土石壩長效服役與風(fēng)險(xiǎn)管理研究進(jìn)展

向 衍,盛金保,劉成棟,方致遠(yuǎn),張 凱,程正飛

(1.南京水利科學(xué)研究院,江蘇 南京 210029;2.水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210029;3. 水利部土石壩破壞機(jī)理與防控技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210024)

1 土石壩工程建設(shè)與安全現(xiàn)狀

隨著我國水利水電建設(shè)的大力推進(jìn),一批建設(shè)環(huán)境苛刻、運(yùn)行條件復(fù)雜且壩高超過200 m的高土石壩工程在建或?qū)⒔?它們的長效服役性能與安全穩(wěn)定事關(guān)國家經(jīng)濟(jì)社會穩(wěn)定與發(fā)展。

土石壩是土壩、堆石壩和土石混合壩的總稱,是人類最早建造的壩型,具有悠久的發(fā)展歷史[1]。其建設(shè)歷程可分為古代土石壩階段(19世紀(jì)中葉以前)、近代土石壩階段(19世紀(jì)中葉至20世紀(jì)30年代)及現(xiàn)代土石壩階段(20世紀(jì)30年代后,壩高過百米的高土石壩首次出現(xiàn))3個(gè)階段。20世紀(jì)50年代末高土石壩在高壩數(shù)量中僅占31%,60年代末碾壓施工技術(shù)廣泛應(yīng)用推動了高土石壩建設(shè),70年代末土石壩數(shù)量與高度均超過混凝土壩。土石壩工程已成為世界壩工建設(shè)中發(fā)展最快的壩型,土石壩和面板堆石壩工程建設(shè)歷程簡況如圖1所示。根據(jù)《2016年全國水利發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》(2017)[2],我國已建成各類水庫98 460座,其中95%以上為土石壩,95%以上是20世紀(jì)80年代以前建設(shè)的老壩。我國高土石壩建設(shè)雖起步晚,但發(fā)展較快,已建最高土石壩為糯扎渡心墻堆石壩(壩高261.5 m),在建最高土石壩為雙江口心墻堆石壩(壩高314 m)。同時(shí)我國也是世界上擁有200 m級以上高壩最多的國家[3]。

圖1 土石壩建設(shè)歷程(1960—2030年)

水庫大壩工程對社會穩(wěn)定和國家安全意義重大,我國水庫大壩安全狀況總體良好,但仍存在先天不足、管理薄弱、工程老化、應(yīng)對突發(fā)事件保障能力薄弱等突出問題[4]。主要安全隱患有：①防洪安全隱患,包括防洪標(biāo)準(zhǔn)不足,泄洪設(shè)施泄洪能力不足,下游泄洪通道行洪能力不足;②滲流安全隱患[5],包括集中滲漏侵蝕[6]、逆向侵蝕[7]、潛蝕[8]頂蝕、飽和失效，此外,植物根系、動物的通道和居穴、排水設(shè)施和管道的老化也會加劇土石壩的內(nèi)部侵蝕;③結(jié)構(gòu)安全隱患,包括壩體滑坡,泄、輸水建筑物結(jié)構(gòu)異常變形,白蟻及其他動物危害;④抗震安全隱患;⑤金屬結(jié)構(gòu)安全隱患;⑥運(yùn)行管理安全隱患;⑦其他安全隱患。

土石壩長效服役與風(fēng)險(xiǎn)管理研究是一個(gè)多學(xué)科交叉和多研究手段綜合的復(fù)雜課題,涉及侵蝕機(jī)理、大壩隱患排查、防滲系統(tǒng)性能演化及風(fēng)險(xiǎn)評估等問題。其中,土石壩內(nèi)部侵蝕機(jī)理研究是保障土石壩長效服役與安全運(yùn)行的基礎(chǔ),土石壩隱患排查與防滲系統(tǒng)控制分別從運(yùn)行維護(hù)與安全控制為土石壩長效服役提供技術(shù)支持,而風(fēng)險(xiǎn)評估則有助于降低大壩風(fēng)險(xiǎn),延長大壩服役壽命。

2 土石壩隱患病害監(jiān)測、檢測與診斷

土石壩失事前通常存在各種不同警兆險(xiǎn)情,若隱患未被及時(shí)發(fā)現(xiàn)或處理,有可能演化為重大工程險(xiǎn)情,從而危及土石壩運(yùn)行安全。因此,采用有效的監(jiān)測、檢測與診斷技術(shù)及時(shí)發(fā)現(xiàn)隱患病害尤為重要。

2.1 土石壩隱患病害監(jiān)測與檢測技術(shù)

2.1.1 安全監(jiān)測技術(shù)

安全監(jiān)測技術(shù)是指通過布設(shè)監(jiān)測儀器對大壩滲流、變形、應(yīng)力應(yīng)變、水文氣象、地震反應(yīng)及水力參數(shù)等進(jìn)行監(jiān)測,以實(shí)現(xiàn)定期或?qū)崟r(shí)獲取土石壩安全狀態(tài)信息,完整的大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)包括安全監(jiān)測數(shù)據(jù)采集裝置、數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)和自動化分析評價(jià)系統(tǒng)三部分。

