安防之家讯：1 问题的提出
我国已建的大坝绝大多数为均质土坝、黏土心墙土石坝、混凝土重力坝、拱坝、面板堆石坝、沥青心墙土石坝等几种坝型。我国水利和水电系统相继颁布了《混凝土重力坝设计规范》、《混凝土拱坝设计规范》、《碾压式土石坝设计规范》、《混凝土面板堆石坝设计规范》，这些设计规范根据各类坝型的结构特点，设置了相应的安全标准。通过对近年来水库大坝安全评价与鉴定资料的统计分析，发现这几类常用坝型在结构、应力渗流、抗震等方面的安全标准存在不同程度的差异。均质土坝、心墙土石坝、混凝土面板堆石坝、沥青心墙土石坝等几类土石坝大多都存在不同程度的渗漏问题，部分大坝存在坝坡稳定和溃坝风险等重大安全问题; 此外，对近年兴建的沥青心墙坝和混凝土面板堆石坝的运行情况和监测资料的分析表明，采用这两种坝型的不少工程在蓄水后存在严重渗漏问题，甚至不能蓄水，存在较大的蓄水安全问题，并且渗漏原因和部位难以查明，处理难度很大。混凝土重力坝和拱坝存在的问题主要是坝体裂缝及由此引起的渗漏，但问题一般不是很严重，多数不影响大坝稳定安全。产生大坝安全问题的原因是多方面的，存在设计和安全标准方面的原因。早期建设的各种类型的大坝安全标准普遍偏低，对比各种坝型设计规范中的安全标准，发现不同坝型的设计规范对大坝稳定、应力、渗流、抗震等安全标准的设置水平存在不同程度的差异。由此引出大坝安全标准设置水平的差异问题，本文就此问题作初步分析和探讨。
2 大坝安全标准设置水平差异
2.1 土石坝和混凝土坝安全标准差异分析
2.1.1 土石坝和混凝土坝安全现状[1-3]
从近年来我国水库大坝安全检查和安全评价情况看，水库大坝运行一段时间后，土石坝坝坡稳定性不满足规范要求的所占比例较大，重力坝和拱坝结构安全性不满足规范要求的所占比例较少，只有少数拱坝坝体应力超标。
2.1.2 土石坝和混凝土坝抗滑安全标准
土石坝、混凝土重力坝和混凝土拱坝的结构安全控制因素和标准各不相同，这3 种坝型主要结构安全标准是其结构的稳定性，而不同结构的稳定性是由其结构特性和组成结构的材料特性决定的。根据各自结构特性，我国相关规范对各种坝型均提出了相应的结构稳定安全系数标准。
混凝土重力坝的稳定安全标准是建基面和坝基深层抗滑稳定系数(表1) ; 拱坝的主要稳定安全标准是拱座抗滑稳定系数(表2) ; 土石坝的稳定安全控制标准是上下游坝坡抗滑稳定性(表3) 。
各类大坝结构稳定性多是依据刚体平衡原理计算，其关键因素是作用荷载和结构抗剪强度参数。比较表1 ～ 3 中土石坝、重力坝、拱坝稳定安全系数标准，同样是采用计及黏滞力的抗剪强度参数，不同坝型的稳定性标准各不相同，不同坝型的结构稳定安全标准设置水平有差异，混凝土重力坝和拱坝结构稳定性安全标准高于土石坝。
2.1.3 重力坝和拱坝应力安全标准差异
设计规范规定，重力坝运行期建基面和坝体上游面垂直应力一般不允许出现拉应力，坝体和坝最大主压应力不大于混凝土和基础的容许压应力值; 拱坝坝体允许出现拉应力，基本荷载组合容许拉应力不大于1.2 MPa，非地震情况特殊荷载组合拉应力不大于1.5MPa，坝体允许压应力为混凝土的极限抗压强度除以3.0 ～ 4.0 的安全系数。
重力坝和拱坝结构受力特点不同，拱坝通过拱的作用将荷载传向拱座，通过拱座稳定保证其结构稳定，因此有很强的超载能力。重力坝是通过自身重量保证其结构稳定，坝体应力以压应力为主，仅大坝上游面附近和坝身孔洞周边应力集中部位可能会出现拉应力。重力坝应力超标时，坝体可能会产生裂缝，但产生严重后果的不多; 拱坝坝体有很强的超载能力，但当设计不当或出现极端情况导致应力超标时，坝体会产生影响结构受力的裂缝。
