結(jié)果選擇合適的方案處理風險。我國以前主要采用工程措施處理風險，但目前已經(jīng)認識到非工程措施在風險處理中的重要作用，如加強安全監(jiān)控、編制應(yīng)急預案、將水庫降等退役等。在采用工程措施對混凝土壩進行補強加固時，需要首先解決2個核心問題，即哪些缺陷需要優(yōu)先補強加固以及應(yīng)該選擇哪種補強加固方案。針對這2個問題，一些學者開展了相關(guān)的研究工作，并提出了解決辦法，如嚴祖文等［53］指出可以通過FMECA法對大壩風險要素進行排序，確定大壩的主要風險因素，并分別利用事件樹法、層次分析法、風險分析方法確定最優(yōu)的除險加固方案;蔡守華等［54］基于AHP法和TOPSIS法，建立了除險加固方案優(yōu)選模型。

在大壩風險管理法規(guī)標準建設(shè)方面，2007年以來水利部先后頒布了《水庫大壩安全管理應(yīng)急預案編制導則(試行)》、SL483—2010《洪水風險圖編制導則》、SL164—2010《潰壩洪水模擬技術(shù)規(guī)程》、SL602—2013《防洪風險評價導則》，以及組織編制了《水庫大壩風險評估導則(征求意見稿)》［55］。

除上述內(nèi)容外，大壩風險管理還有其他一些關(guān)鍵技術(shù)需要深入研究，如洪水安全利用技術(shù)、除險加固效果評價技術(shù)等［48，56］。

5.2 潰壩概率分析

潰壩概率分析首先要識別風險要素，明確有哪些風險要素可能會導致大壩失事，然后確定潰壩模式與潰壩路徑，一般使用FMEA法或FMECA法，最后計算潰壩概率。在識別風險要素、確定潰壩模式與潰壩路徑時，可以參考國內(nèi)外風險評估導則和已有潰壩案例。潰壩概率分析的重點和難點在于潰壩概率的計算，常見的潰壩概率估算方法有歷史資料統(tǒng)計法、專家經(jīng)驗法、事件樹法和可靠度方法等。

歷史資料統(tǒng)計法是指通過對歷史資料中記載的相似事件進行統(tǒng)計分析，來確定某一事件的發(fā)生概率。歷史資料統(tǒng)計法沒有考慮大壩實際情況的差異、筑壩技術(shù)和安全管理手段的進步等因素對潰壩概率的影響，有時候計算出的概率會有較大偏差。專家經(jīng)驗法一般借助定性描述和定量概率轉(zhuǎn)換表，將專家依靠其豐富經(jīng)驗作出的定性判斷轉(zhuǎn)換為定量概率，如李雷等［52］結(jié)合我國具體情況和國外經(jīng)驗，建立了定性描述與概率對應(yīng)表。歷史資料統(tǒng)計法和專家經(jīng)驗法一般只用于潰壩概率的初步分析。

事件樹法可以用來計算混凝土壩的潰壩概率。它一般以可能導致潰壩失事的荷載作為初始事件，用樹形圖表示荷載與潰壩失事之間的邏輯關(guān)系，逐步分析并確定各分支事件的發(fā)生概率，最后計算得到大壩的潰壩概率。事件樹中各分支事件的發(fā)生概率可以通過歷史資料統(tǒng)計法、專家經(jīng)驗法、可靠度方法以及故障樹法確定。事件樹法在確定潰壩概率過程中受人為因素影響較大，目前在混凝土壩中應(yīng)用不多［57-58］。

