杜效鵠

(水電水利規(guī)劃設(shè)計(jì)總院，北京100120)

1 我國(guó)水壩建設(shè)基本情況

1.1 建設(shè)成就

目前，我國(guó)擁有的水壩數(shù)量居世界首位。截至2017年底，已建成各類(lèi)水壩98 478座[1]，總庫(kù)容9 049億m3，其中，大中型水庫(kù)4 628座，總庫(kù)容8 342億m3。中國(guó)高壩技術(shù)引領(lǐng)全球。目前全球已建在建200 m的高壩96座，中國(guó)占34座；250 m以上高壩20座，中國(guó)占7座。已建錦屏一級(jí)雙曲拱壩(305 m)和在建雙江口心墻堆石壩(314 m)位列同類(lèi)壩型之冠。

按照行業(yè)管理，根據(jù)水電站大壩安全隱患排查報(bào)告，中國(guó)國(guó)家能源局管理的水電站大壩總計(jì)710座(在運(yùn)473座[2]、在建237座)，總裝機(jī)容量2.78億kW，約占全國(guó)水電總裝機(jī)容量的76.5%；總庫(kù)容4 885億m3，約占全國(guó)總庫(kù)容的54%。國(guó)家能源局管理的大壩數(shù)量雖然只占全國(guó)的0.48%，但高壩大庫(kù)多。庫(kù)容大于10億m3的在運(yùn)大壩有68座；壩高大于100 m以上的有127座，大于200 m的特高壩有12座。

裝機(jī)規(guī)模世界第一。2017年底，全國(guó)水電裝機(jī)容量34 119萬(wàn)kW，其中常規(guī)水電31 250萬(wàn)kW，抽水蓄能2 869萬(wàn)kW，全年水力發(fā)電量11 945億kW·h[2]。梯級(jí)水庫(kù)群漸成規(guī)模。紅河干流、烏江干流，南盤(pán)江、

紅水河干流，黃河中下游，大渡河中下游、雅礱江中下游、瀾滄江中下游、金沙江干流中下游梯級(jí)群漸成規(guī)模。

環(huán)境效益逐漸顯現(xiàn)。2017年水力發(fā)電量替代標(biāo)準(zhǔn)煤3.55億t標(biāo)準(zhǔn)煤。以超低排放0.297 kg計(jì)，減少二氧化碳排放量9.538億t。中國(guó)水電對(duì)二氧化碳減排的貢獻(xiàn)占全世界近1/3(以2011年計(jì))。在所有低碳能源品種中，水電可持續(xù)減排能力最強(qiáng)。

防洪效益尤為顯著。以三峽水利樞紐為主的梯級(jí)水庫(kù)群為例，截至2017年底累計(jì)攔洪運(yùn)用44次，長(zhǎng)江干流堤防沒(méi)有發(fā)生一處重大險(xiǎn)情；成功應(yīng)對(duì)2010年、2012年兩次洪峰超70 000 m3/s的洪水；在2016年長(zhǎng)江發(fā)生“98大洪水”時(shí)，通過(guò)聯(lián)合調(diào)度，避免了長(zhǎng)江上游“1號(hào)洪峰”與中下游“2號(hào)洪峰”疊加，有效控制了下游沙市站水位未超過(guò)警戒水位。根據(jù)中國(guó)工程院作為第三方獨(dú)立評(píng)估的初步估算，三峽工程每年平均產(chǎn)生的防洪經(jīng)濟(jì)效益達(dá)76.11億元(2007年價(jià)格水平)[3]。

1.2 現(xiàn)狀特點(diǎn)

我國(guó)水利水電樞紐呈現(xiàn)壩高、庫(kù)容相對(duì)較小、裝機(jī)容量大的特點(diǎn)，這與我國(guó)西部山區(qū)地形陡峻、河谷狹窄、落差大有關(guān)。相對(duì)發(fā)達(dá)國(guó)家，我國(guó)人均可控儲(chǔ)水設(shè)施嚴(yán)重不足。流域防洪減災(zāi)能力與經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展水平極不適應(yīng)。以美國(guó)科羅拉多河為例，目前在科河干流已興建水庫(kù)11座，支流修建水庫(kù)95座，干、支流已建總庫(kù)容約872億m3，有效蓄水庫(kù)容達(dá)760億m3，為流域年平均年徑流量的4倍多。米德湖和鮑威爾湖兩座控制性水庫(kù)，有效庫(kù)容分別達(dá)319億、300億m3。此外，有效庫(kù)容大于2 500萬(wàn)m3的梯級(jí)水庫(kù)還有22座。科河通過(guò)水庫(kù)群的調(diào)節(jié)，可將汛期洪水全部作為資源加以利用，大幅度減小了防洪棄水。

