混凝土坝工程长效服役与风险评定研究述评

顾冲时，苏怀智

(1.河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏南京 210098;2.河海大学水利水电学院，江苏南京 210098)

1949年新中国成立以来，我国修建了数量众多的混凝土坝，尤其是近年来在金沙江、雅砻江和澜沧江等河流上修建了一批混凝土高坝。与其他工程结构物不同，混凝土坝不仅要承受各种动、静循环荷载及各种突发性灾害的作用，还要承受来自恶劣环境的侵蚀与腐蚀、材料性能劣化等的组合影响;另外，混凝土坝建设投资巨大，社会影响面广，而且在漫长的服役过程中逐渐与周围环境达到了一种新的平衡，其退役和拆除需要特别慎重。朱伯芳院士认为，优质实体混凝土坝可以长期服役，在采取必要的技术措施后甚至能够超长期服役［1］。美国胡佛大坝建成于1936年，至今已健康运行近80年，一定程度上佐证了混凝土坝的长效服役能力。

混凝土坝在长期服役过程中，发挥巨大工程效益的同时，也存在一定的风险，特别是一旦溃决失事，不仅大坝损毁，还会给下游带来严重灾害。1928年，美国St.Francis重力坝溃决失事，造成400余人死亡;1959年，法国Malpasset拱坝溃决失事，造成500多人死亡和失踪，财产损失约300亿法郎。因此，全面了解混凝土坝存在的风险并对其进行评定，不仅有利于大坝安全管理工作的开展，也有利于混凝土坝长效服役的实现。本文旨在介绍混凝土坝长效服役和风险评定的研究现状，并对今后的发展提出一些建议。

1 我国混凝土坝工程建设与安全现状

从20世纪50年代开始，我国开工建设了几乎所有类型的混凝土坝，如重力坝、拱坝、连拱坝、大头坝、平板坝等，至20世纪70年代末，混凝土坝是这一时期高坝建设的重点，代表性工程有刘家峡重力坝、响洪甸拱坝、佛子岭连拱坝、新丰江大头坝、湖南镇梯形坝等。1978年改革开放以来，通过引进和吸收国外先进技术和经验，并在工程实践中不断创新，我国的坝工技术取得了长足的进步。这一时期，混凝土坝在高坝建设中仍占据重要地位，1978—2011年间，已建、在建100 m以上大坝共164座，其中重力坝13座，拱坝24座，碾压混凝土重力坝26座，碾压混凝土拱坝16座［2］。在重力坝建设方面，三峡水利枢纽工程的装机容量、金属结构、大坝混凝土总方量均位居世界第一，并且在建设过程中解决了混凝土高强度浇筑与温控、岩体高边坡开挖稳定等技术难题，极大地推动了我国重力坝技术的发展。在拱坝建设方面，溪洛渡双曲拱坝(285.5 m)、小湾双曲拱坝(294.5m)和锦屏一级双曲拱坝(305m)的高度均超过了格鲁吉亚的英古里拱坝(271.5m)，标志着我国高拱坝技术已达到世界先进水平，拱坝建设迈入了300 m级阶段。

碾压混凝土坝以干硬性混凝土为主要筑坝材料，采用振动碾分层压实修筑而成，具有水泥用量少、施工工艺简单、施工速度快、造价低等特点［3］。我国从20世纪80年代开始研究和建设碾压混凝土坝，并于1986年建成坑口碾压混凝土重力坝。经过30多年的探索和实践，我国碾压混凝土筑坝技术已达到世界先进水平，筑坝数量和高度不断增长，已建成的碾压混凝土高重力坝有光照坝(200.5m)、龙滩坝(一期192 m)、官地坝(168 m)等，碾压混凝土高拱坝有云龙河三级坝(135 m)、大花水坝(134.5 m)等。目前，碾压混凝土坝在混凝土坝中所占比例越来越大。

经过60多年的工程实践，我国在混凝土坝建设方面积累了丰富的经验，成功解决了一系列复杂的技术难题，已建混凝土坝数量、高度、规模等均居世界前列。但20世纪50—70年代修建的混凝土坝，由于水文系列资料短缺、设计和施工技术落后等原因，部分混凝土坝存在防洪标准低、工程质量差等问题，加上管理维护不善，随着服役时间的增长，不少混凝土坝出现严重安全隐患，成为病险大坝。1978年以后，我国混凝土坝施工技术迅速发展，混凝土坝工程质量普遍提高，而且在服役过程中重视管理维护，总体安全状况大有好转，但也有少量混凝土坝存在一定的安全隐患。总的来说，混凝土坝主要存在以下安全问题［4-5］:

a．防洪安全问题。产生防洪安全问题的原因主要有两个:一是建坝时水文系列资料短缺或未按规范设计等原因，造成原防洪标准偏低;二是由于泄洪建筑物存在安全隐患或下游河道设障等原因，洪水不能正常下泄。虽然混凝土坝能够承受漫坝洪水，但也存在漫顶破坏的可能性。

b．混凝土劣化问题。冻融、碳化、碱集料反应等破坏作用会导致混凝土性能降低，出现开裂、剥落等现象，降低结构承载能力，甚至会威胁混凝土坝安全。如丰满、云峰等大坝长期遭受冻融破坏，混凝土大面积破坏;新安江、古田溪一级等大坝碳化现象严重，碳化深度较大。

c．裂缝问题。裂缝产生的原因很多，如混凝土性能差、温控措施不当、大坝结构不合理、冻融破坏、碱集料反应等。裂缝问题和混凝土劣化问题是相互促进的关系。混凝土坝裂缝问题非常普遍，比如陈村拱坝和佛子岭连拱坝均出现了不同程度的裂缝问题。

d．基础地质问题。由于勘探不到位或基础处理不全面、不彻底，部分混凝土坝基础存在地质问题，比如葛洲坝、新安江等大坝基础中存在软弱夹层。

e．抗震安全问题。目前西部强地震区已建或在建数座300 m级高拱坝，这些高坝存在一定的震害风险。此外，20世纪50—70年代建设的一些混凝土坝的抗震安全问题也应予以重视。

f．安全管理问题。安全管理问题在小型水利工程中尤为突出，主要表现为专职管理人员、专业技术人员缺乏，水文监测、大坝监测设施陈旧落后或根本没有等。

综上所述，混凝土坝长效服役的影响因素和演化过程非常复杂，既受到施工质量、运行管理等影响，又受到人类活动与环境因素等影响，其相互之间存在复杂的互馈和综合作用。因此，混凝土坝长效服役与风险评定研究是一个多学科交叉和多研究手段综合的复杂课题，涉及材料、大坝隐患病害、施工质量和安全管理模式等相互关联的多方面问题。混凝土材料性能的时变演化和大坝的隐患病害关系着混凝土坝的安全性和服役寿命，优良的施工质量是混凝土坝长效服役的基础，而先进的安全管理模式有助于减小大坝风险，延长大坝服役寿命。

2 混凝土坝材料性能演化规律及阻伤措施

混凝土作为混凝土坝最主要的筑坝材料，其材料性能的劣化是导致混凝土坝服役性能降低的内在因素，也会直接影响混凝土坝的服役寿命。混凝土是具有复杂结构的复合材料，其在服役过程中不仅要承受各种荷载作用，也要承受复杂的环境作用，诸多因素之间交互作用，材料性能演化规律十分复杂［6］。影响混凝土材料性能演化的因素很多，如冻融破坏、碳化、硫酸盐侵蚀、碱集料反应和力学破坏等。

混凝土因内部孔隙水的冻融循环产生的破坏称为冻融破坏。北方寒冷地区的水工混凝土建筑物常常会遭受冻融破坏，尤其是大坝水位变化区、溢流面、泄水雾化溅水区等部位。由于混凝土冻融破坏的复杂性，目前还没有能够完全揭示其内部破坏机理的理论，普遍接受的有静水压理论和渗透压理论。静水压理论认为，毛细孔中的水结冰时，体积膨胀产生静水压力，导致混凝土发生破坏［7-8］。渗透压理论认为，在温度降低时，孔径较大的毛细孔中的水首先开始结冰，使得溶液浓度增大，而孔径较小的毛细孔和凝胶孔中的水并不结冰，溶液之间出现浓度差，水从小孔向大孔迁移和重分布，从而产生渗透压，引起混凝土破坏［9］。我国在冻融破坏机理方面的研究相对较少，多是从实验和假设出发，以质量损失、孔体积和孔径分布的变化和宏观力学参数(抗压强度、弹性模量等)为判断依据来研究混凝土的抗冻性［10-11］。实际工程中可以通过选择合适品种水泥、使用优质骨料、降低水灰比、掺入外加剂、严格控制施工质量等措施提高混凝土抗冻性。

碳化是指空气中的CO2通过孔隙和裂缝向混凝土内部扩散，并与碱性物质发生反应，使得混凝土碱性下降的复杂物理化学过程［12-13］。碳化虽然能够降低混凝土孔隙率，提高密实度和强度，但是会使钢筋容易锈蚀，引起混凝土开裂，甚至剥落。目前，在碳化机理已经较为明晰的情况下，国内外学者在碳化深度预测和影响因素等方面进行了较多的研究。影响混凝土碳化的因素众多，主要包括材料因素(水泥品种、水灰比、掺和料及外加剂等)、环境因素(相对湿度、温度、应力及二氧化碳浓度等)和混凝土施工质量［12］。混凝土碳化部位可以采用丙乳砂浆、环氧厚浆涂料、硅粉砂浆等材料进行处理。

