PFMA 在混凝土面板堆石壩安全監測優化布置中的應用

馮龍海 ，王士軍，谷艷昌，吳云星

(1. 南京水利科學研究院，江蘇 南京 210029；2. 河海大學 水利水電學院，江蘇 南京 210098)

監測是保證大壩安全的重要手段，以往的大壩安全監測設計側重于與規范和設計值的比較，根據壩型和尺寸采用均勻布置的方式，并考慮最大壩高處、地質地形突變處[1]。隨著大壩安全管理理念的轉變，傳統的監測方式已不能滿足風險管理的需求[2]，基于潛在破壞模式分析（potential failure mode analysis，PFMA）的大壩安全監測技術[3]已開始研究與應用。文獻[4]以尾礦壩為例研究了潰壩模式分析流程及監測方法；周志維等[5]采用故障模式、影響及危害分析方法對均質土壩監測系統進行了改進，并進行新老監測數據的對比分析，論證了改進后監測設計的合理性；彭雪輝等[6]以阿爾塔什面板堆石壩為例研究了潛在潰壩模式分析方法及分級標準。

混凝土面板堆石壩具有較高的安全性、經濟性，在我國得到廣泛應用和迅速發展。目前已建和在建的面板堆石壩有300 余座，壩高超過100 m 的有80 余座。我國正在規劃建設一批200 m 甚至300 m 級的高面板堆石壩。隨著混凝土面板堆石壩的大規模發展，深入研究其結構特點和病害特征，采取有效的監測措施保證其安全運行至關重要。PFMA 可運用于工程設計及運行階段。本文在分析混凝土面板堆石壩結構特點及常見病害的基礎上，運用潛在破壞模式分析方法分析工程在其運行階段可能出現的破壞模式；并以某混凝土面板堆石壩為例，應用潛在破壞模式分析方法對其現有監測布置進行改進。

1 混凝土面板堆石壩結構特點

面板堆石壩壩體結構通常由上游鋪蓋、上游蓋重、混凝土面板、墊層、過渡層、主堆石區、次堆石區、下游護坡等結構組成[7]，典型斷面見圖1，壩體主要組成結構及功能見表1。

圖 1 混凝土面板堆石壩典型斷面Fig. 1 Typical section of concrete face rockfill dam

2 混凝土面板堆石壩病害分析

混凝土面板堆石壩的筑壩材料為散粒體，受材料特性、碾壓工藝、施工質量等影響，壩體具有易變形和變形時間長的特點。混凝土面板與堆石體物理力學性能的差異，導致面板與堆石體存在差異性沉降。變形不協調是導致面板堆石壩各種病害發生的主要原因。混凝土面板堆石壩的主要病害及破壞形式包括：面板壓性破壞、面板開裂、面板塌陷、止水失效和地震震損。

表 1 混凝土面板堆石壩組成結構功能Tab. 1 Structures and functions of concrete face rockfill dam

2.1 面板壓性破壞

面板垂直縫擠壓破壞[8]是高面板堆石壩常見問題，如紫坪鋪、天生橋一級[9]等面板堆石壩。筑壩材料在自重及地震、水壓力等外荷載作用下，沿壩軸線方向由兩岸向河谷中部或由高向低移動，形成壩體中部的強壓性變形區和靠近兩岸的弱壓性變形區或張拉區。面板在堆石體的拖拽作用下，由兩側向河谷中部移動。壩體中部面板的相對移動和阻礙作用，使得面板產生壓應變和壓應力，一旦壓應變或壓應力超過混凝土材料的極限承載力，面板即發生壓性破壞。垂直縫擠壓破壞受筑壩材料特性和河谷形狀的影響。

2.2 面板開裂

受筑壩材料變形、施工質量、溫度等影響，混凝土面板容易產生結構性裂縫和非結構性裂縫[10]。結構性裂縫主要由筑壩材料在自重、水壓力、浪壓力、地震力等外力作用下，產生不均勻沉降導致；非結構性裂縫是指在非外力作用下產生的裂縫，包括面板混凝土干縮、溫度應力、凍融等。影響壩體變形的因素包括筑壩材料壓縮性、材料級配和分區、碾壓質量、壩基處理質量等。

