水电站大坝运行安全评价分项和要素筛选

张秀丽（国家能源局大坝安全监察中心，浙江杭州，310014）

水电站大坝运行安全评价分项和要素筛选

张秀丽
（国家能源局大坝安全监察中心，浙江杭州，310014）

水电站大坝运行安全评价的目的是要辨识安全风险，发现安全隐患及时防范，促进大坝安全运行。哪些是影响大坝安全的关键因素呢？从世界坝工史上大坝失事原因的综合统计分析成果出发，将那些曾导致大坝失事的直接技术原因筛选出来作为水电站大坝运行安全评价分项和要素。

水电站大坝；运行安全；评价；要素

人类为了充分利用水力资源而筑坝的历史已有数千年。目前世界上形形色色、大大小小的坝已经有数十万座，中国也是坝工大国，已经建有大坝9万余座。大坝拦蓄水体、积蓄能量、发电、防洪、灌溉、供水、改善航运条件，在为人类文明创造条件的同时，大坝一旦溃决，巨大的能量也会给人类的生命财产造成巨大的损失，破坏环境。世界坝工史已有大量大坝失事的惨痛教训。

水电站大坝运行安全评价的目的是要辨识安全风险，发现安全隐患及时防范，促进大坝安全运行。因此，必须认真总结这些事故教训，前车之鉴，引以为戒，将那些曾导致大坝失事的直接技术原因筛选出来作为水电站大坝运行安全评价项目和要素，有的放矢。

1　世界坝工史上大坝失事概况统计

许多国家都有水坝（含大小坝）失事的教训，国际大坝委员会水坝和水库恶化小组记录有1 000多座大坝失事的事例。例如，1900～1965年，重大水坝失事160多起，而1950～1965年15年间水坝失事就有55座。

我国水坝失事共统计过3次。1981年，水利部登记了1980年底以前全国失事水坝，共2 976座；1991年，水利部登记1981～1990年十年间又失事266座，1990年底以前共有水坝失事3 242座；2003年，又登记了1991～2003年间的大坝失事数据，2003年底前共有溃坝3 481座，其中大型水库2座、中型水库123座、小型水库3 356座。

国际大坝会议对失事坝型、坝高和库容的统计成果如下。

（1）失事坝型比例统计见表1。

表1　失事坝型比例统计Table1　Statistics of the types of dams failed

从表1中可见，各种坝型的大坝都有失事记载，其中土坝失事最多。对每种坝型的失事比例排序，连拱坝最高，拱坝最低，失事比例从高到低的排序为：连拱坝、土坝、重力坝、拱坝。

（2）按库容统计比例见表2。

表2　失事水坝库容比例统计　Statistics of the storage capacities of dams failed

从表2中可见，库容＜1 000万m3的水坝失事比例最高。

（3）按坝高统计比例见表3。

表3　失事大坝坝高比例统计Table3　Statistics of the heights of dams failed

从表3中可见，坝高＜30 m的低坝失事比例最高，1 000多座大坝失事样本中占比高达66.8%。

从上述分类统计数据看，土坝、库容＜1 000万m3的水坝、坝高＜30 m的低坝失事比例最高，要特别引起重视。

2　世界坝工史上大坝失事原因统计分析

2.1国际大坝委员会水坝和水库恶化小组统计分析结果

（1）遭遇特大洪水、设计洪水偏低和泄洪设备失灵，引起洪水漫顶占30%；

（2）地质条件复杂、基础失稳和意外结构事故导致大坝失事占27%；

（3）坝基渗漏引起扬压力过高、渗漏量增大引起坝基渗漏变形过大引起失事占20%；

（4）大坝老化、建筑材料变质（如开裂、侵蚀和风化）以及施工质量等原因使坝体材料强度降低而失事占11%；

（5）其他，各坝不同的特有原因占12%。

2.2中国统计

水库漫顶占46.6%、结构质量问题占41%、管理不当占6.1%、其他原因占5.0%、不详占1.3%。

2.3西班牙

1962年，西班牙《公共工程评论》对1 620座较大的水坝进行了调查，1799～1944年间，共发生过308次水坝事故或失事，其中包括177座填筑坝、70座重力坝、7座连拱坝、2座拱坝和52座其他类型的坝。分析结果显示，失事的原因有以下几方面：基础破坏占40%、溢洪道容量不足占20%、施工质量差占12%、不均匀沉陷占10%、扬压力高占5%、战争破坏占3%、坝体滑动占2%、材料不合格占2%、运行不当占2%和地震占1%。

2.4美国

美国有两位学者（比斯瓦斯和恰特基），1971年在《大坝事故评价》一文中，统计了300多座大坝失事原因，结论为：洪水漫顶占35%、基础问题（渗漏、管涌、基础被淘刷、扬压力偏高、齿墙截水不当、断层错动、沉陷或地基滑坡）占25%、其他（设计施工不当、材料质量差、波浪作用、战争或运行维护不当）占40%。