硫酸盐侵蚀的破坏作用可以概括为:SO24-与水泥水化物发生反应，生成钙矾石、石膏等产物，这些产物吸水膨胀导致混凝土破坏;pH值降低引起C-S-H凝胶解体，降低混凝土强度和黏结性能［14］。硫酸盐侵蚀破坏机理非常复杂，现有研究仍无法完全对其进行解释，一些理论仍存在争议，比如混凝土硫酸盐结晶破坏理论［15］。混凝土材料自身性质和外部环境都会影响硫酸盐侵蚀的严重程度，比如水泥品种、密实度、SO24-浓度、溶液pH值等。实际工程中可以通过合理设计混凝土材料、提高混凝土密实度以及设置保护层等措施提高混凝土抗硫酸盐侵蚀能力。

碱集料反应是指混凝土中的碱性物质与集料中的活性成分之间发生化学反应，生成物吸水膨胀从而导致混凝土开裂的复杂过程［16］。裂缝的产生又加剧了其他物理或化学不利因素的破坏作用，极大地降低混凝土结构的强度和工程寿命。碱集料反应具有滞后性，在混凝土结构建成之后才会发生，并且一旦发生很难阻止和修复，常被称为混凝土的“癌症”。一般来说，实际工程中可以采用限制混凝土含碱量、合理选用集料、掺入引气剂等措施预防和抑制碱集料反应［16-17］。

水工混凝土材料性能的演化是多种力学因素和环境因素耦合作用的结果。这些力学因素和环境因素并非简单叠加在一起，因素之间也相互影响，若只考虑单一因素来研究水工混凝土材料性能演化规律显然不符合实际情况。目前，混凝土材料性能演化规律的研究大多针对单一破坏因素，多因素耦合作用的研究相对较少，部分学者开展了此方面的研究工作，比如Nguyen［18-19］等通过试验研究了钙离子析出和力学破坏作用下混凝土材料性能的变化规律，并建立了化学-力学耦合模型;于琦等［20］基于Papadakis碳化模型和数值分析技术，研究了冻融环境对混凝土碳化的影响，建立了碳化深度预测模型。此外，常通过试验手段来获得混凝土材料性能演化规律，而GB/T50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》只针对单一破坏因素，没有多因素耦合作用的试验标准，这给研究带来了一定的困难。

3 混凝土坝隐患病害监测、检测与诊断

冻融、碳化、温度疲劳、溶蚀、裂缝等破坏因素的单独作用或共同作用，会导致混凝土材料性能劣化、大坝强度和稳定性下降、坝体与基础防渗能力降低等诸多问题的出现。为了解混凝土坝的安全运行状态，常将巡视检查、原位监测与现场检测相结合，通过对所得信息与资料进行分析，来监控和诊断大坝安全状况。

3.1 混凝土坝隐患病害监测与检测技术

3.1.1 原位监测技术

混凝土坝原位监测是指在坝体和基础内埋设各种监测仪器，比如应力计、应变计、温度计、渗压计、引张线仪等，通过定期或实时监测的方式获得埋设部位的应力应变、温度、渗流、变形等监测资料［21］。国外在19世纪末20世纪初即开始对混凝土坝位移、温度、扬压力等进行观测，但早期对大坝进行观测主要是为了检验并改进坝工设计理论和方法。20世纪中叶国外相继发生溃坝事故，引起了人们对大坝安全的重视，原位监测作为保障大坝安全的重要手段得到了迅速发展，一大批新型监测仪器被用于原位监测，同时自动化监测系统开始出现并不断得到完善。我国从20世纪50年代才开始混凝土坝原位监测技术的研究和应用，早期主要以引进国外监测技术为主，并在实践中加以改进。1978年改革开放之后，国家投入了大量资金用于水利水电工程大坝建设，也带动了原位监测技术的发展。

混凝土坝原位监测需要使用大量传感器，目前以差动电阻式、差动电容式、振弦式、步进马达式等传统传感器为主。智能传感器在传统传感器的基础上加入微处理器模块，提高了传感器的精度和可靠性，是传感器技术未来的发展方向。光纤传感器是近年来发展起来的一种新型传感器，可用于监测大坝位移、温度、渗流、裂缝等，但光纤传感器在实际水利工程中的应用还不是很多。GPS技术在20世纪90年代被用于大坝变形监测，虽然因部分混凝土坝处于高山峡谷地区而受到一定限制，但在隔河岩大坝、石门子水库大坝等工程中也得到了成功应用。

