1 問(wèn)題的提出

我國(guó)已建的大壩絕大多數(shù)為均質(zhì)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(guó)水利和水電系統(tǒng)相繼頒布了《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》、《混凝土拱壩設(shè)計(jì)規(guī)范》、《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》、《混凝土面板堆石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》，這些設(shè)計(jì)規(guī)范根據(jù)各類壩型的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)置了相應(yīng)的安全標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)對(duì)近年來(lái)水庫(kù)大壩安全評(píng)價(jià)與鑒定資料的統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)這幾類常用壩型在結(jié)構(gòu)、應(yīng)力滲流、抗震等方面的安全標(biāo)準(zhǔn)存在不同程度的差異。均質(zhì)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(wèn)題，部分大壩存在壩坡穩(wěn)定和潰壩風(fēng)險(xiǎn)等重大安全問(wèn)題; 此外，對(duì)近年興建的瀝青心墻壩和混凝土面板堆石壩的運(yùn)行情況和監(jiān)測(cè)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(yán)重滲漏問(wèn)題，甚至不能蓄水，存在較大的蓄水安全問(wèn)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(wèn)題主要是壩體裂縫及由此引起的滲漏，但問(wèn)題一般不是很嚴(yán)重，多數(shù)不影響大壩穩(wěn)定安全。產(chǎn)生大壩安全問(wèn)題的原因是多方面的，存在設(shè)計(jì)和安全標(biāo)準(zhǔn)方面的原因。早期建設(shè)的各種類型的大壩安全標(biāo)準(zhǔn)普遍偏低，對(duì)比各種壩型設(shè)計(jì)規(guī)范中的安全標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)現(xiàn)不同壩型的設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)大壩穩(wěn)定、應(yīng)力、滲流、抗震等安全標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)置水平存在不同程度的差異。由此引出大壩安全標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置水平的差異問(wèn)題，本文就此問(wèn)題作初步分析和探討。

2 大壩安全標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置水平差異

2.1 土石壩和混凝土壩安全標(biāo)準(zhǔn)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(lái)我國(guó)水庫(kù)大壩安全檢查和安全評(píng)價(jià)情況看，水庫(kù)大壩運(yùn)行一段時(shí)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(jié)構(gòu)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(yīng)力超標(biāo)。

2.1.2 土石壩和混凝土壩抗滑安全標(biāo)準(zhǔn)

土石壩、混凝土重力壩和混凝土拱壩的結(jié)構(gòu)安全控制因素和標(biāo)準(zhǔn)各不相同，這3 種壩型主要結(jié)構(gòu)安全標(biāo)準(zhǔn)是其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，而不同結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性是由其結(jié)構(gòu)特性和組成結(jié)構(gòu)的材料特性決定的。根據(jù)各自結(jié)構(gòu)特性，我國(guó)相關(guān)規(guī)范對(duì)各種壩型均提出了相應(yīng)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定安全系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

混凝土重力壩的穩(wěn)定安全標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)是上下游壩坡抗滑穩(wěn)定性(表3) 。

各類大壩結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性多是依據(jù)剛體平衡原理計(jì)算，其關(guān)鍵因素是作用荷載和結(jié)構(gòu)抗剪強(qiáng)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(biāo)準(zhǔn)，同樣是采用計(jì)及黏滯力的抗剪強(qiáng)度參數(shù)，不同壩型的穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)各不相同，不同壩型的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定安全標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置水平有差異，混凝土重力壩和拱壩結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性安全標(biāo)準(zhǔn)高于土石壩。