混凝土壩因其本身和所處環(huán)境的變異性以及人們認知的局限性，不確定性因素大量存在，如庫水位、地震、壩基和壩肩地質(zhì)條件等。不確定性因素是風險產(chǎn)生的根源?？煽慷确椒紤]了因素的不確定性對潰壩概率的影響，能夠比較真實地反映混凝土壩的安全狀況。理論上講，所有可靠度計算方法均可被用于計算潰壩概率，如直接積分法、JC法、蒙特卡羅法、響應(yīng)面法、隨機有限元法等。目前，潰壩概率分析的可靠度方法大致分為傳統(tǒng)可靠度方法和非概率可靠度方法兩類。傳統(tǒng)可靠度方法基于常規(guī)可靠性理論和模糊可靠性理論，可用于計算大壩洪水漫頂破壞概率、失穩(wěn)破壞概率、滲透破壞概率、強度破壞概率等，不同的壩型側(cè)重點也有所不同［59］。對于混凝土壩，傳統(tǒng)可靠度方法的研究和應(yīng)用主要集中在強度破壞、失穩(wěn)破壞等方面，如吳世偉等［60］采用三維隨機有限元法計算拱壩的點可靠度，研究了開裂深度與可靠度的關(guān)系以及拱壩體系的失效概率;封伯昊等［61］引入損傷邊界面概念，綜合利用響應(yīng)面法和有限元分析法，在強度可靠度范疇內(nèi)對混凝土壩進行可靠度分析;朱建明等［62］利用Rosenbleuth法計算可靠度指標，并結(jié)合安全系數(shù)進行重力壩深層抗滑穩(wěn)定分析;彭慧慧等［63］提出了重力壩壩體失穩(wěn)風險標準，建立了模糊風險分析模型并對其進行求解，然后結(jié)合風險標準對大壩安全進行評估;張社榮等［64］分析了碾壓混凝土重力壩的潛在抗滑失效路徑，并計算了地震作用下層間抗滑穩(wěn)定體系的動力可靠度。

傳統(tǒng)可靠度方法用概率論和模糊理論描述不確定性，需要較多數(shù)據(jù)，而且概率模型比較小的誤差就可能導致計算出的潰壩概率出現(xiàn)較大的偏差［65］。在影響大壩的不確定性因素中，受試驗或監(jiān)測條件的限制，有些因素的數(shù)據(jù)是非常缺乏的，限制了傳統(tǒng)可靠度方法的應(yīng)用范圍。而基于區(qū)間模型和凸集模型的非概率可靠度方法對數(shù)據(jù)要求較低，只需知道不確定參數(shù)的界限即可，具有更好的適用性。但是，非概率可靠度方法在混凝土壩潰壩概率分析中只見少量報道，如張勇等［65］借助響應(yīng)面法和有限元法，建立了非概率可靠度分析模型，并對小灣高拱壩進行可靠性分析。夏雨等［66］用凸集模型描述不確定性，定義了壩體單元的非概率可靠度指標，并通過搜索所有可能的失效模式來確定拱壩的可靠度。袁慕勇等［67］以碾壓混凝土重力壩為例，建立了非概率可靠度計算模型，分析了重力壩的主要失效模式。

此外，混凝土壩的許多不確定性因素具有時變特性，如混凝土材料性能會隨時間緩慢變化、揚壓力會因排水孔淤積發(fā)生變化等，這種時變特性也會影響混凝土壩的安全。但是，由于時變問題的復雜性，時變可靠度或時變風險率在水工領(lǐng)域研究較少，劉寧等［68］考慮重力壩的隨機溫度場、隨機徐變應(yīng)力場以及混凝土強度的隨機過程特性，提出了時變可靠度計算方法，并對某一重力壩進行了時變可靠度分析;楊志剛［69］在可靠度分析中引入灰色理論和混凝土損傷概念，通過對隨機變量進行時變灰色預報研究重力壩的時變可靠度問題;姜樹海等［70-71］研究了時變效應(yīng)對堤壩滲流風險率和大壩防洪風險率的影響;蘇懷智等［72］綜合利用模糊概率理論和時變效應(yīng)理論，建立了大壩時變風險率計算模型，并給出了基于信息熵理論的時變風險率計算方法。

5.3 潰壩后果評價

全面分析混凝土壩存在的風險，不僅需要確定潰壩概率的大小，還要對潰壩所造成的后果進行評價。潰壩后果評價主要包括生命損失、經(jīng)濟損失、社會與環(huán)境影響三部分。

