基于病害指數的大壩潰決可能性評價研究

周克發，袁 輝

（1.南京水利科學研究院大壩安全與管理研究所，南京 210029；2.水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，南京 210029）

基于病害指數的大壩潰決可能性評價研究

周克發1，2，袁 輝1，2

（1.南京水利科學研究院大壩安全與管理研究所，南京 210029；2.水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，南京 210029）

較全面地總結了國內外大壩老化與病害評價研究成果，在此基礎上，提出了以病害指數衡量大壩病害程度，給出了病害指數的計算方法，并根據病害指數值，將大壩病害程度及病險狀況劃分為相應的5個等級。建立了基于病害指數的大壩潰決可能性評價模型，提出了以潰決指數衡量水庫大壩潰決可能性，并根據潰決指數值，將水庫大壩潰決可能性劃分為相應的5個等級。應用大壩潰決可能性評價模型評價了沙河集水庫大壩潰決可能性，評價結果表明，根據潰決指數判定大壩潰決可能性具有較好的適用性。大壩潰決可能性評價模型可為病險水庫大壩潰決可能性評價提供參考；建議推廣應用該評價模型，并深化研究大壩病害演變規律及其與大壩潰決可能性的關聯關系。

大壩；病害；老化度；病害指數；潰決指數

1 概 述

我國是世界上水庫建庫最多的國家，也是水庫潰壩最多的國家。據近期普查，我國現有水庫87 085座（不含港、澳、臺地區），但我國水庫潰壩事件已達3 503起［1］。水庫潰壩的原因是多方面的，總體來看主要有：洪水地震等環境因素，質量缺陷等工程因素，管理不當等人為因素。根據潰壩登記資料，潰壩原因可按洪水漫頂、質量隱患、管理不當、其他原因、原因不明等基本分類。我國所有潰壩事件中，漫壩引起的潰壩占潰壩總數的50.2%，壩體工程質量問題引起的潰壩占潰壩總數的34.8%，管理不當和其他形式引起的潰壩占潰壩總數的15%［2］。這些潰壩原因反映了潰壩水庫存在著嚴重的病險，潰壩與大壩病險存在著密切的關系。據調查研究，潰壩水庫的病險主要表現在3個方面，即：防洪與安全標準低、防洪能力下降；建設方式落后、前期工作不足、施工條件簡陋、搶進度趕工期引起的工程質量差；工程結構破損、沖刷侵蝕、碳化銹蝕、設施落后等引起的工程老化失修［3］。

實際上，大壩病險是由先天不足、后天失調和自然老化等引起的大壩病害發展、累積、惡化到一定程度的表現。一般地，大壩病害在一定的不利情況（如工程長久失修、無人管理）下進一步惡化，發生質變，由病害發展為嚴重威脅大壩安全的病險，并逐漸加重或在突發性災難事件情況（如地震、超標準洪水、施工不當）下，最終引起大壩失事或潰決。因此，水庫潰壩是有規律可循的，與引起病險的某種或多種大壩病害息息相關。目前，針對潰壩機理原因分析、大壩病險調查與治理措施、大壩老化評估等方面的研究成果頗多，但分析大壩病害成因，揭示其演變規律及潰壩與大壩病害或病險的關聯關系等方面的研究成果甚少。研究大壩病害與潰壩的關系是對大壩老化、病害演變規律、潰決機理等相關研究的拓展和充實，可為病險水庫綜合治理、潰壩災害應急防控、大壩安全管理宏觀決策等提供重要的基礎技術支撐。

2 大壩老化與病害評價研究現狀

2.1 大壩老化研究評價現狀

隨著大壩老化的研究和認識逐步深入，對于大壩老化盡管目前定義尚未統一，但認識逐漸趨與一致。國內一些學者針對大壩老化研究進行了很多工作，取得了不少成果。

白玉慧（1998）等人認為水利工程老化主要體現在工程總體或部分的安全性能降低以及功能的退化兩個方面，從本質上可歸納為材質老化和結構老化；結合水利工程的特點，設計了依據水利工程綜合評價指標計算結果來判定工程整體老化程度的評價指標體系，包括單個建筑物老化程度評價指標體系和整體老化程度評價指標體系［4］。