3.1.2 现场检测技术

原位监测可以获得仪器埋设部位所测物理量的变化规律，但是隐患病害不一定出现在监测仪器埋设的部位，而且监测仪器也可能会出现使用寿命终结的情况。应将原位监测与以无损探测为主的现场检测技术配合使用。国外从20世纪70年代开始研究大坝隐患病害现场检测技术，如意大利模型与结构研究所(ISMES)将声波层析方法用于大坝的安全检查，日本曾用声波层析方法对丰满大坝进行检测［22］。我国这方面的研究工作始于20世纪80年代，目前也已取得了较大的进展。

可用于混凝土结构无损检测的方法很多［23-26］，比如回弹法、超声波法、冲击回波法、射线法、声发射法、电磁法、雷达法等;在渗漏检测方面，有同位素示踪法、水下摄像法、自然电场法、温度场法等。虽然无损检测方法很多，但是混凝土坝因其几何尺寸等原因，有些检测方法在现场检测时并不合适，应对这些方法的适用性进行研究，比如吴中如等［21］研究了重大水工混凝土结构隐患病害的瑞利波法检测、超声波法检测以及CT检测的原理与资料分析方法，并探研了渗漏隐患的示踪法检测技术、水质分析法检测技术和水下摄像法检测技术;熊永红等［27］将脉冲回波法引入到三峡工程，进行了现场测试;此外，SL713—2015《水工混凝土结构缺陷检测技术规程》也对水工混凝土结构不同检测项目及方法提出了建议和要求，主要检测项目有混凝土强度检测、内部缺陷检测、裂缝深度检测、结构厚度检测、钢筋分布及锈蚀检测、水下缺陷与渗漏检测等。

3.2 混凝土坝隐患病害诊断模型和方法

通过巡视检查、原位监测和现场检测可以获得混凝土坝隐患病害的信息和资料，然后借助工程经验、监控模型、数值分析等方法实现对混凝土坝隐患病害的诊断。监控模型诊断方法主要通过对大坝实测资料进行分析，建立数学监控模型，同时对模型中的各个分量进行物理解释，以了解大坝的工作性态，诊断分析异常状况［21，28］。

国外开展监控模型研究较早，20世纪50年代就已开始用统计回归方法定量分析大坝变形观测资料。1956年，Tonini［29］将水压分量、温度分量和时效分量作为影响大坝的主要自变量。1977年，Bonaldi等［30］提出了混凝土坝变形监控的确定性模型和混合模型。我国在监控模型研究方面起步较晚。20世纪70年代，陈久宇等［31］率先使用统计回归方法分析原型观测资料，为我国监控模型研究奠定了基础。吴中如等［32-33］系统研究了混凝土坝安全监控的统计模型、确定性模型和混合模型，建立了大坝与坝基安全监控模型体系，并在实际应用中取得了满意的效果。近年来，模糊数学、灰色理论、神经网络、小波分析、遗传算法、混沌理论等理论和方法被应用于监控模型研究，许多新型模型不断出现［34-35］。目前，统计模型、确定性模型和混合模型仍然是混凝土坝最常用的监控模型，但对于碾压混凝土坝，需要考虑其施工特点对大坝工作性态的影响。此外，库区和坝区的岩土体滑坡会影响大坝安全，所以也需要合适的监控模型对其进行分析评价。

4 混凝土坝施工质量控制

优良的施工质量是混凝土坝长效服役的基础。混凝土坝施工工序复杂，从开始施工至建成要经历基础开挖及处理，混凝土制备、运输、浇筑与养护，坝体缺陷处理等多道工序，施工质量控制应贯穿整个施工过程和各道工序。

混凝土坝的基础应具有足够的强度、稳定性以及抗渗能力。基础开挖的深度和形状应根据大坝对基础的要求以及基础的地形、地质条件分析确定，并在浇筑前进行彻底的清理。混凝土坝基础处理措施有很多，比如灌浆、开挖置换、预应力锚固等。因每个工程情况不同，应根据实际情况设计地基处理方案，如向家坝水电站从建基面选择、渗控体系、基础加固处理3个方面设计地基处理方案［36］;李家峡大坝综合利用开挖置换、高压固结灌浆、预应力锚索加固、设置完善的排水系统等措施对复杂地基进行处理［37］。

混凝土是混凝土坝的主要筑坝材料，其材料性能在很大程度上决定了大坝的工程质量。混凝土原材料从采购(生产)、存储到加工都要满足规范和设计要求，然后按照配合比进行拌和。混凝土坝不同部位对混凝土材料性能的要求也有所差别，应根据浇筑部位的工作条件和原材料品质，由室内试验和现场试验确定最优配合比。混凝土制备完成后，应及时运输到现场进行浇筑，并避免在运输过程中出现骨料分离、严重泌水等现象。因为混凝土坝施工强度高，混凝土用量大，且存在多种混凝土同时运输的情况，一个合理高效的混凝土运输方案是非常必要的。三峡水电站为避免错料等质量事故发生，提高运输效率和拌和系统生产能力，采用计算机运输条码识别系统指挥混凝土运输［38］。钟桂良等［39］借助物联网技术和计算机技术，研究了混凝土运输过程智能控制技术，并在某300 m级高拱坝施工中进行了可行性验证。在混凝土坝施工过程中，对材料运输过程进行智能控制是当前研究和应用的热点。

