1 問題的提出

我國已建的大壩絕大多數(shù)為均質土壩、黏土心墻土石壩、混凝土重力壩、拱壩、面板堆石壩、瀝青心墻土石壩等幾種壩型。我國水利和水電系統(tǒng)相繼頒布了《混凝土重力壩設計規(guī)范》、《混凝土拱壩設計規(guī)范》、《碾壓式土石壩設計規(guī)范》、《混凝土面板堆石壩設計規(guī)范》，這些設計規(guī)范根據(jù)各類壩型的結構特點，設置了相應的安全標準。通過對近年來水庫大壩安全評價與鑒定資料的統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)這幾類常用壩型在結構、應力滲流、抗震等方面的安全標準存在不同程度的差異。均質土壩、心墻土石壩、混凝土面板堆石壩、瀝青心墻土石壩等幾類土石壩大多都存在不同程度的滲漏問題，部分大壩存在壩坡穩(wěn)定和潰壩風險等重大安全問題; 此外，對近年興建的瀝青心墻壩和混凝土面板堆石壩的運行情況和監(jiān)測資料的分析表明，采用這兩種壩型的不少工程在蓄水后存在嚴重滲漏問題，甚至不能蓄水，存在較大的蓄水安全問題，并且滲漏原因和部位難以查明，處理難度很大。混凝土重力壩和拱壩存在的問題主要是壩體裂縫及由此引起的滲漏，但問題一般不是很嚴重，多數(shù)不影響大壩穩(wěn)定安全。產(chǎn)生大壩安全問題的原因是多方面的，存在設計和安全標準方面的原因。早期建設的各種類型的大壩安全標準普遍偏低，對比各種壩型設計規(guī)范中的安全標準，發(fā)現(xiàn)不同壩型的設計規(guī)范對大壩穩(wěn)定、應力、滲流、抗震等安全標準的設置水平存在不同程度的差異。由此引出大壩安全標準設置水平的差異問題，本文就此問題作初步分析和探討。

2 大壩安全標準設置水平差異

2.1 土石壩和混凝土壩安全標準差異分析

2.1.1 土石壩和混凝土壩安全現(xiàn)狀[1-3]

從近年來我國水庫大壩安全檢查和安全評價情況看，水庫大壩運行一段時間后，土石壩壩坡穩(wěn)定性不滿足規(guī)范要求的所占比例較大，重力壩和拱壩結構安全性不滿足規(guī)范要求的所占比例較少，只有少數(shù)拱壩壩體應力超標。

2.1.2 土石壩和混凝土壩抗滑安全標準

土石壩、混凝土重力壩和混凝土拱壩的結構安全控制因素和標準各不相同，這3 種壩型主要結構安全標準是其結構的穩(wěn)定性，而不同結構的穩(wěn)定性是由其結構特性和組成結構的材料特性決定的。根據(jù)各自結構特性，我國相關規(guī)范對各種壩型均提出了相應的結構穩(wěn)定安全系數(shù)標準。

混凝土重力壩的穩(wěn)定安全標準是建基面和壩基深層抗滑穩(wěn)定系數(shù)(表1) ; 拱壩的主要穩(wěn)定安全標準是拱座抗滑穩(wěn)定系數(shù)(表2) ; 土石壩的穩(wěn)定安全控制標準是上下游壩坡抗滑穩(wěn)定性(表3) 。

各類大壩結構穩(wěn)定性多是依據(jù)剛體平衡原理計算，其關鍵因素是作用荷載和結構抗剪強度參數(shù)。比較表1 ～ 3 中土石壩、重力壩、拱壩穩(wěn)定安全系數(shù)標準，同樣是采用計及黏滯力的抗剪強度參數(shù)，不同壩型的穩(wěn)定性標準各不相同，不同壩型的結構穩(wěn)定安全標準設置水平有差異，混凝土重力壩和拱壩結構穩(wěn)定性安全標準高于土石壩。

2.1.3 重力壩和拱壩應力安全標準差異

設計規(guī)范規(guī)定，重力壩運行期建基面和壩體上游面垂直應力一般不允許出現(xiàn)拉應力，壩體和壩最大主壓應力不大于混凝土和基礎的容許壓應力值; 拱壩壩體允許出現(xiàn)拉應力，基本荷載組合容許拉應力不大于1.2 MPa，非地震情況特殊荷載組合拉應力不大于1.5MPa，壩體允許壓應力為混凝土的極限抗壓強度除以3.0 ～ 4.0 的安全系數(shù)。

重力壩和拱壩結構受力特點不同，拱壩通過拱的作用將荷載傳向拱座，通過拱座穩(wěn)定保證其結構穩(wěn)定，因此有很強的超載能力。重力壩是通過自身重量保證其結構穩(wěn)定，壩體應力以壓應力為主，僅大壩上游面附近和壩身孔洞周邊應力集中部位可能會出現(xiàn)拉應力。重力壩應力超標時，壩體可能會產(chǎn)生裂縫，但產(chǎn)生嚴重后果的不多; 拱壩壩體有很強的超載能力，但當設計不當或出現(xiàn)極端情況導致應力超標時，壩體會產(chǎn)生影響結構受力的裂縫。

