大坝安全的分级评价及其方法

大坝安全的分级评价及其方法

方卫华

南京水利水文自动化研究所，南京铁心桥95号，210012，fangweihua@

摘要：正确的大坝安全评价是充分发挥工程效益、降低工程风险和提高工程除险加固措施针对性的必然要求。为使大坝安全评价更加合理，本文在分析大坝安全概念和评价标准具有模糊性、随机性、不完全认知性和动态特征的基础上，指出大坝安全是时间、位置、材料、结构、施工、运行管理和荷载等的函数，大坝安全信息既包括定量信息和定性信息，同时包括静态效应和动态效应.在损伤诊断方面，模态分析具有许多优势和成功的经验。接着作者采用国际大坝委员会推荐的简易风险分析方法将大坝分成4级，给出了具体的分级指标。然后根据大坝级别的不同对应地采用了不同深度的大坝安全评价方法，具体包括基于水库大坝安全评价导则的确定性评价、基于风险分析的安全评价、不确定性评价和考虑结构寿命的动静态组合评价等四个不同层次，分别对各层次的评价方法进行了研究，指出需要进一步研究的问题。最后采用不确定度分析方法对安全评价结论的可信度进行了探讨，给出了有关概念和分析方法。本文所做的工作为大坝安全评价新体系的建立奠定了基础。

关键词：大坝安全评价；安全风险；损伤诊断；分级；评价不确定度

1前言

对大坝安全进行客观准确地评价是充分发挥工程效益、降低工程安全风险和提高除险加固措施针对性的必然要求。根据大坝安全评价深度不同，大坝安全评价可分成如下四个层次：（1）获取大坝当前安全的整体印象；（2）分析大坝面临的安全风险；（3）掌握损伤程度、隐患部位及其成因；（4）分析除险加固效益和预测结构使用寿命。

本文从采用简易风险分析方法分析大坝安全风险入手，依据大坝安全风险度大小将大坝分成不同级别，再根据不同级别的大坝选择不同深度的评价方法。最后，引入不确定度分析方法对大坝安全评价过程的不确定性进行分析，并指出分析过程和结论的不确定度（可信度）是大坝安全评价的重要组成部分。

2大坝安全及其信息特征

安全是与失事相对应的。失事一般是指大坝出现异常现象的总称。失事（Incidents）包括破坏（Failures）和事故（Accident）两大类。破坏是指损失严重的失事，这类失事可能影响到公众与社会安全，而事故则是指那些采取某些措施易于恢复或补救之类的不会导致坝体破坏的失事。从可靠度角度来理解，所谓的安全性是指结构在设计基准期内,经济合理地满足下列要求：（1）能承受正常施工和正常使用期间可能出现的各种作用(包括荷载及约束作用)；（2）在偶然事件(如地震、爆炸、龙卷风等)发生时及发生后,能够保持必要的整体稳定性。

2.1大坝安全影响因素

大坝为修建在地基上的一个复杂系统，其安全状况与所处地理环境、水文地质条件、坝体

结构和材料、施工质量和水库运行方式等都密切相关，因此大坝安全是设计、建造和运行管理过程、所处状态空间和时间的函数。确定性分析认为，如果大坝及其支持系统满足强度、稳定和变形要求，即认为大坝是安全的。而不确定性分析认为，影响大坝安全的因素是不确定性，其中许多是随机的，如特大洪水、上游水库溃决、汛期停电、人员误操作、泄洪时启动机械故障，甚至恐怖袭击都可能成为大坝失事的原因；其中有一些则是模糊的，如强度准则、屈服条件和稳定判据等；有一些又是灰色的，即我们不可能对所有有关大坝的安全信息全部掌握。国际大坝委员会和有关组织对各种大坝的失事原因和有关定期检查都证明了上述观点。

2.2大坝安全分析的理论基础

从时间上来看，随着外界环境、基础条件和材料与结构的老化，大坝安全状况随时都在变化，大坝系统是一个动力系统，其发展包括混沌到有序、又从有序到新的混沌的多个阶段，存在由于微小的隐患导致大坝失事的可能。从空间上分析，大坝安全涉及上游水库，同时也与本身的防渗止水结构有关，使得大坝安全必须从全空域加以考虑。从荷载因素进行分析，大坝不仅受到准静态荷载作用，同时也受到地震、泄洪等动力荷载作用，加上应力场、温度场、渗流场和地质结构的相互作用，使得数值计算异常复杂；从能量耗散角度，大坝是一个耗散系统，与外界存在着各种形式的物质和能量交换，系统内部由于开裂、热传导等同样存在能量耗散；从自组织的角度来看，大坝，特别是拱坝作为多次超静定结构，由于应力重分布和徐变等作用使得结构具有自组织特征，一点的破坏或局部开裂可能不会引起大坝整体安全问题。泥砂淤积和钙化会改善结构的渗流状态和提高结构的抗渗能力，这是由于物理化学作用而产生的自组织现象。从安全状态发展来看，大坝安全的发展总体上是准静态或是缓慢的，但不排除在地震、高水位条件下或是在随机涨落的过程中存在突变的可能性。实际上，由于存在许多松散和脆性材料，大坝的破坏过程总是存在渐变和突变之间的耦合。因此要全面分析评价一座大坝的安全状况必须应用系统论、信息论、控制论、协同理论、耗散理论和突变理论等。在具体方法选择上，既需要采用传统的力学与强度理论、现代数值计算方法和概率与数理统计，同时也需要应用模糊理论、混沌分形理论、小波理论、Rough理论、D-S证据理论、人工智能、仿生算法和信息融合等理论与方法。既需要进行正分析，也需要进行反分析，既需要进行静态分析，也需要进行动态分析，既需要进行局部分析，也需要进行全时空分析。

3基于简易风险分析的大坝分级

3.1大坝安全评价分级的必要性

由于大坝数量众多，各个大坝的状况都不一样，因此针对每座大坝都采用上述方法进行系统分析不仅是不经济的，同时也是不必要的，因此针对具体工程，在对大坝进行风险分析的基础上对大坝进行分级，对于不同级别的大坝选用不同深度的安全评价方法不仅是必要的，而且是有意义的。

3.2 大坝安全风险及其简易分析方法

大坝安全风险是大坝失事的概率及其损失的乘积。损失是个广义的概念，即包括投资和效益损失，也包括生命财产损失、生态环境破坏和社会影响等。

为简化起见，在简易风险分析中采用国际大坝委员会第41期会刊推荐了风险度方法，该方法中考虑的大坝风险因素如表1所示。该表从环境、库容、大坝设计施工运行和下游情况等方面评价大坝风险，基本上考虑到失事概率和损失两个方面。