美國(guó)擁有人工儲(chǔ)水設(shè)施總庫(kù)容超過(guò)135 000億m3，俄羅斯為7 930億m3，加拿大與巴西分別為6 500億、5 680億m3。我國(guó)與美國(guó)、加拿大、巴西國(guó)土面積相當(dāng)，但對(duì)比美國(guó)，我國(guó)無(wú)論總庫(kù)容還是人均庫(kù)容都嚴(yán)重偏低，與巴西、加拿大等國(guó)家總量持平但人均相對(duì)很低。人均庫(kù)容與人均裝機(jī)同為衡量國(guó)家發(fā)展程度的重要標(biāo)志。人均庫(kù)容越大，防洪減災(zāi)能力越強(qiáng)。

我國(guó)年降雨分布不均，集中在汛期。洪水集中與人工儲(chǔ)水設(shè)施不足的矛盾突出，更加劇了汛期防洪減災(zāi)的壓力。長(zhǎng)江上游地區(qū)僅7、8兩月降水量占全年40%左右。雖然流域已建成大中小型水庫(kù)5.12萬(wàn)座，總庫(kù)容約3 588億m3，但具有防洪能力且參與聯(lián)合調(diào)度的水庫(kù)只有30多座，庫(kù)容僅530億m3。相對(duì)于年徑流4 800億m3的長(zhǎng)江流域，防洪庫(kù)容還是太小。我國(guó)流域防洪減災(zāi)能力與發(fā)達(dá)國(guó)家還有很大差距。經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展要求多修高壩大庫(kù)、廣建儲(chǔ)水設(shè)施，同時(shí)人多耕地少的基本國(guó)情又限制了水壩的興建。所以在河流規(guī)劃中只能設(shè)置一定數(shù)量的高壩大庫(kù)或“龍頭”水庫(kù)。

2 歷史潰壩分析

根據(jù)水利部歷年資料統(tǒng)計(jì)，1954年至2017年我國(guó)共發(fā)生3 529起水壩潰決事件。數(shù)量雖然驚人但主要集中在低壩。30 m以下潰壩3 109座，占潰壩總量的88.1%；30～70 m潰壩115座，占比3.0%；70 m以上潰決1座，為位于青海省共和縣的溝后水壩，壩高71 m；此外還有304座壩高不詳?shù)臐Q事件，一些文獻(xiàn)將其歸類(lèi)為30 m以下。我國(guó)無(wú)高壩潰決案例。

按潰壩比例分析，低壩小庫(kù)的潰壩占比遠(yuǎn)高于高壩大庫(kù)。30 m以下潰壩占比是30～70 m的27倍以上。低壩建設(shè)數(shù)量多、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)低、疏于管理是成為潰壩主體的主要原因。

以我國(guó)目前已建98 478座水壩作為大樣本統(tǒng)計(jì)，低于30 m的水壩(93 850座)潰壩率為3.64%，年計(jì)0.057%；介于30～70 m的潰壩率、年計(jì)分別為2.29%、0.043%；高于70 m的分別為0.139%、2.17×10-5。隨著壩體高度增加，潰壩概率逐漸降低，低壩和中壩沒(méi)有量級(jí)差別。高壩潰決概率極低。低壩的潰壩概率大約為0.06%，接近于當(dāng)?shù)夭牧蠅蔚男：撕樗篮闃?biāo)準(zhǔn)上限0.1%。排除設(shè)計(jì)中的安全超高以及樣本中少數(shù)剛性壩，低壩潰壩概率基本可以認(rèn)為是校核洪水防洪標(biāo)準(zhǔn)。低土石壩遭遇超過(guò)千年一遇洪水流量就極可能潰決。如果考慮早期水文系列長(zhǎng)度不足，洪水是引起低壩尤其是低土石壩發(fā)生潰決的主要因素。

潰壩損失最大的“75·8”板橋、石漫灘潰決引發(fā)梯級(jí)連潰事件，造成直接經(jīng)濟(jì)損失上百億元(當(dāng)年河南省GDP約300億元)，次生災(zāi)害引發(fā)的生命財(cái)產(chǎn)損失超過(guò)了全國(guó)其余大壩潰壩損失的總和。

因此，從潰壩風(fēng)險(xiǎn)角度，應(yīng)加強(qiáng)中低土壩的安全管理；從流域系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)角度，高壩大庫(kù)是防控重點(diǎn)。

3 安全標(biāo)準(zhǔn)分析

3.1 洪水標(biāo)準(zhǔn)

