張秀麗（國家能源局大壩安全監(jiān)察中心，浙江杭州，310014）

水電站大壩運行安全評價分項和要素篩選

張秀麗
（國家能源局大壩安全監(jiān)察中心，浙江杭州，310014）

水電站大壩運行安全評價的目的是要辨識安全風險，發(fā)現(xiàn)安全隱患及時防范，促進大壩安全運行。哪些是影響大壩安全的關(guān)鍵因素呢？從世界壩工史上大壩失事原因的綜合統(tǒng)計分析成果出發(fā)，將那些曾導致大壩失事的直接技術(shù)原因篩選出來作為水電站大壩運行安全評價分項和要素。

水電站大壩；運行安全；評價；要素

人類為了充分利用水力資源而筑壩的歷史已有數(shù)千年。目前世界上形形色色、大大小小的壩已經(jīng)有數(shù)十萬座，中國也是壩工大國，已經(jīng)建有大壩9萬余座。大壩攔蓄水體、積蓄能量、發(fā)電、防洪、灌溉、供水、改善航運條件，在為人類文明創(chuàng)造條件的同時，大壩一旦潰決，巨大的能量也會給人類的生命財產(chǎn)造成巨大的損失，破壞環(huán)境。世界壩工史已有大量大壩失事的慘痛教訓。

水電站大壩運行安全評價的目的是要辨識安全風險，發(fā)現(xiàn)安全隱患及時防范，促進大壩安全運行。因此，必須認真總結(jié)這些事故教訓，前車之鑒，引以為戒，將那些曾導致大壩失事的直接技術(shù)原因篩選出來作為水電站大壩運行安全評價項目和要素，有的放矢。

1　世界壩工史上大壩失事概況統(tǒng)計

許多國家都有水壩（含大小壩）失事的教訓，國際大壩委員會水壩和水庫惡化小組記錄有1 000多座大壩失事的事例。例如，1900～1965年，重大水壩失事160多起，而1950～1965年15年間水壩失事就有55座。

我國水壩失事共統(tǒng)計過3次。1981年，水利部登記了1980年底以前全國失事水壩，共2 976座；1991年，水利部登記1981～1990年十年間又失事266座，1990年底以前共有水壩失事3 242座；2003年，又登記了1991～2003年間的大壩失事數(shù)據(jù)，2003年底前共有潰壩3 481座，其中大型水庫2座、中型水庫123座、小型水庫3 356座。

國際大壩會議對失事壩型、壩高和庫容的統(tǒng)計成果如下。

（1）失事壩型比例統(tǒng)計見表1。

表1　失事壩型比例統(tǒng)計Table1　Statistics of the types of dams failed

從表1中可見，各種壩型的大壩都有失事記載，其中土壩失事最多。對每種壩型的失事比例排序，連拱壩最高，拱壩最低，失事比例從高到低的排序為：連拱壩、土壩、重力壩、拱壩。