混凝土浇筑与养护是坝体成型的重要环节，既要满足施工进度要求，又要保证坝体浇筑质量达到规范和设计要求，质量控制难度较大。众所周知，混凝土坝容易产生温度裂缝，需要采取必要的温控措施，比如埋设冷却水管、薄层浇筑等。过去，混凝土温度多是依靠人工进行控制，有时候温控效果并不理想。潘镇涛等［40］为了减少温度控制过程中人为因素的影响，利用模糊控制理论建立了模糊温控系统，对大体积混凝土温度进行控制，以避免混凝土开裂。段云岭等［41］利用分布式光纤温度测量系统测量混凝土内部温度，实现了温度仿真程序标定，以便确定合适的温控措施。林鹏等［42］针对人工通水冷却的弊端，建立了通水冷却智能温度控制系统，并在溪洛渡拱坝建设中得到了应用。目前，混凝土温度控制方法有由人工控制向智能控制转变的趋势。

由上述可知，混凝土坝施工过程中任一环节出现问题，都会对施工质量产生不利影响。由于国外在建高混凝土坝较少，混凝土坝施工质量控制方面的研究成果很少。近年来，国内学者在混凝土坝施工质量实时控制方面进行了大量的研究，并取得了丰富的成果，如Zhong等［43］考虑高拱坝施工过程中各种复杂的约束条件，研制开发了施工质量与进度实时控制系统，实现了施工过程的实时监测与反馈控制;吴斌平等［44］基于GPS技术和RTK技术，建立了针对浇筑碾压施工的质量实时监控系统，实现了对压实质量参数的有效控制。目前，这些研究成果已在锦屏一级拱坝、龙开口碾压混凝土坝、官地碾压混凝土坝等工程中得到了应用，有力地保障了混凝土坝的施工质量。

5 混凝土坝风险管理与评定

5.1 混凝土坝风险管理

目前，混凝土坝安全管理模式正由传统的工程安全管理向风险管理转变，以期实现大坝工程安全和下游公共安全的统筹考虑，提高混凝土坝安全管理水平。风险管理技术起源于美国，美国也最早将其应用于水利工程领域。1976年Teton坝和1977年Kelly Barnes坝的相继失事，使美国各界开始关注大坝的安全问题，推动了风险管理技术在大坝安全管理领域的研究与应用。随后，美国陆军工程师团、美国垦务局等机构和组织均制定了各自的风险管理办法，对所管辖大坝进行安全管理。20世纪90年代，加拿大BC Hydro公司率先将风险分析技术引入大坝安全管理工作中，并为许多国家组织了大坝安全管理培训［45］。澳大利亚在大坝风险管理方面亦处于世界先进水平，颁布了《大坝安全管理指南》、《大坝溃决后果评价指南》等多部指南［46-47］。2000年9月，“风险分析在大坝安全决策和管理中的应用”成为了第20届国际大坝会议的议题，标志着以风险分析为基础的大坝风险管理技术受到了广泛的关注和认可。目前，美国、加拿大和澳大利亚等国都已建立了比较完整的大坝风险管理体系，主要包括风险标准的建立、风险确认、风险评估和风险处理等内容，能够对大坝存在的风险进行全过程性管理［48］。我国开展大坝风险管理研究较晚，但也取得了一定的进展。

风险标准的制定需要综合考虑经济发展情况、社会价值观、法律体制等多方面因素，我国目前没有统一的风险标准，但一些学者在这方面进行了积极的探索，如宋敬衖等［49］考虑我国东西部地区人口分布、经济发展水平的差异，提出了生命风险的区域划分标准;彭雪辉等［50］在分析国外主要风险标准的基础上，根据我国水库溃坝资料，提出了个体生命风险标准、群体生命风险标准、经济风险标准和社会与环境风险标准;李宗坤等［51］将大坝风险标准与现行安全标准有效衔接，构建了包括生命风险标准和经济风险标准的大坝风险标准体系。