我國(guó)水壩防洪標(biāo)準(zhǔn)采用設(shè)計(jì)、校核兩級(jí)設(shè)防[4]。校核洪水標(biāo)準(zhǔn)即為防止?jié)蔚谋魏樗?。?dāng)?shù)夭牧蠅斡捎诤樗螌?dǎo)致的潰壩風(fēng)險(xiǎn)較高，比同等剛性壩校核洪水標(biāo)準(zhǔn)提高一級(jí)。對(duì)于1級(jí)建筑物，當(dāng)?shù)夭牧蠅蔚男：撕樗畼?biāo)準(zhǔn)規(guī)定為PMF或10 000～5 000 a一遇；2、3、4、5級(jí)建筑物校核洪水標(biāo)準(zhǔn)分別為5 000～2 000、2 000～1 000、1 000～300、300～200 a一遇。小(2)型水壩的潰壩率和年計(jì)分別為3.64%、0.057%。如此高的潰壩比例和年計(jì)潰壩概率與我國(guó)小型水壩的標(biāo)準(zhǔn)偏低直接相關(guān)。但在GB 50201—2014《防洪標(biāo)準(zhǔn)》修訂中，有專(zhuān)家建議將山丘土石壩5級(jí)建筑物的校核洪水標(biāo)準(zhǔn)300～200 a一遇的下限，調(diào)整為300～100 a一遇(見(jiàn)防洪標(biāo)準(zhǔn)86頁(yè))。提出2條理由：一是根據(jù)1954年～2006年的52 a的潰壩樣本，小(2)型水庫(kù)2 692座。其中，因超標(biāo)準(zhǔn)洪水漫壩垮塌的水庫(kù)僅為263座，占當(dāng)時(shí)小(2)型總數(shù)(約7萬(wàn)座)的0.38%。我國(guó)現(xiàn)行的頻率分析法計(jì)算的設(shè)計(jì)洪水成果偏于安全。二是我國(guó)現(xiàn)有小型水庫(kù)實(shí)際防洪標(biāo)準(zhǔn)達(dá)標(biāo)率較低，達(dá)標(biāo)建設(shè)投資較大。

我國(guó)目前頻率分析法基本沿用前蘇聯(lián)經(jīng)驗(yàn)，采用P-III曲線(xiàn)。但前蘇聯(lián)的洪水以融雪為主，洪水變差系數(shù)Cv較小，約90%河流的Cv在0.6以下。我國(guó)以暴雨洪水為主，洪水變差系數(shù)較大，采用頻率分析方法計(jì)算的洪水可能偏大。即使基于偏安全的洪水計(jì)算進(jìn)行水壩設(shè)計(jì)，也有0.38%的潰壩比例。這一比例不是偏低，而是偏高。2014規(guī)范維持5級(jí)建筑物采用原洪水標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于1級(jí)建筑物，應(yīng)綜合考慮水文氣象法PMF成果和頻率法10 000年一遇洪水計(jì)算成果，必要時(shí)應(yīng)進(jìn)行可能最大洪水專(zhuān)題研究。

從單一梯級(jí)角度，我國(guó)高壩1、2級(jí)建筑物洪水標(biāo)準(zhǔn)選擇偏于安全，與工程規(guī)模、失事災(zāi)害嚴(yán)重程度也是適應(yīng)的。

美國(guó)國(guó)土安全部聯(lián)邦緊急事務(wù)管理署頒布的《聯(lián)邦大壩安全導(dǎo)則》系列規(guī)定，與我國(guó)大(1)型1級(jí)大壩的洪水標(biāo)準(zhǔn)基本一致。FEMA333對(duì)水壩風(fēng)險(xiǎn)分類(lèi)體系規(guī)定[6]，水壩失事或者誤操作可能導(dǎo)致生命損失就確定為高風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)”。此規(guī)定生命損失只要有1人，即視為高風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)?；跐魏樗隽看_定入庫(kù)洪水和泄水設(shè)施泄流能力[7]。

當(dāng)大壩失事后果對(duì)下游造成的影響(水深)約為0.61 m(2英尺)或更少時(shí)，即可被下游接受。當(dāng)分析表明潰壩導(dǎo)致的下游水深超過(guò)0.61 m，將需要進(jìn)一步分析判斷。為滿(mǎn)足潰壩不引起下游水位增加超過(guò)0.61 m，美國(guó)基本上所有水壩的入庫(kù)流量選擇PMF。

基于潰壩風(fēng)險(xiǎn)損失和工程規(guī)模，確定的泄流能力見(jiàn)表1。從表1可以看出，只要是高風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，即使是小型工程(美國(guó)定義小型工程：庫(kù)容6萬(wàn)～123萬(wàn)m3，壩高6～12 m)下限也是1/2PMF，上限為PMF。

表1 聯(lián)邦大壩安全導(dǎo)則(FEMA 94)中泄洪道流量的規(guī)定

從擋、泄水建筑物洪水標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定可以看出，對(duì)于大型工程，我國(guó)洪水標(biāo)準(zhǔn)與美國(guó)基本相當(dāng)；對(duì)于中小型工程，我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)遠(yuǎn)低于美國(guó)。洪水標(biāo)準(zhǔn)的選取理念也與美國(guó)有較大的區(qū)別。我國(guó)是針對(duì)工程規(guī)模確定洪水標(biāo)準(zhǔn)，缺少對(duì)失事后果的量化規(guī)定。美國(guó)工程設(shè)計(jì)理念是享受水資源開(kāi)發(fā)利益的同時(shí)，還要免受可接受范圍之外的損失。

3.2 抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)