李樹楓（2004）等人認為土石壩老化病害評價實質是將工程技術指標的實際檢測值與標準值進行對比，比較裂縫情況、滲漏狀況、滑坡可能性、護坡破壞程度等4項指標實際檢測值與設計標準值，按照基本完好、輕微、較嚴重和嚴重4種老化狀態分別給與A，B，C，D 4個等級，按照各種病害對土石壩安全的影響程度，依據《水庫大壩安全評價導則》（SL258－2000），對大壩老化病害綜合程度進行分級，確定土石壩病害程度等級［5］。

阿里木·吐爾遜、買買提·艾斯爾（2004）認為大壩的綜合特性是隨運行年齡而變化的，并將大壩的整個壽命周期劃分為適應期（大壩運行的早期階段）、穩定期（大壩運行早期階段后的調整適應期）和老化期（大壩服役晚期）3個階段，指出在老化期，大壩綜合特性隨著壩齡的增長逐漸向惡化的方向發展，安全性降低，失效率上升，但可以通過及時的修補防止老化的發展，提高大壩安全性，延長大壩的壽命［6］。

李天科（2007）等人認為土石壩老化是指在內在因素和外在因素的作用下，大壩完整性遭到破壞，其結構和功能隨著時間的增長而產生衰損的現象；指出了土石壩老化的影響因素為材料因素、自然因素、人為因素以及其他因素，并建立了基于土石壩綜合評價指數的老化程度評價模型［7］

式中：P為土石壩綜合評價指數；ωi（i＝1～7）為上游護坡、下游護坡、防浪墻、壩體、排水體、壩基和放水洞等大壩7項結構體的評價指標權重，依次取0.10，0.05，0.05，0.45，0.05，0.20，0.10；rik（k＝1～n）為結構體各群體指標權重，見表1；Eik（k＝1～n）為各群體指標評分，根據實際狀況可以由多位經驗豐富的工程師分別評分（完好4分、基本完好3分、一般老化2分、嚴重老化1分），然后取其平均值；n為對應第i項結構體的群體指標數量，n＝1～4。

由式（1）可見，土石壩的綜合評價指數P反映某一土石壩的老化程度：P值越小，土石壩老化程度越嚴重。在上述計算的基礎上，根據有關規范和資料，將大壩老化分為4個等級：基本完好、輕微老化、較嚴重老化和嚴重老化，見表2。

楊正華（2009）等人認為大壩老化是指在時間作用下，受運行環境、荷載條件、技術經濟發展等影響，大壩工程發生材料老化、結構損傷或功能下降等，從而引起工程安全性下降或功能性退化的過程；將老化成因分為建設不足、材料老化、結構破損和條件變化等4個方面，建立了基于大壩性態指數的老化度評價模型和基于老化成因的老化度評價模型［3］。

基于大壩性態指數的老化度評價模型公式為

式中：c表示老化度；br，bs分別為反映大壩工程安全性與功能性綜合指標的大壩剩余性態指數、大壩設計性態指數，大壩剩余性態指數br為大壩設計性態指數bs與大壩現狀性態指數bx的差值。

表1 結構體群體指標權重賦值Table1 W eight assignment of group indexes in the structures

表2 基于綜合評價指數P的大壩老化等級劃分Table2 Dam aging classification based on evaluation index of P

由式（2）可見，老化度c值范圍為［0，1.0］，c值較小反映大壩老化程度輕，c值較大反映大壩老化程度重。根據式（2）可將大壩老化程度分級為5個等級，見表3。

大壩性態指數b可用下式計算［8］，

式中：pij為通過第j位專家評價或計算分析對裂縫、滲流位勢、滲流坡降、浸潤線、滲流量、巡視檢查、穩定分析、壩頂超高等8個方面工程狀態的打分，具體可參見表4；pi為n位專家對各項打分的平均分；αi為對于pi的權重系數，可根據水庫大壩實際情況設定，亦可通過專家經驗賦值來綜合確定。

表3 基于老化度c的大壩老化等級劃分Table3 Dam aging classification based on aging degree of c

表4 5種工程性態的定義及定量評分Table4 Definition and quantitative score of 5 kinds of project behavior

