從大壩設計和風險分析看大壩安全論文
摘要：經過一百年大壩實踐,據統計世界大壩潰壩率已從20世紀初的4？10？至世紀未的約0.2？小于),而從壩的可靠度設計理論可控制其失效概率在0.01？下,可見兩者的差距很大,說明目前大壩的實際安全度還應設法提高。
關鍵詞：大壩設計風險分析安全
經過一百年大壩實踐,據統計世界大壩潰壩率已從20世紀初的4%～10%降至世紀未的約0.2%(或小于),而從壩的可靠度設計理論可控制其失效概率在0.01%以下,可見兩者的差距很大,說明目前大壩的實際安全度還應設法提高。在完善大壩設計中,還要注意對大壩可能出現的風險因素進行深入論證,同時還應做好風險管理以及為預防產生風險做好大壩安全監測工作。我國壩工建設已有約3000年歷史,但現代大壩從上世紀末葉或本世紀初才逐漸興起。本文從近百年來已建成大壩的實際情況和統計資料說明世界及我國大壩安全狀況:潰壩率從本世紀初的4%已降低至世紀末的約0.2%以下。通過百年努力,由于設計、施工、運行技術的提高,潰壩率已有長足的降低,但潰壩率0.2%仍是相當驚人的。為了提高壩的安全度簡單地提高大壩設計的安全系數是無濟于事的。近年來各種工業民用建筑已逐漸推行了可靠度設計,要求達到的可靠指標β值應在4.2～3.2之間,這樣其失效概率一般應在(3～10)×10-5。此值比前述潰壩率0.2%還有很大差距(小數十倍)。這說明推行可靠度設計以后可規范工程在設計時應該達到的可靠度指標,使工程設計趨于完善。從目前大壩潰壩或失事率看,大壩的安全還有待進一步提高,還應從各工程的特殊情況或途徑考慮。據查考,過去大壩潰決或失事大多由于各工程特殊原因造成,主要有:1洪水漫壩,或由于超標準洪水,或由于泄洪設施突然失控;2壩體質量及基礎問題;3其他管理等問題。當今投資興建工程,往往要求進行風險分析,對大壩中可能出現的風險因素進行分析論證,在技術上和經濟上進行風險評估,為工程決策者提供依據,同時對有關風險提出抑制措施或對策。
1大壩安全狀況
我國壩工建設發展較快,迄今已建8萬余座,其中包括高、中、低壩,大部分質量較好,但也有一些質量較差的病壩或險壩,一些老壩年久失修,已開始老化。建壩后下游工農業發展,人口增加,供水發電效益顯著,但由于種種原因,壩的潰決(特別是中小壩)時有發生,潰壩后果特別嚴重,主要反映在兩個方面:1巨大的防洪、供水、發電效益毀于一旦;2對下游人民的生命財產及國民經濟造成極大損失。迄至1980年統計,我國總潰壩率高達3%左右,但326座大型水庫中僅2座失事,其潰壩率亦達0.6%,而中小型潰壩較多,約在4%左右。這些中小型壩絕大部分都在大躍進年代中修建,工程規模較小,施工質量差,且管理不善。
國外大壩情況,1967年N.V.Schnitter統計,美國1900～1959年60年中建壩共1650座,垮壩30座,占1.8%。其中1900～1910年占9%,以后逐年減少,到1950～1959年已降為0.4%。據1982年第14屆世界大壩會議報道認為世界大壩潰壩率1900年以前一般大于4%,到1900年曾一度大于10%,以后逐漸減少,迄至1980年只有約0.2%。從以上看潰壩率是很高的。據我國統計總潰壩中因洪水漫壩的約占一半,因壩體及地基等質量問題的約占40%,管理及其他方面的占10%。從國外資料分析,各家觀點不一,總的認為以基礎原因或以洪水過大而失事居多。本文不擬在潰壩的數量及原因上多加闡述,只是說明國內外已建成大壩的失事率還很高,應設法改善。
大壩潰壩統計材料較少,不易精確統計。從以上初略統計資料看,按不同地區統計出入很大,但總的趨勢相近,故可以這樣認為,潰壩率從世界宏觀看,已從本世紀初的4%到10%,至世紀末已降到0.2%或以下。經過這100年潰壩率已降低很多,但0.2%還是較大的。
2大壩設計
