高拱坝结构安全的风险源集及主要失效路径研究

高拱坝结构安全的风险源集

及主要失效路径研究

唐纯喜，陈进，黄薇，程卫帅

(长江水利委员会长江科学院，湖北武汉430010)

摘要：基于风险理论开展大坝安全性评估是一种发展趋势。其中风险源辨识是大坝风险分析的重要方面。结合高拱坝的结构特点和所处区域环境条件，对其面临的风险源集进行了分类．从自然灾害风险源、大坝构筑物及坝肩(基)稳定性影响风险源、人为原因影响风险源3个方面，阐述了高拱坝面I临的主要风险源集，并根据锦屏一级高拱坝的模型试验研究成果，探讨了高拱坝的主要失效模式和失效路径．可为更详实的高拱坝风险分析提供基础支撑。

关键词：结构安全；风险源集；主要失效路径；高拱坝

A n al ysi s o n t he R i s k So ur ce Set and

M ai n Fai l ur e Pat h of H i gI I A r ch D am

T a ng C h unx i，C he n Ji n，H ua ng W e i，C heng W ei shu ai

(C han西i ang R i ver Sci e nti f ic R e se ar c h I nst i t ut e，W uhan H ubei4300l o)

A bst r act：I n t he s ecu r i t y ass essm e nt ba sed on r i sk t heo r y of dam．t he r i sk80a l'c e i d ent if i cat i o n i s an i m por t an t cont en t．T he r i sk$our c e$f or hi gh ar ch dam s w e r e c la s s if i ed i nt o t hr ee s ets of nat ur al di sas ter r i s k。d am ab ut m en t，f ound at i on a nd s t r uc t ur e s ta b i l it y ri s k a nd hum an f act or s r i sk aft er cons i der i ng t he s tr uct ur al charact er is t i cs a nd en vi r o nm e nt al c o ndit i o ns．。nl e m a j or da mf ai l u r e pat ter ns a nd pat h s of hi s h ar ch da m ar e di s cussed by usi n g t he m odel t est r esul t s of Ji np i ng l D am．The cas e st ud y C an pr o vi de basi s f or m or e det ail ed ri s k anal y s i s of hi gh ar ch dam．

K e y

W or d s：st r u ct ur al s ecur it y；r i sk80ur ce set；m aj or f ai l u r e pat h；hi gh ar ch da m

中图分类号：T V642．4；T V698．21；X820．4文献标识码：A文章编号：0559-9342(2010)11-0023-04

0引言

工程结构安全性风险分析从本质来说是研究和处置工程结构所面临的不确定性因素。是以确定性模型研究结构安全问题的一种延伸和发展。其核心问题是结构安伞程度的定量或定性描述。大坝是水资源优化配置和提供清洁能源的重要基础设施。一旦失事可能带来严重的生命财产损失和社会影响，故风险分析方法被引人到大坝安全分析中。且成为大坝安全性评估的一种发展趋势㈣。大坝风险包括经济、结构和环境等多个风险类别。本文主要研究高拱坝工程结构安全风险。高拱坝工程结构安全风险分析涵盖的内容包括风险源辨识、结构主要失效路径和失效模式辨识、失效概率计算、损失后果分析、风险可接受度研究、风险应对的工程措施和非工程措施等几个主要面，其中风险源集的研究是大坝风险分析的重要基础研究内容。拱坝是一种适合在狭窄河谷建设的既经济又安全的坝型。在世界上已经建成的坝高200m以上的大坝中，拱坝占多数[51。随着我国水电事业的深入发展和国家大力发展清洁可再生能源政策的实施，在我国两南水电富集区将逐步建成数量众多的高拱坝，这些高拱坝蓄积的水能巨大．一旦毁坏容易造成灾难性后果。对拱坝风险源集的研究对于确保拱坝安全具有重要意义，但目前针对拱坝风险源集的研究还较少。而且不系统。本文根据高拱坝结构自身受力、传力特点，及其所面临的复杂外部环境条件，从宏观上对影响拱坝结构安全的风险源进行分类归纳，对各类风险因子从

收稿日期：2010-0l一20

基金项目：国家自然科学基金重点项目(50539090—3一1)；长江科学院博七启动基金项目(Y J J0802)

作者简介：唐纯喜(1973一)。男，湖南澧县人，高级T程师，博士．主要从事工程风险与水资源管理研究．

W at e r Pow er V01．36N o．11团

微观上进行展开分析。提炼总结出较为系统的高拱坝结构安全风险源集。并借鉴锦屏一级电站结构模型试验成果。进一步提炼出锦屏一级高拱坝的主要失效路径．为更系统地分析高拱坝风险提供基础支撑。

