沈海堯（國家能源局大壩安全監(jiān)察中心，浙江杭州，310014）

運行期混凝土拱壩結(jié)構(gòu)安全性評價方法研究

沈海堯
（國家能源局大壩安全監(jiān)察中心，浙江杭州，310014）

大壩結(jié)構(gòu)安全性評價是水電站大壩安全定期檢查的重要內(nèi)容之一。電力行業(yè)目前尚無明確的運行期混凝土拱壩結(jié)構(gòu)安全性評價方法和評價標(biāo)準(zhǔn)。在回顧總結(jié)國內(nèi)外拱壩失事、損壞情況和近20多年水電站大壩安全定期檢查經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)分析了運行期拱壩結(jié)構(gòu)安全性評價的特點，總結(jié)了國內(nèi)外拱壩安全性評價技術(shù)現(xiàn)狀，研究提出了運行期混凝土拱壩結(jié)構(gòu)安全性評價的實用方法、評價標(biāo)準(zhǔn)和評價時應(yīng)注意的問題。

混凝土拱壩；運行期；安全評價

0　引言

拱壩是水利水電工程攔河壩的重要壩型之一。據(jù)國際大壩委員會1988年統(tǒng)計，全世界壩高超過15 m的拱壩共1 592座，其中我國為753座，占47%。據(jù)中國大壩協(xié)會2002年統(tǒng)計，全國壩高超過30 m的拱壩共607座。隨著二灘、構(gòu)皮灘、拉西瓦、小灣、溪洛渡、錦屏一級等一批特高拱壩的陸續(xù)建成，我國無論從數(shù)量上還是規(guī)模上都已成了名副其實的拱壩大國。

拱壩以節(jié)省筑壩材料工程量著稱。與同屬混凝土壩的重力壩相比，拱壩的應(yīng)力水平更高，筑壩材料強度更能得到充分發(fā)揮，同時對壩址地形、地質(zhì)條件的要求也更高。與其他類型的大壩一樣，拱壩也存在損壞甚至潰決的可能。1959年法國馬爾帕塞拱壩的潰決、1978年奧地利科恩布賴拱壩壩體嚴(yán)重開裂等事件表明，拱壩并非都是完美無缺的，對拱壩存在的缺陷或隱患進行合理辨識和評價，及時發(fā)現(xiàn)并消除缺陷或隱患，是拱壩業(yè)主、參建各方和政府主管部門的責(zé)任。

我國的水電站大壩安全定期檢查始于1988年，目前已經(jīng)進行到了第四輪。大壩安全定期檢查的任務(wù)是從設(shè)計、施工、運行三大方面對大壩安全狀況進行評價，依據(jù)是國家和行業(yè)的現(xiàn)行法規(guī)和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。對拱壩結(jié)構(gòu)安全性評價而言，根據(jù)多座拱壩的定期檢查實踐可以看出，評價依據(jù)大多是拱壩的設(shè)計規(guī)范。若各項指標(biāo)均滿足規(guī)范的要求，則拱壩結(jié)構(gòu)安全的結(jié)論自然不難得出，但實際運行的拱壩極少能達到這一點。更多的是只有部分指標(biāo)滿足規(guī)范要求，部分指標(biāo)不滿足規(guī)范要求或某些運行性態(tài)出乎原設(shè)計意料的情況，如拉應(yīng)力超標(biāo)、壩體出現(xiàn)裂縫等。這時，不同的評價人員可能會得出不一樣的、甚至截然相反的評價結(jié)論，過于保守將造成不必要的加固投入，過于冒進將增大失事的風(fēng)險。如何合理評價運行期拱壩的結(jié)構(gòu)安全性是擺在工程技術(shù)人員面前亟待解決的課題。

筆者旨在總結(jié)國內(nèi)外拱壩失事的教訓(xùn)，借鑒國內(nèi)外拱壩結(jié)構(gòu)安全性評價的經(jīng)驗，特別是我國電力行業(yè)大壩安全定期檢查的經(jīng)驗，針對運行期拱壩的特點，研究提出運行期混凝土拱壩結(jié)構(gòu)安全性評價方法及評價標(biāo)準(zhǔn)。

1　國內(nèi)外拱壩損壞情況及教訓(xùn)

國際大壩委員會在1995年的第99號公報中統(tǒng)計已失事的拱壩有7座，1999年出版的《水電工程評價導(dǎo)則》中統(tǒng)計已失事或嚴(yán)重損壞的拱壩有19座［1］。1995年，我國汝乃華先生根據(jù)國內(nèi)外拱壩失事和損壞事件報導(dǎo)，對搜集到的52座失事或損壞的拱壩進行了介紹［2］。瑞士M·赫爾措格1990年對美國、法國、奧地利、瑞士、葡萄牙、南非等6個國家的20座拱壩損壞現(xiàn)象進行了介紹［3］。筆者對上述大壩損壞的現(xiàn)象、原因、危害性等進行歸納總結(jié)，旨在引以為戒，避免類似損壞的發(fā)生，或及早發(fā)現(xiàn)安全隱患，避免事故擴大。

1.1典型損壞情況

拱壩損壞現(xiàn)象主要有潰決、裂縫兩種。壩面滲水、析鈣也是拱壩常見的病害，但它往往伴隨著裂縫而產(chǎn)生，因而也歸于裂縫。

至今真正潰決的拱壩只有馬爾帕塞拱壩和梅花試驗拱壩兩座。馬爾帕塞拱壩于1954年建成，初期蓄水時庫水位上升速度緩慢，歷時4年尚未蓄滿。壩頂位移每年觀測一次，1959年7月第四次觀測結(jié)果表明壩體徑向位移增大，切向位移有向左岸增加趨勢。同年12月初連降暴雨，庫水位迅速上升至正常蓄水位以上1.6 m左右，大壩突然潰決，左岸壩段連同部分地基全部被沖走，右岸殘存壩的底部混凝土和兩個壩段。事后國際上多數(shù)壩工專家認(rèn)為是左岸拱座或壩基失穩(wěn)所致［1-4］。

大壩裂縫損壞案例相對較多。國際上影響較大的有奧地利的科恩布賴、前蘇聯(lián)的薩揚舒申斯克、法國的加日拱壩等?？贫鞑假嚬皦巫畲髩胃?00 m，正常蓄水位1 902 m，1976年初期蓄水，1978年庫水位從1 869 m上升到1 892 m的過程中，滲漏量驟增，最大達200 L/s。放空水庫發(fā)現(xiàn)河床壩段壩踵部位混凝土嚴(yán)重開裂，裂縫位于壩基面以上18 m處，縫長約100 m。從1979～1984年，一共進行了5次處理，但治理方案以防滲為主，忽視強度和變形，治標(biāo)不治本，蓄到正常蓄水位后裂縫的數(shù)量和范圍反而有所增加。最終采用在壩趾下游建重力止推座，適當(dāng)約束梁底位移的措施加固成功［4］。