（2）按庫容統(tǒng)計比例見表2。

表2　失事水壩庫容比例統(tǒng)計　Statistics of the storage capacities of dams failed

從表2中可見，庫容＜1 000萬m3的水壩失事比例最高。

（3）按壩高統(tǒng)計比例見表3。

表3　失事大壩壩高比例統(tǒng)計Table3　Statistics of the heights of dams failed

從表3中可見，壩高＜30 m的低壩失事比例最高，1 000多座大壩失事樣本中占比高達66.8%。

從上述分類統(tǒng)計數(shù)據(jù)看，土壩、庫容＜1 000萬m3的水壩、壩高＜30 m的低壩失事比例最高，要特別引起重視。

2　世界壩工史上大壩失事原因統(tǒng)計分析

2.1國際大壩委員會水壩和水庫惡化小組統(tǒng)計分析結(jié)果

（1）遭遇特大洪水、設計洪水偏低和泄洪設備失靈，引起洪水漫頂占30%；

（2）地質(zhì)條件復雜、基礎(chǔ)失穩(wěn)和意外結(jié)構(gòu)事故導致大壩失事占27%；

（3）壩基滲漏引起揚壓力過高、滲漏量增大引起壩基滲漏變形過大引起失事占20%；

（4）大壩老化、建筑材料變質(zhì)（如開裂、侵蝕和風化）以及施工質(zhì)量等原因使壩體材料強度降低而失事占11%；

（5）其他，各壩不同的特有原因占12%。

2.2中國統(tǒng)計

水庫漫頂占46.6%、結(jié)構(gòu)質(zhì)量問題占41%、管理不當占6.1%、其他原因占5.0%、不詳占1.3%。

2.3西班牙

1962年，西班牙《公共工程評論》對1 620座較大的水壩進行了調(diào)查，1799～1944年間，共發(fā)生過308次水壩事故或失事，其中包括177座填筑壩、70座重力壩、7座連拱壩、2座拱壩和52座其他類型的壩。分析結(jié)果顯示，失事的原因有以下幾方面：基礎(chǔ)破壞占40%、溢洪道容量不足占20%、施工質(zhì)量差占12%、不均勻沉陷占10%、揚壓力高占5%、戰(zhàn)爭破壞占3%、壩體滑動占2%、材料不合格占2%、運行不當占2%和地震占1%。

2.4美國

美國有兩位學者（比斯瓦斯和恰特基），1971年在《大壩事故評價》一文中，統(tǒng)計了300多座大壩失事原因，結(jié)論為：洪水漫頂占35%、基礎(chǔ)問題（滲漏、管涌、基礎(chǔ)被淘刷、揚壓力偏高、齒墻截水不當、斷層錯動、沉陷或地基滑坡）占25%、其他（設計施工不當、材料質(zhì)量差、波浪作用、戰(zhàn)爭或運行維護不當）占40%。

2.5前蘇聯(lián)

前蘇聯(lián)工程師按不同壩型分析700多次失事原因后，綜合結(jié)果如下：地基與岸坡連接滲漏占16%、地基不穩(wěn)定占15%、泄洪設施泄量不足、漫頂失事占12%、壩體內(nèi)集中滲漏占12%、由于獸類挖出通道造成管涌占11%、溫度或收縮裂縫占9%、地震占6%、初期攔蓄和突然泄放消落占5%、反復冰融占4%、運行不當占4%、波浪侵蝕占1%、其他未查明原因占11%。

從世界壩工史上大壩失事原因統(tǒng)計分析成果看，各種原因造成的洪水漫頂是罪魁禍首，其次是基礎(chǔ)問題、結(jié)構(gòu)問題、運行性態(tài)問題、管理問題等，這些在大壩安全評價中都要給予充分的重視。

3　大壩運行安全評價分項和要素篩選

從以上各國大壩失事的原因分析和典型案例剖析可以看出，雖然分析角度不同、依據(jù)的失事樣本不同，結(jié)論有一定差別，但總的趨勢看，大壩的失事以洪水問題、基礎(chǔ)問題、壩體和壩基滲漏破壞造成的失事為最多，邊坡、啟閉設備等問題也不能忽視，尤其是土石壩，由于滲漏沖刷造成管涌、滑坡及機械設備故障是相當重要的原因。地震引起的垮壩事例極少，但大壩遭遇強震會引起壩基沙土液化、邊坡滑動、不均勻沉陷、縱橫裂縫等震害，有時幾種現(xiàn)象同時并存，相互影響，或者幾個問題同時威脅大壩安全。大壩安全等級的評定應針對這些引起失事的主要因素制定技術(shù)標準。這些主要因素可歸納為：（1）設計安全標準；（2）防洪能力；（3）壩基狀況；（4）結(jié)構(gòu)安全；（5）運行性態(tài)；（6）邊坡狀況。

在大壩安全等級評定中，將上述6個主要因素確定為評定標準的6個分項，進一步將6個分項進行細分，確定評價要素，給出評價標準，增加大壩安全等級評定的可操作性。

大壩失事的原因比較復雜，概括而言有客觀和主觀兩方面。導致垮壩的客觀原因主要是洪水、地震等自然破壞力以及復雜的地質(zhì)地理環(huán)境及壩型和結(jié)構(gòu)問題。主觀原因是由于人類自身行為造成的，主要是指勘測設計不當、施工不良以及運行管理中的問題，至于戰(zhàn)爭破壞以及故意的人為破壞則是另一類性質(zhì)的問題。大壩運行安全評價要素篩選時，主要針對技術(shù)可以界定的客觀和主觀原因，不考慮戰(zhàn)爭破壞以及故意的人為破壞等技術(shù)難以界定的問題。大壩運行安全評價分項細化和要素篩選如下。