1风险源的分类

高拱坝所处的环境条件差异较大。由于大坝规模和所处地理位置的不同等，使得大坝面临的主要风险源也呈现一定的差异性。不同的分类标准。可以将大坝的风险源分成不同的类别，不同的研究工作深度考虑的风险源的层次也不尽相同。一般而言，高拱坝面临的风险源可以分为四类：第一类是环境自然灾害，主要包括地震，洪水，近坝库岸滑塌等；第二类是大坝构筑物本身及其基础的稳定性、运行管理设备及其支撑系统的稳定性影响因素，主要包括大坝材料及其耐久性，基础以及两岸岩体的力学特性．坝体填筑质量．溢洪设备的可靠性等；第专类是人为原因引发的一系列风险问题．主要包括设计错误，调度方案不当，管理操作错误，应急预案设计不合理，恐怖袭击等；第四类是上述几类风险源引发的次生风险，如火灾，爆炸，漂浮物对大坝建筑物的撞击等等。由于第四类与人类活动有较为密切的联系。故将第四类并人第三类中一并考虑。

2自然灾害风险源集

2．1洪水

高拱坝多位于河流上游，我国的高拱坝多数集中于长江流域上游干流及雅砻江和大渡河等重要支流上，该区域洪水具有源短流急的特点。总体上，长江流域在金沙江巴塘以上、雅砻江雅江以上及大渡河上游共约35万km2地区。因地势高、水汽条件差。基本无暴雨，这些区域修建的大坝面临的洪水风险相对较小。但除以上区域外。长江上游的其他地区修建的大坝。洪水仍然是主要风险因素之一。大坝面临的洪水风险率及其后果。除与洪水量级及其过程有关外，还与水库起调水位(汛限水位)、水库调度运行规则、泄水建筑物泄流能力及其附属设备的可靠性、上下游防洪要求以及洪水预报水平等诸多因素相关[6--gl。

2．2地震

地震发生包涵的不确定性成分很多，在人类现有的认知水平下。对发震强度、时间与地点等均难以准确预测。我国西南地区是水能资源最为丰富的地区，根我国能源需求和清洁能源发展的需要，圃W ater Pow er V oL36N o．11在金沙江、雅砻江、大渡河、澜沧江、怒江等河流上将建设大量的200m以上的高坝。由于印度板块对欧亚板块的碰撞作用．我国的西南地区是地震活动强烈区域．一些高坝已经不可避免地建设在构造稳定性较差的复杂构造区。因此地震风险是高拱坝面临的主要风险阂素[91。另外，水库诱发地震问题也是需要考虑的一个重要方面。1962年发生在中国新丰江水库大坝左岸河源一带的6．1级地震，被认为是世界上第l例6级以上水库诱发地震，印度柯依纳水库发生的6级以上水库诱发地震，给当地造成了严重的破坏和巨大的经济损失l姗。

2．3近坝库岸滑塌

由于拱坝多建设在峡谷河段。在这些河段发生的库岸滑塌。特别是近坝岸坡滑塌。容易在坝前引发较大的涌浪．从而影响坝体和下游安全。1963年瑞士的莫瓦桑拱坝库区发生大滑坡．滑坡体形成的涌浪翻过大坝，右岸漫坝水深为260m。左岸为100 m。虽然坝体未溃决．但也给下游地区造成了重大伤亡[Sl。因此，近坝库岸滑塌也是高拱坝需要重点关注的风险因素。近坝库岸滑塌对坝体安全的影响程度与滑坡体至大坝的距离、库区河道形态和库容、河床糙率等诸多因素相关…1。

3大坝构筑物及坝肩(基)稳定性影响风险源集

3．1筑坝材料及其耐久性

对于一座已经竣工的大坝。如果不考虑材料强度随时间的变化。则坝体材料强度及其空间分布是确定的．不确定性主要体现在坝体材料强度与设计方案的吻合程度上。王光远112I将影响结构安全的不确定性分为三类，即随机性、模糊性和未确知性。按照这种分类方法。坝体材料强度的不确定性更多的应归类到未确知性的范畴．主要与施工质量和目前的检测水平有关。利用随机方法生成坝体材料在空间上的分布．分析由于材料强度不足或不均匀性引起的坝体安全性问题。坝体材料的耐久性与材料组成、大坝混凝土冻融变化的T作环境等密切相关[13，141．是影响大坝安全的重要风险源。时变可靠度研究方法是研究大坝耐久性的重要T具。

3．2基础及坝肩(基)岩体强度及其时变特性由于勘探资料永远是有限的，人们对基础及坝肩岩体强度及其时变特性的认识与其实际状态之间总是存在着一定的差距，而拱座和坝基的岩体稳定性是拱坝安全分析的最主要内容。因此．基础及坝肩岩体的强度及其时变特性是拱坝的主要风险源之一I 蛳。