风险评估主要通过计算溃坝概率和溃坝后果来对风险进行分析，然后将分析结果与风险标准进行比较，判断风险是否可以接受。风险评估需要研究的技术要点很多，主要有溃坝模式研究、溃坝洪水研究、溃坝概率估算方法研究以及溃坝后果评价方法研究。混凝土坝在服役过程中可能遭受洪水、地震等各种不利因素作用，并且其本身也可能存在薄弱环节，导致大坝存在溃决失事的可能，溃坝模式研究就是为了分析大坝溃坝失事的模式与路径。混凝土坝坝址处的洪水计算相对比较简单，难点在于溃坝洪水演进分析。溃坝洪水演进分析的方法有简化分析法、经验公式法、数学模型法等，在实际应用时可以根据具体情况选择合适的分析方法［52］。

在对风险进行评估之后，应根据评估结果选择合适的方案处理风险。我国以前主要采用工程措施处理风险，但目前已经认识到非工程措施在风险处理中的重要作用，如加强安全监控、编制应急预案、将水库降等退役等。在采用工程措施对混凝土坝进行补强加固时，需要首先解决2个核心问题，即哪些缺陷需要优先补强加固以及应该选择哪种补强加固方案。针对这2个问题，一些学者开展了相关的研究工作，并提出了解决办法，如严祖文等［53］指出可以通过FMECA法对大坝风险要素进行排序，确定大坝的主要风险因素，并分别利用事件树法、层次分析法、风险分析方法确定最优的除险加固方案;蔡守华等［54］基于AHP法和TOPSIS法，建立了除险加固方案优选模型。

在大坝风险管理法规标准建设方面，2007年以来水利部先后颁布了《水库大坝安全管理应急预案编制导则(试行)》、SL483—2010《洪水风险图编制导则》、SL164—2010《溃坝洪水模拟技术规程》、SL602—2013《防洪风险评价导则》，以及组织编制了《水库大坝风险评估导则(征求意见稿)》［55］。

除上述内容外，大坝风险管理还有其他一些关键技术需要深入研究，如洪水安全利用技术、除险加固效果评价技术等［48，56］。

5.2 溃坝概率分析

溃坝概率分析首先要识别风险要素，明确有哪些风险要素可能会导致大坝失事，然后确定溃坝模式与溃坝路径，一般使用FMEA法或FMECA法，最后计算溃坝概率。在识别风险要素、确定溃坝模式与溃坝路径时，可以参考国内外风险评估导则和已有溃坝案例。溃坝概率分析的重点和难点在于溃坝概率的计算，常见的溃坝概率估算方法有历史资料统计法、专家经验法、事件树法和可靠度方法等。

历史资料统计法是指通过对历史资料中记载的相似事件进行统计分析，来确定某一事件的发生概率。历史资料统计法没有考虑大坝实际情况的差异、筑坝技术和安全管理手段的进步等因素对溃坝概率的影响，有时候计算出的概率会有较大偏差。专家经验法一般借助定性描述和定量概率转换表，将专家依靠其丰富经验作出的定性判断转换为定量概率，如李雷等［52］结合我国具体情况和国外经验，建立了定性描述与概率对应表。历史资料统计法和专家经验法一般只用于溃坝概率的初步分析。

事件树法可以用来计算混凝土坝的溃坝概率。它一般以可能导致溃坝失事的荷载作为初始事件，用树形图表示荷载与溃坝失事之间的逻辑关系，逐步分析并确定各分支事件的发生概率，最后计算得到大坝的溃坝概率。事件树中各分支事件的发生概率可以通过历史资料统计法、专家经验法、可靠度方法以及故障树法确定。事件树法在确定溃坝概率过程中受人为因素影响较大，目前在混凝土坝中应用不多［57-58］。

混凝土坝因其本身和所处环境的变异性以及人们认知的局限性，不确定性因素大量存在，如库水位、地震、坝基和坝肩地质条件等。不确定性因素是风险产生的根源。可靠度方法考虑了因素的不确定性对溃坝概率的影响，能够比较真实地反映混凝土坝的安全状况。理论上讲，所有可靠度计算方法均可被用于计算溃坝概率，如直接积分法、JC法、蒙特卡罗法、响应面法、随机有限元法等。目前，溃坝概率分析的可靠度方法大致分为传统可靠度方法和非概率可靠度方法两类。传统可靠度方法基于常规可靠性理论和模糊可靠性理论，可用于计算大坝洪水漫顶破坏概率、失稳破坏概率、渗透破坏概率、强度破坏概率等，不同的坝型侧重点也有所不同［59］。对于混凝土坝，传统可靠度方法的研究和应用主要集中在强度破坏、失稳破坏等方面，如吴世伟等［60］采用三维随机有限元法计算拱坝的点可靠度，研究了开裂深度与可靠度的关系以及拱坝体系的失效概率;封伯昊等［61］引入损伤边界面概念，综合利用响应面法和有限元分析法，在强度可靠度范畴内对混凝土坝进行可靠度分析;朱建明等［62］利用Rosenbleuth法计算可靠度指标，并结合安全系数进行重力坝深层抗滑稳定分析;彭慧慧等［63］提出了重力坝坝体失稳风险标准，建立了模糊风险分析模型并对其进行求解，然后结合风险标准对大坝安全进行评估;张社荣等［64］分析了碾压混凝土重力坝的潜在抗滑失效路径，并计算了地震作用下层间抗滑稳定体系的动力可靠度。

