沈海堯（國(guó)家能源局大壩安全監(jiān)察中心，浙江杭州，310014）

運(yùn)行期混凝土拱壩結(jié)構(gòu)安全性評(píng)價(jià)方法研究

沈海堯
（國(guó)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(píng)價(jià)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(wú)明確的運(yùn)行期混凝土拱壩結(jié)構(gòu)安全性評(píng)價(jià)方法和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。在回顧總結(jié)國(guó)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(yàn)的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)分析了運(yùn)行期拱壩結(jié)構(gòu)安全性評(píng)價(jià)的特點(diǎn)，總結(jié)了國(guó)內(nèi)外拱壩安全性評(píng)價(jià)技術(shù)現(xiàn)狀，研究提出了運(yùn)行期混凝土拱壩結(jié)構(gòu)安全性評(píng)價(jià)的實(shí)用方法、評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和評(píng)價(jià)時(shí)應(yīng)注意的問(wèn)題。

混凝土拱壩；運(yùn)行期；安全評(píng)價(jià)

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(guó)際大壩委員會(huì)1988年統(tǒng)計(jì)，全世界壩高超過(guò)15 m的拱壩共1 592座，其中我國(guó)為753座，占47%。據(jù)中國(guó)大壩協(xié)會(huì)2002年統(tǒng)計(jì)，全國(guó)壩高超過(guò)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(jí)等一批特高拱壩的陸續(xù)建成，我國(guó)無(wú)論從數(shù)量上還是規(guī)模上都已成了名副其實(shí)的拱壩大國(guó)。

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(qiáng)度更能得到充分發(fā)揮，同時(shí)對(duì)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(guó)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(kāi)裂等事件表明，拱壩并非都是完美無(wú)缺的，對(duì)拱壩存在的缺陷或隱患進(jìn)行合理辨識(shí)和評(píng)價(jià)，及時(shí)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(guó)的水電站大壩安全定期檢查始于1988年，目前已經(jīng)進(jìn)行到了第四輪。大壩安全定期檢查的任務(wù)是從設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行三大方面對(duì)大壩安全狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)，依據(jù)是國(guó)家和行業(yè)的現(xiàn)行法規(guī)和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)拱壩結(jié)構(gòu)安全性評(píng)價(jià)而言，根據(jù)多座拱壩的定期檢查實(shí)踐可以看出，評(píng)價(jià)依據(jù)大多是拱壩的設(shè)計(jì)規(guī)范。若各項(xiàng)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(shí)際運(yùn)行的拱壩極少能達(dá)到這一點(diǎn)。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(yùn)行性態(tài)出乎原設(shè)計(jì)意料的情況，如拉應(yīng)力超標(biāo)、壩體出現(xiàn)裂縫等。這時(shí)，不同的評(píng)價(jià)人員可能會(huì)得出不一樣的、甚至截然相反的評(píng)價(jià)結(jié)論，過(guò)于保守將造成不必要的加固投入，過(guò)于冒進(jìn)將增大失事的風(fēng)險(xiǎn)。如何合理評(píng)價(jià)運(yùn)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(guó)內(nèi)外拱壩失事的教訓(xùn)，借鑒國(guó)內(nèi)外拱壩結(jié)構(gòu)安全性評(píng)價(jià)的經(jīng)驗(yàn)，特別是我國(guó)電力行業(yè)大壩安全定期檢查的經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)運(yùn)行期拱壩的特點(diǎn)，研究提出運(yùn)行期混凝土拱壩結(jié)構(gòu)安全性評(píng)價(jià)方法及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

1　國(guó)內(nèi)外拱壩損壞情況及教訓(xùn)

國(guó)際大壩委員會(huì)在1995年的第99號(hào)公報(bào)中統(tǒng)計(jì)已失事的拱壩有7座，1999年出版的《水電工程評(píng)價(jià)導(dǎo)則》中統(tǒng)計(jì)已失事或嚴(yán)重?fù)p壞的拱壩有19座［1］。1995年，我國(guó)汝乃華先生根據(jù)國(guó)內(nèi)外拱壩失事和損壞事件報(bào)導(dǎo)，對(duì)搜集到的52座失事或損壞的拱壩進(jìn)行了介紹［2］。瑞士M·赫爾措格1990年對(duì)美國(guó)、法國(guó)、奧地利、瑞士、葡萄牙、南非等6個(gè)國(guó)家的20座拱壩損壞現(xiàn)象進(jìn)行了介紹［3］。筆者對(duì)上述大壩損壞的現(xiàn)象、原因、危害性等進(jìn)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(kuò)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(jiàn)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(yàn)拱壩兩座。馬爾帕塞拱壩于1954年建成，初期蓄水時(shí)庫(kù)水位上升速度緩慢，歷時(shí)4年尚未蓄滿。壩頂位移每年觀測(cè)一次，1959年7月第四次觀測(cè)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(shì)。同年12月初連降暴雨，庫(kù)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(gè)壩段。事后國(guó)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(duì)較多。國(guó)際上影響較大的有奧地利的科恩布賴、前蘇聯(lián)的薩揚(yáng)舒申斯克、法國(guó)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(kù)水位從1 869 m上升到1 892 m的過(guò)程中，滲漏量驟增，最大達(dá)200 L/s。放空水庫(kù)發(fā)現(xiàn)河床壩段壩踵部位混凝土嚴(yán)重開(kāi)裂，裂縫位于壩基面以上18 m處，縫長(zhǎng)約100 m。從1979～1984年，一共進(jìn)行了5次處理，但治理方案以防滲為主，忽視強(qiáng)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(guó)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(gè)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(kāi)。1963年底在1號(hào)壩段下游壩面底部新出現(xiàn)了水平向裂縫，經(jīng)檢測(cè)，裂縫斜向深入壩體混凝土內(nèi)部。雖曾數(shù)次對(duì)上游面采取防滲修補(bǔ)措施，但運(yùn)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(bào)廢，并于1966年在上游新建了一座拱壩［3］。