法國加日（Gage）拱壩最大壩高41 m，底厚2.57 m，1954年蓄水。至1960年，右岸上游面3個壩段的配筋區(qū)域出現(xiàn)平行于岸坡的斜裂縫；上、下游面未配筋區(qū)域局部有施工縫張開。1963年底在1號壩段下游壩面底部新出現(xiàn)了水平向裂縫，經(jīng)檢測，裂縫斜向深入壩體混凝土內(nèi)部。雖曾數(shù)次對上游面采取防滲修補措施，但運行仍有很多困難。分析認(rèn)為懸臂梁連續(xù)性遭破壞，結(jié)構(gòu)整體性受損。最終將該壩報廢，并于1966年在上游新建了一座拱壩［3］。

豐樂拱壩位于安徽省黃山市境內(nèi)，工程以防洪、灌溉為主，最大壩高54 m，底厚12.5 m。大壩于1973年開始澆筑混凝土，1978年3月封拱灌漿結(jié)束，1978年空庫度夏，同年冬季在左、右岸下游壩面分別發(fā)現(xiàn)9條和3條裂縫，裂縫未及時修補，1979年水庫蓄水。1986年9月檢查，裂縫已發(fā)展到20條，總長度達260.8 m，最大縫寬小于1 mm，超聲波檢測最大縫深2.3 m，在裂縫和橫縫相交處，壩面潮濕、滲水，高水位時局部有噴射水霧現(xiàn)象。1986年冬季用改性環(huán)氧樹酯進行灌漿。1986年以后，下游壩面裂縫及滲水點有所增多，至2001年底共發(fā)現(xiàn)有40多處漏水、析鈣點。從幾次裂縫檢測結(jié)果看，豐樂拱壩下游面裂縫均為表面裂縫。2000年水利行業(yè)將豐樂拱壩鑒定為三類壩。2004～2005年采用噴射0.5～1.0 m厚的鋼纖維混凝土和噴涂5 cm的聚氨酯泡沫塑料保溫材料對下游壩面進行了加固處理［5］。

1.2損壞原因及教訓(xùn)

造成拱壩損壞的原因很多，文獻［2］歸納為以下9種：溫度變化、地震、漫壩、滑坡、混凝土質(zhì)量差、揚壓力超限、壩基破壞、壩體上滑失穩(wěn)、勘測設(shè)計不當(dāng)。文獻［3］歸納為以下14種：地基破損、建基面受拉破損、巖石塑性變形、巖石裂隙、河谷縮窄或變寬、接縫開裂、混凝土裂縫、溫度變化、壩基的嵌固、大壩變形、混凝土工藝、接縫灌漿、結(jié)構(gòu)狀況、設(shè)計人員的傾向性。

根據(jù)國內(nèi)外拱壩的損壞情況，結(jié)合電力行業(yè)大壩安全定期檢查工作實踐，筆者認(rèn)為可以歸納為：地基缺陷、體型不佳、施工質(zhì)量差、違規(guī)運行、疏于檢查、處理不力六方面。即，一是對壩基地質(zhì)缺陷認(rèn)識不足，處理方案不合理，造成壩基變形過大、滲壓過大等不良現(xiàn)象，進而影響壩體應(yīng)力和拱座穩(wěn)定；二是拱壩體型設(shè)計不合理，不能較好適應(yīng)河谷的地形、地質(zhì)條件，或荷載及其組合考慮不周，或計算方法、計算成果有誤，造成應(yīng)力嚴(yán)重超標(biāo)或拱座安全度不足；三是施工質(zhì)量差，包括壩基處理、混凝土澆筑和溫控、封拱灌漿等質(zhì)量未達到設(shè)計要求，造成壩體、壩基強度不足或溫度荷載超過設(shè)計假定等；四是運行期未按設(shè)計要求進行水庫調(diào)度，人為造成發(fā)生設(shè)計禁止的不利工況（如空庫度夏），或下泄水流沖刷拱座巖體；五是檢查、監(jiān)測不及時，或認(rèn)識水平有限，未能識別事故征兆，未能及時發(fā)現(xiàn)隱患；六是對缺陷或隱患的處理不及時，延誤時機，甚至釀成重大事故。

2　運行期拱壩結(jié)構(gòu)安全性評價的特點

與勘測設(shè)計階段的拱壩設(shè)計方案評價相比，運行期拱壩結(jié)構(gòu)安全性評價既有相同之處，也有顯著的不同點。最大的相同之處是兩者都重視基于力學(xué)原理的拱壩結(jié)構(gòu)應(yīng)力、拱座穩(wěn)定分析，將拱壩結(jié)構(gòu)安全性定義為由壩體、壩基構(gòu)成的結(jié)構(gòu)體系具有足夠的強度和穩(wěn)定性，可以安全地承受作用其上的水壓、溫度、泥沙、地震等荷載；此外，對荷載及其組合的基本原則、對壩基及拱座地質(zhì)條件的重視程度等兩者也基本一致。與設(shè)計階段相比，運行期拱壩結(jié)構(gòu)安全性評價有以下不同點：

（1）通過實際壩基開挖揭示和處理，人們對壩址地質(zhì)條件有更進一步的認(rèn)識。

（2）實際壩體混凝土的澆筑、溫度控制、接縫灌漿等施工質(zhì)量與設(shè)計預(yù)想往往存在差異。

（3）運行期實際作用于拱壩上的溫度、滲壓等荷載與設(shè)計預(yù)估常存在較大差異，某些拱壩運行中實際遇到的荷載組合已經(jīng)超出設(shè)計預(yù)計。

（4）實際運行拱壩常不同程度地存在一些裂縫，或施工縫的膠結(jié)、橫縫灌漿效果不理想，致使壩體混凝土并非設(shè)計假定的各向同性連續(xù)介質(zhì)。

（5）實際運行中普遍存在壩體混凝土表面裂縫、滲水、析鈣，地質(zhì)條件較差的拱壩壩基變形量可能過大，少數(shù)拱壩壩踵拉裂甚至破壞防滲帷幕等，與設(shè)計預(yù)期有較大出入。

（6）設(shè)計階段對拱壩安全性的分析論證屬于紙上談兵，對一些于安全不利的因素（如計算模型與實際的差異、壩基處理及壩體混凝土施工質(zhì)量可能達不到要求、荷載和材料參數(shù)可能存在不確定性等），采用增加一定安全裕度的辦法進行應(yīng)對，實踐證明是可行的。但對于運行期大壩來說，設(shè)計階段的某些不確定因素已變?yōu)榇_定因素，或不確定性已大幅降低，再加上拱壩一般都埋設(shè)有大量變形、應(yīng)力、應(yīng)變、滲流、溫度等監(jiān)測設(shè)施，就好比1∶1的大比例尺模型，拱壩在不同荷載作用情況下的實際結(jié)構(gòu)響應(yīng)已較為明了。

（7）拱壩設(shè)計的主要依據(jù)是設(shè)計規(guī)范，設(shè)計規(guī)范發(fā)布以后，隨著時間的推移，無論是突破規(guī)范的成功經(jīng)驗，還是拱壩損壞事故的教訓(xùn)都會不斷增加，運行期拱壩結(jié)構(gòu)安全性評價時可能有其他拱壩的成功經(jīng)驗或失事教訓(xùn)可供借鑒或吸取。