我國(guó)水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)定，水工建筑物應(yīng)能抵御設(shè)計(jì)烈度的地震作用，如出現(xiàn)局部損壞應(yīng)不危及工程安全，經(jīng)修復(fù)后可正常運(yùn)行。水工建筑物在設(shè)計(jì)烈度下具有正常使用的功能。對(duì)于大型工程，特別規(guī)定“對(duì)于基本烈度為Ⅵ度或Ⅵ度以上，壩高超過(guò)200 m 或水庫(kù)總庫(kù)容大于100億m3的大(1)型工程；基本烈度為Ⅶ度或Ⅶ度以上，壩高超過(guò)150 m的大(1)型工程，抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，壅水建筑物取基準(zhǔn)期100 a超越概率為0.02，其他主要水工建筑物取基準(zhǔn)期50 a超越概率為0.05?？拐鹪O(shè)計(jì)烈度高于Ⅸ度的水工建筑物或高度大于250 m的壅水建筑物，其抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)進(jìn)行專(zhuān)門(mén)研究論證，報(bào)主管部門(mén)審查批準(zhǔn)”。2008年汶川特大地震后，我國(guó)更加重視高壩大庫(kù)的抗震安全評(píng)價(jià)工作。對(duì)高壩大庫(kù)，提出專(zhuān)題設(shè)計(jì)、專(zhuān)題審查的要求。甲類(lèi)建筑物取基準(zhǔn)期100 a超越概率1%或MCE的動(dòng)參數(shù)作為校核地震，相應(yīng)的性能目標(biāo)為“整體穩(wěn)定”。對(duì)于特別重要的工程，還要研究極限抗震能力和地震破壞模式。

對(duì)標(biāo)國(guó)際，我國(guó)高壩大庫(kù)的工程抗震設(shè)計(jì)與國(guó)際在同一水平。50 a超越概率10%、5%和100 a超越概率2%，采用泊松分布換算成重現(xiàn)期分別約為475、975 a和4 950 a。美國(guó)的MDE為3 000～10 000 a重現(xiàn)期，英國(guó)IV類(lèi)為30 000 a，加拿大為10 000 a，性能目標(biāo)是不潰壩。瑞士采用重現(xiàn)期10 000 a，性能目標(biāo)是水庫(kù)可控下泄。表述不同，本質(zhì)基本相同。瑞士的性能目標(biāo)相對(duì)更高。

英國(guó)、瑞士、加拿大等采用重現(xiàn)期高達(dá)10 000 a甚至30 000 a的地震作為SEE，奧地利則取MCE作為最大設(shè)計(jì)地震。這些國(guó)家的地震活動(dòng)較弱或很弱，適當(dāng)增大地震重現(xiàn)期所帶來(lái)的工程投資增加不大。

國(guó)際上主要國(guó)家的實(shí)際設(shè)防地面水平峰值加速度(PGA)一般在0.4g～0.6g。如智利地震活動(dòng)性強(qiáng)，重現(xiàn)期800 a的PGA大于0.5g；意大利2 500 a的PGA為0.6g；英國(guó)地震活動(dòng)性較弱，30 000 a的PGA為0.375g；瑞士10 000 a的PGA約為0.5g。我國(guó)大多數(shù)高壩水電站所在的西南地區(qū)，重現(xiàn)期5 000 a地震PGA一般為0.2g～0.4g，10 000 a可達(dá)0.4g～0.5g，有的甚至超過(guò)0.6g。

我國(guó)甲類(lèi)設(shè)防的大壩，設(shè)計(jì)地震的設(shè)防水準(zhǔn)接近于國(guó)外多數(shù)國(guó)家最大可信地震(MCE)的水平，而其性能目標(biāo)又與國(guó)外OBE的要求接近。對(duì)于抗震設(shè)防類(lèi)別低于甲類(lèi)的大壩，其設(shè)防水準(zhǔn)的重現(xiàn)期一般約為500 a，對(duì)應(yīng)于地震基本烈度的重現(xiàn)期，也較一般OBE的要求高。

英國(guó)、加拿大、奧地利和瑞士等國(guó)家由于地震活動(dòng)性較弱，采用的設(shè)防地震重現(xiàn)期相對(duì)較大(例如英國(guó)最大達(dá)30 000 a)，但其實(shí)際設(shè)防地震的PGA與我國(guó)高壩設(shè)防地震的PGA基本相當(dāng)；最高地震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)相應(yīng)的性能目標(biāo)也均為“不潰壩”或“不發(fā)生失控下泄”，與我國(guó)的抗震設(shè)防目標(biāo)基本一致。

我國(guó)對(duì)重要大壩的地震設(shè)防水準(zhǔn)的要求相對(duì)比較嚴(yán)格。我國(guó)是一個(gè)地震多發(fā)國(guó)家，同時(shí)是世界上修建大壩最多的國(guó)家；考慮地震的不確定性，高壩大庫(kù)一旦受震后潰決，其次生災(zāi)害對(duì)社會(huì)造成的損失難以承受。因此，加強(qiáng)對(duì)地震風(fēng)險(xiǎn)及大壩防震抗震的研究，采取切實(shí)可行的措施，避免現(xiàn)代技術(shù)條件下的地震次生災(zāi)害意義重大，符合我國(guó)國(guó)情。