豐樂(lè)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(kāi)始澆筑混凝土，1978年3月封拱灌漿結(jié)束，1978年空庫(kù)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(shí)修補(bǔ)，1979年水庫(kù)蓄水。1986年9月檢查，裂縫已發(fā)展到20條，總長(zhǎng)度達(dá)260.8 m，最大縫寬小于1 mm，超聲波檢測(cè)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(shí)局部有噴射水霧現(xiàn)象。1986年冬季用改性環(huán)氧樹(shù)酯進(jìn)行灌漿。1986年以后，下游壩面裂縫及滲水點(diǎn)有所增多，至2001年底共發(fā)現(xiàn)有40多處漏水、析鈣點(diǎn)。從幾次裂縫檢測(cè)結(jié)果看，豐樂(lè)拱壩下游面裂縫均為表面裂縫。2000年水利行業(yè)將豐樂(lè)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(duì)下游壩面進(jìn)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(xiàn)［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(yáng)壓力超限、壩基破壞、壩體上滑失穩(wěn)、勘測(cè)設(shè)計(jì)不當(dāng)。文獻(xiàn)［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(kāi)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(jì)人員的傾向性。

根據(jù)國(guó)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(shí)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(yùn)行、疏于檢查、處理不力六方面。即，一是對(duì)壩基地質(zhì)缺陷認(rèn)識(shí)不足，處理方案不合理，造成壩基變形過(guò)大、滲壓過(guò)大等不良現(xiàn)象，進(jìn)而影響壩體應(yīng)力和拱座穩(wěn)定；二是拱壩體型設(shè)計(jì)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(jì)算方法、計(jì)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(dá)到設(shè)計(jì)要求，造成壩體、壩基強(qiáng)度不足或溫度荷載超過(guò)設(shè)計(jì)假定等；四是運(yùn)行期未按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行水庫(kù)調(diào)度，人為造成發(fā)生設(shè)計(jì)禁止的不利工況（如空庫(kù)度夏），或下泄水流沖刷拱座巖體；五是檢查、監(jiān)測(cè)不及時(shí)，或認(rèn)識(shí)水平有限，未能識(shí)別事故征兆，未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)隱患；六是對(duì)缺陷或隱患的處理不及時(shí)，延誤時(shí)機(jī)，甚至釀成重大事故。

2　運(yùn)行期拱壩結(jié)構(gòu)安全性評(píng)價(jià)的特點(diǎn)

與勘測(cè)設(shè)計(jì)階段的拱壩設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)相比，運(yùn)行期拱壩結(jié)構(gòu)安全性評(píng)價(jià)既有相同之處，也有顯著的不同點(diǎn)。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(qiáng)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(duì)荷載及其組合的基本原則、對(duì)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(jì)階段相比，運(yùn)行期拱壩結(jié)構(gòu)安全性評(píng)價(jià)有以下不同點(diǎn)：

（1）通過(guò)實(shí)際壩基開(kāi)挖揭示和處理，人們對(duì)壩址地質(zhì)條件有更進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)。

（2）實(shí)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(jì)預(yù)想往往存在差異。

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

（4）實(shí)際運(yùn)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(jì)假定的各向同性連續(xù)介質(zhì)。

（5）實(shí)際運(yùn)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(guò)大，少數(shù)拱壩壩踵拉裂甚至破壞防滲帷幕等，與設(shè)計(jì)預(yù)期有較大出入。

（6）設(shè)計(jì)階段對(duì)拱壩安全性的分析論證屬于紙上談兵，對(duì)一些于安全不利的因素（如計(jì)算模型與實(shí)際的差異、壩基處理及壩體混凝土施工質(zhì)量可能達(dá)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(jìn)行應(yīng)對(duì)，實(shí)踐證明是可行的。但對(duì)于運(yùn)行期大壩來(lái)說(shuō)，設(shè)計(jì)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(cè)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(shí)際結(jié)構(gòu)響應(yīng)已較為明了。

（7）拱壩設(shè)計(jì)的主要依據(jù)是設(shè)計(jì)規(guī)范，設(shè)計(jì)規(guī)范發(fā)布以后，隨著時(shí)間的推移，無(wú)論是突破規(guī)范的成功經(jīng)驗(yàn)，還是拱壩損壞事故的教訓(xùn)都會(huì)不斷增加，運(yùn)行期拱壩結(jié)構(gòu)安全性評(píng)價(jià)時(shí)可能有其他拱壩的成功經(jīng)驗(yàn)或失事教訓(xùn)可供借鑒或吸取。

上述不同點(diǎn)除了可能造成計(jì)算模型、力學(xué)參數(shù)、作用荷載等的差異，進(jìn)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(jì)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(jìn)行運(yùn)行期拱壩結(jié)構(gòu)安全性評(píng)價(jià)顯然是不合適的。

3　國(guó)內(nèi)外運(yùn)行期拱壩評(píng)價(jià)技術(shù)現(xiàn)狀

眾所周知，國(guó)內(nèi)外拱壩設(shè)計(jì)規(guī)范差別較大，對(duì)運(yùn)行期拱壩安全性評(píng)價(jià)方法也有較大區(qū)別。筆者以國(guó)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(shí)對(duì)拱壩結(jié)構(gòu)安全性的評(píng)價(jià)實(shí)踐說(shuō)明國(guó)內(nèi)的現(xiàn)狀，以美國(guó)聯(lián)邦能源管理委員會(huì)的拱壩安全評(píng)價(jià)方法為例說(shuō)明國(guó)外的現(xiàn)狀。