根據(jù)近年來的重力壩和拱壩安全評介與鑒定統(tǒng)計資料分析，重力壩壩體裂縫多數(shù)是由于施工分塊、溫控措施不當及施工質量等施工過程中的因素造成的，而拱壩裂縫多是由于設計不當、荷載超標、結構受力等原因形成的。

由此可見，由于重力壩與拱壩的結構及受力條件的差別，設計規(guī)范對混凝土重力壩和拱壩的結構應力安全標準的設置水平存在差異，應引起工程設計人員的重視。

2.2 大壩滲流安全性差異

大壩是擋水建筑物，防滲或滲流控制措施是保證大壩安全的重要因素，不同壩型的防滲特性差別較大。

大壩滲流安全標準主要由防滲體的滲透系數(shù)和滲透比降反映，我國有關部門頒布的設計規(guī)范對不同壩型的滲流安全標準都有明確規(guī)定。對于混凝土壩和土石壩這兩類不同的壩型滲流安全性差異分析如下。

2.2.1 混凝土重力壩和拱壩滲流安全性差異

混凝土重力壩和拱壩滲流控制原理基本相同，都是利用其具備較強抗?jié)B性能的壩體進行擋水，壩體一般不需采取特殊的防滲措施，壩基由于其地質條件存在較大差異，一般需要采取防滲和排水措施，以減小揚壓力，降低滲流量。重力壩由于水平方向厚度較拱壩大得多，重力壩壩體和壩基滲徑較大，同等水頭作用下，重力壩壩體和壩基滲透比降較小，運行過程中產(chǎn)生滲透破壞的概率較小。

重力壩壩基滲流控制措施一般是通過在壩體廊道設置灌漿防滲帷幕和排水設施，以減小壩基揚壓力和滲流量，運行中出現(xiàn)的問題比較容易發(fā)現(xiàn)和處理。拱壩拱座滲流控制一般是以排水措施為主，若排水設置不當，長期運行過程中容易發(fā)生局部滲透破壞，從而惡化拱座地質條件，發(fā)現(xiàn)問題相對較難，處理難度較大。

綜合以上分析可見，設計規(guī)范對混凝土重力壩和拱壩的滲流控制標準的設置水平同樣存在差異。

2.2.2 各類土石壩滲流安全性差異

土石壩壩型主要是按其防滲措施分類，我國常用的有均質土壩、黏土心墻壩、黏土斜墻壩、混凝土面板堆石壩、瀝青心墻壩等。

(1) 均質土壩、黏土心墻壩和黏土斜墻壩滲流安全差異。均質土壩、黏土心墻壩和黏土斜墻壩的防滲體均采用滲透性較小的黏土，其滲流安全標準為土體的滲透系數(shù)和允許滲透比降，滲控措施主要是防止土體發(fā)生管涌、流土、接觸沖刷等類型的滲透破壞。均質土壩壩體透水性均一，滲徑較長，壩體內滲透比降較小，但壩體浸潤線往往較高，下游壩坡和壩腳容易出現(xiàn)滲透出逸，需采取排水反濾措施。與均質土壩相比，黏土心(斜) 墻壩的防滲體厚度較小，滲徑也較小，防滲體滲透比降較大，黏土心(斜) 墻壩的壩殼料具備很好的透水性能，壩殼料的滲壓力較小，壩體浸潤線較低，有利于壩坡穩(wěn)定。

(2) 混凝土面板堆石壩和瀝青心墻壩滲流安全性分析。混凝土面板堆石壩的防滲體為位于上游面的鋼筋混凝土面板，瀝青心墻壩的防滲體為位于壩體中部(一般為垂直布置) 的瀝青混凝土心墻，這兩種壩型的防滲體厚度均較小，對防滲體的抗?jié)B性能要求高。鋼筋混凝土和瀝青混凝土的材料抗?jié)B性能很高，并有很好的耐久性，滲透系數(shù)可小于1  10-7 cm/s，允許滲透比降可大于100。瀝青混凝土彈性模量較低，有很好的柔性，對壩體變形有較好的適應性。

混凝土面板堆石壩和瀝青心墻壩防滲體的滲流安全往往不是由其材料的抗?jié)B性能決定，而是受其結構分縫和裂縫控制。

混凝土面板堆石壩壩體不均勻變形及止水缺陷使周邊縫、垂直縫止水出現(xiàn)失效后，過渡料和墊層料在長期在滲流作用下容易出現(xiàn)滲透破壞，造成墊層料流失，面板脫空，最終會導致大壩出現(xiàn)嚴重滲漏。近年來的大壩安全評價和調查資料表明，瀝青心墻堆石壩出現(xiàn)滲漏問題較多，有少量大壩開始蓄水時就發(fā)現(xiàn)存在較嚴重的滲漏問題，并逐漸或突然增大，影響大壩安全。主要原因是瀝青心墻容易出現(xiàn)裂縫和變形過大問題，造成大壩嚴重滲漏。