上述不同點除了可能造成計算模型、力學(xué)參數(shù)、作用荷載等的差異，進而影響結(jié)構(gòu)分析成果外，應(yīng)力、穩(wěn)定的判別準(zhǔn)則或容許值可能也不盡相同。因此，直接采用拱壩設(shè)計規(guī)范規(guī)定的荷載、參數(shù)確定原則以及應(yīng)力、穩(wěn)定判別準(zhǔn)則進行運行期拱壩結(jié)構(gòu)安全性評價顯然是不合適的。

3　國內(nèi)外運行期拱壩評價技術(shù)現(xiàn)狀

眾所周知，國內(nèi)外拱壩設(shè)計規(guī)范差別較大，對運行期拱壩安全性評價方法也有較大區(qū)別。筆者以國內(nèi)水利行業(yè)的大壩安全鑒定、電力行業(yè)的大壩安全定期檢查時對拱壩結(jié)構(gòu)安全性的評價實踐說明國內(nèi)的現(xiàn)狀，以美國聯(lián)邦能源管理委員會的拱壩安全評價方法為例說明國外的現(xiàn)狀。

3.1水利行業(yè)

水利部2000年發(fā)布的《水庫大壩安全評價導(dǎo)則》［6］第5.3.1條規(guī)定，混凝土壩結(jié)構(gòu)安全性評價主要是復(fù)核強度與穩(wěn)定是否滿足規(guī)范規(guī)定。壩體應(yīng)力和拱座抗滑穩(wěn)定計算方法參照當(dāng)時的拱壩設(shè)計規(guī)范SD145-85。

結(jié)構(gòu)計算采用的計算參數(shù)：對于高壩，必要時重新進行壩體或壩基鉆探和試驗；對于中、低壩，當(dāng)分析表明應(yīng)力較高或變形較大或安全系數(shù)較低時，也應(yīng)重新試驗確定計算參數(shù)。有觀測資料時，應(yīng)同時利用觀測資料進行反演分析，綜合確定計算參數(shù)。

結(jié)構(gòu)計算采用的荷載：水壓力及相應(yīng)的揚壓力、浪壓力根據(jù)復(fù)核的上、下游水位和有關(guān)觀測、試驗資料確定；溫度荷載、泥沙壓力等根據(jù)觀測資料確定，在缺乏觀測資料時參考設(shè)計文件取用。

拱壩結(jié)構(gòu)安全性評判，只要拉應(yīng)力、壓應(yīng)力、抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)有一項不滿足SD145-85規(guī)定，就認(rèn)為拱壩結(jié)構(gòu)不安全（C級）。此外，當(dāng)大壩存在對結(jié)構(gòu)安全有危害的裂縫、混凝土壓碎、拱座明顯變形、滲水量突增等異?，F(xiàn)象時，可認(rèn)為大壩結(jié)構(gòu)不安全或存在隱患。

3.2電力行業(yè)

電力行業(yè)早在1988年就開始了拱壩的定期檢查工作，檢查對象包括了流溪河、陳村、泉水、白山、緊水灘、東江、二灘等不同時代著名拱壩在內(nèi)的電力行業(yè)所有拱壩。拱壩結(jié)構(gòu)安全性評價是拱壩安全定期檢查的重要內(nèi)容之一。從首輪定檢至目前正在開展的四輪定檢，共對30余座拱壩進行了結(jié)構(gòu)安全性評價，有些拱壩評價次數(shù)已達4次。

首輪大壩安全定期檢查時，由于早期工程建設(shè)中技術(shù)水平有限、實踐經(jīng)驗缺乏、建設(shè)程序不規(guī)范、檔案資料不全等原因，對大多數(shù)拱壩都進行了設(shè)計復(fù)核、施工復(fù)查、現(xiàn)場檢查、裂縫等缺陷檢測、監(jiān)測資料分析等工作。二輪定檢以后，雖然對已在工程竣工安全鑒定時進行過設(shè)計自檢、施工自檢的大壩不統(tǒng)一要求進行設(shè)計復(fù)核、施工復(fù)查，但通過查閱設(shè)計、施工資料，全面了解和掌握拱壩的建設(shè)質(zhì)量還是必須的。當(dāng)然，現(xiàn)場檢查、裂縫等缺陷的檢測、監(jiān)測資料分析等工作是每次定期檢查時都應(yīng)開展的。

電力行業(yè)拱壩結(jié)構(gòu)安全性評價工作的基本原則是從設(shè)計、施工、運行三方面評價拱壩的安全狀況。壩體應(yīng)力大小和分布、拱座穩(wěn)定安全系數(shù)是拱壩結(jié)構(gòu)安全性必須評價的內(nèi)容，變形性態(tài)、裂縫形態(tài)、滲控效果等也是重要的評價內(nèi)容。應(yīng)力、穩(wěn)定分析的計算方法同拱壩設(shè)計規(guī)范，計算參數(shù)和荷載取值考慮建成后拱壩的實際情況，這些與水利行業(yè)基本相同。但在評判標(biāo)準(zhǔn)上，電力行業(yè)的做法不同于水利，也與規(guī)范規(guī)定不完全相同。正常壩的要求是穩(wěn)定安全系數(shù)滿足規(guī)范規(guī)定，壓應(yīng)力在考慮實際強度后滿足規(guī)范規(guī)定，拉應(yīng)力在一定條件下可以不滿足規(guī)范規(guī)定。

3.3美國

在美國，聯(lián)邦政府擁有的大壩由其管理機構(gòu)，如墾務(wù)局、陸軍工程師團等管理；非聯(lián)邦政府擁有的具有水力發(fā)電功能的大壩由聯(lián)邦能源管理委員會管理；其他用于供水、灌溉等的大壩由各州負責(zé)管理。聯(lián)邦能源管理委員會在水電工程評價導(dǎo)則［1］中對拱壩結(jié)構(gòu)安全性評價作了明確規(guī)定，有關(guān)要求為：

通過對已有檔案資料（包括原設(shè)計、施工資料和運行維護資料）的復(fù)查、現(xiàn)場檢查、必要的計算分析，對運行期拱壩安全性進行評價。拱壩結(jié)構(gòu)安全性分析應(yīng)首先采用偏于保守的假定和相對較為簡單的技術(shù)，如果計算成果不滿足要求，再進行較為嚴(yán)密和復(fù)雜的分析計算。

計算方法優(yōu)先采用三維有限元法，體型簡單、壩體及壩基材料參數(shù)較為單一時可采用試載法。若采用其他方法，其精度須經(jīng)有限元法比較驗證。

壩體、壩基材料的計算參數(shù)須在現(xiàn)場勘探和實驗室試驗的基礎(chǔ)上確定，有條件時可進行參數(shù)敏感性分析。

計算工況分為常遇、偶然（洪水）、特殊（地震）三種。荷載按實際運行情況計算。溫度荷載計算中的壩體內(nèi)部溫度場分布，根據(jù)實測上、下游邊界溫度計算確定。其中，對相對較厚的拱壩，因沿厚度方向呈非線性分布，采用有限元計算；對于相對較薄的拱壩，可按線性分布簡化計算。壩體內(nèi)部埋設(shè)有可靠的溫度監(jiān)測設(shè)施時，其監(jiān)測成果可用于溫度荷載計算。