與國(guó)際比較，我國(guó)高壩抗震防震措施也較為可靠。紫坪鋪面板堆石壩和沙牌碾壓混凝土拱壩，設(shè)計(jì)地震烈度為Ⅷ度。壩址位于汶川8級(jí)地震Ⅸ～Ⅹ烈度區(qū)，遭受遠(yuǎn)超過(guò)原設(shè)計(jì)地震動(dòng)加速度而壩體整體震損輕微。美國(guó)的帕科依瑪(Pacoima)拱壩，震前曾用試載法按順河向地震加速度為0.15 g進(jìn)行安全核算，1971年遭受M6.6級(jí)的圣費(fèi)爾南多大地震后，壩肩與壩體開(kāi)裂，震后按“庫(kù)滿(mǎn)+同一震源發(fā)生M6.5級(jí)地震峰值加速度0.32g”進(jìn)行加固復(fù)核，1994年又遭受M6.8級(jí)的北嶺地震，左岸壩肩和壩體震損嚴(yán)重程度遠(yuǎn)超過(guò)紫坪鋪和沙牌。

綜合對(duì)比高壩的地震標(biāo)準(zhǔn)、VGA選取和性能目標(biāo)的規(guī)定，我國(guó)水壩地震設(shè)防水準(zhǔn)較為嚴(yán)格，抗震措施也有針對(duì)性。近年來(lái)幾次強(qiáng)震后的震損調(diào)查表明，大型水利水電工程的抗震是有保證的。

3.3 整體穩(wěn)定安全標(biāo)準(zhǔn)

基于單一安全系數(shù)法，1級(jí)重力壩壩基、拱壩壩肩和土石壩壩坡(包括面板堆石壩)在正常運(yùn)用狀況的基本作用組合，要求建筑物保持整體穩(wěn)定的目標(biāo)安全系數(shù)分別為3.0、3.5和1.5；特殊作用組合分別考慮非常洪水和設(shè)計(jì)地震。由于非常洪水和地震的發(fā)生概率都比較低，控制指標(biāo)也有所降低。穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)的選擇是大量工程多年實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)。與國(guó)際對(duì)比，處在同一安全水平。

由于材料強(qiáng)度指標(biāo)的C、F值，變異程度不同，對(duì)結(jié)構(gòu)安全度的貢獻(xiàn)也不同。水壓力、揚(yáng)壓力等作用對(duì)結(jié)構(gòu)安全的影響也不同。電力行業(yè)率先開(kāi)展規(guī)范的修訂。1999年在重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范、2006年在拱壩設(shè)計(jì)規(guī)范修訂中采用分項(xiàng)系數(shù)法。分項(xiàng)系數(shù)實(shí)質(zhì)是把不同材料(例如混凝土、壩基、結(jié)構(gòu)面等)以及材料不同強(qiáng)度指標(biāo)分別作了降強(qiáng)，把不同作用做超載。為了體現(xiàn)不同建筑物級(jí)別，引入了結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)；反映不同的設(shè)計(jì)狀況，引入了設(shè)計(jì)狀況系統(tǒng)數(shù)；反映作用和抗力計(jì)算模式的不太確定性，引入了結(jié)構(gòu)系數(shù)。采用5個(gè)分項(xiàng)系數(shù)后，如果計(jì)算得到的綜合抗力大于綜合作用，則說(shuō)明結(jié)構(gòu)的安全度至少不低于單一安全系數(shù)法計(jì)算的安全度。采用不同的分項(xiàng)系數(shù)，更能逼近反映結(jié)構(gòu)真實(shí)的安全水平。這無(wú)疑是一大進(jìn)步。

分項(xiàng)系數(shù)法并不能得到結(jié)構(gòu)的目標(biāo)可靠度指標(biāo)。水利水電工程結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)(1994年版)和重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范(1999年版)，均提出一、二類(lèi)破壞的目標(biāo)可靠度指標(biāo)。以上版本提出的目標(biāo)可靠度指標(biāo)同樣見(jiàn)于78版重力壩規(guī)范和78版鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范校準(zhǔn)。由于水工建筑物的可靠度指標(biāo)容易校準(zhǔn)得到，但采用全可靠度的體系建立難度很大。所以，分項(xiàng)系數(shù)法是從安全系數(shù)向可靠度過(guò)渡階段的權(quán)宜之計(jì)。相比單一安全系數(shù)法，雖然分項(xiàng)系數(shù)并不能揭示工程的本質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)，但至少反映了逼近工程真實(shí)安全水平的過(guò)程。

現(xiàn)有的設(shè)計(jì)安全標(biāo)準(zhǔn)，與之配套的設(shè)計(jì)方法反映了我國(guó)水壩的安全水平。尤其是高壩標(biāo)準(zhǔn)位于國(guó)際高水平行列，因?yàn)榇髩问Ц怕时葒?guó)際上同類(lèi)壩還低。如果下游淹沒(méi)區(qū)的生命、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和社會(huì)因子能夠確定，則可計(jì)算得到風(fēng)險(xiǎn)損失。利用風(fēng)險(xiǎn)概率與風(fēng)險(xiǎn)損失綜合評(píng)估工程的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，有利于公共安全決策。采用風(fēng)險(xiǎn)理念設(shè)計(jì)滿(mǎn)足公共可接受的安全工程，應(yīng)該是壩工理論發(fā)展的方向。