5.3.1 生命損失評價

潰壩生命損失受眾多因素影響，給其估算帶來了較大困難。李雷等［73］通過研究指出，影響生命損失估算的幾個關(guān)鍵因素分別是風險人口、警報時間、潰壩洪水的嚴重程度以及公眾對潰壩事件嚴重性的理解程度。國外對生命損失非常重視，取得的研究成果也比較多。1988年，Brown等［74］建立了潰壩生命損失與風險人口、警報時間之間的估算關(guān)系式。1993年，Dekay等［75］將潰壩洪水嚴重程度考慮在內(nèi)，建立了包含風險人口、警報時間和潰壩洪水嚴重程度的生命損失估算公式。1999年，Graham［76］將公眾對潰壩事件嚴重性的理解分為模糊和明確2種情況，并考慮警報時間和潰壩洪水嚴重程度，建議了不同情況下潰壩生命損失死亡率的取值大小及范圍。2001年，Reiter［77］在Graham法的基礎(chǔ)上提出了一種更加細化的生命損失估算方法，即Rescdam法。上述幾種方法使用基于潰壩歷史記錄數(shù)據(jù)的經(jīng)驗公式估算生命損失，歷史記錄數(shù)據(jù)是否充足、公式的參數(shù)量化處理是否得當都會影響生命損失估算的準確性［73］。為了更準確地估算生命損失，一些學者將可靠度理論引入到生命損失研究中，并提出了一些估算方法，如Assaf法。我國生命損失研究起步較晚，但也取得了一定的進展，一些新理論和新方法被應(yīng)用到生命損失估算中。周克發(fā)等［78］根據(jù)8座已潰大壩調(diào)研資料，在Graham法的基礎(chǔ)上，用嚴重性程度系數(shù)修正風險人口死亡率，提出了適用于我國的生命損失評價模型。王志軍等［79-80］利用支持向量機、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、GIS等技術(shù)和方法，對潰壩生命損失進行評估。王君等［81］針對我國潰壩資料缺乏的現(xiàn)狀，引入可變模糊集理論，建立了潰壩生命損失預測模型。

5.3.2 經(jīng)濟損失評價

20世紀六七十年代，美國、日本等國即已開始研究洪災損失評估方法，我國從20世紀80年代開始對洪災損失進行研究。經(jīng)過幾十年的研究和發(fā)展，洪災經(jīng)濟損失評估方法已相對比較成熟，可用于計算潰壩經(jīng)濟損失。經(jīng)濟損失包括直接經(jīng)濟損失和間接經(jīng)濟損失兩部分?！端畮齑髩物L險評估導則(征求意見稿)》［55］建議:直接經(jīng)濟損失可采用分類損失率法、單位面積綜合損失法和人均綜合損失法進行計算;間接經(jīng)濟損失可采用系數(shù)折算法和調(diào)查分析法進行計算。雖然潰壩經(jīng)濟損失可以采用洪災經(jīng)濟損失評估方法進行計算，但是潰壩洪水要比一般洪水破壞性更大。針對潰壩洪水的特點，一些學者專門研究了潰壩經(jīng)濟損失估算方法，如施國慶等［82］將潰壩損失分為洪水淹沒損失(包括淹沒直接經(jīng)濟損失、淹沒間接經(jīng)濟損失和淹沒非經(jīng)濟損失)、庫區(qū)塌岸損失和潰壩工程損失三大類，并探討了每種損失的計算方法;杜丙濤等［83］從潰壩后區(qū)域之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系入手，以經(jīng)濟損失為例，研究了損失大小、持續(xù)時間、損失范圍的相關(guān)關(guān)系;王志軍等［84］基于物元模型將潰壩洪水淹沒范圍劃分為不同區(qū)域，并制定了財產(chǎn)損失率建議表，然后對潰壩經(jīng)濟損失進行計算。

5.3.3 社會與環(huán)境影響評價

潰壩對社會與環(huán)境影響涉及面很廣，近年來國內(nèi)一些學者進行了初步研究。王仁鐘等［85］總結(jié)了社會與環(huán)境影響的主要因素，并對其進行量化，提出了社會與環(huán)境影響指數(shù)的確定方法。何曉燕等［86］建立了社會影響、環(huán)境影響的評價指標體系和量化方法，并綜合利用層次分析法和模糊數(shù)學方法對潰壩社會與環(huán)境影響進行評價。周克發(fā)等［87］考慮社會經(jīng)濟發(fā)展對潰壩洪水損失的影響，建立了社會與環(huán)境影響的估算公式，并給出了公式中參數(shù)的取值范圍。張瑩［88］在分析潰壩對環(huán)境、生態(tài)影響的基礎(chǔ)上，利用能值足跡法對環(huán)境損失、生態(tài)損失進行量化，并提出了相應(yīng)的計算方法。