安全性評判標(biāo)準(zhǔn)，認(rèn)為應(yīng)力、穩(wěn)定最小安全系數(shù)滿足表1時結(jié)構(gòu)是安全的。

表1　安全系數(shù)表Table1　Safety factors

關(guān)于混凝土的抗壓強度，按美國材料與試驗協(xié)會（ASTM）的混凝土試樣抗壓強度試驗方法確定。

關(guān)于拉應(yīng)力和抗拉強度，文獻認(rèn)為由于拱壩實際存在水平向施工縫、垂直向收縮縫、原生裂縫，沒有必要精確確定完整混凝土的抗拉強度。通常的做法是，當(dāng)線彈性有限元計算的拉應(yīng)力值達到或超過“表觀抗拉強度（apparent tensile strength）”時，認(rèn)為混凝土?xí)_裂，并在模型中考慮該裂縫后重新進行計算，經(jīng)過多次迭代計算，最終確定應(yīng)力分布。可用拉斐爾（Raphael）1984年提出的抗拉-抗壓強度關(guān)系，根據(jù)抗壓強度確定混凝土的抗拉強度和表觀抗拉強度。

該文獻特別指出，表觀抗拉強度不是容許抗拉強度，若拉應(yīng)力分布面積過大，即使拉應(yīng)力值未超過表觀抗拉強度，也應(yīng)重新分析計算接縫和裂縫張開對應(yīng)力重分布的影響。

關(guān)于抗剪強度，文獻認(rèn)為可近似取抗壓強度的20%。

關(guān)于抗滑穩(wěn)定，表1中的安全系數(shù)是按抗剪公式計算的結(jié)果。

3.4中外評價方法的比較

從上述我國水利、電力行業(yè)和美國的拱壩結(jié)構(gòu)安全性評價方法可見，三者都強調(diào)結(jié)合大壩實際情況進行安全性評價，都把拉、壓應(yīng)力和拱座穩(wěn)定作為重要的評價指標(biāo)，但在具體評判準(zhǔn)則上存在差異。

水利行業(yè)的應(yīng)力、穩(wěn)定評判準(zhǔn)則與評價導(dǎo)則發(fā)布時的拱壩設(shè)計規(guī)范完全一致，即只要拉應(yīng)力、壓應(yīng)力、抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)有一項不滿足SD145-85規(guī)定，就認(rèn)為拱壩結(jié)構(gòu)不安全，是三者中最偏于安全或保守的。

聯(lián)邦能源管理委員會的應(yīng)力、穩(wěn)定評判準(zhǔn)則總的特點是應(yīng)力較設(shè)計容許值有較大放松、穩(wěn)定仍較嚴(yán)。如常遇工況下設(shè)計容許抗壓安全系數(shù)為3.0，而評價時只要達到2.0即認(rèn)為是安全的；拉應(yīng)力設(shè)計允許1.03 MPa，而評價無此限制，允許混凝土局部開裂；拱座穩(wěn)定抗剪安全系數(shù)設(shè)計允許1.5，評價要求達到此值才認(rèn)為是安全的。是三者中相對偏于最寬松的。對于混凝土抗壓強度，這里應(yīng)該說明的是，美國標(biāo)準(zhǔn)的試驗為直徑45 cm、高90 cm、齡期365 d的圓柱體，與我國現(xiàn)行拱壩規(guī)范的15 cm立方體、90 d齡期試件不同。根據(jù)中國水利水電科學(xué)研究院的研究成果［7］，兩者抗壓強度的比值在0.68～0.87左右，美國安全系數(shù)3.0大致相當(dāng)于我國的4.0。

電力行業(yè)的應(yīng)力、穩(wěn)定評判準(zhǔn)則不同于上述兩種，拱座穩(wěn)定和壓應(yīng)力相對較嚴(yán)，原則上滿足規(guī)范要求才能評定為結(jié)構(gòu)安全；拉應(yīng)力指標(biāo)較松，即使超過規(guī)范要求，只要對應(yīng)部位無明顯的結(jié)構(gòu)性裂縫，一般不認(rèn)為結(jié)構(gòu)不安全。是介于我國水利行業(yè)和美國聯(lián)邦能源管理委員會之間的做法。

4　運行期混凝土拱壩結(jié)構(gòu)安全性評價方法研究

在總結(jié)國內(nèi)外拱壩安全性評價，特別是電力行業(yè)25年來數(shù)十座拱壩結(jié)構(gòu)安全評價經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，對運行期混凝土拱壩結(jié)構(gòu)安全性評價方法進行研究，提出拱壩結(jié)構(gòu)安全性評價應(yīng)遵循的原則，以及具體評價內(nèi)容、評價方法、評判應(yīng)注意的問題。

4.1評價原則

國內(nèi)外眾多拱壩的成功經(jīng)驗和失事教訓(xùn)都表明，拱壩能否按設(shè)計預(yù)期安全地運行與拱壩建設(shè)期的設(shè)計、施工質(zhì)量和運行期的控制、維護情況有很大關(guān)系。即使建設(shè)質(zhì)量較好的拱壩，若不按設(shè)計控制原則運行（如夏季庫水位過低、庫水位人為逼高造成漫壩沖刷壩腳等），也會造成壩體結(jié)構(gòu)的損壞；建設(shè)質(zhì)量一般，甚至存在先天缺陷的拱壩，這些壩若在投運后能及時消缺和補強，也能安全運行。鑒于運行期拱壩安全評價的主要目的是及時發(fā)現(xiàn)和消除隱患，筆者認(rèn)為評價時應(yīng)遵循以下原則：

（1）評價性質(zhì)。既不同于勘測設(shè)計階段的分析計算，也不同于純學(xué)術(shù)意義上安全度的精確計算，重在分析運行性態(tài)、評估缺陷的危害性、評定安全等級。

（2）評價依據(jù)。原則上按電力行業(yè)現(xiàn)行拱壩設(shè)計規(guī)范，但在理解其精神實質(zhì)的前提下，可適當(dāng)調(diào)整，不必死扣設(shè)計規(guī)范；對某些評價內(nèi)容可采用工程類比。

（3）評價方法。強調(diào)緊密結(jié)合客觀實際，切忌紙上談兵。重視對拱壩設(shè)計、施工情況的全面了解，重視現(xiàn)場檢查，重視壩基（含拱座抗力體）地質(zhì)缺陷和壩體混凝土缺陷的處理效果，重視對不安全因素的評價。

（4）評價手段。強調(diào)科學(xué)、簡捷，不搞繁瑣哲學(xué)。若用相對簡單的計算方法和偏于保守的荷載、參數(shù)假定的分析結(jié)論是安全的，不必進行更復(fù)雜、更精確的分析計算。

4.2評價內(nèi)容

根據(jù)上述評價原則，為及時發(fā)現(xiàn)隱患，筆者認(rèn)為拱壩結(jié)構(gòu)安全性評價應(yīng)包括拱壩布置、壩體構(gòu)造、壩基處理、壩體應(yīng)力、拱座穩(wěn)定、壩體及壩基變形、壩體和壩基防滲等內(nèi)容。具體如下：