根据近年来的重力坝和拱坝安全评介与鉴定统计资料分析，重力坝坝体裂缝多数是由于施工分块、温控措施不当及施工质量等施工过程中的因素造成的，而拱坝裂缝多是由于设计不当、荷载超标、结构受力等原因形成的。
由此可见，由于重力坝与拱坝的结构及受力条件的差别，设计规范对混凝土重力坝和拱坝的结构应力安全标准的设置水平存在差异，应引起工程设计人员的重视。
2.2 大坝渗流安全性差异
大坝是挡水建筑物，防渗或渗流控制措施是保证大坝安全的重要因素，不同坝型的防渗特性差别较大。
大坝渗流安全标准主要由防渗体的渗透系数和渗透比降反映，我国有关部门颁布的设计规范对不同坝型的渗流安全标准都有明确规定。对于混凝土坝和土石坝这两类不同的坝型渗流安全性差异分析如下。
2.2.1 混凝土重力坝和拱坝渗流安全性差异
混凝土重力坝和拱坝渗流控制原理基本相同，都是利用其具备较强抗渗性能的坝体进行挡水，坝体一般不需采取特殊的防渗措施，坝基由于其地质条件存在较大差异，一般需要采取防渗和排水措施，以减小扬压力，降低渗流量。重力坝由于水平方向厚度较拱坝大得多，重力坝坝体和坝基渗径较大，同等水头作用下，重力坝坝体和坝基渗透比降较小，运行过程中产生渗透破坏的概率较小。
重力坝坝基渗流控制措施一般是通过在坝体廊道设置灌浆防渗帷幕和排水设施，以减小坝基扬压力和渗流量，运行中出现的问题比较容易发现和处理。拱坝拱座渗流控制一般是以排水措施为主，若排水设置不当，长期运行过程中容易发生局部渗透破坏，从而恶化拱座地质条件，发现问题相对较难，处理难度较大。
综合以上分析可见，设计规范对混凝土重力坝和拱坝的渗流控制标准的设置水平同样存在差异。
2.2.2 各类土石坝渗流安全性差异
土石坝坝型主要是按其防渗措施分类，我国常用的有均质土坝、黏土心墙坝、黏土斜墙坝、混凝土面板堆石坝、沥青心墙坝等。
(1) 均质土坝、黏土心墙坝和黏土斜墙坝渗流安全差异。均质土坝、黏土心墙坝和黏土斜墙坝的防渗体均采用渗透性较小的黏土，其渗流安全标准为土体的渗透系数和允许渗透比降，渗控措施主要是防止土体发生管涌、流土、接触冲刷等类型的渗透破坏。均质土坝坝体透水性均一，渗径较长，坝体内渗透比降较小，但坝体浸润线往往较高，下游坝坡和坝脚容易出现渗透出逸，需采取排水反滤措施。与均质土坝相比，黏土心(斜) 墙坝的防渗体厚度较小，渗径也较小，防渗体渗透比降较大，黏土心(斜) 墙坝的坝壳料具备很好的透水性能，坝壳料的渗压力较小，坝体浸润线较低，有利于坝坡稳定。
(2) 混凝土面板堆石坝和沥青心墙坝渗流安全性分析。混凝土面板堆石坝的防渗体为位于上游面的钢筋混凝土面板，沥青心墙坝的防渗体为位于坝体中部(一般为垂直布置) 的沥青混凝土心墙，这两种坝型的防渗体厚度均较小，对防渗体的抗渗性能要求高。钢筋混凝土和沥青混凝土的材料抗渗性能很高，并有很好的耐久性，渗透系数可小于1 × 10-7 cm/s，允许渗透比降可大于100。沥青混凝土弹性模量较低，有很好的柔性，对坝体变形有较好的适应性。
混凝土面板堆石坝和沥青心墙坝防渗体的渗流安全往往不是由其材料的抗渗性能决定，而是受其结构分缝和裂缝控制。
混凝土面板堆石坝坝体不均匀变形及止水缺陷使周边缝、垂直缝止水出现失效后，过渡料和垫层料在长期在渗流作用下容易出现渗透破坏，造成垫层料流失，面板脱空，最终会导致大坝出现严重渗漏。近年来的大坝安全评价和调查资料表明，沥青心墙堆石坝出现渗漏问题较多，有少量大坝开始蓄水时就发现存在较严重的渗漏问题，并逐渐或突然增大，影响大坝安全。主要原因是沥青心墙容易出现裂缝和变形过大问题，造成大坝严重渗漏。