面板裂縫大多呈水平狀，在岸坡較陡、水深較深時靠近兩岸易出現平行岸坡方向裂縫。面板裂縫會由表面逐漸發展成貫穿性裂縫，降低面板防滲性能。當庫水位升高時，庫水侵入壩體侵蝕筑壩材料，加速面板開裂，嚴重威脅壩體穩定。

2.3 面板塌陷

面板是支撐在堆石料上的薄板結構，當面板失去支撐作用，在外力作用下便會發生塌陷。面板失去支撐作用的原因包括：①滲流作用使得墊層料流失；②墊層料填筑質量差，在水壓力作用下發生不均勻變形；③壩體變形使面板與墊層料脫空；④地震作用使得面板和墊層料脫空等。面板塌陷將會產生眾多貫穿性裂縫，加劇壩體滲透破壞，威脅壩體穩定性。

2.4 止水失效

止水結構是混凝土面板堆石壩防滲體系的重要組成部分，止水的破壞會導致壩體滲漏量急劇增大，引發壩體滲透破壞，甚至潰壩，如溝后水庫[11]由于庫水位超過防浪墻底板，防浪墻開裂和水平止水帶破壞，導致庫水侵蝕壩體，面板塌陷，最終導致潰壩事故。止水破壞原因包括止水結構本身質量問題、安裝質量差、壩體變形過大、止水材料老化等。

2.5 地震破壞

地震作用下壩體將發生較大的沉降和水平位移，導致面板大面積脫空、施工縫錯臺、周邊縫位移、垂直分縫擠壓破壞、止水破壞等[12]。面板脫空的主要原因是地震導致大壩堆石體產生的永久變形，地震永久變形隨著壩高的增大而增大，混凝土面板與筑壩材料變形不相協調導致面板與壩體之間發生脫空。堆石體的地震永久變形是導致混凝土面板及其接縫破損的主要原因。地震會導致壩體防滲結構發生不同程度破壞，滲漏量明顯增加，滲漏水變渾濁。

3 基于PFMA 分析的混凝土面板堆石壩安全監測布置

3.1 PFMA 方法

潛在破壞模式分析是指在充分了解結構組成及功能的條件下，分析結構可能破壞的位置、形式、發展路徑。潛在破壞模式分析步驟如下：

（1）系統定義與拆解。根據結構部位和功能將壩體拆解為基本組成單元。基本組成單元要細化到結構的每個部分，以便進行結構功能和影響分析。

（2）基本單元功能。壩體組成結構拆解后，需要確定每個基本單元的功能。單元功能及其相互關系的分析將有助于潰壩路徑的識別。

（3）破壞模式分析。破壞模式通常由多種因素導致一個或多個基本結構破壞，進而影響本身及其他結構功能的發揮，由此造成一系列的破壞事件，最終導致潰壩事故的發生。破壞模式識別就是分析系統各組成部分功能損壞的順序及其發展過程，通常包含起始→發展→破壞等3 個階段。

3.2 基于破壞模式的混凝土面板堆石壩安全監測布置

安全監測的目的是對工程隱患進行早期識別，評估其破壞風險，及時預警并采取降低風險的措施。破壞模式分析結合其破壞過程中的可監測性分析，可為大壩安全監測項目及布置提供依據，使得監測儀器能夠給予破壞模式早期信息及其發展過程。

基于破壞模式的安全監測改進主要內容包括資料收集、破壞模式分析、可監測參數分析、監測位置分析、現有監測系統分析評價、監測布置改進[13]。分析過程見圖2。

圖 2 監測系統改進流程Fig. 2 Improvement process of monitoring system

根據混凝土面板堆石壩的結構特點及常見病害分析結果，運用可能破壞模式分析方法總結混凝土面板堆石壩的可能破壞模式，并對各破壞模式的可監測項目和重點部位進行分析，結果見表2。

表 2 混凝土面板堆石壩可能破壞模式及監測分析Tab. 2 Possible failure modes and monitoring analysis of concrete face rockfill dam