（1）根據(jù)壩址地形、地質(zhì)條件、實際樞紐布置和拱壩的體型、構(gòu)造等，評價拱壩布置和拱壩構(gòu)造的合理性。

（2）根據(jù)運行期變形和混凝土應(yīng)變等實測成果，分析評價拱座巖體有無趨勢性變形，壩體混凝土是否處于彈性工作狀態(tài)，壩體變形是否整體協(xié)調(diào)，時效變形是否逐年趨于收斂，力學(xué)參數(shù)是否與設(shè)計取值相近。

（3）根據(jù)大壩建成后的實際結(jié)構(gòu)和荷載情況、反演力學(xué)參數(shù)，按電力行業(yè)現(xiàn)行拱壩設(shè)計規(guī)范，復(fù)查或復(fù)核大壩在靜、動力條件下的壩體混凝土應(yīng)力及拱座巖體抗滑穩(wěn)定安全度，評價壩體應(yīng)力和拱座巖體抗滑穩(wěn)定是否滿足要求。

（4）根據(jù)運行期滲流實測成果、壩體及拱座巖體表面滲水情況以及建設(shè)期的設(shè)計、施工資料，分析評價大壩的滲流控制措施是否有效，防滲結(jié)構(gòu)是否可靠，實際滲流狀態(tài)是否穩(wěn)定。

（5）對壩體和壩基中存在的缺陷或隱患，根據(jù)運行期實際檢查、檢測和監(jiān)測成果，以及必要的結(jié)構(gòu)計算，評價其對大壩結(jié)構(gòu)安全性的影響。

4.3評價方法

拱壩結(jié)構(gòu)安全評價應(yīng)在全面了解拱壩的設(shè)計、施工、運行維護情況的基礎(chǔ)上，通過對現(xiàn)場的詳細檢查、對監(jiān)測資料的全面分析，以及必要的檢測、勘探和復(fù)核計算，綜合評價大壩的結(jié)構(gòu)安全性。具體如下。

4.3.1了解和掌握拱壩設(shè)計情況

通過查閱設(shè)計資料，檢查原設(shè)計與現(xiàn)行拱壩設(shè)計規(guī)范的符合性，對不符合項定性分析其對結(jié)構(gòu)安全性的影響。主要檢查內(nèi)容為：

（1）原設(shè)計依照的規(guī)范及其發(fā)布部門、適用范圍、適用條件，與現(xiàn)行設(shè)計規(guī)范相比，在壩基處理、拱壩構(gòu)造、溫控、應(yīng)力和穩(wěn)定的計算方法和控制標(biāo)準(zhǔn)等方面的主要差異；

（2）壩基主要地質(zhì)缺陷、斷層破碎帶及影響帶處理要求，壩基開挖、灌漿、排水要求等；

（3）拱壩布置和體形、壩體混凝土強度、抗?jié)B、抗凍要求、溫度控制要求、封拱灌漿要求等；

（4）荷載及組合、計算模型、計算參數(shù)、計算方法及計算程序、壩體應(yīng)力、拱座穩(wěn)定計算成果；

（5）對運行提出的特殊要求，如分期蓄水、不利工況限制、壩面保溫措施等；

（6）超規(guī)范問題的論證情況；

（7）設(shè)計審批（查）相關(guān)結(jié)論，以及整改意見落實情況；

（8）重大設(shè)計變更和審批（查）情況。

4.3.2了解和掌握拱壩施工情況

通過查閱施工資料，檢查實際施工質(zhì)量與原設(shè)計文件和現(xiàn)行拱壩設(shè)計規(guī)范等的符合性，對不符合項定性分析對結(jié)構(gòu)安全性的影響。主要檢查內(nèi)容為：

（1）壩基（含抗力體）處理措施及質(zhì)量，包括開挖后建基面形狀、巖體質(zhì)量、固結(jié)灌漿、帷幕灌漿質(zhì)量情況、斷層破碎帶等地質(zhì)缺陷處理情況、巖體透水率、波速等檢測成果；

（2）混凝土施工質(zhì)量，包括水泥、砂石、摻和料等原材料特性、混凝土強度、溫控措施和效果、施工期混凝土裂縫及處理措施等；

（3）封拱灌漿情況，包括分區(qū)、上部蓋重高度、混凝土齡期、接縫開度、灌漿壓力、耗灰量、實際封拱溫度場等；

（4）施工期壩體臨時擋水情況；

（5）壩體泄流孔施工情況及施工期泄流情況；（6）重大施工質(zhì)量問題的處理和效果。

4.3.3了解和掌握拱壩實際運行情況

通過查閱運行期的水庫運行和拱壩監(jiān)測、檢查、維護、加固處理等資料，檢查拱壩的實際運行情況是否在設(shè)計范圍，運行中發(fā)現(xiàn)的缺陷、隱患是否及時得到處理，處理后是否達到預(yù)期效果等。主要檢查內(nèi)容為：

（1）實際運行中拱壩經(jīng)受的荷載及其組合是否在設(shè)計考慮范圍以內(nèi)，對超出設(shè)計的現(xiàn)象，定性分析對結(jié)構(gòu)安全性的影響。主要有：

①冬夏兩季水庫高低水位的組合情況；

②實測水溫、氣溫、庫底溫度；

③實測壩體封拱溫度場、準(zhǔn)穩(wěn)定溫度場、冬夏兩季典型溫度場；

④實測日照情況；

⑤實測寒潮發(fā)生情況；

⑥實測水庫泥沙淤積高程。

（2）拱壩的實際運行性態(tài)是否正常，重要監(jiān)測量是否在設(shè)計控制范圍或同類工程經(jīng)驗值以內(nèi)，有無不利變化趨勢等，對量值過大或過小或呈不利變化趨勢的現(xiàn)象，定性分析對結(jié)構(gòu)安全性的影響。主要監(jiān)測量有：

①壩體水平、垂直位移的整體協(xié)調(diào)性、與河谷形狀和壩基工程地質(zhì)條件的一致性，與設(shè)計計算值的差異，時效位移的發(fā)展趨勢；

②壩體混凝土裂縫寬度變化規(guī)律，縫寬變化是否收斂；

③壩體混凝土的反演彈模和線脹系數(shù)是否與設(shè)計取值接近；

④壩體混凝土實測應(yīng)力分布和變化規(guī)律是否與理論計算相符；

⑤壩基變形及兩岸拱座巖體水平、垂直位移與受力特點及壩基工程地質(zhì)條件是否相符；

⑥壩踵部位變形及混凝土與基巖結(jié)合情況，壩基帷幕有無破壞跡象；

⑦兩岸壩肩巖體地下水位是否在拱座抗滑穩(wěn)定計算揚壓力取值之內(nèi)。

（3）運行期拱壩的日常檢查、維護情況，歷次補強加固情況及處理效果。主要有：

①壩體混凝土裂縫發(fā)現(xiàn)時間及歷次檢查縫長、縫寬、縫深發(fā)展變化情況；

②水平施工縫和橫縫開合情況；

③壩體混凝土滲水、析鈣、老化或受酸性水腐蝕情況；

④壩體混凝土與壩肩巖體結(jié)合情況；

⑤壩基和拱座巖體滲水和析出物情況；

⑥拱座巖體開裂、崩塌、擠壓錯動等情況；

⑦歷次補強加固的設(shè)計、施工情況及實際處理效果。

4.3.4檢查拱壩現(xiàn)狀

通過現(xiàn)場目視檢查和必要的儀器探查，查明拱壩存在的缺陷，定性分析重大缺陷對結(jié)構(gòu)安全性的影響。主要檢查內(nèi)容為：

（1）檢查拱壩外觀情況，包括壩體混凝土裂縫、滲水、析鈣、拱座巖體開裂、滲水、崩塌、擠壓錯動等的具體部位和發(fā)展程度，具體檢查內(nèi)容同4.3.3（3）；