我國土石壩安全監(jiān)測大致可分為4個(gè)發(fā)展階段,第1階段為20世紀(jì)80年代前,大量水庫大壩建成,但管理粗放,主要依靠表觀巡視檢查、人工觀測記錄分析為主,這一階段潰壩事故頻發(fā);第2階段為20世紀(jì)八九十年代,大壩安全監(jiān)測逐步實(shí)施,自動化監(jiān)測起步,實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)自動采集及其基本應(yīng)用,管理水平得以提升;第3階段為21世紀(jì)初,智能化開始應(yīng)用,大壩安全信息感知、存儲、分析應(yīng)用能力顯著提升,潰壩概率大幅降低;第4階段為21世紀(jì)以來,面對水庫突發(fā)事件應(yīng)急保障能力不足等挑戰(zhàn),亟待利用現(xiàn)代信息技術(shù)手段,透徹感知、自我學(xué)習(xí)、精準(zhǔn)預(yù)知、決策支持,切實(shí)保障大壩安全。在此背景下,智能診斷、數(shù)字大壩、智慧管理等理念和需求應(yīng)運(yùn)而生并逐步應(yīng)用,其融合互聯(lián)網(wǎng)并借助信息采集技術(shù)及數(shù)值仿真模擬技術(shù)指導(dǎo)設(shè)計(jì)、施工與管理。近年來興建的許多高壩大庫均采用該理念與方法,典型工程如糯扎渡土石壩從設(shè)計(jì)到管理都創(chuàng)新性地應(yīng)用了數(shù)字大壩管理系統(tǒng),為國內(nèi)首創(chuàng)。

在數(shù)字大壩實(shí)踐過程中,迫切需要基于“互聯(lián)網(wǎng)+”平臺更科學(xué)、更高效的智能管理體系對采集的海量數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的深度分析,由此推動數(shù)字大壩到智慧大壩發(fā)展。智慧大壩是以數(shù)字大壩為基礎(chǔ)框架,以物聯(lián)網(wǎng)、智能技術(shù)、云計(jì)算與大數(shù)據(jù)等新一代信息技術(shù)為基本手段,建立動態(tài)精細(xì)化的可感知、可分析、可控制的智能化大壩建設(shè)與運(yùn)行管理體系;其次,該體系具有整體性、協(xié)同性、融合可拓展性、自主性和魯棒性的特點(diǎn)[9,10]。雖然智慧大壩運(yùn)用前景廣闊,但由于實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)較少,故需注重信息技術(shù)與空間虛擬技術(shù)、大壩信息精準(zhǔn)感知技術(shù)、大數(shù)據(jù)快速傳輸與存儲技術(shù)、虛-實(shí)調(diào)控模型仿真模擬、智能快速決策與反饋系統(tǒng)、智慧大壩工程建設(shè)管理模式等研究。

2.1.2 運(yùn)行期健康檢測技術(shù)

除常規(guī)采用的坑探、槽探、井探、鉆探等地質(zhì)勘探手段獲取壩體與基礎(chǔ)物理力學(xué)參數(shù)外,壩工界研發(fā)了諸多無損檢(監(jiān))測技術(shù)與裝備對運(yùn)行期大壩進(jìn)行健康檢測,典型的如工程地球物理診斷技術(shù),通過聲波、電磁波、電場、磁場等物理場攜帶的被檢對象信息,以判斷被檢對象內(nèi)部結(jié)構(gòu)或隱患病害等。

圖2 大壩典型斷面高密度電法原始異常及反演結(jié)果

a. 高密度電阻率法。該技術(shù)主要基于土石壩壩體與壩基介質(zhì)間的導(dǎo)電性差異,根據(jù)實(shí)測的視電阻率剖面進(jìn)行計(jì)算、處理、分析,即可獲取土體電阻率分布,檢測前采用所有電極一次性完成陣列布設(shè),其優(yōu)點(diǎn)是采集數(shù)據(jù)點(diǎn)密度高、數(shù)據(jù)量大且采集速度快,可真實(shí)探測土石壩工程中洞穴、裂隙、松散層、沙層和滲漏通道等隱患的規(guī)模、位置與埋深等,已在諸多土石壩工程中得到廣泛應(yīng)用[11-13],圖2為我國西南某水庫滲漏通道檢測成果,揭示了某土石壩兩壩肩中存在的滲漏異常。

b. 電磁陣列剖面法。電磁陣列剖面法根據(jù)預(yù)期的探測深度選取一個(gè)或幾個(gè)固定的頻率,沿大壩剖面同步測量電場與磁場,并求出其比值。該方法可消除常見的因地表不均勻等產(chǎn)生的電阻率畸變現(xiàn)象,并能較真實(shí)有效地反映大壩壩體壩基內(nèi)的材料變化情況,以此對滲漏通道以及滲漏出口進(jìn)行有效探測。該方法已得到廣泛應(yīng)用[14-15]。

c. 聲吶滲漏檢測技術(shù)。聲吶滲流探測技術(shù)[16]利用震電理論與聲波在水中的優(yōu)異傳播特性,實(shí)現(xiàn)對水流速度場的測量。若被測水體存在滲流,則將在測點(diǎn)產(chǎn)生滲流場,聲吶探測器陣列可精細(xì)地測量出聲波在流體中能量傳遞的規(guī)律。并依據(jù)所得數(shù)據(jù)的時(shí)空分布顯示出滲漏聲源的發(fā)出方向。該技術(shù)現(xiàn)已在多座土石壩工程中得到廣泛應(yīng)用,如白云水電站混凝土面板堆石壩滲漏檢測等。

d. 探地雷達(dá)示蹤法(ground-penetrating radar method)。探地雷達(dá)示蹤法可檢測裂縫深度和滲透速度:將示蹤劑注入壩體裂縫中,采用探地雷達(dá)技術(shù)綜合監(jiān)測示蹤劑在裂縫中的流動狀態(tài),檢測裂縫的發(fā)育深度。示蹤劑為對雷達(dá)波具有強(qiáng)烈反射性能的液體,其對雷達(dá)波的反應(yīng)與其周圍介質(zhì)相比具有數(shù)量級的差異。在重力或者灌入壓力的作用下,示蹤劑向裂縫底部流動,待示蹤劑到達(dá)裂縫底部時(shí),采用雷達(dá)對裂縫部位進(jìn)行掃描檢測。積存在裂縫底部的示蹤劑在雷達(dá)掃描影像上有明顯的顯示,由此可確定裂縫底部的位置,從而得出裂縫深度[17]。如我國某大型水庫防浪墻底部裂縫與脫空檢測(圖3)。