一般地，大壩老化程度及大壩性態是隨著運行時間而變化的，因此，老化度c及大壩性態指數b總體上是運行時間t的函數，即c＝c（t），bx＝bx（t）且有c（0）≥0，bx（0）≤bs，則式（2）可表示為

基于老化成因的大壩老化度評價模型公式如下，

式中：c表示起始于大壩建設，發展于運行過程，主要受材料老化、結構破損和條件變化影響的大壩老化度；c0為建設不足原因產生的老化度基值，且0≤c0≤1；cc，cg，ct分別為大壩運行過程中材料老化、結構破損和條件變化的影響值；cx為偶然性或突發性因素的影響值；β1，β2，β3，β4為各項老化成因的老化權重系數，可根據水庫大壩實際情況設定，亦可通過專家經驗賦值來綜合確定，其中，β1＋β2＋β3＋β4＝1－c0。

大壩因建設不足、材料老化、結構破損和條件變化以及偶然性或突發性因素等產生的老化可采用專家經驗法來評價。

2.2 大壩病害評價研究現狀

隨著水庫大壩及其附屬水工建筑物的日益老化，與“健康”相反的病害也成為大壩工程界普遍關注的焦點。國內外世界一些學者對大壩病害評價作了不少研究，并將大壩病害與大壩老化聯系在一起進行研究，但相關成果并不多。據水利部和國家電力公司（原電力工業部）對所屬大壩的安全鑒定和定期檢查發現［2，9］，大壩的主要重大病害和缺陷有設計洪水標準偏低，壩基及庫岸地質條件、施工質量、設計失誤和運行管理等問題，尤其是上個世紀60－70年代修建的大壩，由于多種原因，病害尤為嚴重，其中高混凝土壩主要存在裂縫、溶蝕、凍融、溫度疲勞和日照炭化等病害，特別是裂縫。鄭璀瑩（2005）等人通過分析八一水庫失事原因，提出了我國水庫工程的病害及治理中應注意的問題［10］。馬福恒（2006）對大壩病害模式進行了統計，并分析了病害成因［11］。楊正華（2009）等人認為病害是大壩老化達到一定程度后出現的工程異常，老化是病害的成因，病害是老化的結果，除工程建設問題外，運行期大壩的老化病害可以分解、追溯為材料病害、結構病害、生物侵害、水庫淤積、管理設施、安全不足等方面；根據現行的大壩安全評價和大壩安全檢查實踐，將大壩病害的主要表現歸納為防洪標準不足、大壩滲漏問題、大壩穩定不足、輸泄水建筑物、閘門啟閉設備、工程管理設施等方面［3］。

3 基于老化度的大壩病害指數評價模型

由上述可知，大壩病害是由大壩老化隨著大壩運行年齡的增加而發展到一定程度形成的，兩者之間存在著一定的關聯關系，因此，大壩病害可以表示為大壩老化度隨著時間變化的函數。如大壩老化程度可以用老化度c來表示，則大壩病害程度可以表示為大壩系統老化功能與非老化功能的比值，如下式所示：

式中：d為病害指數；c為老化度，按式（2）或式（5）計算，取值范圍為［0，1.0］。

由式（6）可知，病害指數d值范圍為［0，∞），d值越大，則大壩病害程度越嚴重。當大壩病害程度發展到一定程度后就轉化為更為嚴重的大壩病險，因此，可以根據病害指數值判斷大壩的病害程度，并確定大壩病險狀況。根據式（6），結合老化度c值及其等級劃分標準，可將病險狀況根據病害指數反映的大壩病害程度劃分為5個等級，見表5。

表5 大壩病害程度與病險狀況等級劃分Table5 Classification of dam disease degree and dangerous condition

老化度c是隨著時間變化的函數即c（t），因此，病害指數d可用下式表示：

一般地，可根據病害指數變化率及變化值Δd（t）判斷大壩病險的發展狀況。當病害指數變化率或變化值Δd（t）過大時，反映大壩安全狀況處于快速惡化狀態，應對病害引起的大壩病險進行除險加固，以確保大壩安全。