（2）對重大缺陷或隱患進行重點探查或檢測，如：

①裂縫深度的聲波和鉆孔檢測；

②混凝土質(zhì)量的取芯檢測和試驗；

③建基面結(jié)合情況的鉆孔取芯及孔內(nèi)攝像；

④基巖完整性、抗?jié)B性能的鉆孔取芯、孔內(nèi)攝像、聲波檢測和壓水試驗；

⑤滲水來源的同位素示蹤或有色液體探查；

⑥析出物成分、水質(zhì)等的分析。

4.3.5復(fù)核計算壩體應(yīng)力和拱座穩(wěn)定

4.3.5.1復(fù)核條件

當(dāng)荷載、建成的體型、混凝土質(zhì)量、壩基特性和處理情況與原設(shè)計或最近一次復(fù)核時有較大差別，且根據(jù)現(xiàn)有資料尚不能評判壩體應(yīng)力和拱座穩(wěn)定安全狀況時，應(yīng)進行壩體應(yīng)力和拱座穩(wěn)定的復(fù)核計算。主要情況如下：

（1）實際運行情況與原設(shè)計的差異較大，如庫水位、水溫、氣溫、泥沙淤積高程、壩肩巖體滲透壓力等荷載及其組合與設(shè)計取值的差異較大，定性分析認(rèn)為對大壩結(jié)構(gòu)有不利影響；

（2）實際施工情況與原設(shè)計要求差異較大，如壩基超（欠）挖較多、壩體體型做了較大調(diào)整、封拱溫度與設(shè)計要求有較大差別、混凝土力學(xué)參數(shù)與設(shè)計取值有較大差別等，定性分析認(rèn)為對大壩結(jié)構(gòu)有不利影響；

（3）壩體混凝土存在結(jié)構(gòu)性裂縫等缺陷；

（4）拱座存在巖體開裂、崩塌、擠壓錯動等缺陷；

（5）原設(shè)計規(guī)范與現(xiàn)行規(guī)范差異較大，如計算方法、主要荷載及其組合的計算原則與現(xiàn)行規(guī)范有較大變化等，定性分析認(rèn)為對大壩結(jié)構(gòu)有不利影響；

（6）原設(shè)計計算成果或最近一次復(fù)核成果可能有誤。

4.3.5.2計算方法

應(yīng)力計算方法以拱梁分載法為基本方法，對高拱壩或情況比較復(fù)雜的拱壩（如壩內(nèi)設(shè)大孔洞、壩體存在結(jié)構(gòu)性裂縫、基礎(chǔ)條件復(fù)雜等）還應(yīng)進行有限元法分析。

拱座穩(wěn)定以剛體極限平衡法為主，當(dāng)拱座穩(wěn)定不滿足規(guī)范規(guī)定時，應(yīng)采用有限元等方法進行分析。剛體極限平衡法計算公式，SD145-1985［8］、DL/T5346-2006［9］均明確規(guī)定1、2級拱壩應(yīng)按抗剪斷公式計算，只有3級及以下拱壩才可按抗剪公式計算。實際評價時，1、2級拱壩若按抗剪斷公式計算不滿足規(guī)范規(guī)定，可參考美國、前蘇聯(lián)、日本的規(guī)定，按抗剪公式計算論證。

4.3.5.3力學(xué)參數(shù)

計算采用的力學(xué)參數(shù)（基巖變模、混凝土彈模和線脹系數(shù)、拱座巖體滑動面抗剪斷摩擦力和凝聚力等）根據(jù)施工期試驗成果或鉆孔取芯試驗成果或反演結(jié)果分析后確定。

對抗剪斷參數(shù)f′、c′，不同階段、不同規(guī)范的規(guī)定不盡相同。電力系統(tǒng)新老規(guī)范SD145-1985、DL/T5346-2006均采用峰值平均值［8，9］，而水利系統(tǒng)現(xiàn)行拱壩設(shè)計規(guī)范要求采用峰值小值平均值［10］，原混凝土重力壩設(shè)計規(guī)范SDJ21-1978也規(guī)定采用峰值小值平均值［11］。參數(shù)取值原則不同，相應(yīng)的容許安全系數(shù)也不同，如SD145-1985的1級建筑物K′為3.5（參數(shù)取峰值平均值），SDJ21-1978的1級建筑物K′為3.0（參數(shù)取峰值小值平均值），其實兩者安全度是基本相同的。因此，在進行抗滑穩(wěn)定安全性評價時，要特別注意弄清原設(shè)計抗剪斷參數(shù)的取值原則，并與相應(yīng)的安全度評判標(biāo)準(zhǔn)一致。

當(dāng)計算成果不滿足規(guī)范規(guī)定時，應(yīng)對主要參數(shù)進行敏感性分析計算。

4.3.5.4作用荷載

計算荷載取值要綜合考慮實際遭遇的可能性和規(guī)范規(guī)定，原則上取用較為不利的荷載。

對于溫度荷載，只要有可靠的實測資料，原則上應(yīng)在分析實際封拱溫度場、上下游邊界溫度、壩體高低溫季節(jié)準(zhǔn)穩(wěn)定場的基礎(chǔ)上確定。對某些拱壩，還應(yīng)注意寒潮影響和兩岸日照差異的影響。

對于揚壓力荷載取值，當(dāng)實測揚壓力小于設(shè)計采用值時，原則上仍按原設(shè)計取值，但如果這時抗滑穩(wěn)定不能滿足規(guī)范要求，在對揚壓力現(xiàn)狀及今后可能變化情況進行周密分析后，可以取用實際或預(yù)計值。

對于水庫泥沙壓力荷載取值，當(dāng)實測泥沙淤積高程低于設(shè)計采用值時，原則上仍按原設(shè)計取值，但如果這時應(yīng)力或抗滑穩(wěn)定不能滿足規(guī)范要求，在對上游水利水電工程建設(shè)和運行情況以及今后可能的入庫泥沙量變化情況進行周密分析后，可以取用實際或預(yù)計值。

當(dāng)計算成果不滿足規(guī)范規(guī)定時，應(yīng)對主要荷載進行敏感性分析計算。

4.4安全性評判標(biāo)準(zhǔn)