3.1水利行業(yè)

水利部2000年發(fā)布的《水庫(kù)大壩安全評(píng)價(jià)導(dǎo)則》［6］第5.3.1條規(guī)定，混凝土壩結(jié)構(gòu)安全性評(píng)價(jià)主要是復(fù)核強(qiáng)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(jì)算方法參照當(dāng)時(shí)的拱壩設(shè)計(jì)規(guī)范SD145-85。

結(jié)構(gòu)計(jì)算采用的計(jì)算參數(shù)：對(duì)于高壩，必要時(shí)重新進(jìn)行壩體或壩基鉆探和試驗(yàn)；對(duì)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(shí)，也應(yīng)重新試驗(yàn)確定計(jì)算參數(shù)。有觀測(cè)資料時(shí)，應(yīng)同時(shí)利用觀測(cè)資料進(jìn)行反演分析，綜合確定計(jì)算參數(shù)。

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

拱壩結(jié)構(gòu)安全性評(píng)判，只要拉應(yīng)力、壓應(yīng)力、抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)有一項(xiàng)不滿足SD145-85規(guī)定，就認(rèn)為拱壩結(jié)構(gòu)不安全（C級(jí)）。此外，當(dāng)大壩存在對(duì)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(shí)，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(kāi)始了拱壩的定期檢查工作，檢查對(duì)象包括了流溪河、陳村、泉水、白山、緊水灘、東江、二灘等不同時(shí)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(píng)價(jià)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(kāi)展的四輪定檢，共對(duì)30余座拱壩進(jìn)行了結(jié)構(gòu)安全性評(píng)價(jià)，有些拱壩評(píng)價(jià)次數(shù)已達(dá)4次。

首輪大壩安全定期檢查時(shí)，由于早期工程建設(shè)中技術(shù)水平有限、實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)缺乏、建設(shè)程序不規(guī)范、檔案資料不全等原因，對(duì)大多數(shù)拱壩都進(jìn)行了設(shè)計(jì)復(fù)核、施工復(fù)查、現(xiàn)場(chǎng)檢查、裂縫等缺陷檢測(cè)、監(jiān)測(cè)資料分析等工作。二輪定檢以后，雖然對(duì)已在工程竣工安全鑒定時(shí)進(jìn)行過(guò)設(shè)計(jì)自檢、施工自檢的大壩不統(tǒng)一要求進(jìn)行設(shè)計(jì)復(fù)核、施工復(fù)查，但通過(guò)查閱設(shè)計(jì)、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(chǎng)檢查、裂縫等缺陷的檢測(cè)、監(jiān)測(cè)資料分析等工作是每次定期檢查時(shí)都應(yīng)開(kāi)展的。

電力行業(yè)拱壩結(jié)構(gòu)安全性評(píng)價(jià)工作的基本原則是從設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行三方面評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)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(píng)價(jià)內(nèi)容。應(yīng)力、穩(wěn)定分析的計(jì)算方法同拱壩設(shè)計(jì)規(guī)范，計(jì)算參數(shù)和荷載取值考慮建成后拱壩的實(shí)際情況，這些與水利行業(yè)基本相同。但在評(píng)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(shí)際強(qiáng)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(guó)

在美國(guó)，聯(lián)邦政府擁有的大壩由其管理機(jī)構(gòu)，如墾務(wù)局、陸軍工程師團(tuán)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(huì)管理；其他用于供水、灌溉等的大壩由各州負(fù)責(zé)管理。聯(lián)邦能源管理委員會(huì)在水電工程評(píng)價(jià)導(dǎo)則［1］中對(duì)拱壩結(jié)構(gòu)安全性評(píng)價(jià)作了明確規(guī)定，有關(guān)要求為：

通過(guò)對(duì)已有檔案資料（包括原設(shè)計(jì)、施工資料和運(yùn)行維護(hù)資料）的復(fù)查、現(xiàn)場(chǎng)檢查、必要的計(jì)算分析，對(duì)運(yùn)行期拱壩安全性進(jìn)行評(píng)價(jià)。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(duì)較為簡(jiǎn)單的技術(shù)，如果計(jì)算成果不滿足要求，再進(jìn)行較為嚴(yán)密和復(fù)雜的分析計(jì)算。

計(jì)算方法優(yōu)先采用三維有限元法，體型簡(jiǎn)單、壩體及壩基材料參數(shù)較為單一時(shí)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(yàn)證。

壩體、壩基材料的計(jì)算參數(shù)須在現(xiàn)場(chǎng)勘探和實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)的基礎(chǔ)上確定，有條件時(shí)可進(jìn)行參數(shù)敏感性分析。

計(jì)算工況分為常遇、偶然（洪水）、特殊（地震）三種。荷載按實(shí)際運(yùn)行情況計(jì)算。溫度荷載計(jì)算中的壩體內(nèi)部溫度場(chǎng)分布，根據(jù)實(shí)測(cè)上、下游邊界溫度計(jì)算確定。其中，對(duì)相對(duì)較厚的拱壩，因沿厚度方向呈非線性分布，采用有限元計(jì)算；對(duì)于相對(duì)較薄的拱壩，可按線性分布簡(jiǎn)化計(jì)算。壩體內(nèi)部埋設(shè)有可靠的溫度監(jiān)測(cè)設(shè)施時(shí)，其監(jiān)測(cè)成果可用于溫度荷載計(jì)算。

安全性評(píng)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(shí)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(qiáng)度，按美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)（ASTM）的混凝土試樣抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)方法確定。