6 發(fā)展趨勢和亟待解決的問題

雖然混凝土壩長效服役和風險評定研究已取得了較多成果，并且部分成果已經(jīng)在實踐中得到應(yīng)用，但仍有不少問題需要進一步探討，特別是以下幾個方面亟待加強研究。

a．目前關(guān)于混凝土材料性能演化規(guī)律的研究所考慮的破壞因素偏少，與混凝土壩實際情況較脫節(jié)，未來需要深入研究多破壞因素耦合作用對混凝土材料性能演化規(guī)律的影響，據(jù)此制定合理措施以保障混凝土壩長效服役。此外，應(yīng)制定并頒布針對多破壞因素耦合作用的混凝土長期性能和耐久性能試驗方法及標準，借以規(guī)范試驗方案設(shè)計，使研究成果更有說服力。

b．通過原位監(jiān)測和現(xiàn)場檢測可以獲得混凝土壩隱患病害的信息和資料，為大壩安全分析提供依據(jù)。但過去對大壩安全狀況進行分析診斷和監(jiān)控，主要采用基于監(jiān)測資料建立監(jiān)控模型等方法，這類方法已不能完全滿足當前高庫大壩安全管理的需要，建立數(shù)字大壩，對大壩進行自動化、智能化監(jiān)控是大壩安全監(jiān)控的發(fā)展趨勢。

c．混凝土壩施工工序復雜，影響施工質(zhì)量的因素眾多，質(zhì)量控制難度大，應(yīng)抓住影響施工質(zhì)量的主要因素和關(guān)鍵環(huán)節(jié)，采取合理措施，保障混凝土壩施工質(zhì)量;還應(yīng)更加重視混凝土壩施工質(zhì)量與進度實時控制研究，以對混凝土壩施工過程進行全方位、全時段監(jiān)控，并加大其在水利工程中的推廣使用。

d．盡管我國大壩風險管理研究已經(jīng)取得了極大的進展，但應(yīng)立足于我國國情并借鑒國外先進經(jīng)驗，盡快建立水庫大壩風險標準;應(yīng)深入開展風險評估實用技術(shù)研究，力求快速、準確地評估大壩風險;應(yīng)高度重視風險處理的非工程措施，并與工程措施結(jié)合使用，以降低大壩風險;應(yīng)盡快建立或完善法規(guī)標準體系，規(guī)范大壩風險管理工作。

e．可靠度方法是計算潰壩概率的有力工具，但目前還不是非常成熟，在復雜潰壩模式下的潰壩概率計算、時變可靠度分析等方面還需要加強研究，常規(guī)可靠性理論、模糊可靠性理論和非概率可靠性理論的組合運用是今后的發(fā)展趨勢。在潰壩后果評價方面，生命損失估算方法、社會與環(huán)境影響評價方法應(yīng)成為今后研究的重點。

7 結(jié)語

混凝土壩長效服役和風險評定研究是一個多學科交叉的復雜課題，研究范圍非常廣泛。筆者僅選擇了幾個比較典型的研究熱點論述其研究現(xiàn)狀，并探討了當前研究存在的問題及未來的發(fā)展趨勢。長效服役和風險評定研究的目的是為了使已建、在建或新建混凝土壩能夠健康安全的長期服役，促進我國經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境建設(shè)，建議在該領(lǐng)域繼續(xù)加強研究，盡快建立并完善混凝土壩長效服役保障與提升的理論和方法體系，以期實現(xiàn)大壩生命早期保障混凝土壩的“活力”，生命中期通過“保健”增強“活力”，生命后期通過“醫(yī)治”延續(xù)“活力”等目標，為推動水工結(jié)構(gòu)工程學科的進一步發(fā)展奠定科學基礎(chǔ)。

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