2.1.3 重力壩和拱壩應(yīng)力安全標(biāo)準(zhǔn)差異

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

重力壩和拱壩結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)不同，拱壩通過(guò)拱的作用將荷載傳向拱座，通過(guò)拱座穩(wěn)定保證其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，因此有很強(qiáng)的超載能力。重力壩是通過(guò)自身重量保證其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，壩體應(yīng)力以壓應(yīng)力為主，僅大壩上游面附近和壩身孔洞周邊應(yīng)力集中部位可能會(huì)出現(xiàn)拉應(yīng)力。重力壩應(yīng)力超標(biāo)時(shí)，壩體可能會(huì)產(chǎn)生裂縫，但產(chǎn)生嚴(yán)重后果的不多; 拱壩壩體有很強(qiáng)的超載能力，但當(dāng)設(shè)計(jì)不當(dāng)或出現(xiàn)極端情況導(dǎo)致應(yīng)力超標(biāo)時(shí)，壩體會(huì)產(chǎn)生影響結(jié)構(gòu)受力的裂縫。

根據(jù)近年來(lái)的重力壩和拱壩安全評(píng)介與鑒定統(tǒng)計(jì)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(dāng)及施工質(zhì)量等施工過(guò)程中的因素造成的，而拱壩裂縫多是由于設(shè)計(jì)不當(dāng)、荷載超標(biāo)、結(jié)構(gòu)受力等原因形成的。

由此可見(jiàn)，由于重力壩與拱壩的結(jié)構(gòu)及受力條件的差別，設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)混凝土重力壩和拱壩的結(jié)構(gòu)應(yīng)力安全標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)置水平存在差異，應(yīng)引起工程設(shè)計(jì)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(biāo)準(zhǔn)主要由防滲體的滲透系數(shù)和滲透比降反映，我國(guó)有關(guān)部門(mén)頒布的設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)不同壩型的滲流安全標(biāo)準(zhǔn)都有明確規(guī)定。對(duì)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(qiáng)抗?jié)B性能的壩體進(jìn)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(zhì)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(yáng)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(yùn)行過(guò)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(guò)在壩體廊道設(shè)置灌漿防滲帷幕和排水設(shè)施，以減小壩基揚(yáng)壓力和滲流量，運(yùn)行中出現(xiàn)的問(wèn)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(shè)置不當(dāng)，長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中容易發(fā)生局部滲透破壞，從而惡化拱座地質(zhì)條件，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題相對(duì)較難，處理難度較大。

綜合以上分析可見(jiàn)，設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)混凝土重力壩和拱壩的滲流控制標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)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(guó)常用的有均質(zhì)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(zhì)土壩、黏土心墻壩和黏土斜墻壩滲流安全差異。均質(zhì)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(biāo)準(zhǔn)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(zhì)土壩壩體透水性均一，滲徑較長(zhǎng)，壩體內(nèi)滲透比降較小，但壩體浸潤(rùn)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(zhì)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(rùn)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(duì)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(duì)壩體變形有較好的適應(yīng)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(jié)構(gòu)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(guò)渡料和墊層料在長(zhǎng)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(huì)導(dǎo)致大壩出現(xiàn)嚴(yán)重滲漏。近年來(lái)的大壩安全評(píng)價(jià)和調(diào)查資料表明，瀝青心墻堆石壩出現(xiàn)滲漏問(wèn)題較多，有少量大壩開(kāi)始蓄水時(shí)就發(fā)現(xiàn)存在較嚴(yán)重的滲漏問(wèn)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(guò)大問(wèn)題，造成大壩嚴(yán)重滲漏。

湖南株樹(shù)橋水庫(kù)大壩為鋼筋混凝土面板堆石壩，最大壩高78 m，水庫(kù)總庫(kù)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(shè)有3 道止水。水庫(kù)自1990 年下閘蓄水即出現(xiàn)滲漏，并呈逐年增加趨勢(shì)，1994 年8 月滲漏量為970L / s， 1998 年7 月達(dá)到1 600 L /s， 1999 年7 月測(cè)得滲漏量已達(dá)2 500 L /s 以上，滲漏十分嚴(yán)重。1999 年針對(duì)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(yán)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(guò)渡料不合格，墊層料級(jí)配不良，墊層料長(zhǎng)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(jìn)一步破壞，最終導(dǎo)致大壩出現(xiàn)嚴(yán)重的破壞及滲漏。