關(guān)于拉應(yīng)力和抗拉強(qiáng)度，文獻(xiàn)認(rèn)為由于拱壩實(shí)際存在水平向施工縫、垂直向收縮縫、原生裂縫，沒(méi)有必要精確確定完整混凝土的抗拉強(qiáng)度。通常的做法是，當(dāng)線彈性有限元計(jì)算的拉應(yīng)力值達(dá)到或超過(guò)“表觀抗拉強(qiáng)度（apparent tensile strength）”時(shí)，認(rèn)為混凝土?xí)_(kāi)裂，并在模型中考慮該裂縫后重新進(jìn)行計(jì)算，經(jīng)過(guò)多次迭代計(jì)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(qiáng)度關(guān)系，根據(jù)抗壓強(qiáng)度確定混凝土的抗拉強(qiáng)度和表觀抗拉強(qiáng)度。

該文獻(xiàn)特別指出，表觀抗拉強(qiáng)度不是容許抗拉強(qiáng)度，若拉應(yīng)力分布面積過(guò)大，即使拉應(yīng)力值未超過(guò)表觀抗拉強(qiáng)度，也應(yīng)重新分析計(jì)算接縫和裂縫張開(kāi)對(duì)應(yīng)力重分布的影響。

關(guān)于抗剪強(qiáng)度，文獻(xiàn)認(rèn)為可近似取抗壓強(qiáng)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(jì)算的結(jié)果。

3.4中外評(píng)價(jià)方法的比較

從上述我國(guó)水利、電力行業(yè)和美國(guó)的拱壩結(jié)構(gòu)安全性評(píng)價(jià)方法可見(jiàn)，三者都強(qiáng)調(diào)結(jié)合大壩實(shí)際情況進(jìn)行安全性評(píng)價(jià)，都把拉、壓應(yīng)力和拱座穩(wěn)定作為重要的評(píng)價(jià)指標(biāo)，但在具體評(píng)判準(zhǔn)則上存在差異。

水利行業(yè)的應(yīng)力、穩(wěn)定評(píng)判準(zhǔn)則與評(píng)價(jià)導(dǎo)則發(fā)布時(shí)的拱壩設(shè)計(jì)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(xiàng)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(huì)的應(yīng)力、穩(wěn)定評(píng)判準(zhǔn)則總的特點(diǎn)是應(yīng)力較設(shè)計(jì)容許值有較大放松、穩(wěn)定仍較嚴(yán)。如常遇工況下設(shè)計(jì)容許抗壓安全系數(shù)為3.0，而評(píng)價(jià)時(shí)只要達(dá)到2.0即認(rèn)為是安全的；拉應(yīng)力設(shè)計(jì)允許1.03 MPa，而評(píng)價(jià)無(wú)此限制，允許混凝土局部開(kāi)裂；拱座穩(wěn)定抗剪安全系數(shù)設(shè)計(jì)允許1.5，評(píng)價(jià)要求達(dá)到此值才認(rèn)為是安全的。是三者中相對(duì)偏于最寬松的。對(duì)于混凝土抗壓強(qiáng)度，這里應(yīng)該說(shuō)明的是，美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)為直徑45 cm、高90 cm、齡期365 d的圓柱體，與我國(guó)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(guó)水利水電科學(xué)研究院的研究成果［7］，兩者抗壓強(qiáng)度的比值在0.68～0.87左右，美國(guó)安全系數(shù)3.0大致相當(dāng)于我國(guó)的4.0。

電力行業(yè)的應(yīng)力、穩(wěn)定評(píng)判準(zhǔn)則不同于上述兩種，拱座穩(wěn)定和壓應(yīng)力相對(duì)較嚴(yán)，原則上滿足規(guī)范要求才能評(píng)定為結(jié)構(gòu)安全；拉應(yīng)力指標(biāo)較松，即使超過(guò)規(guī)范要求，只要對(duì)應(yīng)部位無(wú)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(guó)水利行業(yè)和美國(guó)聯(lián)邦能源管理委員會(huì)之間的做法。

4　運(yùn)行期混凝土拱壩結(jié)構(gòu)安全性評(píng)價(jià)方法研究

在總結(jié)國(guó)內(nèi)外拱壩安全性評(píng)價(jià)，特別是電力行業(yè)25年來(lái)數(shù)十座拱壩結(jié)構(gòu)安全評(píng)價(jià)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)運(yùn)行期混凝土拱壩結(jié)構(gòu)安全性評(píng)價(jià)方法進(jìn)行研究，提出拱壩結(jié)構(gòu)安全性評(píng)價(jià)應(yīng)遵循的原則，以及具體評(píng)價(jià)內(nèi)容、評(píng)價(jià)方法、評(píng)判應(yīng)注意的問(wèn)題。

4.1評(píng)價(jià)原則

國(guó)內(nèi)外眾多拱壩的成功經(jīng)驗(yàn)和失事教訓(xùn)都表明，拱壩能否按設(shè)計(jì)預(yù)期安全地運(yùn)行與拱壩建設(shè)期的設(shè)計(jì)、施工質(zhì)量和運(yùn)行期的控制、維護(hù)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(jì)控制原則運(yùn)行（如夏季庫(kù)水位過(guò)低、庫(kù)水位人為逼高造成漫壩沖刷壩腳等），也會(huì)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(yùn)后能及時(shí)消缺和補(bǔ)強(qiáng)，也能安全運(yùn)行。鑒于運(yùn)行期拱壩安全評(píng)價(jià)的主要目的是及時(shí)發(fā)現(xiàn)和消除隱患，筆者認(rèn)為評(píng)價(jià)時(shí)應(yīng)遵循以下原則：

（1）評(píng)價(jià)性質(zhì)。既不同于勘測(cè)設(shè)計(jì)階段的分析計(jì)算，也不同于純學(xué)術(shù)意義上安全度的精確計(jì)算，重在分析運(yùn)行性態(tài)、評(píng)估缺陷的危害性、評(píng)定安全等級(jí)。