世界壩工歷史悠久,但據稱第一座按照極粗淺的穩定和應力要求設計的高60m的丹佛重力壩僅開始于百余年前。19世紀末葉波特蘭水泥問世以后才正式出現了混凝土壩和以水泥為膠凝材料的漿砌石壩,而近50m高的土石壩亦開始于19世紀末葉。由于壩工及其他工程的長期實踐,人們的認識逐漸提高。本世紀開始,材料力學、結構力學、水力學、土壤力學以及壩工學等逐漸興起,壩的設計及施工才慢慢地趨于完善。可以認為現代大壩的設計及施工主要是在最近一個世紀內進行的。通過精心設計,大壩結構逐漸趨于完善,壩的安全也逐漸得到改善。正如前節中所述,此期間大壩的潰壩率已從世紀初的4%降至世紀末的0.2%以下。大壩安全雖然已取得了明顯的改善,但潰壩率仍相當高。由于潰壩影響太大,故潰壩率還應盡量降低。當然主觀愿望希望能建一座絕不會垮的壩,但從統計原理,其可靠指標不能達到100%,只能做到99.99%或99.999%等,相應地失效概率為0.01%到0.001%。到底多少合理,就要改變過去安全系數設計方法為可靠度設計方法。我國已頒布了《工程結構可靠度設計統一標準》,工民建等方面已按這個標準實行。水利水電方面亦已頒布了《水利水電工程結構可靠度設計統一標準》,同時還相應地頒發了鋼筋混凝土及重力壩等規范。其設計可靠指標β值對、、級壩規定為4.2、3.7和3.2,亦即可靠指標為99.99%至99.997%,失效概率相應為(3～10)×10-5。這說明僅僅從結構設計,從荷載(作用)和材料強度(抗力)變異性(或不均勻性)及其他不定因素經統計分析可能出現的失效概率,至于施工、運行中出現的異常情況尚無法估計在內。目前將推行的可靠度設計還是一種漸近的和近似的以分項系數為實用方法的設計。除前述作用及材料系數可以通過統計分析確定外,其余結構系數、結構重要性系數、結構狀況系數憑經驗按1.2～1.3及1.1～0.9來選定。這種可靠度設計雖還不夠完善,但朝正確地選定工程的可靠度方面向前進了一步。
3風險分析
當今投資興建工程,往往除設計外還要求進行風險分析,對可能出現的風險在技術上和經濟上(甚至包括政治、社會等方面)進行評估。本文主要就工程技術方面的風險進行論述。如第1節中所述,我國中小壩潰決較多,有時每年多至數座,而從世界范圍看每年約有一起到幾起嚴重的大壩事故。究其原因,或由于洪水漫壩,或由于基礎失穩,或由于大壩質量,或由于其他管理因素,故在大壩設計時應抓住其主要風險因素進行分析。由于大壩樞紐工程首先應對水文地質情況,大壩、廠房、輸泄水設施以及機電設施等進行風險識別,明確主
要風險因素,對主要的風險提出抑制或處理措施。對風險發生的可能性和產生的后果要進行分析論證。通過風險分析發現的主要風險,或設計存在的主要問題,如:1當發現某工程水文、洪水復雜,對某工程可能是關鍵(或稱風險),就應在設計中補充闡述,必要時進行PMF或其他有效分析并采取必要的工程措施;2如地震作用是關鍵,就應進行地震危險性分析以確定地震加速度等參數。必要時對地震風險進行破壞分析或模型試驗,以確定地震時可能出現的破壞情況;3如發現風險可能來自閘門未能及時啟閉,就應增設或加強電源的可
靠性或其他臨時非常的啟閉辦法;4如發現地基存在缺陷,可能成為運行中的隱患,應盡量提出加固措施或其他大壩安全監測及預警等措施。以上對各種風險從技術上進行分析,采取抑制、減免等技術措施。此外,必要時還應對風險一旦出現后帶來的損失進行估算。如遇超標準洪水漫壩導致大壩潰決,視工程的重要性應對大壩潰決后對下游造成的淹沒范圍和經濟損失進行潰壩計算和分析。從大壩及泄洪工程的型式、結構等進行綜合論證。如為了減少大壩漫溢造成的風險,采用混凝土壩較土石壩更為有利。其他如地震等自然災害,戰爭等特殊災害,以及常易出現的火災等亦應予以考慮。以上風險經考慮論證后,在工程上采取切實有效的措施使風險出現的可能性盡量減小,并對其影響范圍予以限制。除在工程上采用技術措施對風險的出現予以有效的抑制外,也可采取近代工程風險的管理辦法,使不利風險得以回避、抑制、轉移,必要時可采用保險等經濟措施,在風險發生后能夠得到補償。
4提高大壩安全