拱壩結(jié)構(gòu)安全性應(yīng)從應(yīng)力、穩(wěn)定計算指標(biāo)的符合性和實際運行性態(tài)兩方面進行評價。計算指標(biāo)主要包括拱座穩(wěn)定安全度、壩體壓應(yīng)力和壩體拉應(yīng)力3項；運行性態(tài)主要包括實際變形、滲流和裂縫3項。各要素可分為安全、基本安全、不安全、危險四級。當(dāng)各計算指標(biāo)均滿足規(guī)范規(guī)定且運行性態(tài)無異常時，認(rèn)為拱壩結(jié)構(gòu)安全。當(dāng)某些計算指標(biāo)不滿足規(guī)范規(guī)定或運行性態(tài)有異常時，應(yīng)結(jié)合拱壩實際運行情況，具體分析其對結(jié)構(gòu)安全的影響程度，綜合分析評價拱壩結(jié)構(gòu)的安全性。具體如下：

（1）當(dāng)拱座穩(wěn)定安全度計算成果不滿足規(guī)范規(guī)定時，應(yīng)深入復(fù)查計算假定、參數(shù)選取等的合理性，分析可能存在的安全或不安全因素，采用多種方法進一步分析論證拱座巖體失穩(wěn)的可能性。對高壩或地質(zhì)條件復(fù)雜的拱壩，可分析拱壩破壞狀態(tài)的發(fā)展過程以及超載安全度，結(jié)合工程類比，綜合評價拱壩整體安全性。

當(dāng)抗滑穩(wěn)定不滿足規(guī)范規(guī)定，已有失穩(wěn)跡象時，安全等級為危險；經(jīng)綜合論證存在一定的拱壩整體失穩(wěn)可能時，安全等級為不安全；綜合論證拱壩整體穩(wěn)定時，安全等級為基本安全。

實例1：青海李家峽拱壩（壩高155 m）右岸K′值僅為2.6，遠小于規(guī)范規(guī)定。工程安全鑒定認(rèn)為底滑面F′7為硬性結(jié)構(gòu)面，起伏差大，抗剪斷參數(shù)變異性小，同時抗剪安全系數(shù)接近2.0，綜合分析認(rèn)為基本能滿足抗滑穩(wěn)定要求。李家峽大壩首次定期檢查認(rèn)可工程安全鑒定的意見，李家峽拱壩評為正常壩。

實例2：貴州東風(fēng)拱壩（壩高163 m）右壩肩1號和5號夾層與F34斷層組合巖體，按抗剪斷公式計算的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)偏低，設(shè)計和校核工況的最小K′值分別為2.86和2.63。2008年4月～2009年4月對右壩肩進行了加固處理，增設(shè)了120 根3 000 kN錨索，處理后設(shè)計和校核工況按SD145-1985計算的最小K′值分別為3.43和3.23，按DL/T5346-2006計算的抗力與作用比值分別為1.04和1.15，認(rèn)為滿足規(guī)范規(guī)定。東風(fēng)拱壩第二次定期檢查評定為正常壩。

（2）當(dāng)拉應(yīng)力計算成果超標(biāo)時，應(yīng)結(jié)合壩體對應(yīng)部位混凝土的實際強度、裂縫情況和監(jiān)測成果，綜合分析對應(yīng)部位壩體混凝土是否已發(fā)生結(jié)構(gòu)性裂縫，或存在發(fā)生結(jié)構(gòu)性裂縫的可能性。若可能發(fā)生結(jié)構(gòu)性裂縫，應(yīng)分析該裂縫對結(jié)構(gòu)安全和壩基帷幕的影響。

拉應(yīng)力不滿足規(guī)范規(guī)定，且對應(yīng)部位有結(jié)構(gòu)性裂縫，并危及結(jié)構(gòu)安全或破壞壩基帷幕，安全等級為不安全；相應(yīng)工況下對應(yīng)部位已經(jīng)或可能會發(fā)生結(jié)構(gòu)性裂縫，但不會危及結(jié)構(gòu)安全，也不會破壞壩基帷幕，安全等級為基本安全；已經(jīng)受相應(yīng)工況考驗，對應(yīng)部位無結(jié)構(gòu)性裂縫，或尚未經(jīng)受相應(yīng)工況考驗，但經(jīng)分析論證對應(yīng)部位不會發(fā)生結(jié)構(gòu)性裂縫，安全等級為安全。

實例1：緊水灘拱壩首次定檢基本組合工況上、下游面分別為1.8 MPa和2.05 MPa，流溪河拱壩復(fù)核基本組合工況下游面為1.98 MPa，但對應(yīng)部位大壩無結(jié)構(gòu)性裂縫，定期檢查認(rèn)為上述大壩的拉應(yīng)力不影響結(jié)構(gòu)安全，均評定為正常壩。

實例2：泉水拱壩2009年定檢復(fù)核，各工況壩體最大拉應(yīng)力為1.62～2.98 MPa，拉應(yīng)力較大區(qū)域主要集中在400 m高程以下的下游面以及下游面拱端的局部部位，與泉水拱壩目前發(fā)現(xiàn)的裂縫位置、裂縫密集區(qū)域基本一致，但經(jīng)檢測，裂縫深度未超過50 cm，且裂縫深度與歷次檢測成果相比未增加。泉水拱壩兩次定檢均評定為正常壩。

（3）當(dāng)壓應(yīng)力計算成果超標(biāo)時，應(yīng)結(jié)合壩體對應(yīng)部位混凝土的實際強度、表面擠壓破壞缺陷檢查情況和監(jiān)測成果，綜合分析對應(yīng)部位壩體混凝土是否已發(fā)生大面積壓壞，或存在大面積壓壞的可能性。

當(dāng)壓應(yīng)力不滿足規(guī)范規(guī)定，且存在較大的混凝土大面積壓壞的可能性時，安全等級為不安全；不存在混凝土大面積壓壞的可能性時，安全等級為基本安全。

實例：泉水拱壩2009年定檢復(fù)核最大壓應(yīng)力7.11 MPa，相應(yīng)部位設(shè)計混凝土為60 d齡期200標(biāo)號，施工期取樣平均強度大于30 MPa，首次定檢取芯樣試驗均大于30 MPa，壩體表面回彈試驗強度更高。雖然泉水拱壩混凝土設(shè)計強度不高，但兩次定檢均認(rèn)為實際強度達到了30 MPa，安全系數(shù)滿足要求。

（4）當(dāng)壩體各部位變形不協(xié)調(diào)或時效變形年變化速率未逐年減小時，應(yīng)結(jié)合設(shè)計、施工情況和實際裂縫、滲水情況，進一步分析其原因、影響因素、發(fā)展趨勢及其對拱壩結(jié)構(gòu)安全的潛在影響。

當(dāng)時效位移速率呈明顯增大趨勢，已影響整體結(jié)構(gòu)安全，且存在明顯的失穩(wěn)跡象時，安全等級為危險；當(dāng)時效位移速率呈明顯增大趨勢，繼續(xù)發(fā)展將影響整體結(jié)構(gòu)安全，但目前尚無明顯的失穩(wěn)跡象時，安全等級為不安全；當(dāng)時效位移速率雖無明顯增大趨勢，但繼續(xù)發(fā)展將影響整體結(jié)構(gòu)安全時，安全等級為基本安全。