（2）評(píng)價(jià)依據(jù)。原則上按電力行業(yè)現(xiàn)行拱壩設(shè)計(jì)規(guī)范，但在理解其精神實(shí)質(zhì)的前提下，可適當(dāng)調(diào)整，不必死扣設(shè)計(jì)規(guī)范；對(duì)某些評(píng)價(jià)內(nèi)容可采用工程類比。

（3）評(píng)價(jià)方法。強(qiáng)調(diào)緊密結(jié)合客觀實(shí)際，切忌紙上談兵。重視對(duì)拱壩設(shè)計(jì)、施工情況的全面了解，重視現(xiàn)場(chǎng)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(duì)不安全因素的評(píng)價(jià)。

（4）評(píng)價(jià)手段。強(qiáng)調(diào)科學(xué)、簡(jiǎn)捷，不搞繁瑣哲學(xué)。若用相對(duì)簡(jiǎn)單的計(jì)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(jìn)行更復(fù)雜、更精確的分析計(jì)算。

4.2評(píng)價(jià)內(nèi)容

根據(jù)上述評(píng)價(jià)原則，為及時(shí)發(fā)現(xiàn)隱患，筆者認(rèn)為拱壩結(jié)構(gòu)安全性評(píng)價(jià)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(shí)際樞紐布置和拱壩的體型、構(gòu)造等，評(píng)價(jià)拱壩布置和拱壩構(gòu)造的合理性。

（2）根據(jù)運(yùn)行期變形和混凝土應(yīng)變等實(shí)測(cè)成果，分析評(píng)價(jià)拱座巖體有無(wú)趨勢(shì)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(shí)效變形是否逐年趨于收斂，力學(xué)參數(shù)是否與設(shè)計(jì)取值相近。

（3）根據(jù)大壩建成后的實(shí)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(jì)規(guī)范，復(fù)查或復(fù)核大壩在靜、動(dòng)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(píng)價(jià)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(yùn)行期滲流實(shí)測(cè)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(jì)、施工資料，分析評(píng)價(jià)大壩的滲流控制措施是否有效，防滲結(jié)構(gòu)是否可靠，實(shí)際滲流狀態(tài)是否穩(wěn)定。

（5）對(duì)壩體和壩基中存在的缺陷或隱患，根據(jù)運(yùn)行期實(shí)際檢查、檢測(cè)和監(jiān)測(cè)成果，以及必要的結(jié)構(gòu)計(jì)算，評(píng)價(jià)其對(duì)大壩結(jié)構(gòu)安全性的影響。

4.3評(píng)價(jià)方法

拱壩結(jié)構(gòu)安全評(píng)價(jià)應(yīng)在全面了解拱壩的設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行維護(hù)情況的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的詳細(xì)檢查、對(duì)監(jiān)測(cè)資料的全面分析，以及必要的檢測(cè)、勘探和復(fù)核計(jì)算，綜合評(píng)價(jià)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(jì)情況

通過(guò)查閱設(shè)計(jì)資料，檢查原設(shè)計(jì)與現(xiàn)行拱壩設(shè)計(jì)規(guī)范的符合性，對(duì)不符合項(xiàng)定性分析其對(duì)結(jié)構(gòu)安全性的影響。主要檢查內(nèi)容為：

（1）原設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)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(kāi)挖、灌漿、排水要求等；

（3）拱壩布置和體形、壩體混凝土強(qiáng)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(jì)算模型、計(jì)算參數(shù)、計(jì)算方法及計(jì)算程序、壩體應(yīng)力、拱座穩(wěn)定計(jì)算成果；

（5）對(duì)運(yùn)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(wèn)題的論證情況；

（7）設(shè)計(jì)審批（查）相關(guān)結(jié)論，以及整改意見(jiàn)落實(shí)情況；

（8）重大設(shè)計(jì)變更和審批（查）情況。

4.3.2了解和掌握拱壩施工情況

通過(guò)查閱施工資料，檢查實(shí)際施工質(zhì)量與原設(shè)計(jì)文件和現(xiàn)行拱壩設(shè)計(jì)規(guī)范等的符合性，對(duì)不符合項(xiàng)定性分析對(duì)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(kāi)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(cè)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(qiáng)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(kāi)度、灌漿壓力、耗灰量、實(shí)際封拱溫度場(chǎng)等；

（4）施工期壩體臨時(shí)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(wèn)題的處理和效果。

4.3.3了解和掌握拱壩實(shí)際運(yùn)行情況

通過(guò)查閱運(yùn)行期的水庫(kù)運(yùn)行和拱壩監(jiān)測(cè)、檢查、維護(hù)、加固處理等資料，檢查拱壩的實(shí)際運(yùn)行情況是否在設(shè)計(jì)范圍，運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)的缺陷、隱患是否及時(shí)得到處理，處理后是否達(dá)到預(yù)期效果等。主要檢查內(nèi)容為：

（1）實(shí)際運(yùn)行中拱壩經(jīng)受的荷載及其組合是否在設(shè)計(jì)考慮范圍以內(nèi)，對(duì)超出設(shè)計(jì)的現(xiàn)象，定性分析對(duì)結(jié)構(gòu)安全性的影響。主要有：