3.4 安全超高

安全超高并不是一個(gè)明確的安全指標(biāo)，但在我國(guó)乃至世界各國(guó)都非常重視安全超高的選取?！堵?lián)邦大壩安全導(dǎo)則(地震分析與大壩設(shè)計(jì))》明確規(guī)定震后壩頂沉降，不能引起洪水漫頂。我國(guó)各種壩型設(shè)計(jì)規(guī)范中也明確規(guī)定，要求校核洪水不允許大壩漫頂?shù)囊?guī)定。對(duì)于特大型高壩，安全超高都超出規(guī)范的規(guī)定。例如我國(guó)三峽大壩，壩頂高程比正常蓄水位高出10 m，比常規(guī)設(shè)計(jì)確定的高8 m。

國(guó)家“973”計(jì)劃項(xiàng)目《梯級(jí)水庫(kù)群全生命周期風(fēng)險(xiǎn)孕育機(jī)制與安全防控理論》提出“裕富超高”的概念，就是為增加工程的安全裕度，按現(xiàn)行規(guī)范確定的壩頂高程又增加的附加超高。近年來(lái)，我國(guó)大型工程尤其是當(dāng)?shù)夭牧系脑７叱试鲩L(zhǎng)的趨勢(shì)(見(jiàn)圖1)。雙江口裕幅超高最大，為2.19 m。

裕幅超高增加的庫(kù)容在極端工況下起到應(yīng)急滯洪和蓄洪作用，可以有效應(yīng)對(duì)上游中小型潰壩洪水，防止庫(kù)區(qū)滑坡涌浪引起的漫壩風(fēng)險(xiǎn)。國(guó)際上對(duì)老壩加高的典型國(guó)家是瑞士。莫瓦桑拱壩從236.5 m加高到250 m，盧佐內(nèi)拱壩從208 m加高至225 m。2009年貝因公司將格舍嫩粘土心墻壩加高8 m。加高大壩一方面增加庫(kù)容發(fā)電，另一方面也是應(yīng)對(duì)極端氣候條件下的超標(biāo)準(zhǔn)洪水。加大壩頂超高對(duì)提高大型工程的抗風(fēng)險(xiǎn)能力非常有用，但對(duì)中小型工程有限。

圖1 我國(guó)大型水電站大壩“裕幅超高”變化趨勢(shì)

4 安全隱患調(diào)查

2017年12月，國(guó)家能源局組織對(duì)當(dāng)時(shí)注冊(cè)的473座在運(yùn)大壩和237座在建大壩的安全隱患進(jìn)行了全面調(diào)查。調(diào)查對(duì)象是以發(fā)電為主、裝機(jī)容量5萬(wàn)kW及以上的大、中型水電站大壩。隱患包括重大隱患和一般隱患。其中，重大隱患是指壩體、壩基、邊坡有失穩(wěn)跡象，或泄水設(shè)施不能正常使用，未經(jīng)處理可能造成潰壩或漫壩，分別評(píng)定為Ⅰ級(jí)和Ⅱ級(jí)重大安全隱患；同時(shí)，大壩定檢確定為險(xiǎn)壩和病壩的隱患，分別評(píng)定為Ⅰ級(jí)和Ⅱ級(jí)重大安全隱患。一般隱患是指大壩現(xiàn)狀是安全的，但長(zhǎng)期運(yùn)行可能會(huì)影響大壩安全；或現(xiàn)狀是安全的，但實(shí)際運(yùn)行條件與原設(shè)計(jì)相比發(fā)生重大變化，需經(jīng)長(zhǎng)期跟蹤分析才能確定其影響；以及大壩安全管理不完善。

4.1 重大隱患

調(diào)查發(fā)現(xiàn)的重大隱患主要是近壩庫(kù)岸滑坡可能引起的漫壩風(fēng)險(xiǎn)，壩體材料性能劣化不足引起的安全裕度不足。

高壩大庫(kù)改變了原有的水文地質(zhì)條件，影響范圍大，引起古滑坡復(fù)活的概率高。國(guó)內(nèi)最為明顯的是拉西瓦大壩右岸近壩前的果卜堆積體。國(guó)際上最為著名的瓦伊昂拱壩左岸上游的托克山滑坡，2.7億m3滑坡體高速下滑，涌浪超過(guò)壩頂高程100多m，致使2 600人罹難，價(jià)值1億美元的大壩報(bào)廢。

材料性能劣化引發(fā)的安全隱患也是屢見(jiàn)不鮮。我國(guó)最為代表性的是豐滿(mǎn)大壩。豐滿(mǎn)大壩修建于偽滿(mǎn)時(shí)期，大壩設(shè)計(jì)與施工存在嚴(yán)重的先天性缺陷。自投運(yùn)以來(lái)，雖然持續(xù)的補(bǔ)強(qiáng)加固和精心維護(hù)，但無(wú)法徹底解決存在的安全隱患問(wèn)題，在2009年定檢中評(píng)定為病壩。決定拆除老壩，在原壩址后100 m新建一座大壩。雖然老壩在新壩建成后即退役，但目前仍發(fā)揮擋水作用，依照隱患標(biāo)準(zhǔn)，判定為Ⅱ級(jí)重大安全隱患。