（5）當(dāng)滲流變化不穩(wěn)定、滲壓值較大時，應(yīng)進一步分析其對拱壩結(jié)構(gòu)安全的潛在影響，除滲壓測值過大對拱座穩(wěn)定的影響在抗滑穩(wěn)定復(fù)核中考慮外，應(yīng)重視滲透坡降過大對基巖軟弱夾層滲透變形的影響。

當(dāng)基巖軟弱夾層有滲透破壞可能，或壩體防滲結(jié)構(gòu)大面積失效，壩體混凝土溶蝕、析鈣嚴(yán)重，或壩體滲透壓力普遍較高時，安全等級為不安全；當(dāng)壩體防滲結(jié)構(gòu)局部失效，滲流量、滲壓持續(xù)增大，安全等級為基本安全。

實例：福建水東水電站碾壓混凝土重力壩曾因壩體防滲和排水結(jié)構(gòu)整體失效，壩體混凝土滲水、析鈣嚴(yán)重，下游壩面大面積濕潤或冒水，在2001年首次大壩安全定期檢查時被評定為病壩。

（6）當(dāng)壩體混凝土存在裂縫時，應(yīng)查清裂縫的規(guī)模、形態(tài)，鑒別屬淺表裂縫還是結(jié)構(gòu)性裂縫。對于結(jié)構(gòu)性裂縫，應(yīng)結(jié)合裂縫產(chǎn)生機理、實際處理措施和運行考驗情況，分析現(xiàn)狀或繼續(xù)發(fā)展后是否會影響大壩整體安全及壩基帷幕防滲效果，關(guān)注是否經(jīng)受了不利工況的考驗，以及處理效果的耐久性。

當(dāng)裂縫現(xiàn)狀或繼續(xù)發(fā)展將危及結(jié)構(gòu)安全或破壞壩基帷幕時，安全等級為不安全；裂縫現(xiàn)狀或繼續(xù)發(fā)展尚不會影響壩體結(jié)構(gòu)整體性及安全性，或結(jié)構(gòu)性裂縫處理后僅經(jīng)受短期考驗未發(fā)展時，安全等級為基本安全；裂縫屬淺表裂縫，且變化已基本穩(wěn)定，或結(jié)構(gòu)性裂縫經(jīng)長期考驗未發(fā)展，可認(rèn)為結(jié)構(gòu)安全。

實例1：國外有不少因結(jié)構(gòu)性裂縫造成拱壩嚴(yán)重損壞的實例。奧地利科恩布賴拱壩（壩高200 m，底寬37 m，壩頂長626 m，河谷底寬150 m）因下部出現(xiàn)多條結(jié)構(gòu)性裂縫影響安全運行，曾長時間限制水位運行，進行了多次加固處理，處理前失事風(fēng)險巨大，安全等級應(yīng)為不安全。

實例2：法國加日拱壩（壩高41m，壩頂長153 m，壩底寬2.57 m）因多條嚴(yán)重結(jié)構(gòu)性裂縫而報廢，安全等級應(yīng)為不安全。

5　結(jié)語

在回顧總結(jié)國內(nèi)外拱壩失事、損壞情況和近二十多年水電站大壩安全定期檢查經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，針對運行期拱壩結(jié)構(gòu)安全性評價的特點，總結(jié)了國內(nèi)外運行期拱壩評價技術(shù)現(xiàn)狀，提出了運行期混凝土拱壩結(jié)構(gòu)安全性評價的方法和評價標(biāo)準(zhǔn)。

（1）現(xiàn)實中的拱壩并非都完美無缺，拱壩損壞原因可以歸納為地基缺陷、體型不佳、施工質(zhì)量差、違規(guī)運行、疏于檢查、處理不力等六方面。對拱壩存在的缺陷或隱患進行合理辨識和評價，及時發(fā)現(xiàn)和消除缺陷或隱患，對確保拱壩長期安全運行十分重要。

（2）國內(nèi)外都強調(diào)應(yīng)針對建成后拱壩的運行實際進行評價，均把拉、壓應(yīng)力和拱座穩(wěn)定作為重要的評價指標(biāo)，且拱座穩(wěn)定評判標(biāo)準(zhǔn)都較嚴(yán)格，但在拉、壓應(yīng)力的評判標(biāo)準(zhǔn)上存在差異。在拉應(yīng)力評判上，水利行業(yè)過于保守；電力行業(yè)結(jié)合裂縫評價，較為合理；美國要求計算開裂后應(yīng)力重分布，較為復(fù)雜。在壓應(yīng)力評判上，水利行業(yè)較嚴(yán)，電力行業(yè)相對松一些，美國最松。

（3）拱壩結(jié)構(gòu)安全性可分為安全、基本安全、不安全、危險四級。應(yīng)在全面了解拱壩設(shè)計、施工、運行維護情況的基礎(chǔ)上，通過對現(xiàn)場的詳細檢查、對監(jiān)測資料的全面分析，以及必要的檢測、勘探和復(fù)核計算，經(jīng)綜合分析提出評價結(jié)論。

（4）評價內(nèi)容包括安全度計算指標(biāo)的符合性和實際運行性態(tài)兩方面。計算指標(biāo)包括拱座穩(wěn)定安全度、壩體壓應(yīng)力和壩體拉應(yīng)力3項；運行性態(tài)包括實際變形、滲流和裂縫3項。當(dāng)計算指標(biāo)不滿足規(guī)范規(guī)定或運行性態(tài)有異常時，應(yīng)結(jié)合拱壩實際運行情況，具體分析其對結(jié)構(gòu)安全的影響程度，按危害性大小分析評價拱壩結(jié)構(gòu)的安全性。

［1］CHAPTER 11-ARCH DAMS，Engineering Guidelines for the Evaluation of Hydropower Projects［S］.Division of Dam Safety and Inspection，F(xiàn)ederal Energy Regulatory Commission，1999.

［2］汝乃華，姜忠勝.大壩事故與安全·拱壩［M］.中國水利水電出版社，1995.

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［6］張丹青，陳懷寶.從豐樂混凝土雙曲拱壩裂縫的分析探討拱壩設(shè)計中的有關(guān)問題［J］.水電站設(shè)計，2003（3）.

［7］SL258-2000，水庫大壩安全評價導(dǎo)則［S］.

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［10］DT/T5346-2006，混凝土拱壩設(shè)計規(guī)范［S］.

［11］SL282-2003，混凝土拱壩設(shè)計規(guī)范［S］.

［12］SDJ21-78，混凝土重力壩設(shè)計規(guī)范［S］.

Title:Methods for structural safety assessment of concrete arch dams in operation//by SHEN Hai-yao// Large Dam Safety Supervision Center of National Energy Administration

By review of the failures and damages at the arch dams，combined with the experience of periodical inspection，the paper mainly analyzes the characteristics of the structural safety assessment and summarizes the updated assessment technology.Further，the paper presents the applicable method，assessment standards and the issues calling for attention in the structural safety assessment of arch dams，for reference.

concrete arch dam；operation；safety assessment

TV698.1

A

1671-1092（2015）01-0017-10

2015-01-20

沈海堯（1962-），男，浙江慈溪人，教授級高級工程師，主要從事大壩安全監(jiān)測與大壩安全技術(shù)管理工作。

作者郵箱：shen_hy@ecidi.com