圖3 防浪墻底部脫空檢測示意圖

2.2 土石壩隱患病害診斷模型與方法

通過巡視檢查、原位監(jiān)測以及現(xiàn)場檢測可獲得土石壩隱患病害的基本信息與數(shù)據(jù),并借助相應(yīng)的工程經(jīng)驗(yàn)、監(jiān)控模型、數(shù)值分析等方法以實(shí)現(xiàn)對土石壩隱患病害的診斷。其中基于工程經(jīng)驗(yàn)以及原位監(jiān)測的診斷方法較為常用的有傾度法和監(jiān)控模型診斷方法。前者主要用于土石壩中隱蔽裂縫的探查,結(jié)合觀測資料通過對短距離內(nèi)兩點(diǎn)間土壩相對變位(土石壩中一般以沉降為主)進(jìn)行估算,以判定壩體內(nèi)隱蔽裂縫的發(fā)生。該方法依賴于較為翔實(shí)的沉降監(jiān)測資料,而在工程設(shè)計(jì)階段難以得到推廣應(yīng)用。為此,彭翀等[18]基于有限元理論技術(shù),提出了變形傾度有限元法,并在糯扎渡心墻堆石壩工程中得到應(yīng)用。監(jiān)控模型診斷方法與上述不同,其基于大壩實(shí)測資料分析成果,運(yùn)用數(shù)學(xué)模型對大壩的工作形態(tài)以及安全性態(tài)的發(fā)展進(jìn)行表征與診斷以為決策者提供決策支持[19]。目前國內(nèi)外土石壩安全監(jiān)控理論主要圍繞監(jiān)測資料的合理性分析與模型研究、反分析問題以及安全決策支持系統(tǒng)開發(fā)等。

2.2.1 土石壩安全監(jiān)測資料的合理性分析與模型研究

目前主要是基于最小二乘法理論進(jìn)行數(shù)據(jù)的粗差處理,常用的方法有數(shù)據(jù)探測法與穩(wěn)健估計(jì)法。許多學(xué)者在此有相應(yīng)的研究,如Kalman[20]提出的卡爾曼濾波方法。在對工程數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時(shí),多因素監(jiān)測信息中常常會出現(xiàn)一個(gè)或多個(gè)嚴(yán)重偏離目標(biāo)真值的數(shù)據(jù)(通常稱為野值),為此基于統(tǒng)計(jì)學(xué)理論對土石壩安全監(jiān)測資料合理性分析總結(jié)了兩個(gè)發(fā)展方向,一是基于數(shù)理統(tǒng)計(jì)的殘差分析,二是基于概率的隨機(jī)模糊診斷技術(shù)研究。許多學(xué)者基于相關(guān)數(shù)學(xué)理論提出了相應(yīng)的模型如灰色理論模型[21]、模糊數(shù)學(xué)理論模型[22]、各類改良的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論模型[23]、基于多源信息融合的模型[24]等,都對監(jiān)測數(shù)據(jù)的合理性分析、處理、預(yù)報(bào)等作出了相應(yīng)貢獻(xiàn)。

2.2.2 基于安全監(jiān)測資料的土石壩結(jié)構(gòu)性態(tài)反分析

土石壩計(jì)算的反饋分析主要包括對土體本構(gòu)模型關(guān)系的模擬計(jì)算,近年來在該方面研究工作較多,主要圍繞算法的優(yōu)化、模型的優(yōu)化等[25-27]。其中,在反分析問題中,采用優(yōu)化算法(主要為仿生算法,如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、螢火蟲算法、蟻群算法、遺傳算法等)對土石壩滲透系數(shù)以及其他相關(guān)的物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行反演計(jì)算。優(yōu)化模型是基于原型觀測資料,利用數(shù)學(xué)模型對其中的參數(shù)變量進(jìn)行求解,該模型研究主要圍繞線性與非線性模型開展。對于土石壩反分析而言,主要考慮土層和荷載較簡單的情況,多采用線彈性模型,當(dāng)土層較多時(shí),則采用非線性模型,目前只能結(jié)合計(jì)算模型和經(jīng)驗(yàn)針對具體問題開展且存在較多局限性。

2.2.3 土石壩安全決策支持系統(tǒng)

土石壩安全決策支持系統(tǒng)可為管理部門決策大壩安全狀態(tài)提供相關(guān)建議。隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,該系統(tǒng)也得到飛速發(fā)展。國內(nèi)較早開發(fā)了DAMS大壩自動監(jiān)測系統(tǒng)[20],后又研發(fā)了DSAMS大壩安全監(jiān)控管理系統(tǒng)[21],國外由意大利與法國開發(fā)了大壩安全監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)處理系統(tǒng)等。由此可知,土石壩安全決策支持系統(tǒng)從最初的信息管理系統(tǒng)已然向?qū)＜蚁到y(tǒng)發(fā)展。隨著物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展,亟待全面感知水庫大壩多源信息。通過數(shù)據(jù)融合,實(shí)現(xiàn)大壩安全智能診斷與智慧管理,為充分發(fā)揮水利基礎(chǔ)設(shè)施整體效能、進(jìn)一步提升水庫大壩應(yīng)急管理能力、切實(shí)保障大壩安全運(yùn)行提供科技支撐。發(fā)展大數(shù)據(jù)驅(qū)動的大壩健康診斷與除險(xiǎn)決策、預(yù)測預(yù)警與優(yōu)化調(diào)度、風(fēng)險(xiǎn)評估與應(yīng)急管理等一體化的智慧管理決策系統(tǒng)是熱點(diǎn)研究方向。