传统可靠度方法用概率论和模糊理论描述不确定性，需要较多数据，而且概率模型比较小的误差就可能导致计算出的溃坝概率出现较大的偏差［65］。在影响大坝的不确定性因素中，受试验或监测条件的限制，有些因素的数据是非常缺乏的，限制了传统可靠度方法的应用范围。而基于区间模型和凸集模型的非概率可靠度方法对数据要求较低，只需知道不确定参数的界限即可，具有更好的适用性。但是，非概率可靠度方法在混凝土坝溃坝概率分析中只见少量报道，如张勇等［65］借助响应面法和有限元法，建立了非概率可靠度分析模型，并对小湾高拱坝进行可靠性分析。夏雨等［66］用凸集模型描述不确定性，定义了坝体单元的非概率可靠度指标，并通过搜索所有可能的失效模式来确定拱坝的可靠度。袁慕勇等［67］以碾压混凝土重力坝为例，建立了非概率可靠度计算模型，分析了重力坝的主要失效模式。

此外，混凝土坝的许多不确定性因素具有时变特性，如混凝土材料性能会随时间缓慢变化、扬压力会因排水孔淤积发生变化等，这种时变特性也会影响混凝土坝的安全。但是，由于时变问题的复杂性，时变可靠度或时变风险率在水工领域研究较少，刘宁等［68］考虑重力坝的随机温度场、随机徐变应力场以及混凝土强度的随机过程特性，提出了时变可靠度计算方法，并对某一重力坝进行了时变可靠度分析;杨志刚［69］在可靠度分析中引入灰色理论和混凝土损伤概念，通过对随机变量进行时变灰色预报研究重力坝的时变可靠度问题;姜树海等［70-71］研究了时变效应对堤坝渗流风险率和大坝防洪风险率的影响;苏怀智等［72］综合利用模糊概率理论和时变效应理论，建立了大坝时变风险率计算模型，并给出了基于信息熵理论的时变风险率计算方法。

5.3 溃坝后果评价

全面分析混凝土坝存在的风险，不仅需要确定溃坝概率的大小，还要对溃坝所造成的后果进行评价。溃坝后果评价主要包括生命损失、经济损失、社会与环境影响三部分。

5.3.1 生命损失评价

溃坝生命损失受众多因素影响，给其估算带来了较大困难。李雷等［73］通过研究指出，影响生命损失估算的几个关键因素分别是风险人口、警报时间、溃坝洪水的严重程度以及公众对溃坝事件严重性的理解程度。国外对生命损失非常重视，取得的研究成果也比较多。1988年，Brown等［74］建立了溃坝生命损失与风险人口、警报时间之间的估算关系式。1993年，Dekay等［75］将溃坝洪水严重程度考虑在内，建立了包含风险人口、警报时间和溃坝洪水严重程度的生命损失估算公式。1999年，Graham［76］将公众对溃坝事件严重性的理解分为模糊和明确2种情况，并考虑警报时间和溃坝洪水严重程度，建议了不同情况下溃坝生命损失死亡率的取值大小及范围。2001年，Reiter［77］在Graham法的基础上提出了一种更加细化的生命损失估算方法，即Rescdam法。上述几种方法使用基于溃坝历史记录数据的经验公式估算生命损失，历史记录数据是否充足、公式的参数量化处理是否得当都会影响生命损失估算的准确性［73］。为了更准确地估算生命损失，一些学者将可靠度理论引入到生命损失研究中，并提出了一些估算方法，如Assaf法。我国生命损失研究起步较晚，但也取得了一定的进展，一些新理论和新方法被应用到生命损失估算中。周克发等［78］根据8座已溃大坝调研资料，在Graham法的基础上，用严重性程度系数修正风险人口死亡率，提出了适用于我国的生命损失评价模型。王志军等［79-80］利用支持向量机、神经网络、GIS等技术和方法，对溃坝生命损失进行评估。王君等［81］针对我国溃坝资料缺乏的现状，引入可变模糊集理论，建立了溃坝生命损失预测模型。