3.1設計安全標準——評價要素：工程等級劃分、洪水設計標準、抗震設計標準

水電工程抵御洪水、地震等自然破壞力以及適應復雜地質(zhì)地理環(huán)境的能力是按照設計安全標準確定的。設計安全標準過低是大壩失事的重要因素之一，例如，位于大壩失事原因之首的防洪安全問題，很多大壩失事就是因為洪水設計標準偏低，造成大壩擋水高度不夠，漫壩引起潰壩。設計安全標準涉及到工程等級劃分、洪水設計標準、抗震設計標準、建筑物安全超高、建筑物結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定安全標準、建筑物邊坡抗滑穩(wěn)定安全標準6個方面。工程等級劃分是基礎(chǔ)，洪水設計標準、抗震設計標準決定了所有建筑物設計的荷載大小和結(jié)構(gòu)布置，因此，前3個安全標準專門作為評價要素列出，后3個安全標準可包涵在壩頂高程、抗滑穩(wěn)定等結(jié)構(gòu)相應的評價要素中，不再單列。

3.2防洪能力——評價要素：壩頂高程

防洪安全問題位于大壩失事原因之首，應給予足夠的重視。防洪安全由洪水設計標準、泄流能力、大壩安全超高、壩頂構(gòu)造結(jié)構(gòu)安全、啟閉設備安全性等多種因素綜合決定，然而前3者的量化指標可歸結(jié)到壩頂高程和水庫防洪特征水位間的關(guān)系，壩頂構(gòu)造結(jié)構(gòu)安全性并入壩體結(jié)構(gòu)，啟閉設備安全性并入金屬結(jié)構(gòu)評價要素。因此，防洪安全評價在防洪能力、壩體結(jié)構(gòu)、泄洪消能設施和金屬結(jié)構(gòu)4個評價要素中均有涉及，防洪能力只考慮壩頂高程。

3.3壩基狀況——評價要素：變形穩(wěn)定、抗滑穩(wěn)定、壩基防滲和滲透穩(wěn)定

據(jù)國際大壩委員會水壩和水庫惡化小組統(tǒng)計分析結(jié)果，由地質(zhì)條件復雜、基礎(chǔ)失穩(wěn)和意外結(jié)構(gòu)事故導致的大壩失事占27%，壩基滲漏引起揚壓力過高、滲漏量增大引起壩基滲漏變形過大引起失事占20%；西班牙統(tǒng)計分析結(jié)果，基礎(chǔ)破壞占40%；美國統(tǒng)計分析結(jié)果，基礎(chǔ)問題（滲漏、管涌、基礎(chǔ)被淘刷、揚壓力偏高、齒墻截水不當、斷層錯動、沉陷或地基滑坡）占25%；前蘇聯(lián)統(tǒng)計分析結(jié)果，地基與岸坡連接滲漏和地基不穩(wěn)定合計占31%。因此，壩基狀況分項，其變形穩(wěn)定（隱含壩基承載力）、抗滑穩(wěn)定、壩基防滲和滲透穩(wěn)定作為評價要素。

3.4結(jié)構(gòu)安全（之1）——壩體結(jié)構(gòu)——評價要素：壩頂構(gòu)造、抗滑穩(wěn)定安全度、壩基應力、壩體應力

大壩結(jié)構(gòu)安全分項，除大壩本身結(jié)構(gòu)安全外還包括泄洪消能設施、金屬結(jié)構(gòu)的安全，因此，將大壩結(jié)構(gòu)安全分項細化為壩體結(jié)構(gòu)、泄洪消能設施、金屬結(jié)構(gòu)三個分項。

大壩曾有壩體滑動或揚壓力高（抗滑穩(wěn)定安全度不足）、施工質(zhì)量等原因使壩體材料強度降低或材料不合格（壩體或壩基應力問題）、壩頂構(gòu)造問題（如溝后大壩失事）等壩體結(jié)構(gòu)問題失事，因此，壩體結(jié)構(gòu)分項包括壩頂構(gòu)造、抗滑穩(wěn)定安全度、壩基應力、壩體應力4個評價要素。

3.5結(jié)構(gòu)安全（之2）——泄洪消能設施——評價要素：總體布置、泄流能力、結(jié)構(gòu)安全性、消能防沖安全性

防洪安全問題位于大壩失事原因之首，保證洪水安全下泄的泄洪消能設施安全是其重要組成部分。洪水漫頂常與泄洪設施泄量不足關(guān)系密切，壩基被淘刷致使地基不穩(wěn)定也常與泄洪設施布置不當、結(jié)構(gòu)不安全等因素關(guān)系密切，因此，泄洪消能設施分項包括總體布置、泄流能力、結(jié)構(gòu)安全性、消能防沖安全性4個評價要素。