1986年，美國(guó)國(guó)會(huì)頒布了“水資源開(kāi)發(fā)法案”，其中包括國(guó)家大壩安全計(jì)劃(NDSP)，授權(quán)USACE負(fù)責(zé)對(duì)全國(guó)大壩安全進(jìn)行核查。其中一條原因就是當(dāng)時(shí)有大量水壩服務(wù)年限超過(guò)50年，普遍存在安全標(biāo)準(zhǔn)偏低和材料性能劣化的情況，需要對(duì)老壩的安全狀況進(jìn)行評(píng)估。

4.2 一般隱患

一般隱患主要是泄洪設(shè)施、防滲設(shè)施和壩體裂縫等缺陷。泄洪設(shè)施破壞是較為常見(jiàn)的安全隱患。國(guó)際上著名的胡佛大壩，由導(dǎo)流洞改建的泄洪洞在流速40 m/s、單寬流量50 m3/(s·m)條件下，將下彎段7年齡期的堵頭混凝土全部蝕穿，并在基巖形成深約13.7 m、長(zhǎng)約35 m、寬約9.5 m的大坑[10]。美國(guó)最近的一次是2017年2月的奧羅維爾溢洪道泄洪破壞事件，其主溢洪道泄洪造成長(zhǎng)152.4 m、深13.7 m的破壞范圍后，非常溢洪道被迫啟用，非常溢洪道泄洪也沖刷山體大面積破壞，啟動(dòng)應(yīng)急預(yù)案下達(dá)強(qiáng)制撤離令，18.8萬(wàn)人被迫轉(zhuǎn)移。

5 結(jié)論與建議

從潰壩資料、安全標(biāo)準(zhǔn)和隱患調(diào)查等幾個(gè)方面分析，潰壩風(fēng)險(xiǎn)防控的重點(diǎn)是中低壩，避免發(fā)生系統(tǒng)性風(fēng)險(xiǎn)的是高壩大庫(kù)。當(dāng)前流域梯級(jí)水庫(kù)逐漸形成規(guī)模，如果不可控的自然、工程以及人為因素導(dǎo)致水庫(kù)潰壩，甚至發(fā)生梯級(jí)水庫(kù)連潰，后果將是災(zāi)難性的。本文針對(duì)流域系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)防范，提出以下建議：

(1)建立水電工程運(yùn)行期安全鑒定制度。我國(guó)大型水利水電工程前期執(zhí)行嚴(yán)格的咨詢(xún)和審查制度、建設(shè)期全過(guò)程質(zhì)量監(jiān)督和安全鑒定制度，是向運(yùn)行期移交安全工程的制度保證。從工程全生命周期角度，安全管理應(yīng)貫穿于工程規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)行乃至退役的各個(gè)階段，其中運(yùn)行期的安全管理尤為重要。新建水利大壩主要是中小型工程，高壩大庫(kù)不多。水利行業(yè)安全管理重點(diǎn)是現(xiàn)有水壩的除險(xiǎn)加固。水電行業(yè)新建高壩大庫(kù)較多，而且隨著在運(yùn)水電項(xiàng)目越來(lái)越多，安全監(jiān)管壓力巨大，因此需要集中行業(yè)力量開(kāi)展水電大壩的安全評(píng)估。建立水電工程運(yùn)行期安全鑒定制度，對(duì)工程分類(lèi)、安全隱患分級(jí)進(jìn)行管理，集行業(yè)優(yōu)勢(shì)資源進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)大壩、樞紐以及流域在運(yùn)行期的安全管理非常必要。

(2)建立重大技術(shù)問(wèn)題跟蹤評(píng)價(jià)制度。重要工程、重大技術(shù)問(wèn)題的回顧性評(píng)價(jià)是國(guó)際通用做法。對(duì)于工程建設(shè)過(guò)程中安全鑒定、驗(yàn)收環(huán)節(jié)遺留的問(wèn)題和安全隱患，采用工程措施處理后，有些隱患可以消除，有些隱患的處理效果還需要經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的運(yùn)行考驗(yàn)。一些隱蔽工程的安全問(wèn)題，在大壩安全注冊(cè)登記后還會(huì)暴露出來(lái)。對(duì)于重要工程的重大技術(shù)問(wèn)題，例如對(duì)于谷幅變形、壩體內(nèi)部裂縫、壩基滲漏以及一些碾壓混凝土的層間滲漏等問(wèn)題，都屬于隱蔽性強(qiáng)的安全隱患，需要的是過(guò)程評(píng)價(jià)而不是狀態(tài)評(píng)價(jià)。對(duì)于安全鑒定遺留的重大技術(shù)問(wèn)題，要建立跟蹤性評(píng)價(jià)制度，由原安全鑒定單位定期對(duì)發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題再評(píng)估作為工程安全運(yùn)行評(píng)價(jià)的依據(jù)。