湖南株树桥水库大坝为钢筋混凝土面板堆石坝，最大坝高78 m，水库总库容2.78 亿m3。大坝面板顶部厚度为0.3 m，下部为0.5 m，采用单层双向配筋，周边缝设有3 道止水。水库自1990 年下闸蓄水即出现渗漏，并呈逐年增加趋势，1994 年8 月渗漏量为970L / s， 1998 年7 月达到1 600 L /s， 1999 年7 月测得渗漏量已达2 500 L /s 以上，渗漏十分严重。1999 年针对大坝渗漏采用的水下彩色电视检查发现: 多块面板下部塌陷、折断，甚至形成孔洞，大坝安全所依托的防渗体系已发生严重破坏。大坝渗漏破坏的主要原因是:坝体不均匀变形及止水缺陷使周边缝、垂直缝止水失效; 过渡料不合格，垫层料级配不良，垫层料长期在渗流作用下出现渗透破坏，造成垫层料流失; 面板脱空，使止水进一步破坏，最终导致大坝出现严重的破坏及渗漏。
马家沟水库是重庆市铜罐驿长江调水工程的中转、囤蓄水库，水库总库容891 万m3，大坝最大坝高38m。2002 年12 月大坝开始蓄水，2003 年1 月即发现渗漏问题，渗漏量随库水位升高明显增大，从3 L /s 很快增加到约70 L /s，库水位升至高程236.69 m 时(正常蓄水位250.8 m) ，下游坡脚出现大面积渗水，上游坝坡出现小旋涡，测压管还可闻听水声。经调查，大坝出现渗漏问题的原因是沥青混凝土心墙受到严重破坏，最终采取对坝体增设混凝土防渗墙的加固措施。
2.3 大坝抗震安全的差异
由于结构型式和筑坝材料的不同，各类坝型抗震能力差别较大。根据“5.12 汶川地震”震损水库调查资料，地震后主震区土石坝都出现了不同程度的裂缝和塌陷，而混凝土坝震损都不太严重，仅出现少量不危及大坝安全的裂缝[4-7]。
根据中国大坝协会秘书处资料，2011 年日本“3.11地震”后，日本有关部门对252 座大坝进行了检查，发现有6 座土石坝在坝顶出现了浅层裂缝，其中一座高17.5 m 土石坝失事，只有1 座混凝土重力坝库区出现了小滑坡。
从不同坝型的抗震能力分析，有以下几点浅显的认识:
(1) 混凝土重力坝抗震性能较好。
(2) 混凝土拱坝虽然有较强的超载能力，但地震时坝体容易产生裂缝，拱座也容易遭到破坏。
(3) 土石坝抗震性能较差，地震时容易出现影响大坝渗流和结构安全的裂缝和塌陷。
由此可见，现行设计规范对各类坝型的抗震虽然都做了规定，但抗震安全标准的设置水平存在差异。
3 对策与建议
混凝土重力坝和混凝土拱坝在结构、渗流和抗震安全等几方面的安全标准设置水平高于混凝土面板堆石坝、沥青心墙堆石坝、黏土心墙坝、均质土坝等几种土石坝。对大坝安全标准设置水平差异问题初步提出以下几点对策与建议:
(1) 设计人员对大坝安全标准设置水平的差异问题应引起重视，在坝址选择和坝型比较时，如建设条件和工程投资允许，建议优先采用安全标准较高的混凝土重力坝和拱坝。
(2) 鉴于土石坝特别是混凝土面板堆石坝、沥青心墙坝容易出现较严重的渗漏问题，设计时应对防渗结构提出严格的措施和要求，确保工程施工质量。为便于出现严重渗漏后的检查和修复处理，对于混凝土面板堆石坝和沥青心墙坝，在条件许可时，应布置水库放空设施。
(3) 应对不同坝型的安全标准设置水平的差异及大坝生命周期的安全规律开展研究。不同坝型的筑坝材料差异很大，应对各类筑坝材料在服役期的安全性能和随着时间延长其材料性能老化、劣化的规律开展研究。随着大坝使用年限的增长，大坝安全状态逐渐降低，要求其达到与新建大坝相同的安全水平是不现实的，建议对大坝在不同阶段的安全评估标准开展研究。
(4) 建议主管部门完善现有大坝安全评估体系和标准，尽快制定水库大坝除险加固设计规范或设计导则，以便在大坝设计和除险加固中，针对不同坝型的特点制定相应对策措施。
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