3 土石壩防滲系統(tǒng)長效服役性能研究

滲透破壞是土石壩發(fā)生潰壩的主要原因,研究土石壩防滲系統(tǒng)材料性能演化規(guī)律,針對演化規(guī)律采用有效的對策進(jìn)行控制,對于土石壩安全運(yùn)行具有重要意義。歸納起來,土石壩防滲系統(tǒng)主要有防滲帷幕、混凝土防滲墻、鋼筋混凝土面板和土工膜等。

3.1 防滲帷幕長效服役性能研究

3.1.1 老化機(jī)理

防滲帷幕老化主要由于機(jī)械力侵蝕和化學(xué)溶蝕作用,影響帷幕效果及耐久性的主要因素包括施工質(zhì)量引起的帷幕密實(shí)性、特殊地層及地下水對帷幕的危害等。壩址環(huán)境水與水工建筑物相互作用廣泛存在于壩址區(qū),地下水侵蝕或溶蝕引起幕體防滲效果降低,呈弱酸性的地下水或富含侵蝕CO2的弱酸性水對帷幕結(jié)石體的侵蝕導(dǎo)致CaO流失,是引起帷幕防滲能力衰減的主因。庫壩運(yùn)行后水環(huán)境變化致使庫水中有機(jī)質(zhì)富集,可導(dǎo)致下層庫水和壩基地下水的侵蝕性加強(qiáng),從而造成帷幕防滲材料性能衰減。實(shí)踐中常發(fā)現(xiàn)大壩壩址區(qū)伴隨著滲水出現(xiàn)膠狀析出物。此類物質(zhì)多數(shù)源于帷幕體后,因而可通過對析出物的分析,判斷帷幕狀況,分析帷幕老化機(jī)理[22]。

3.1.2 長效服役性能評估的水化學(xué)圖示法

水化學(xué)圖示法是水文地球化學(xué)研究的重要手段,可直觀地表現(xiàn)水化學(xué)組成、水質(zhì)特征等,因此得到廣泛應(yīng)用。水化學(xué)圖示法可與聚類分析、因子分析等統(tǒng)計(jì)方法相結(jié)合研究水質(zhì)特征,也可與地質(zhì)條件等相結(jié)合研究水——巖相互作用等水化學(xué)過程[23]，同時(shí)還可用于不同區(qū)域水質(zhì)時(shí)空演變分析。評價(jià)帷幕體防滲性能首先需了解水質(zhì)指標(biāo)分布情況及特征,從而判斷壩基帷幕體局部是否存在“疑似異常點(diǎn)”。通過對異常點(diǎn)的空間分析,可反映帷幕后徑流條件差異,并對相關(guān)指標(biāo)做時(shí)間序列分析,如pH值、TDS等綜合指標(biāo),以及反映該位置某些重要水化學(xué)指標(biāo)等,還可通過散點(diǎn)圖比較水質(zhì)指標(biāo)間的相關(guān)關(guān)系。通過上述水化學(xué)圖示方法,可從水質(zhì)角度對壩基帷幕體防滲性能做出初步診斷,并結(jié)合其他分析項(xiàng)目(如滲流監(jiān)測資料)做出更進(jìn)一步判斷。

3.2 混凝土防滲墻長效服役性能研究

土石壩中混凝土防滲墻按部位可分為壩體和壩基兩種形式，影響其服役性能的因素眾多,通過分析各因素影響,可針對性地提出改性措施提高其長效服役性能。

3.2.1 服役性能影響因素

已有案例與工程經(jīng)驗(yàn)分析表明，混凝土防滲墻體防滲材料彈性模量、強(qiáng)度、抗?jié)B性、施工質(zhì)量、耐抗性、墻體周邊條件、墻身及墻厚等幾何尺寸是影響混凝土防滲墻在土石壩工程適應(yīng)性的主要因素。如由于混凝土防滲墻墻體材料彈性模量與周圍土體的變形模量差異巨大,致使墻體易出現(xiàn)裂縫,防滲作用降低,嚴(yán)重時(shí)會使防滲遭到破壞。對成墻質(zhì)量起決定作用的主要是造孔成槽和澆筑成墻。為提高低彈模防滲墻的適應(yīng)性,必須嚴(yán)格控制施工質(zhì)量。為提高防滲墻耐久性,一方面應(yīng)控制防滲墻滲透系數(shù),另一方面可適當(dāng)增加水泥用量,設(shè)法增加混凝土密實(shí)度,提高抗?jié)B性和耐久性。

3.2.2 防滲墻改性措施

研究表明,降低墻體彈性模量對降低墻體內(nèi)力十分有效。為降低墻體彈性模量,在混凝土中加入粉土或黏土,澆筑時(shí)不易堵管,因而被廣泛利用。人們在實(shí)踐中用黏土和(或)膨潤土取代普通混凝土中的大部分水泥形成了一種柔性墻體材料,這種混凝土的強(qiáng)度和彈性模量都很低,能適應(yīng)地基變形,有效地避免墻體破壞,且抗?jié)B性能很好,即被廣泛利用的塑性混凝土。工程中為改善墻體變形協(xié)調(diào)能力,需摻入少量粉煤灰和添加劑,在基本不改變普通混凝土其他性能的前提下,盡可能降低混凝土彈性模量,施工前必須做多組材料配合比試驗(yàn)。實(shí)踐證明若要大幅度地降低混凝土彈模,則需以降低強(qiáng)度指標(biāo)為代價(jià)。