(3)加強(qiáng)泄洪設(shè)施運(yùn)行可靠性的技術(shù)評(píng)估。泄洪設(shè)施的泄流能力和運(yùn)行可靠性是保障工程安全的重要措施之一。世界潰壩資料顯示，導(dǎo)致潰壩主要風(fēng)險(xiǎn)因素是洪水。但超標(biāo)準(zhǔn)洪水只是一個(gè)原因，有些工程即使遭遇標(biāo)準(zhǔn)之內(nèi)的洪水，也會(huì)因?yàn)樵O(shè)計(jì)泄流能力不足或者無(wú)法正常開(kāi)啟泄洪設(shè)施而導(dǎo)致漫壩潰決。更有些工程泄洪設(shè)施長(zhǎng)期不用，可靠性不得而知。建議在全國(guó)范圍內(nèi)開(kāi)展泄洪設(shè)施安全隱患排查，進(jìn)行泄流能力復(fù)核，泄洪設(shè)施可靠性排查，加強(qiáng)泄洪設(shè)施改造。

(4)加快推進(jìn)流域綜合監(jiān)測(cè)和安全風(fēng)險(xiǎn)管控。我國(guó)大多數(shù)流域梯級(jí)群開(kāi)發(fā)已初步形成，部分流域開(kāi)發(fā)企業(yè)較多，未形成協(xié)調(diào)統(tǒng)一的流域安全管理體系。為加強(qiáng)流域梯級(jí)水電站綜合運(yùn)行監(jiān)測(cè)和管理，需要進(jìn)一步加快完善信息管理平臺(tái)，擴(kuò)大流域水電綜合監(jiān)測(cè)范圍，實(shí)現(xiàn)流域安全和生態(tài)環(huán)境的監(jiān)測(cè)與管理等功能。加快推進(jìn)流域水電站安全風(fēng)險(xiǎn)研究，加強(qiáng)流域水電站安全風(fēng)險(xiǎn)管控和應(yīng)急管理。

(5)開(kāi)展極端氣候條件下的大壩安全研究。近年來(lái)，全球氣候變暖導(dǎo)致極端天氣頻發(fā)，局地暴雨、超標(biāo)準(zhǔn)洪水對(duì)大壩安全造成嚴(yán)重威脅。需開(kāi)展全球氣候變化條件下的流域水文氣象重大課題研究，提高應(yīng)對(duì)極端氣候?yàn)?zāi)害和超標(biāo)準(zhǔn)洪水的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)水平，保障流域梯級(jí)電站大壩防洪安全。

(6)加強(qiáng)水電站大壩退役機(jī)制研究。我國(guó)一些水壩運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)，受歷史條件限制，存在建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)低、質(zhì)量相對(duì)較差等問(wèn)題，病害老化問(wèn)題也逐漸顯露。隱患調(diào)查發(fā)現(xiàn)一些水電站存在大壩壩齡較長(zhǎng)，壩體混凝土老化、開(kāi)裂等問(wèn)題。建議在全國(guó)范圍內(nèi)開(kāi)展老舊大壩的風(fēng)險(xiǎn)排查、質(zhì)量檢測(cè)和安全評(píng)估工作，構(gòu)建除險(xiǎn)加固、降等運(yùn)行和退役拆除的監(jiān)管體系。

(7)持續(xù)推動(dòng)特高壩科技進(jìn)步。目前在運(yùn)壩高200 m及以上的特高壩12座，還有7座正在建設(shè)。這些特高壩工程技術(shù)難復(fù)雜，安全問(wèn)題備受社會(huì)關(guān)注，失事后果損失巨大。建議在國(guó)家、行業(yè)層面，持續(xù)進(jìn)行特高壩的工作性態(tài)研究，總結(jié)建設(shè)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，推動(dòng)筑壩及管理科技進(jìn)步。

(8)推動(dòng)大壩和流域安全管理立法。大壩安全管理目前尚無(wú)專(zhuān)門(mén)的法律。1991年頒布的《水庫(kù)大壩安全管理?xiàng)l例》與中國(guó)當(dāng)前的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和安全管理極不適應(yīng)。2018年“白格堰塞壩”不到6億m3的水量引發(fā)600多km的災(zāi)害損失。流域安全涉及國(guó)家戰(zhàn)略安全，絕不是一個(gè)行業(yè)、一個(gè)部門(mén)能夠承擔(dān)的責(zé)任。因此，很有必要研究制定《中華人民共和國(guó)大壩安全法》《中華人民共和國(guó)流域公共安全法》等相關(guān)法律，從法律層面規(guī)范我國(guó)大壩安全管理，實(shí)現(xiàn)流域安全管理的法制化。

致謝：

本文在撰寫(xiě)過(guò)程中，得到了高潔、王琳、周興波、武明鑫等博士的大力協(xié)助，在成稿后，中國(guó)電力建設(shè)集團(tuán)周建平總工對(duì)本文進(jìn)行了通篇閱改，在此表示衷心感謝。