探析重大水利水电工程寿命诊断的理论和方法

■张 亮 ■开封黄河工程开发有限公司，河南 开封 475000

水利水电工程主要被用作防洪、灌溉和发电，为我国社会安定和经济繁荣提供了重要保障。但据不完全统计显示，在全国3100 多座大中型水库大坝和80000 多座小型水库大坝中，各有约30%和40%的工程存在着不同程度的安全隐患问题［1］。可见，对水利水电工程寿命进行诊断具有多么重要的意义。

1 影响水利水电工程寿命的因素---以都江堰为例

1.1 设计的科学性

都江堰主要由渠首、附属工程、灌溉渠系工程三部分构成，以鱼嘴、飞沙堰、宝瓶口作为渠首，其工程结构合理，各部分配合巧妙，已有2200多年的历史。在历史的长河中，其鱼嘴和飞沙堰的位置都因岷江河道水势的变迁历经多次变动和调整，但仍然保持着其整体功能的完整性，且运转维护费用低，具有巨大的经济价值、社会价值和生态价值，虽然也有诸如地质复杂、对罐区水量控制要求严格、泥沙问题严重、防洪要求高等诸多问题存在，但还是可见其设计的科学性，毕竟科学的设计才是延长工程寿命的基础保证。

1.2 与生态环境的协调发展

只注重经济效益，不注重与生态环境协调发展的水利水电工程，必然不能长久的存在下去［2］。比如三门峡工程，虽然水库为黄河下游的防洪、灌溉和发电带来了明显的社会效益，但由于其在建造时对泥沙问题的忽视，使得泥沙问题日益加重。而成都平原的生态环境在都江堰建成的2200 多年中，一直不断的得到改善，灌溉效益明显，工程规模宏大、布局巧妙、景色壮丽，与自然和谐共处，正是由于都江堰与生态环境的和谐共建，才使其健康持续存在两千多年。

1.3 工程的修与保护

每过数载便要对都江堰枢纽主体——竹笼和砌石进行修缮或更换，可见工程寿命并不完全取决于建筑材料的耐久性，因为可以通过对材料的修补，新材料、新技术的应用来对工程进行维护，延长其使用寿命。

2 确定水电工程寿命的原则

任何事物都有自己的生命周期，水利水电工程的寿命不仅涉及到工程技术问题，还涉及到社会、经济、政治问题，对其寿命的确定应以“社会经济效益最大化，对生态环境负面影响最小”为总的指导原则，具体细节上要满足强度、耐久性等对安全的要求;实现防洪、灌溉、发电等功能效益的发挥;遵循“以人为本，人与自然和谐共处”的原则。

3 水利水电工程寿命诊断理论和方法

3.1 安全性层面

对水利水电工程寿命的诊断，应针对工程的结构强度、使用的稳定性和耐久性两方面进行考量，在满足现行规范要求的同时，还要定期对大坝进行检查和分析，了解老化、病变机理，明确其对大坝安全产生的影响。

(1)强度分析理论与方法。水利水电工程的设计规范中规定以控制部位的拉应力、压应力是否满足允许应力来判断，即保证最大拉、压应力小于需要用的拉压应力［3］。在宏观上利用固体力学和弹性力学对其塑性大变形的可能性进行研究，并应用有限元软件实现仿真模拟优化;在细观上应用弹性基体加离散位错对行为进行描述;在纳观上结合原子镶嵌模型和分子动力学理论，对裂纹尖端附近区域的行为进行模拟。

(2)稳定分析理论与方法。水利水电工程的设计规范中规定荷载作用力下，当沿着滑动面的安全系数大于等于规范值的时候，证明其具有稳定性，反之则处于失稳状态。有限元法是近年来解决工程力学问题的主要方法，但其不足也随着工程应用范围的扩展逐渐显露出来，出现一些诸如DDA、NMM 等新的理论和方法。