3.6結(jié)構(gòu)安全（之3）——金屬結(jié)構(gòu)——評價要素：總體布置、擋水安全、啟閉安全

大壩失事曾有因泄洪設備失靈引發(fā)的，閘門和啟閉設備正常工作是保證大壩安全的重要方面之一。板橋水庫如果當時泄洪道閘門不銹死，能夠開啟騰空水庫，也許情況就不同了。俄羅斯薩揚-舒申斯克水電站事故中，大壩壩身和輸水通道本體未被損壞，僅2號機組破壞造成庫水涌出。事故發(fā)生后，如果電站應急備用電源能立即啟動，進水口事故門如果能在幾分鐘內(nèi)關(guān)閉而不是67 min后才由人工關(guān)閉，事故后果可能就不會是災難性的。金屬結(jié)構(gòu)的安全需保證泄洪工作閘門能正常運用，配備的啟閉機數(shù)量滿足泄洪調(diào)度的要求；事故閘門、快速閘門、通氣孔布置及尺寸滿足規(guī)范要求，能安全擋水和啟閉。因此，金屬結(jié)構(gòu)分項包括總體布置、擋水安全、啟閉安全3個評價要素。

3.7運行性態(tài)——評價要素：壩體裂縫、變形、滲流

大壩曾有因壩體溫度或收縮裂縫、壩體內(nèi)集中滲漏、管涌、滲漏增大引起揚壓力過高、滲漏變形過大、齒墻截水不當、不均勻沉陷、初期攔蓄和突然泄放消落造成壩坡不穩(wěn)定等大壩運行性態(tài)問題引起失事，因此，運行性態(tài)評價要素包括壩體裂縫、變形、滲流3個方面。這里“運行性態(tài)”分項主指壩體運行性態(tài)，其余建筑物的運行性態(tài)，在對應部分表述。

3.8邊坡狀況——評價要素：安全狀況與危害性

水電站邊坡按工程措施屬性分有自然邊坡和工程邊坡兩種，按與大壩位置關(guān)系分有樞紐工程邊坡和庫岸邊坡兩種。無論是自然邊坡還是工程邊坡，均有失穩(wěn)對大壩安全有影響的實例，瓦依昂壩近壩左岸邊坡失事造成庫水突溢是最典型的案例，邊坡的位置近壩直接關(guān)系到大壩安全。因此，大壩安全評價標準中涉及的邊坡僅考慮樞紐工程邊坡和近壩庫岸邊坡，評價要素除關(guān)注邊坡自身的安全狀況外，還要關(guān)注危害性。

4　結(jié)語

綜合統(tǒng)計分析世界壩工史上的大壩失事原因，歸納篩選出設計安全標準、防洪能力、壩基狀況、結(jié)構(gòu)安全、運行性態(tài)、邊坡狀況6個方面的問題為曾導致大壩失事的主要技術(shù)因素。大壩安全評價標準針對這些導致大壩失事的主要技術(shù)因素設立評價分項。為保證可操作性，將結(jié)構(gòu)安全細分為壩體結(jié)構(gòu)、泄洪消能設施、金屬結(jié)構(gòu)3個分項，這樣大壩安全等級綜合評價分級表中，共有設計安全標準、防洪能力、壩基狀況、大壩結(jié)構(gòu)、運行性態(tài)、泄洪消能設施、金屬結(jié)構(gòu)、邊坡8個具體分項，每個分項再設定評價要素，制定評級技術(shù)標準，形成完整的各類大壩安全等級綜合評價分級表。

Title:Items and elements in assessment of operation safety of hydropower dams//by ZHANG Xiu-li// Large Dam Safety Supervision Center of National Energy Administration

To identify risks in the operation of hydropower dams and carry out countermeasures，the safety assessment is implemented.Based on the statistics of cause reasons for dam failures in history，the paper introduces the items and elements in assessment of operation safety of hydropower dams.

hydropower dam；operation safety；assessment；element

TV698.1

A

1671-1092（2015）01-0005-04

2015-01-20

張秀麗（1962-），女，江蘇揚州人，教授級高級工程師，總工程師，研究方向為水電站設計與大壩安全管理。

作者郵箱：zhang_xl@ecidi.com