壩體各基本單元的破壞模式都會引起壩體表面及內部變形；面板開裂及止水破壞會引起壩體滲壓升高、滲流量變大，對于存在內部侵蝕破壞的破壞模式需監測滲漏水質。人工巡視檢查是保證大壩安全的必備手段。根據潰壩模式進行巡視檢查具有目的性強、效率高的特點。因此，無論潰壩模式如何，大壩需要進行日常人工巡視檢查，設置壩體表面及內部變形，進行滲壓、滲流量及滲流水質監測。

4 案例分析

某大型水利樞紐，主壩為混凝土面板堆石壩。壩頂高程275.70 m，最大壩高102.20 m，壩頂長約621.32 m，壩頂寬8.00 m，壩體用灰巖和部分工程開挖頁巖料填筑。上游壩坡為1∶1.40，下游戧臺間壩坡坡度1∶1.35，綜合邊坡坡度1∶1.50。上游混凝土面板厚0.30～0.59 m，下游依次為墊層區、過渡區、灰巖堆石區、次堆石區和下游灰巖堆石區。工程運行中發現壩頂混凝土存在裂縫、破損，面板存在眾多裂縫、露筋及頂部止水局部脫開等質量缺陷。

監測資料分析結果表明：①大壩整體向左岸位移，左壩肩位移量大于右壩肩；②左壩肩高程200～220 m范圍周邊縫及面板變形較大；③上游兩側壩肩滲壓水頭高于庫水位；④上游面板出現眾多微裂縫。

破壞模式分析結果表明壩體可能破壞模式主要包括：①地震導致壩體沉降，壩體中部面板壓性破壞，豎向分縫止水破壞，庫水侵蝕壩體，面板開裂、塌陷，壩體滲透破壞；②面板上部與防浪墻連接的分縫止水破壞，洪水侵蝕壩體，滲透破壞，面板斷裂，壩體失穩；③一期、二期面板施工縫（高程200 m）開裂，面板塌陷，壩體滲透破壞；④二期、三期面板施工縫（高程234 m）開裂，面板塌陷，壩體滲透破壞；⑤左壩肩高程200～220 m范圍周邊縫破壞，墊層料流失，面板塌陷，壩體滲透破壞；⑥左岸灌漿帷幕及固結灌漿失效，形成滲漏通道，侵入壩體，壩體細顆粒流失，壩體失穩破壞；⑦三期面板開裂、壩體滲透破壞。

針對破壞模式分析結果，提出大壩監測改進措施：①樁號0+310.00 m 斷面垂直分縫增設單向測縫計；②在面板頂縫位置布置5 只單向測縫計，監測頂縫開合情況；在單向測縫計相應位置面板下方布置大量程位移計，監測面板脫空情況；③在高程200 m、234 m 處分別增設6 只單向測縫計，監測水平施工縫的開合情況；④在左壩肩周高程200～220 m 周邊縫附近面板布置電平儀，監測面板撓度變化；⑤0+000.00～0+106.50 m范圍（左壩肩）內，壩上0+060.00 m、壩上0+006.00 m、壩下0+005.0 m 布置3 個表面變形測點，監測左壩肩變形；⑥在下游側增設左右岸滲流量監測點，并對滲流水質進行監測；⑦在面板裂縫處布置單向測縫計，監測裂縫開合發展情況。

5 結 語

本文根據混凝土面板堆石壩的結構特點及病害類型分析，應用潛在破壞模式分析方法研究提出了混凝土面板堆石壩的潛在可能破壞模式及各破壞模式的可監測項目和重點部位，并提出了基于潛在破壞模式分析的安全監測改進方法，在某混凝土面板堆石壩上進行了應用，對其現有監測設施提出了改進方案，提升了監測效果。

研究表明潛在破壞模式分析能夠發現經常被忽視或不易察覺的安全隱患，做到防患于未然。針對可能破壞模式選擇監測項目和布置測點，可以有效監控破壞模式的發生和發展進程，提供預警信息，提高大壩安全管理效率和風險管控能力。