4 基于病害指數的大壩潰決可能性評價模型

大壩潰決往往是多重因素造成的，不僅有其自身內在的病險原因，而且還有一些外部因素對潰決起著至關重要的作用。這些外部因素可歸結為兩大類：①潰決前可能的突發事件（如地震、超標準洪水、恐怖襲擊、除險或維修施工不當），突發事件的發生惡化了大壩的安全狀況，在發展到一定程度后就可能引起大壩潰決，如發生超過校核洪水位的超標準洪水，因此，其嚴重性與緊急性對大壩潰決起著至關重要的影響作用；②潰決前突發事件應急處置，如干預不恰當造成突發事件應急處置的成效很差，就有可能引發大壩潰決，因此，其成效性對大壩潰決也起著至關重要的影響作用。可見，大壩潰決的可能性取決于病險狀況、潰決前可能的突發事件（如地震、超標準洪水、恐怖襲擊、除險或維修施工不當）嚴重性與緊急性以及潰決前突發事件應急處置的成效性。

鑒于大壩潰決實際上是多因素作用的結果，大壩潰決可能性可以表示為病險程度、潰決前可能的突發事件（如地震、超標準洪水、恐怖襲擊、除險或維修施工不當）嚴重性與緊急性、潰決前突發事件應急處置成效性的乘積，以潰決指數k進行計算，即

式中：d表示病害指數，取值范圍為［0，∞）；e表示潰決前可能的突發事件嚴重性與緊急性因子，取值范圍為［0，1.0］，見表6；h表示潰決前突發事件應急處置成效性因子，取值范圍為［0，1.0］，見表6。

表6 嚴重性與緊急性因子e和成效性因子h取值參考表Table6 Reference value for seriousness and urgency factor e and effectiveness factor h

由式（8）可知，該式計算出的潰決指數k值范圍為［0，∞）。當大壩病險以及潰決前可能的突發事件嚴重性與緊急性，潰決前可能的突發事件應急處置的成效性朝著不利大壩安全方向發展時，則k值越大，這表明大壩潰決可能性會越大。根據k值的大小，可將大壩潰決可能性劃分為5個潰決等級，見表7。

表7 基于潰決指數的大壩潰決可能性等級劃分Table7 Classification of the possibility of dam breach based on breach index

從大壩風險的角度來說，任何一座水庫大壩都具有潰決的可能性，其潰決可能性與突發事件的發生概率密切相關。對于某一可能發生的突發事件，其發生的概率可根據表8判斷。

表8 突發事件發生的定性描述和對應概率［3］Table8 Qualitative description of unexpected event and its corresponding probability

假設某一可能突發事件發生的概率為pi（i＝1，2，…，n，n為可能發生事件總數），且p1＋p2＋…pi＋…pn＝1，則由式（8）可知，該突發事件相應的潰決指數為

式中：ki表示相應于某一可能突發事件的大壩潰決指數；d意義同前；ei表示相應于潰決前某一可能突發事件的嚴重性與緊急性因子，取值范圍為0～1.0，取值參考表6；hi表示潰決前某一可能突發事件應急處置的成效性因子，取值范圍為0～1.0，取值參考表6。

由式（9）可知，遭遇各類突發事件的潰決指數k可表示為

由式（10）可知，該式計算出的潰決指數k值范圍為［0，∞）。按表6，可根據潰決指數k值將大壩潰決可能性劃分為不可能潰決（A級）、微小可能潰決（B級）、較小可能潰決（C級）、可能潰決（D級）、極可能潰決（E級）5個等級。

5 工程案例

5.1 工程概況

沙河集水庫總庫容1.85億m3，是以灌溉為主，兼有防洪、城市供水、養殖等綜合利用的大（2）型水庫。樞紐建筑物由主壩、副壩以及南涵、北涵、小北涵3座涵洞，溢洪道和非常溢洪道組成。主壩為均質土壩，壩頂長720 m，壩頂高程44.50 m，最大壩高26.5 m，壩頂寬4.5 m，上游防浪墻頂高程45.60 m。水庫正常蓄水位40.50 m，設計洪水位42.35 m，校核洪水位43.20 m。水庫建成蓄水后，即出現壩后滲漏沼澤化現象，運行中壩身多次發生塌陷、開裂，涵洞洞身斷裂漏水，溢洪道沖刷水毀等險情。除險加固前水庫大壩限制在水位37.50 m下運行。