①冬夏兩季水庫(kù)高低水位的組合情況；

②實(shí)測(cè)水溫、氣溫、庫(kù)底溫度；

③實(shí)測(cè)壩體封拱溫度場(chǎng)、準(zhǔn)穩(wěn)定溫度場(chǎng)、冬夏兩季典型溫度場(chǎng)；

④實(shí)測(cè)日照情況；

⑤實(shí)測(cè)寒潮發(fā)生情況；

⑥實(shí)測(cè)水庫(kù)泥沙淤積高程。

（2）拱壩的實(shí)際運(yùn)行性態(tài)是否正常，重要監(jiān)測(cè)量是否在設(shè)計(jì)控制范圍或同類工程經(jīng)驗(yàn)值以內(nèi)，有無(wú)不利變化趨勢(shì)等，對(duì)量值過(guò)大或過(guò)小或呈不利變化趨勢(shì)的現(xiàn)象，定性分析對(duì)結(jié)構(gòu)安全性的影響。主要監(jiān)測(cè)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(jì)計(jì)算值的差異，時(shí)效位移的發(fā)展趨勢(shì)；

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(jì)取值接近；

④壩體混凝土實(shí)測(cè)應(yīng)力分布和變化規(guī)律是否與理論計(jì)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(diǎn)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(wú)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(jì)算揚(yáng)壓力取值之內(nèi)。

（3）運(yùn)行期拱壩的日常檢查、維護(hù)情況，歷次補(bǔ)強(qiáng)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(shí)間及歷次檢查縫長(zhǎng)、縫寬、縫深發(fā)展變化情況；

②水平施工縫和橫縫開(kāi)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(kāi)裂、崩塌、擠壓錯(cuò)動(dòng)等情況；

⑦歷次補(bǔ)強(qiáng)加固的設(shè)計(jì)、施工情況及實(shí)際處理效果。

4.3.4檢查拱壩現(xiàn)狀

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)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(duì)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(kāi)裂、滲水、崩塌、擠壓錯(cuò)動(dòng)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(duì)重大缺陷或隱患進(jìn)行重點(diǎn)探查或檢測(cè)，如：

①裂縫深度的聲波和鉆孔檢測(cè)；

②混凝土質(zhì)量的取芯檢測(cè)和試驗(yàn)；

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(cè)和壓水試驗(yàn)；

⑤滲水來(lái)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(jì)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(jì)或最近一次復(fù)核時(shí)有較大差別，且根據(jù)現(xiàn)有資料尚不能評(píng)判壩體應(yīng)力和拱座穩(wěn)定安全狀況時(shí)，應(yīng)進(jìn)行壩體應(yīng)力和拱座穩(wěn)定的復(fù)核計(jì)算。主要情況如下：

（1）實(shí)際運(yùn)行情況與原設(shè)計(jì)的差異較大，如庫(kù)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(jì)取值的差異較大，定性分析認(rèn)為對(duì)大壩結(jié)構(gòu)有不利影響；

（2）實(shí)際施工情況與原設(shè)計(jì)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(jì)要求有較大差別、混凝土力學(xué)參數(shù)與設(shè)計(jì)取值有較大差別等，定性分析認(rèn)為對(duì)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(kāi)裂、崩塌、擠壓錯(cuò)動(dòng)等缺陷；

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

（6）原設(shè)計(jì)計(jì)算成果或最近一次復(fù)核成果可能有誤。

4.3.5.2計(jì)算方法

應(yīng)力計(jì)算方法以拱梁分載法為基本方法，對(duì)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(jìn)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(shí)，應(yīng)采用有限元等方法進(jìn)行分析。剛體極限平衡法計(jì)算公式，SD145-1985［8］、DL/T5346-2006［9］均明確規(guī)定1、2級(jí)拱壩應(yīng)按抗剪斷公式計(jì)算，只有3級(jí)及以下拱壩才可按抗剪公式計(jì)算。實(shí)際評(píng)價(jià)時(shí)，1、2級(jí)拱壩若按抗剪斷公式計(jì)算不滿足規(guī)范規(guī)定，可參考美國(guó)、前蘇聯(lián)、日本的規(guī)定，按抗剪公式計(jì)算論證。

4.3.5.3力學(xué)參數(shù)

計(jì)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(dòng)面抗剪斷摩擦力和凝聚力等）根據(jù)施工期試驗(yàn)成果或鉆孔取芯試驗(yàn)成果或反演結(jié)果分析后確定。

對(duì)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(jì)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(jì)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(jí)建筑物K′為3.5（參數(shù)取峰值平均值），SDJ21-1978的1級(jí)建筑物K′為3.0（參數(shù)取峰值小值平均值），其實(shí)兩者安全度是基本相同的。因此，在進(jìn)行抗滑穩(wěn)定安全性評(píng)價(jià)時(shí)，要特別注意弄清原設(shè)計(jì)抗剪斷參數(shù)的取值原則，并與相應(yīng)的安全度評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)一致。

當(dāng)計(jì)算成果不滿足規(guī)范規(guī)定時(shí)，應(yīng)對(duì)主要參數(shù)進(jìn)行敏感性分析計(jì)算。

4.3.5.4作用荷載

計(jì)算荷載取值要綜合考慮實(shí)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(duì)于溫度荷載，只要有可靠的實(shí)測(cè)資料，原則上應(yīng)在分析實(shí)際封拱溫度場(chǎng)、上下游邊界溫度、壩體高低溫季節(jié)準(zhǔn)穩(wěn)定場(chǎng)的基礎(chǔ)上確定。對(duì)某些拱壩，還應(yīng)注意寒潮影響和兩岸日照差異的影響。

對(duì)于揚(yáng)壓力荷載取值，當(dāng)實(shí)測(cè)揚(yáng)壓力小于設(shè)計(jì)采用值時(shí)，原則上仍按原設(shè)計(jì)取值，但如果這時(shí)抗滑穩(wěn)定不能滿足規(guī)范要求，在對(duì)揚(yáng)壓力現(xiàn)狀及今后可能變化情況進(jìn)行周密分析后，可以取用實(shí)際或預(yù)計(jì)值。