2.5前苏联

前苏联工程师按不同坝型分析700多次失事原因后，综合结果如下：地基与岸坡连接渗漏占16%、地基不稳定占15%、泄洪设施泄量不足、漫顶失事占12%、坝体内集中渗漏占12%、由于兽类挖出通道造成管涌占11%、温度或收缩裂缝占9%、地震占6%、初期拦蓄和突然泄放消落占5%、反复冰融占4%、运行不当占4%、波浪侵蚀占1%、其他未查明原因占11%。

从世界坝工史上大坝失事原因统计分析成果看，各种原因造成的洪水漫顶是罪魁祸首，其次是基础问题、结构问题、运行性态问题、管理问题等，这些在大坝安全评价中都要给予充分的重视。

3　大坝运行安全评价分项和要素筛选

从以上各国大坝失事的原因分析和典型案例剖析可以看出，虽然分析角度不同、依据的失事样本不同，结论有一定差别，但总的趋势看，大坝的失事以洪水问题、基础问题、坝体和坝基渗漏破坏造成的失事为最多，边坡、启闭设备等问题也不能忽视，尤其是土石坝，由于渗漏冲刷造成管涌、滑坡及机械设备故障是相当重要的原因。地震引起的垮坝事例极少，但大坝遭遇强震会引起坝基沙土液化、边坡滑动、不均匀沉陷、纵横裂缝等震害，有时几种现象同时并存，相互影响，或者几个问题同时威胁大坝安全。大坝安全等级的评定应针对这些引起失事的主要因素制定技术标准。这些主要因素可归纳为：（1）设计安全标准；（2）防洪能力；（3）坝基状况；（4）结构安全；（5）运行性态；（6）边坡状况。

在大坝安全等级评定中，将上述6个主要因素确定为评定标准的6个分项，进一步将6个分项进行细分，确定评价要素，给出评价标准，增加大坝安全等级评定的可操作性。

大坝失事的原因比较复杂，概括而言有客观和主观两方面。导致垮坝的客观原因主要是洪水、地震等自然破坏力以及复杂的地质地理环境及坝型和结构问题。主观原因是由于人类自身行为造成的，主要是指勘测设计不当、施工不良以及运行管理中的问题，至于战争破坏以及故意的人为破坏则是另一类性质的问题。大坝运行安全评价要素筛选时，主要针对技术可以界定的客观和主观原因，不考虑战争破坏以及故意的人为破坏等技术难以界定的问题。大坝运行安全评价分项细化和要素筛选如下。

3.1设计安全标准——评价要素：工程等级划分、洪水设计标准、抗震设计标准

水电工程抵御洪水、地震等自然破坏力以及适应复杂地质地理环境的能力是按照设计安全标准确定的。设计安全标准过低是大坝失事的重要因素之一，例如，位于大坝失事原因之首的防洪安全问题，很多大坝失事就是因为洪水设计标准偏低，造成大坝挡水高度不够，漫坝引起溃坝。设计安全标准涉及到工程等级划分、洪水设计标准、抗震设计标准、建筑物安全超高、建筑物结构整体稳定安全标准、建筑物边坡抗滑稳定安全标准6个方面。工程等级划分是基础，洪水设计标准、抗震设计标准决定了所有建筑物设计的荷载大小和结构布置，因此，前3个安全标准专门作为评价要素列出，后3个安全标准可包涵在坝顶高程、抗滑稳定等结构相应的评价要素中，不再单列。

3.2防洪能力——评价要素：坝顶高程

防洪安全问题位于大坝失事原因之首，应给予足够的重视。防洪安全由洪水设计标准、泄流能力、大坝安全超高、坝顶构造结构安全、启闭设备安全性等多种因素综合决定，然而前3者的量化指标可归结到坝顶高程和水库防洪特征水位间的关系，坝顶构造结构安全性并入坝体结构，启闭设备安全性并入金属结构评价要素。因此，防洪安全评价在防洪能力、坝体结构、泄洪消能设施和金属结构4个评价要素中均有涉及，防洪能力只考虑坝顶高程。

3.3坝基状况——评价要素：变形稳定、抗滑稳定、坝基防渗和渗透稳定

据国际大坝委员会水坝和水库恶化小组统计分析结果，由地质条件复杂、基础失稳和意外结构事故导致的大坝失事占27%，坝基渗漏引起扬压力过高、渗漏量增大引起坝基渗漏变形过大引起失事占20%；西班牙统计分析结果，基础破坏占40%；美国统计分析结果，基础问题（渗漏、管涌、基础被淘刷、扬压力偏高、齿墙截水不当、断层错动、沉陷或地基滑坡）占25%；前苏联统计分析结果，地基与岸坡连接渗漏和地基不稳定合计占31%。因此，坝基状况分项，其变形稳定（隐含坝基承载力）、抗滑稳定、坝基防渗和渗透稳定作为评价要素。