5.2 除險加固前大壩潰決指數計算

對裂縫、滲流位勢、滲流坡降、浸潤線、滲流量、巡視檢查、穩定分析、壩頂超高等8個方面，應用式（3）計算得該大壩現狀性態指數bx為0.65。根據式（2），假設大壩設計性態指數bs為1.0，則老化度c＝0.54。由表3可知，該水庫大壩處于C級一般老化程度。根據式（6），大壩病害指數d＝1.17。由表5可知，該水庫大壩處于B級一般病險程度。

除險加固前，該水庫大壩安全管理水平較低下，管理單位未編制防汛應急預案以及潰壩應急預案，應急保證能力不足，不能應付超標準洪水情況下的應急處置。假設該水庫在汛期可能遭遇致使水庫大壩潰決的超標準洪水概率約為0.10，可能遭遇致使水庫大壩潰決的管涌概率約為0.50，可能遭遇其他突發事件致使水庫大壩潰決的概率約為0.40。根據式（7），可定超標準洪水突發事件嚴重性與緊急性因子e1值為0.75，超標準洪水突發事件應急處置的成效性因子h1值為0.75；管涌突發事件嚴重性與緊急性因子e2值為0.50，管涌突發事件應急處置成效性因子h2值為0.50；其它突發事件嚴重性與緊急性因子e3值為0.30，其它突發事件應急處置成效性因子h3值為0.30。根據式（10），該水庫大壩潰決指數k＝0.25。由表7可知，該水庫大壩潰決可能性等級屬于C級較小可能潰決，與該水庫除險加固前的實際情況基本符合，這表明根據潰決指數判定大壩潰決可能性具有較好的適用性。

6 結 語

至2009年12月，在中央及地方財政補助的支持下，我國數千座大中型及重點小（1）型病險水庫基本上得到了除險加固，病險水庫占水庫總數的比重顯著下降，但是仍然有大量的小型特別是小（2）型病險水庫未得到除險加固。這些小型病險水庫對大壩下游公共安全時刻存在著威脅，對于大壩下游居住有密集人口的地區，潰壩后果將是不堪承受的。應用文中所提出的大壩潰決可能性評價模型對這些病險水庫進行大壩潰決可能性分析，有助于認識大壩潰決可能性程度，以便采取相應的工程措施和／或非工程措施來降低潰壩概率，控制大壩風險。建議在加強病險水庫大壩安全管理的同時，進一步深化研究大壩病害演變規律及其與大壩潰決可能性的關聯關系。

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（編輯：王 慰）

Study on Possibility Assessment of Dam Breach Based on Dam Disease Index

ZHOU Ke-fa1，2，YUAN Hui1，2
（1.Dam Safety Management Department，Nanjing Hydraulic Research Institute，Nanjing 210029，China；2.State Key Laboratory of Hydrology-Water Resources and Hydraulic Engineering，Nanjing 210029，China）

The research results of dam aging and disease assesssment at home and abroad are comprehensively re-viewed.On these bases，the dam disease index is put forward to judge the disease degree of dam，and the calcula-tionmethod of the index is provided.According to the disease index，the dam disease degrees and dangerous condi-tions are respectively divided into five corresponding grades.The assessmentmodel of possibility for dam breach based on dam disease index is developed，the dam breach index in themodel is used to judge the possibility of dam breach and the possibility of dam breach is divided into five corresponding grades according to the index.The as-sessmentmodel has been applied to evaluate the possibility of dam breach in Shaheji reservoir.And the evaluation result shows that the dam breach index is applicable for judging the possibility of dam breach.Themodel could be a reference for the possibility assessmentof dam breach of dangerous reservoir.We suggest that themodel should be gradually popularized，and the evolution law of dam disease as well as its correlation with the possibility of dam breach should be further studied.

dam；disease；aging degree；disease index；breach index

TV698

A

1001－5485（2011）02－0010－06

2010-03-09

“十一五”國家科技支撐計劃項目（2006BAC14B01）、（2006BAC14B07）

周克發（1981-），男，安徽含山縣人，工程師，主要從事大壩安全研究，（電話）025-85828191（電子信箱）zhoukefa＠163.com。