3.3 鋼筋混凝土面板長效服役性能研究

3.3.1 鋼筋混凝土面板材料的特性

對承受很高的水力比降的面板,混凝土的耐久性和抗?jié)B性比其強(qiáng)度更重要。為增加抗?jié)B性能,需加入引氣劑,它不僅能改善混凝土拌合物性能,節(jié)約水泥,還可提高混凝土強(qiáng)度、抗?jié)B性、抗沖磨、抗氣蝕和抗凍性,也能有效地控制堿骨料反應(yīng),提高耐久性。目前國內(nèi)均采用硅酸鹽水泥和普通硅酸鹽水泥來拌制面板混凝土。實(shí)踐表明，使用減水劑時(shí)要認(rèn)真進(jìn)行研究,可使用一些本身不發(fā)泡的減水劑,與引氣劑復(fù)合作用。為提高混凝土均勻性,保證具有較高的柔性和軸心抗拉強(qiáng)度,壩體均采用二級配混凝土,限制骨料最大粒徑不大于40 mm。面板混凝土的抗?jié)B性要求,通常是根據(jù)作用水頭和耐久性要求來決定?；炷羶鋈谘h(huán)產(chǎn)生的破壞作用主要有凍脹開裂和表面剝蝕兩個(gè)方面,使混凝土彈性模量、抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度等力學(xué)性能嚴(yán)重下降。為提高混凝土耐久性,需綜合提高混凝土的抗凍性、抗?jié)B性和抗裂性。此外,在非嚴(yán)寒地區(qū),只要水工混凝土的溫度在零度以下,其孔隙中水分就會冷凍膨脹而使混凝土疏松,故水位變動區(qū)及其以上的混凝土都應(yīng)提出抗凍性要求。

3.3.2 長效服役性能演化規(guī)律

混凝土作為面板堆石壩防滲體系最主要的筑壩材料,其材料性能的劣化是導(dǎo)致面板堆石壩服役性能降低的內(nèi)在因素。影響混凝土材料性能演化的因素很多,如凍融破壞、碳化、硫酸鹽侵蝕、堿集料反應(yīng)和力學(xué)破壞等。目前還沒有能夠完全揭示凍融破壞內(nèi)部破壞機(jī)理的理論,普遍接受的有靜水壓理論和滲透壓理論。目前在碳化機(jī)理較為明晰的情況下,國內(nèi)外學(xué)者在碳化深度預(yù)測和影響因素等方面進(jìn)行了較多的研究。實(shí)際工程中可以通過合理設(shè)計(jì)混凝土材料、提高混凝土密實(shí)度以及設(shè)置保護(hù)層等措施提高混凝土抗硫酸鹽侵蝕能力。堿集料反應(yīng)是指混凝土中的堿性物質(zhì)與集料中的活性成分之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng),生成物吸水膨脹從而導(dǎo)致混凝土開裂的復(fù)雜過程。實(shí)際工程中可以采用限制混凝土含堿量、合理選用集料、摻入引氣劑等措施預(yù)防和抑制堿集料反應(yīng)。水工混凝土材料性能的演化是多種力學(xué)因素和環(huán)境因素耦合作用的結(jié)果。這些力學(xué)因素和環(huán)境因素并非簡單疊加在一起,各因素之間會相互影響,若只考慮單一因素來研究水工混凝土材料性能演化規(guī)律顯然不符合實(shí)際情況。目前,多因素耦合作用的研究相對較少,部分學(xué)者開展了此方面的研究工作,比如Nguyen等[24]通過試驗(yàn)研究了鈣離子析出和力學(xué)破壞作用下混凝土材料性能的變化規(guī)律,并建立了化學(xué)-力學(xué)耦合模型;于琦等[25]基于Papadakis碳化模型和數(shù)值分析技術(shù),研究了凍融環(huán)境對混凝土碳化的影響,建立了碳化深度預(yù)測模型。

3.4 土工膜長效服役性能研究

近年來,土工膜作為新型的防滲材料,具有防滲性能高、適應(yīng)變形能力強(qiáng)、施工便捷、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn),并且隨著土工膜防滲技術(shù)的不斷發(fā)展,土工膜在水庫大壩工程中受到了廣泛青睞。據(jù)ICOLD(國際大壩委員會)2010年不完全統(tǒng)計(jì),世界上采用土工膜防滲的大型土石壩共有176座[26]。

3.4.1 土石壩中土工膜的結(jié)構(gòu)特性

a. 土工膜布置在上游壩面,并設(shè)置混凝土護(hù)坡保護(hù),結(jié)構(gòu)形式與混凝土面板堆石壩相似,該種布置形式較為普遍,90%的土工膜防滲工程均采用該種布置形式。

b. 土工膜裸露布置在上游壩面,僅在土工膜表面涂設(shè)瀝青等材料制成保護(hù)層。這種布置形式主要在國外應(yīng)用較多,如法國Banegon壩,國內(nèi)土石壩中尚未采用。

c. 將土工膜設(shè)于壩體內(nèi)部作為防滲心墻,為保證土工膜能夠適應(yīng)壩體變形,一般在施工時(shí)采用“之”字形鋪設(shè)方法,并與壩體填筑協(xié)同進(jìn)行,目前國內(nèi)外采用較少。

d. 對于透水性較強(qiáng)的庫盤,常采用土工膜進(jìn)行全庫盤防滲,并在土工膜上下分別設(shè)置保護(hù)層和墊層。這種防滲形式可以有效解決庫區(qū)滲漏問題,因此在多數(shù)水庫以及大型渠道中得到了廣泛運(yùn)用。