3.4结构安全（之1）——坝体结构——评价要素：坝顶构造、抗滑稳定安全度、坝基应力、坝体应力

大坝结构安全分项，除大坝本身结构安全外还包括泄洪消能设施、金属结构的安全，因此，将大坝结构安全分项细化为坝体结构、泄洪消能设施、金属结构三个分项。

大坝曾有坝体滑动或扬压力高（抗滑稳定安全度不足）、施工质量等原因使坝体材料强度降低或材料不合格（坝体或坝基应力问题）、坝顶构造问题（如沟后大坝失事）等坝体结构问题失事，因此，坝体结构分项包括坝顶构造、抗滑稳定安全度、坝基应力、坝体应力4个评价要素。

3.5结构安全（之2）——泄洪消能设施——评价要素：总体布置、泄流能力、结构安全性、消能防冲安全性

防洪安全问题位于大坝失事原因之首，保证洪水安全下泄的泄洪消能设施安全是其重要组成部分。洪水漫顶常与泄洪设施泄量不足关系密切，坝基被淘刷致使地基不稳定也常与泄洪设施布置不当、结构不安全等因素关系密切，因此，泄洪消能设施分项包括总体布置、泄流能力、结构安全性、消能防冲安全性4个评价要素。

3.6结构安全（之3）——金属结构——评价要素：总体布置、挡水安全、启闭安全

大坝失事曾有因泄洪设备失灵引发的，闸门和启闭设备正常工作是保证大坝安全的重要方面之一。板桥水库如果当时泄洪道闸门不锈死，能够开启腾空水库，也许情况就不同了。俄罗斯萨扬-舒申斯克水电站事故中，大坝坝身和输水通道本体未被损坏，仅2号机组破坏造成库水涌出。事故发生后，如果电站应急备用电源能立即启动，进水口事故门如果能在几分钟内关闭而不是67 min后才由人工关闭，事故后果可能就不会是灾难性的。金属结构的安全需保证泄洪工作闸门能正常运用，配备的启闭机数量满足泄洪调度的要求；事故闸门、快速闸门、通气孔布置及尺寸满足规范要求，能安全挡水和启闭。因此，金属结构分项包括总体布置、挡水安全、启闭安全3个评价要素。

3.7运行性态——评价要素：坝体裂缝、变形、渗流

大坝曾有因坝体温度或收缩裂缝、坝体内集中渗漏、管涌、渗漏增大引起扬压力过高、渗漏变形过大、齿墙截水不当、不均匀沉陷、初期拦蓄和突然泄放消落造成坝坡不稳定等大坝运行性态问题引起失事，因此，运行性态评价要素包括坝体裂缝、变形、渗流3个方面。这里“运行性态”分项主指坝体运行性态，其余建筑物的运行性态，在对应部分表述。

3.8边坡状况——评价要素：安全状况与危害性

水电站边坡按工程措施属性分有自然边坡和工程边坡两种，按与大坝位置关系分有枢纽工程边坡和库岸边坡两种。无论是自然边坡还是工程边坡，均有失稳对大坝安全有影响的实例，瓦依昂坝近坝左岸边坡失事造成库水突溢是最典型的案例，边坡的位置近坝直接关系到大坝安全。因此，大坝安全评价标准中涉及的边坡仅考虑枢纽工程边坡和近坝库岸边坡，评价要素除关注边坡自身的安全状况外，还要关注危害性。

4　结语

综合统计分析世界坝工史上的大坝失事原因，归纳筛选出设计安全标准、防洪能力、坝基状况、结构安全、运行性态、边坡状况6个方面的问题为曾导致大坝失事的主要技术因素。大坝安全评价标准针对这些导致大坝失事的主要技术因素设立评价分项。为保证可操作性，将结构安全细分为坝体结构、泄洪消能设施、金属结构3个分项，这样大坝安全等级综合评价分级表中，共有设计安全标准、防洪能力、坝基状况、大坝结构、运行性态、泄洪消能设施、金属结构、边坡8个具体分项，每个分项再设定评价要素，制定评级技术标准，形成完整的各类大坝安全等级综合评价分级表。

Title:Items and elements in assessment of operation safety of hydropower dams//by ZHANG Xiu-li// Large Dam Safety Supervision Center of National Energy Administration

To identify risks in the operation of hydropower dams and carry out countermeasures，the safety assessment is implemented.Based on the statistics of cause reasons for dam failures in history，the paper introduces the items and elements in assessment of operation safety of hydropower dams.

hydropower dam；operation safety；assessment；element

TV698.1

A

1671-1092（2015）01-0005-04

2015-01-20

张秀丽（1962-），女，江苏扬州人，教授级高级工程师，总工程师，研究方向为水电站设计与大坝安全管理。

作者邮箱：zhang_xl@ecidi.com