對(duì)于水庫(kù)泥沙壓力荷載取值，當(dāng)實(shí)測(cè)泥沙淤積高程低于設(shè)計(jì)采用值時(shí)，原則上仍按原設(shè)計(jì)取值，但如果這時(shí)應(yīng)力或抗滑穩(wěn)定不能滿足規(guī)范要求，在對(duì)上游水利水電工程建設(shè)和運(yùn)行情況以及今后可能的入庫(kù)泥沙量變化情況進(jìn)行周密分析后，可以取用實(shí)際或預(yù)計(jì)值。

當(dāng)計(jì)算成果不滿足規(guī)范規(guī)定時(shí)，應(yīng)對(duì)主要荷載進(jìn)行敏感性分析計(jì)算。

4.4安全性評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)

拱壩結(jié)構(gòu)安全性應(yīng)從應(yīng)力、穩(wěn)定計(jì)算指標(biāo)的符合性和實(shí)際運(yùn)行性態(tài)兩方面進(jìn)行評(píng)價(jià)。計(jì)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(xiàng)；運(yùn)行性態(tài)主要包括實(shí)際變形、滲流和裂縫3項(xiàng)。各要素可分為安全、基本安全、不安全、危險(xiǎn)四級(jí)。當(dāng)各計(jì)算指標(biāo)均滿足規(guī)范規(guī)定且運(yùn)行性態(tài)無(wú)異常時(shí)，認(rèn)為拱壩結(jié)構(gòu)安全。當(dāng)某些計(jì)算指標(biāo)不滿足規(guī)范規(guī)定或運(yùn)行性態(tài)有異常時(shí)，應(yīng)結(jié)合拱壩實(shí)際運(yùn)行情況，具體分析其對(duì)結(jié)構(gòu)安全的影響程度，綜合分析評(píng)價(jià)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(jì)算成果不滿足規(guī)范規(guī)定時(shí)，應(yīng)深入復(fù)查計(jì)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(jìn)一步分析論證拱座巖體失穩(wěn)的可能性。對(duì)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(guò)程以及超載安全度，結(jié)合工程類比，綜合評(píng)價(jià)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(shí)，安全等級(jí)為危險(xiǎn)；經(jīng)綜合論證存在一定的拱壩整體失穩(wěn)可能時(shí)，安全等級(jí)為不安全；綜合論證拱壩整體穩(wěn)定時(shí)，安全等級(jí)為基本安全。

實(shí)例1：青海李家峽拱壩（壩高155 m）右岸K′值僅為2.6，遠(yuǎn)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(shí)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(jiàn)，李家峽拱壩評(píng)為正常壩。

實(shí)例2：貴州東風(fēng)拱壩（壩高163 m）右壩肩1號(hào)和5號(hào)夾層與F34斷層組合巖體，按抗剪斷公式計(jì)算的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)偏低，設(shè)計(jì)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(duì)右壩肩進(jìn)行了加固處理，增設(shè)了120 根3 000 kN錨索，處理后設(shè)計(jì)和校核工況按SD145-1985計(jì)算的最小K′值分別為3.43和3.23，按DL/T5346-2006計(jì)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(píng)定為正常壩。

（2）當(dāng)拉應(yīng)力計(jì)算成果超標(biāo)時(shí)，應(yīng)結(jié)合壩體對(duì)應(yīng)部位混凝土的實(shí)際強(qiáng)度、裂縫情況和監(jiān)測(cè)成果，綜合分析對(duì)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(duì)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(duì)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(jí)為不安全；相應(yīng)工況下對(duì)應(yīng)部位已經(jīng)或可能會(huì)發(fā)生結(jié)構(gòu)性裂縫，但不會(huì)危及結(jié)構(gòu)安全，也不會(huì)破壞壩基帷幕，安全等級(jí)為基本安全；已經(jīng)受相應(yīng)工況考驗(yàn)，對(duì)應(yīng)部位無(wú)結(jié)構(gòu)性裂縫，或尚未經(jīng)受相應(yīng)工況考驗(yàn)，但經(jīng)分析論證對(duì)應(yīng)部位不會(huì)發(fā)生結(jié)構(gòu)性裂縫，安全等級(jí)為安全。

實(shí)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(duì)應(yīng)部位大壩無(wú)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(píng)定為正常壩。

實(shí)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(cè)，裂縫深度未超過(guò)50 cm，且裂縫深度與歷次檢測(cè)成果相比未增加。泉水拱壩兩次定檢均評(píng)定為正常壩。

（3）當(dāng)壓應(yīng)力計(jì)算成果超標(biāo)時(shí)，應(yīng)結(jié)合壩體對(duì)應(yīng)部位混凝土的實(shí)際強(qiáng)度、表面擠壓破壞缺陷檢查情況和監(jiān)測(cè)成果，綜合分析對(duì)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(shí)，安全等級(jí)為不安全；不存在混凝土大面積壓壞的可能性時(shí)，安全等級(jí)為基本安全。

實(shí)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(jì)混凝土為60 d齡期200標(biāo)號(hào)，施工期取樣平均強(qiáng)度大于30 MPa，首次定檢取芯樣試驗(yàn)均大于30 MPa，壩體表面回彈試驗(yàn)強(qiáng)度更高。雖然泉水拱壩混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度不高，但兩次定檢均認(rèn)為實(shí)際強(qiáng)度達(dá)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(shí)效變形年變化速率未逐年減小時(shí)，應(yīng)結(jié)合設(shè)計(jì)、施工情況和實(shí)際裂縫、滲水情況，進(jìn)一步分析其原因、影響因素、發(fā)展趨勢(shì)及其對(duì)拱壩結(jié)構(gòu)安全的潛在影響。