3.4.2 土工膜缺陷對服役性能的影響

對于土工膜缺陷問題,早在其應(yīng)用之初便引起了廣泛的關(guān)注。但由于缺陷問題的復(fù)雜性和當(dāng)時(shí)技術(shù)水平的限制,直到20世紀(jì)80年代,國內(nèi)外學(xué)者才陸續(xù)開展了相關(guān)的研究。國外專家與學(xué)者對土工膜與墊層間的接觸滲流、缺陷滲流的影響因素等進(jìn)行了深入研究,并取得了較大突破,但在土工膜缺陷滲漏對土石壩滲流影響方面,缺乏系統(tǒng)的研究。從20世紀(jì)90年代開始,我國開展了多項(xiàng)土工膜缺陷滲漏研究,并取得了豐富的研究成果。但在土工膜缺陷滲漏方面聚焦于缺陷滲漏的數(shù)值模擬方法、缺陷相關(guān)因素以及小尺寸(5 cm以下)缺陷對土石壩滲流影響,在大尺寸(5 cm以上)缺陷滲漏影響方面,尚未有系統(tǒng)研究。土工膜作為土石壩防滲體,其缺陷成因復(fù)雜,且與傳統(tǒng)防滲體差別較大,僅由實(shí)測性態(tài)無法全面判別土工膜的防滲安全性,比如土工膜老化對防滲安全性的影響,無法通過觀測資料準(zhǔn)確反映。

4 土石壩工程風(fēng)險(xiǎn)管理和退役拆除

水庫大壩具有很長的生命周期,從勘測設(shè)計(jì)、工程建設(shè)、運(yùn)行管理到降等報(bào)廢,面臨著對自然對象認(rèn)知不足的風(fēng)險(xiǎn)、工程建造質(zhì)量隱患的風(fēng)險(xiǎn)、運(yùn)行期應(yīng)對地震以及極端氣候事件等自然災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)、工程調(diào)度中人為失誤的風(fēng)險(xiǎn)等。與此同時(shí),土石壩工程在蓄水發(fā)揮效益的同時(shí),也對下游構(gòu)成潛在風(fēng)險(xiǎn)。大壩風(fēng)險(xiǎn)管理則是以降低大壩風(fēng)險(xiǎn)為目標(biāo),按風(fēng)險(xiǎn)是否可以接受來決策是否需要對大壩進(jìn)行除險(xiǎn)加固。水庫大壩風(fēng)險(xiǎn)是對水庫大壩存在的安全隱患對生命、健康、財(cái)產(chǎn)和環(huán)境負(fù)面影響的可能性和嚴(yán)重性的度量。風(fēng)險(xiǎn)管理包括風(fēng)險(xiǎn)分析、風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)、風(fēng)險(xiǎn)評估、風(fēng)險(xiǎn)處理以及風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)等系列關(guān)鍵技術(shù)問題[27]。

4.1 風(fēng)險(xiǎn)評估

20世紀(jì)60年代末,由于數(shù)起嚴(yán)重潰壩事件美國等發(fā)達(dá)國家率先對大壩開展了風(fēng)險(xiǎn)分析研究。1982年美國陸軍工程師團(tuán)采取相對風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)來衡量大壩風(fēng)險(xiǎn)。1991年加拿大Hydro第一次將概率計(jì)算用于大壩風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)。1994年澳大利亞編制了《大壩風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指南》,奠定了大壩風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)的基礎(chǔ)概念。1998年美國國家氣象局研究了潰壩風(fēng)險(xiǎn)模型。1999年加拿大大壩安全協(xié)會(CDA)發(fā)布了《大壩安全導(dǎo)則》,提出了大壩安全的具體含義。2000年澳大利亞大壩安全委員會編制了《大壩潰決后果評價(jià)指南》,為大壩風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)提供了基本概念。2001年葡萄牙工程師綜合考慮了20多個(gè)大壩風(fēng)險(xiǎn)因素情況下劃分大壩風(fēng)險(xiǎn)級別。2003年美國墾務(wù)局公布了大壩風(fēng)險(xiǎn)分析技術(shù)指南,給出了較完善的大壩風(fēng)險(xiǎn)分析評價(jià)方法。2010年國際大壩委員會(ICOLD)公布了關(guān)于大壩風(fēng)險(xiǎn)管理的公報(bào),系統(tǒng)描述了大壩風(fēng)險(xiǎn)管理目標(biāo)、計(jì)劃、實(shí)施、監(jiān)控及評價(jià)校核方法與相關(guān)步驟。國內(nèi)大壩風(fēng)險(xiǎn)分析技術(shù)起步較晚,系統(tǒng)研究始于第20屆國際大壩會議“風(fēng)險(xiǎn)分析”專題中關(guān)于風(fēng)險(xiǎn)分析在大壩安全決策和管理中的應(yīng)用研討,近年來取得了較大進(jìn)展。目前已形成了大壩破壞概率、潰壩模式、潰壩對下游的影響評價(jià)等體系,以及大壩風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)及風(fēng)險(xiǎn)管理模式進(jìn)行了系統(tǒng)研究。

水庫大壩風(fēng)險(xiǎn)以潰壩的可能性(概率)和產(chǎn)生的后果的乘積表示[28]。為此首先需識別大壩的風(fēng)險(xiǎn)要素,一般采用破壞模式分析確定潰壩模式和潰壩路徑,分析方法有FEMA法(failure models and effects analysis)[29]和FMECA法(failure models,effects and criticality analysis)[30]。根據(jù)已有潰壩資料與前述土石壩主要安全隱患分析,土石壩主要有5類潰壩模式和24種可能的潰壩路徑[31]。潰壩概率計(jì)算分為半定量和定量分析法,其中半定量分析法可采用事件樹法,定量分析法采用可靠度法。