5.3.2 经济损失评价

20世纪六七十年代，美国、日本等国即已开始研究洪灾损失评估方法，我国从20世纪80年代开始对洪灾损失进行研究。经过几十年的研究和发展，洪灾经济损失评估方法已相对比较成熟，可用于计算溃坝经济损失。经济损失包括直接经济损失和间接经济损失两部分。《水库大坝风险评估导则(征求意见稿)》［55］建议:直接经济损失可采用分类损失率法、单位面积综合损失法和人均综合损失法进行计算;间接经济损失可采用系数折算法和调查分析法进行计算。虽然溃坝经济损失可以采用洪灾经济损失评估方法进行计算，但是溃坝洪水要比一般洪水破坏性更大。针对溃坝洪水的特点，一些学者专门研究了溃坝经济损失估算方法，如施国庆等［82］将溃坝损失分为洪水淹没损失(包括淹没直接经济损失、淹没间接经济损失和淹没非经济损失)、库区塌岸损失和溃坝工程损失三大类，并探讨了每种损失的计算方法;杜丙涛等［83］从溃坝后区域之间的关联关系入手，以经济损失为例，研究了损失大小、持续时间、损失范围的相关关系;王志军等［84］基于物元模型将溃坝洪水淹没范围划分为不同区域，并制定了财产损失率建议表，然后对溃坝经济损失进行计算。

5.3.3 社会与环境影响评价

溃坝对社会与环境影响涉及面很广，近年来国内一些学者进行了初步研究。王仁钟等［85］总结了社会与环境影响的主要因素，并对其进行量化，提出了社会与环境影响指数的确定方法。何晓燕等［86］建立了社会影响、环境影响的评价指标体系和量化方法，并综合利用层次分析法和模糊数学方法对溃坝社会与环境影响进行评价。周克发等［87］考虑社会经济发展对溃坝洪水损失的影响，建立了社会与环境影响的估算公式，并给出了公式中参数的取值范围。张莹［88］在分析溃坝对环境、生态影响的基础上，利用能值足迹法对环境损失、生态损失进行量化，并提出了相应的计算方法。

6 发展趋势和亟待解决的问题

虽然混凝土坝长效服役和风险评定研究已取得了较多成果，并且部分成果已经在实践中得到应用，但仍有不少问题需要进一步探讨，特别是以下几个方面亟待加强研究。

a．目前关于混凝土材料性能演化规律的研究所考虑的破坏因素偏少，与混凝土坝实际情况较脱节，未来需要深入研究多破坏因素耦合作用对混凝土材料性能演化规律的影响，据此制定合理措施以保障混凝土坝长效服役。此外，应制定并颁布针对多破坏因素耦合作用的混凝土长期性能和耐久性能试验方法及标准，借以规范试验方案设计，使研究成果更有说服力。

b．通过原位监测和现场检测可以获得混凝土坝隐患病害的信息和资料，为大坝安全分析提供依据。但过去对大坝安全状况进行分析诊断和监控，主要采用基于监测资料建立监控模型等方法，这类方法已不能完全满足当前高库大坝安全管理的需要，建立数字大坝，对大坝进行自动化、智能化监控是大坝安全监控的发展趋势。

c．混凝土坝施工工序复杂，影响施工质量的因素众多，质量控制难度大，应抓住影响施工质量的主要因素和关键环节，采取合理措施，保障混凝土坝施工质量;还应更加重视混凝土坝施工质量与进度实时控制研究，以对混凝土坝施工过程进行全方位、全时段监控，并加大其在水利工程中的推广使用。

d．尽管我国大坝风险管理研究已经取得了极大的进展，但应立足于我国国情并借鉴国外先进经验，尽快建立水库大坝风险标准;应深入开展风险评估实用技术研究，力求快速、准确地评估大坝风险;应高度重视风险处理的非工程措施，并与工程措施结合使用，以降低大坝风险;应尽快建立或完善法规标准体系，规范大坝风险管理工作。

e．可靠度方法是计算溃坝概率的有力工具，但目前还不是非常成熟，在复杂溃坝模式下的溃坝概率计算、时变可靠度分析等方面还需要加强研究，常规可靠性理论、模糊可靠性理论和非概率可靠性理论的组合运用是今后的发展趋势。在溃坝后果评价方面，生命损失估算方法、社会与环境影响评价方法应成为今后研究的重点。

7 结语

混凝土坝长效服役和风险评定研究是一个多学科交叉的复杂课题，研究范围非常广泛。笔者仅选择了几个比较典型的研究热点论述其研究现状，并探讨了当前研究存在的问题及未来的发展趋势。长效服役和风险评定研究的目的是为了使已建、在建或新建混凝土坝能够健康安全的长期服役，促进我国经济社会的可持续发展和生态环境建设，建议在该领域继续加强研究，尽快建立并完善混凝土坝长效服役保障与提升的理论和方法体系，以期实现大坝生命早期保障混凝土坝的“活力”，生命中期通过“保健”增强“活力”，生命后期通过“医治”延续“活力”等目标，为推动水工结构工程学科的进一步发展奠定科学基础。

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