馬家溝水庫(kù)是重慶市銅罐驛長(zhǎng)江調(diào)水工程的中轉(zhuǎn)、囤蓄水庫(kù)，水庫(kù)總庫(kù)容891 萬(wàn)m3，大壩最大壩高38m。2002 年12 月大壩開(kāi)始蓄水，2003 年1 月即發(fā)現(xiàn)滲漏問(wèn)題，滲漏量隨庫(kù)水位升高明顯增大，從3 L /s 很快增加到約70 L /s，庫(kù)水位升至高程236.69 m 時(shí)(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(cè)壓管還可聞聽(tīng)水聲。經(jīng)調(diào)查，大壩出現(xiàn)滲漏問(wèn)題的原因是瀝青混凝土心墻受到嚴(yán)重破壞，最終采取對(duì)壩體增設(shè)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(jié)構(gòu)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(kù)調(diào)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(yán)重，僅出現(xiàn)少量不危及大壩安全的裂縫[4-7]。

根據(jù)中國(guó)大壩協(xié)會(huì)秘書(shū)處資料，2011 年日本"3.11地震"后，日本有關(guān)部門(mén)對(duì)252 座大壩進(jìn)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(kù)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(diǎn)淺顯的認(rèn)識(shí):

(1) 混凝土重力壩抗震性能較好。

(2) 混凝土拱壩雖然有較強(qiáng)的超載能力，但地震時(shí)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(shí)容易出現(xiàn)影響大壩滲流和結(jié)構(gòu)安全的裂縫和塌陷。

由此可見(jiàn)，現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)各類壩型的抗震雖然都做了規(guī)定，但抗震安全標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)置水平存在差異。

3 對(duì)策與建議

混凝土重力壩和混凝土拱壩在結(jié)構(gòu)、滲流和抗震安全等幾方面的安全標(biāo)準(zhǔn)設(shè)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(zhì)土壩等幾種土石壩。對(duì)大壩安全標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置水平差異問(wèn)題初步提出以下幾點(diǎn)對(duì)策與建議:

(1) 設(shè)計(jì)人員對(duì)大壩安全標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置水平的差異問(wèn)題應(yīng)引起重視，在壩址選擇和壩型比較時(shí)，如建設(shè)條件和工程投資允許，建議優(yōu)先采用安全標(biāo)準(zhǔn)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(yán)重的滲漏問(wèn)題，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)對(duì)防滲結(jié)構(gòu)提出嚴(yán)格的措施和要求，確保工程施工質(zhì)量。為便于出現(xiàn)嚴(yán)重滲漏后的檢查和修復(fù)處理，對(duì)于混凝土面板堆石壩和瀝青心墻壩，在條件許可時(shí)，應(yīng)布置水庫(kù)放空設(shè)施。

(3) 應(yīng)對(duì)不同壩型的安全標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置水平的差異及大壩生命周期的安全規(guī)律開(kāi)展研究。不同壩型的筑壩材料差異很大，應(yīng)對(duì)各類筑壩材料在服役期的安全性能和隨著時(shí)間延長(zhǎng)其材料性能老化、劣化的規(guī)律開(kāi)展研究。隨著大壩使用年限的增長(zhǎng)，大壩安全狀態(tài)逐漸降低，要求其達(dá)到與新建大壩相同的安全水平是不現(xiàn)實(shí)的，建議對(duì)大壩在不同階段的安全評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)展研究。

(4) 建議主管部門(mén)完善現(xiàn)有大壩安全評(píng)估體系和標(biāo)準(zhǔn)，盡快制定水庫(kù)大壩除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)規(guī)范或設(shè)計(jì)導(dǎo)則，以便在大壩設(shè)計(jì)和除險(xiǎn)加固中，針對(duì)不同壩型的特點(diǎn)制定相應(yīng)對(duì)策措施。