隨著對風(fēng)險(xiǎn)認(rèn)識和對其研究不斷深入,歐洲委員會(EU)采用RAPID-N工具[32]對技術(shù)災(zāi)害事件風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評估(如地震災(zāi)害),正在開展對洪水風(fēng)險(xiǎn)分析的工作。Cruz等[33]提出對于城市地區(qū)技術(shù)引發(fā)的災(zāi)害事件風(fēng)險(xiǎn)初步評價(jià)的定性方法——PANR。該方法包括識別、量化和分析一個(gè)地區(qū)受自然災(zāi)害的地方暴露在此地區(qū)的有害物質(zhì)的存在所帶來的風(fēng)險(xiǎn)。PANR將風(fēng)險(xiǎn)定義為一個(gè)危險(xiǎn)函數(shù)(幅度和概率)和脆弱性因素暴露(后果、嚴(yán)重程度和概率)的危害(包括自然和次生災(zāi)害事故及其多米諾效應(yīng))。德國的安裝安全技術(shù)規(guī)程(TRAS)中也考慮了技術(shù)引發(fā)的災(zāi)害事件,如TRAS 310考慮了洪水和降水引發(fā)的危害,TRAS 320考慮了風(fēng)、雪荷載和冰載荷的危害,但未給出定量的評估模型。

已有研究和風(fēng)險(xiǎn)評估工具表明,潰壩影響及其后果是大壩風(fēng)險(xiǎn)分析的重要組成部分。潰壩及其影響分析是指確定潰壩影響范圍、評價(jià)潰壩后果的基礎(chǔ)性工作。潰壩后果包括生命損失、經(jīng)濟(jì)損失及社會與環(huán)境影響。生命損失受風(fēng)險(xiǎn)人口總數(shù)與分布、潰壩發(fā)生時(shí)間、警報(bào)時(shí)間、水深和流速、洪水上漲速率和撤離條件等因素的影響,常用的計(jì)算方法有Dekay & McCleland方法、Graham方法[34]。

潰壩經(jīng)濟(jì)損失包括直接經(jīng)濟(jì)損失和間接經(jīng)濟(jì)損失。間接經(jīng)濟(jì)損失一般根據(jù)具體情況采用直接估計(jì)算法和系數(shù)法進(jìn)行計(jì)算,缺乏深入系統(tǒng)研究。社會環(huán)境影響風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)難以確定,一般采用F-N線法初步確定。一旦潰壩洪水引發(fā)的次生災(zāi)害，如對下游工礦企業(yè)的設(shè)備設(shè)施產(chǎn)生了影響,這些廠房往往儲有大量原油、汽油或其他類型的易燃液體碳?xì)浠衔锏任ｋU(xiǎn)物質(zhì),如卡特里娜颶風(fēng)和麗塔颶風(fēng)后近海石油和天然氣設(shè)施的釋放和緊急反應(yīng)[35]，隨著危險(xiǎn)物質(zhì)的釋放，可能造成更嚴(yán)重生命、經(jīng)濟(jì)、社會環(huán)境損失[36],加上安全屏障和系統(tǒng)隨之受到損害,技術(shù)災(zāi)害事件發(fā)生多米諾骨牌或級聯(lián)災(zāi)害的可能性也高于常規(guī)事故[37-38]。由此可見,此類事故的程度和后果往往是災(zāi)害次生衍生反應(yīng)的主要部分。此外,水庫大壩工程潰決引發(fā)的次生衍生風(fēng)險(xiǎn)目前仍被視為一種新興的風(fēng)險(xiǎn),僅僅在最近幾次重大事故后才得到關(guān)注,導(dǎo)致的后果即為目前仍缺乏關(guān)于次生衍生事件演化機(jī)制的系統(tǒng)研究。

4.2 土石壩工程退役拆除

面對我國土石壩數(shù)量多、病險(xiǎn)多、功能萎縮和大壩超設(shè)計(jì)壽命的嚴(yán)峻現(xiàn)實(shí),在注重工程措施的同時(shí),對技術(shù)上不可行、經(jīng)濟(jì)上不合理、生態(tài)環(huán)境負(fù)面影響大的土石壩實(shí)行降等或拆除,是消除安全隱患、發(fā)揮相應(yīng)效益的一種安全管理措施[39-40]。退役是水庫大壩生命周期的重要階段,是在我國水庫大壩病險(xiǎn)老化、功能喪失、經(jīng)濟(jì)效益衰退以及生態(tài)系統(tǒng)退化的背景下的必然趨勢[40]。大壩工程退役的原因主要包括環(huán)境保護(hù)、工程安全和工程效益3方面[40]。若要實(shí)施大壩退役,應(yīng)首先進(jìn)行退役評判決策。我國對大壩退役決策的研究較少。彭輝等[41]制定了病壩拆除決策流程圖,參考國外研究成果建立了策模型的評價(jià)指標(biāo)體系。楊孟[42]選擇多準(zhǔn)則決策中的網(wǎng)絡(luò)分析法,構(gòu)建了水庫大壩退役決策的收益成本風(fēng)險(xiǎn)模型。國外水庫大壩退役決策相關(guān)研究較豐富。Heinze[43]提出了水庫大壩退役決策基本框架,著重對拆壩可能造成的物理、生態(tài)及社會經(jīng)濟(jì)影響評估進(jìn)行闡述。American Rivers[44]組織編寫的退役壩拆除決策指南概述了拆壩可能帶來的社會、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)成本和收益。認(rèn)為能夠滿足成本收益均衡這一要求的方案因地而異,不存在普適性公式。Brown[45]構(gòu)建了綜合性的大壩評估模擬工具,以收益最大化、成本最小化作為決策目標(biāo),從社會經(jīng)濟(jì)、生物物理和地理政治三個(gè)維度模擬大壩建設(shè)和退役拆除的成本和收益。Corsair[46]建議基于規(guī)范的決策分析方法、使用多準(zhǔn)則決策清晰地展現(xiàn)決策過程中相互矛盾的目標(biāo),便于決策過程中多目標(biāo)權(quán)衡。ASCE編制的《大壩及水電設(shè)施退役指南》[47]主要通過成本收益分析進(jìn)行大壩退役決策,對備選方案收益及成本進(jìn)行經(jīng)濟(jì)分析,確定方案經(jīng)濟(jì)可行性。經(jīng)濟(jì)分析包括確定受備選方案影響的工程用途及其價(jià)值,以及相應(yīng)收益和成本比較。