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

（5）當(dāng)滲流變化不穩(wěn)定、滲壓值較大時(shí)，應(yīng)進(jìn)一步分析其對(duì)拱壩結(jié)構(gòu)安全的潛在影響，除滲壓測(cè)值過(guò)大對(duì)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(guò)大對(duì)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(shí)，安全等級(jí)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(jí)為基本安全。

實(shí)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(rùn)或冒水，在2001年首次大壩安全定期檢查時(shí)被評(píng)定為病壩。

（6）當(dāng)壩體混凝土存在裂縫時(shí)，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(duì)于結(jié)構(gòu)性裂縫，應(yīng)結(jié)合裂縫產(chǎn)生機(jī)理、實(shí)際處理措施和運(yùn)行考驗(yàn)情況，分析現(xiàn)狀或繼續(xù)發(fā)展后是否會(huì)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(yàn)，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(shí)，安全等級(jí)為不安全；裂縫現(xiàn)狀或繼續(xù)發(fā)展尚不會(huì)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(yàn)未發(fā)展時(shí)，安全等級(jí)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(zhǎng)期考驗(yàn)未發(fā)展，可認(rèn)為結(jié)構(gòu)安全。

實(shí)例1：國(guó)外有不少因結(jié)構(gòu)性裂縫造成拱壩嚴(yán)重?fù)p壞的實(shí)例。奧地利科恩布賴拱壩（壩高200 m，底寬37 m，壩頂長(zhǎng)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(yùn)行，曾長(zhǎng)時(shí)間限制水位運(yùn)行，進(jìn)行了多次加固處理，處理前失事風(fēng)險(xiǎn)巨大，安全等級(jí)應(yīng)為不安全。

實(shí)例2：法國(guó)加日拱壩（壩高41m，壩頂長(zhǎng)153 m，壩底寬2.57 m）因多條嚴(yán)重結(jié)構(gòu)性裂縫而報(bào)廢，安全等級(jí)應(yīng)為不安全。

5　結(jié)語(yǔ)

在回顧總結(jié)國(guó)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(yàn)的基礎(chǔ)上，針對(duì)運(yùn)行期拱壩結(jié)構(gòu)安全性評(píng)價(jià)的特點(diǎn)，總結(jié)了國(guó)內(nèi)外運(yùn)行期拱壩評(píng)價(jià)技術(shù)現(xiàn)狀，提出了運(yùn)行期混凝土拱壩結(jié)構(gòu)安全性評(píng)價(jià)的方法和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

（1）現(xiàn)實(shí)中的拱壩并非都完美無(wú)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(yùn)行、疏于檢查、處理不力等六方面。對(duì)拱壩存在的缺陷或隱患進(jìn)行合理辨識(shí)和評(píng)價(jià)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和消除缺陷或隱患，對(duì)確保拱壩長(zhǎng)期安全運(yùn)行十分重要。

（2）國(guó)內(nèi)外都強(qiáng)調(diào)應(yīng)針對(duì)建成后拱壩的運(yùn)行實(shí)際進(jìn)行評(píng)價(jià)，均把拉、壓應(yīng)力和拱座穩(wěn)定作為重要的評(píng)價(jià)指標(biāo)，且拱座穩(wěn)定評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)都較嚴(yán)格，但在拉、壓應(yīng)力的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)上存在差異。在拉應(yīng)力評(píng)判上，水利行業(yè)過(guò)于保守；電力行業(yè)結(jié)合裂縫評(píng)價(jià)，較為合理；美國(guó)要求計(jì)算開(kāi)裂后應(yīng)力重分布，較為復(fù)雜。在壓應(yīng)力評(píng)判上，水利行業(yè)較嚴(yán)，電力行業(yè)相對(duì)松一些，美國(guó)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(xiǎn)四級(jí)。應(yīng)在全面了解拱壩設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行維護(hù)情況的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的詳細(xì)檢查、對(duì)監(jiān)測(cè)資料的全面分析，以及必要的檢測(cè)、勘探和復(fù)核計(jì)算，經(jīng)綜合分析提出評(píng)價(jià)結(jié)論。

（4）評(píng)價(jià)內(nèi)容包括安全度計(jì)算指標(biāo)的符合性和實(shí)際運(yùn)行性態(tài)兩方面。計(jì)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(xiàng)；運(yùn)行性態(tài)包括實(shí)際變形、滲流和裂縫3項(xiàng)。當(dāng)計(jì)算指標(biāo)不滿足規(guī)范規(guī)定或運(yùn)行性態(tài)有異常時(shí)，應(yīng)結(jié)合拱壩實(shí)際運(yùn)行情況，具體分析其對(duì)結(jié)構(gòu)安全的影響程度，按危害性大小分析評(píng)價(jià)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(guó)水利水電出版社，1995.

［3］M.赫爾措格.對(duì)20座拱壩損壞現(xiàn)象的探討［C］.

［4］戴會(huì)超，王健.國(guó)內(nèi)外水利水電工程混凝土裂縫及其防治技術(shù)研究［M］.黃河水利出版社，2005.

［5］李瓚，陳飛，鄭建波，等.特高拱壩樞紐分析與重點(diǎn)問(wèn)題研究［M］.中國(guó)電力出版社，2004.

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

［7］SL258-2000，水庫(kù)大壩安全評(píng)價(jià)導(dǎo)則［S］.

［8］朱伯芳，張超然.高拱壩結(jié)構(gòu)安全關(guān)鍵技術(shù)研究［M］.中國(guó)水利水電出版社，2010.

［9］SD145-85，混凝土拱壩設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

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

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

［12］SDJ21-78，混凝土重力壩設(shè)計(jì)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(jí)高級(jí)工程師，主要從事大壩安全監(jiān)測(cè)與大壩安全技術(shù)管理工作。

作者郵箱：shen_hy@ecidi.com