湖南株樹橋水庫大壩為鋼筋混凝土面板堆石壩，最大壩高78 m，水庫總庫容2.78 億m3。大壩面板頂部厚度為0.3 m，下部為0.5 m，采用單層雙向配筋，周邊縫設有3 道止水。水庫自1990 年下閘蓄水即出現(xiàn)滲漏，并呈逐年增加趨勢，1994 年8 月滲漏量為970L / s， 1998 年7 月達到1 600 L /s， 1999 年7 月測得滲漏量已達2 500 L /s 以上，滲漏十分嚴重。1999 年針對大壩滲漏采用的水下彩色電視檢查發(fā)現(xiàn): 多塊面板下部塌陷、折斷，甚至形成孔洞，大壩安全所依托的防滲體系已發(fā)生嚴重破壞。大壩滲漏破壞的主要原因是:壩體不均勻變形及止水缺陷使周邊縫、垂直縫止水失效; 過渡料不合格，墊層料級配不良，墊層料長期在滲流作用下出現(xiàn)滲透破壞，造成墊層料流失; 面板脫空，使止水進一步破壞，最終導致大壩出現(xiàn)嚴重的破壞及滲漏。

馬家溝水庫是重慶市銅罐驛長江調水工程的中轉、囤蓄水庫，水庫總庫容891 萬m3，大壩最大壩高38m。2002 年12 月大壩開始蓄水，2003 年1 月即發(fā)現(xiàn)滲漏問題，滲漏量隨庫水位升高明顯增大，從3 L /s 很快增加到約70 L /s，庫水位升至高程236.69 m 時(正常蓄水位250.8 m) ，下游坡腳出現(xiàn)大面積滲水，上游壩坡出現(xiàn)小旋渦，測壓管還可聞聽水聲。經(jīng)調查，大壩出現(xiàn)滲漏問題的原因是瀝青混凝土心墻受到嚴重破壞，最終采取對壩體增設混凝土防滲墻的加固措施。

2.3 大壩抗震安全的差異

由于結構型式和筑壩材料的不同，各類壩型抗震能力差別較大。根據(jù)"5.12 汶川地震"震損水庫調查資料，地震后主震區(qū)土石壩都出現(xiàn)了不同程度的裂縫和塌陷，而混凝土壩震損都不太嚴重，僅出現(xiàn)少量不危及大壩安全的裂縫[4-7]。

根據(jù)中國大壩協(xié)會秘書處資料，2011 年日本"3.11地震"后，日本有關部門對252 座大壩進行了檢查，發(fā)現(xiàn)有6 座土石壩在壩頂出現(xiàn)了淺層裂縫，其中一座高17.5 m 土石壩失事，只有1 座混凝土重力壩庫區(qū)出現(xiàn)了小滑坡。

從不同壩型的抗震能力分析，有以下幾點淺顯的認識:

(1) 混凝土重力壩抗震性能較好。

(2) 混凝土拱壩雖然有較強的超載能力，但地震時壩體容易產(chǎn)生裂縫，拱座也容易遭到破壞。

(3) 土石壩抗震性能較差，地震時容易出現(xiàn)影響大壩滲流和結構安全的裂縫和塌陷。

由此可見，現(xiàn)行設計規(guī)范對各類壩型的抗震雖然都做了規(guī)定，但抗震安全標準的設置水平存在差異。

3 對策與建議

混凝土重力壩和混凝土拱壩在結構、滲流和抗震安全等幾方面的安全標準設置水平高于混凝土面板堆石壩、瀝青心墻堆石壩、黏土心墻壩、均質土壩等幾種土石壩。對大壩安全標準設置水平差異問題初步提出以下幾點對策與建議:

(1) 設計人員對大壩安全標準設置水平的差異問題應引起重視，在壩址選擇和壩型比較時，如建設條件和工程投資允許，建議優(yōu)先采用安全標準較高的混凝土重力壩和拱壩。

(2) 鑒于土石壩特別是混凝土面板堆石壩、瀝青心墻壩容易出現(xiàn)較嚴重的滲漏問題，設計時應對防滲結構提出嚴格的措施和要求，確保工程施工質量。為便于出現(xiàn)嚴重滲漏后的檢查和修復處理，對于混凝土面板堆石壩和瀝青心墻壩，在條件許可時，應布置水庫放空設施。

(3) 應對不同壩型的安全標準設置水平的差異及大壩生命周期的安全規(guī)律開展研究。不同壩型的筑壩材料差異很大，應對各類筑壩材料在服役期的安全性能和隨著時間延長其材料性能老化、劣化的規(guī)律開展研究。隨著大壩使用年限的增長，大壩安全狀態(tài)逐漸降低，要求其達到與新建大壩相同的安全水平是不現(xiàn)實的，建議對大壩在不同階段的安全評估標準開展研究。

(4) 建議主管部門完善現(xiàn)有大壩安全評估體系和標準，盡快制定水庫大壩除險加固設計規(guī)范或設計導則，以便在大壩設計和除險加固中，針對不同壩型的特點制定相應對策措施。