綜上,隨著水庫大壩老化、公眾風(fēng)險(xiǎn)和生態(tài)環(huán)境意識增強(qiáng),水庫大壩退役需求越來越大,而我國相關(guān)研究工作進(jìn)展緩慢,主要存在如下問題:①水庫大壩服役狀態(tài)評估理論包括驅(qū)動力因素、耐久性模型、衰變過程理論、壽命評估方法等,均需引入時(shí)間參數(shù)影響,且與退役有關(guān)的時(shí)變效應(yīng)應(yīng)區(qū)分“緩變”和“驟變”特征;②缺乏系統(tǒng)、完整的退役決策方法,目前國內(nèi)外研究一般僅從結(jié)構(gòu)安全或結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)方面進(jìn)行,需綜合考慮成本-效益-風(fēng)險(xiǎn)三元驅(qū)動的退役評估決策方法;③水庫大壩可能仍發(fā)揮著抵御洪水功能,退役可能導(dǎo)致其下游洪水風(fēng)險(xiǎn)增加,科學(xué)決策需對退役方案可能引起的洪水增量風(fēng)險(xiǎn)變化進(jìn)行全面評估,包括降低潰壩風(fēng)險(xiǎn)的正作用,以及防洪庫容消失導(dǎo)致雨洪風(fēng)險(xiǎn)增加的負(fù)作用;④經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展使得以生態(tài)恢復(fù)為目的退役需求增加,必然加劇社會需水與生態(tài)需水矛盾,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值特別是非市場商品價(jià)值評估是成本收益評估的難點(diǎn),目前研究缺乏系統(tǒng)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評估理論與方法。

5 發(fā)展趨勢與亟待解決的問題

a. 仍有土石壩工程出險(xiǎn)甚至破壞失事,滲流是影響安全的關(guān)鍵因素之一,需研發(fā)更加有效的隱患探測、突發(fā)事件監(jiān)測預(yù)警、應(yīng)急搶險(xiǎn)等技術(shù)、材料和裝備,建立科學(xué)高效的安全保障與風(fēng)險(xiǎn)防控體系。

b. 我國高壩大庫建設(shè)正處于世界前列,高壩大庫在蓄水初期或經(jīng)過若干年運(yùn)行后,可能出現(xiàn)滲漏、壩體裂縫、接縫止水失效的病害,對工程安全產(chǎn)生重大威脅。常規(guī)檢測中部分水庫放空難度較大或不具備放空條件,因此開展深水環(huán)境下大壩缺陷探測及隱患快速探測技術(shù)是研究重點(diǎn)。

c. 土石壩長效服役性態(tài)的多源信息融合推理技術(shù)研究有助于實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)環(huán)境下的安全診斷與智慧管理,可為保障高土石壩運(yùn)行安全提供技術(shù)決策支持,有重要的研究價(jià)值。

d. 為快速、準(zhǔn)確地評估土石壩工程風(fēng)險(xiǎn),應(yīng)結(jié)合其特點(diǎn)盡快建立風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)并深入開展實(shí)用評估技術(shù)研究;為降低風(fēng)險(xiǎn),應(yīng)高度重視非工程措施,并與工程措施結(jié)合使用;為確定合理的服役壽命,應(yīng)建立土石壩退役評估體系。

e. 由于土石壩結(jié)構(gòu)、服役環(huán)境與運(yùn)行工況復(fù)雜,導(dǎo)致災(zāi)害事件本身并非獨(dú)立個(gè)體,其發(fā)生發(fā)展演化中常會從單一原生災(zāi)害事件逐漸演變成次生衍生災(zāi)害事件,自然、社會、人為因素以不同形式作用其中。潰壩引發(fā)的突發(fā)事件作用形式和內(nèi)容不斷變化,造成后果和傷害持續(xù)蔓延、擴(kuò)大,呈現(xiàn)出典型滲透、干涉、轉(zhuǎn)化、分解、合成、耦合等特征,加之自然環(huán)境變遷和人類社會發(fā)展,各類災(zāi)害對下游影響區(qū)內(nèi)危險(xiǎn)設(shè)施構(gòu)成重大威脅,多數(shù)情況下相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)被嚴(yán)重低估,故需建立相適應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)評估方法與工具。

6 結(jié) 語

本文就一些典型的研究熱點(diǎn)進(jìn)行論述,并對當(dāng)前研究現(xiàn)狀進(jìn)行討論與展望。認(rèn)為為保障土石壩健康安全的長期服役,有必要對其長效服役性能與風(fēng)險(xiǎn)評估進(jìn)行研究。土石壩長效服役與風(fēng)險(xiǎn)評估研究是一個(gè)多學(xué)科交叉融合的復(fù)雜課題,其涉及多方面的研究。高壩尤其是高土石壩的服役性能穩(wěn)定與提升是為今后需加強(qiáng)的研究方向,應(yīng)當(dāng)建立健全土石壩長效服役保障與提升的理論與技術(shù)集成體系,以使土石壩在全生命期“健康”運(yùn)行,實(shí)現(xiàn)其社會經(jīng)濟(jì)任務(wù),為推動社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展作出技術(shù)貢獻(xiàn)。