國內外潰壩率已從本世紀初的高峰降至目前的0.2%左右或稍低,百年來大壩的安全已大有改進,但目前大壩安全還有待進一步提高。從大壩可靠度分析,以作用及抗力等的不定性分析,大壩失效概率應在0.003%～0.01%,較上述0.2%小得多,說明大壩的安全尚有潛力。如前所述,大壩設計逐步向可靠度設計過渡,同時應對工程存在的風險隱患給予高度重視,這對提高大壩安全是有益的。現對提高大壩安全提出以
下建議:
(1)完善壩的設計和施工。簡單地提高大壩的安全系數,并不一定能達到提高大壩安全的目的。安全系數失之過高或過低都是不妥的。可靠度設計通過作用和抗力的不均勻性及其他不定因素,以統計概率理論進行計算,要求滿足一定的可靠度指標,這樣確定的大壩可靠度是較為合適的。要重視地質勘測、水文氣象及規劃設計工作。合理選定作用及抗力的各種參數,對可能對大壩構成風險隱患的地方,在設計中應給予特別重視,進行專門分析和論證,如洪水的峰和量,大壩樞紐的調洪泄洪能力,大壩及各種建筑物抗御各種自然及特殊災害的能力以及大壩地基抗滑抗滲穩定等等。總之在上節3中述及的各種風險均應在設計中認真進行研究并提出對策,在大壩設計中排除各種風險的產生是十分重要的。一個好的設計還必須有一個好的施工質量來保證。目前設計施工中對材料抗力的選擇和控制都是遵循統計概率理論,以離差系數CV和保證率P為判定標準。故設計施工必須配套。
(2)做好大壩管理。施工及運行期間管理都十分重要,當然一個好的施工管理,對工程的影響極大,往往會建造成一座高質量的大壩。需要提出的是施工期間對工程各種質量檢查和大壩監測的觀測十分重要,特別是大壩蓄水前的觀測初始值尤為重要。這些資料對今后大壩的查考、分析和研究是非常重要的,甚至對大壩的安危也是至關重要的。
近年來對現代大壩提出要進行風險管理。即針對工程施工及運行過程中可能出現的各種風險進行識別、研究、評估和處理。對風險的可能性和產生的后果進行綜合評價。不僅要在技術上提出措施,在財務上亦應提出對策,如確定投保范圍和限額等。做好各種大壩管理和風險管理有助于大壩安全。
(3)加強大壩安全監測。要按照規定經常對大壩安全進行監測,定期進行安全檢查和鑒定。對觀測資料及時進行整理和分析。大壩監測具有長期性、連續性,必須持之以恒,同時它還具有一定的特殊性和突發性等。故大壩觀測資料整理分析必須及時,發現異常情況必須及時處理,否則會延誤時機,釀成大禍。據悉國外有的工程,設有預警裝置,一旦觀測分析知有險情,當即發出警報,必要時通知下游居民轉移,這些經驗值得我們借鑒。近年來我國大壩原型觀測進展較快,觀測資料分析除統計模型外,在反分析的基礎上又發展了確定性模型,這樣可以預測在今后高水位或其他特殊情況下大壩的性態,以判斷大壩的實際安全度。如發現異常跡象,可及時進行加固或處理,以保證大壩安全。大壩的及時監測分析和及時維護處理對提高大壩安全具有重要的現實意義。
5 結 語
經過這一百年大壩實踐,據統計大壩潰壩率已從20世紀初的4%～10%降至世紀末的約0.2%(或小于),而壩的可靠度設計理論上可控制其失效概率在0.01%以下。上述兩者差距很大,說明目前大壩的實際的安全度還應設法提高。提高大壩安全,關鍵在于第4節所述3點即完善大壩設計和施工、做好大壩管理和加強大壩安全監測。應該強調指出,在完善大壩設計中還要注意對大壩可能出現的風險因素進行深入論證,在做好一般施工及運行管理的同時還應做好風險管理,以及預防風險產生做好大壩安全監測工作。
參 考 文 獻
1 N.J.Schniffer.AShortHistoryofDamEngineering.WaterPower&DamComstractionApr.1967
2 曹楚生.從壩的可靠度分析和設計看大壩安全.大壩觀測及土工測試,1993(1)
3 M.法奈利.已建大壩的安全評價與改善總報告.18屆國際大壩會議,1994
4 G.Marinier.SafetyofDamsinOperation.14屆國際大壩會議,1982
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