(3)耐久性分析理论与方法。证明耐久性的指标既包括抗冻、抗冲击、抗渗等常用指标，还应把现场检测和监测应力应变、渗漏量、裂缝等隐患缺陷等包括在内，建立时变模型，并通过定量对耐久性的演变过程进行分析。

(4)安全监测技术。由于水利水电工程地理环境大都比较偏远，不可控因素多，因此利用纳米监测技术和4S 检测技术(GIS-地理信息系统、RS-遥感技术、GPS-全球卫星定位系统、ES-专家系统)对其进行实时安全监测，并定期检测，同时进行安全分析评价也十分必要。可利用高灵敏度的纳米传感器对大坝的渗流、变形等进行监测，采集数据、对比分析，为工程寿命诊断结果的客观性及准确性提供依据;或者通过微观诊断技术对工件内物质的损坏情况进行诊断。

3.2 工程效益层面

由于水利水电工程自身功能特性，应将水利水电工程寿命分为使用寿命和存在寿命，使用寿命才是其存在的价值所在［4］。因为耗费那么多人力、物力、财力修建水利水电工程的目的就是为了防洪、发电、灌溉等，当水利水电工程的这些功能不再正常运转，出现工程效益无法发挥或效益受损降低且无法修复，或经综合分析后修缮加固的费用远远超出工程效益，亦或有引起下游严重灾害的失事风险，即失去了使用价值时，应予以拆除或不再投入使用。

3.3 生态影响层面

任何的发展都是需要付出代价的，一方面水利水电工程具有防洪、灌溉、发电等社会效益和经济效益，一方面又给生态环境带来了一定的负面影响，但这些影响是能够加以控制的。因此，我们在对水利水电工程寿命进行诊断、评估时，其与生态环境的协调发展也应包含在内。

(1)耕地占用。水利水电工程规模巨大，占地面积广，修建时往往需要将选址地的居民全部迁移，因此，应当保证将其迁移至可以重新发展生产的地方。

(2)是否会引起地质灾害。大型水库修建完成之后，地壳会因大体积水体的冲击力导致地应力增大，可诱发高地应力、地震多发区和活动地质构造处发生地震。

(3)泥沙淤积问题。上流水位提高和河流宽度增大会导致水流速度变缓，降低其携带沙子的能力，当泥沙积累到一定程度就会出现河流淤积，清水下泄，降低排洪能力，对下游河床和防洪堤产生冲刷的作用力，就像三门峡水库对渭河产生影响一样。因此对工程寿命进行诊断评估时要对损失进行分析或改变运行方式，尽量将灾害最小化。

(4)破坏水生动植物生存环境。修建水库会对藻类的生长环境造成破坏，影响水的自净能力;水库蓄水，一则引起水温结构变化，对生物的繁衍生息造成影响，一则减小下游水量，甚至引起断流，破坏下游生物生存环境。

围绕工程效益和生态环境评估，我们可以采用四层生存诊断模型和退役评估理论对水利水电工程寿命进行综合评估。

4 结束语

水利水电工程对于国民生活安定和国家的经济繁荣具有重要作用，国家经济发展后也逐渐加大对水利水电工程建设和修缮加固的投入力度，但因为其具有工程量大、施工复杂、建设周期长、成本高、对生态环境有影响等特点，必须重视起工程寿命问题，加强对水利水电工程寿命诊断理论和方法进行深入探索和研究。

［1］卢良森.水利水电工程寿命诊断的方法及评价探讨［J］.城市建设理论研究(电子版)，2013(24).

［2］赖书斌.探讨重大水利水电工程寿命诊断的理论和方法［J］.建筑工程技术与设计，2014(36):674-674.

［3］刘明明.解析重大水利水电工程寿命诊断的理论和方法［J］.城市建设理论研究(电子版)，2012(22).

［4］付盈东.探讨重大水利水电工程寿命诊断的理论方法［J］.城市建设理论研究(电子版)，2015，5(14):5684-5685.