基于风险的大坝安全监测理念及应用

王士军 ，谷艳昌 ，吴云星 ，庞 琼

（1.南京水利科学研究院，210029，南京；2.水利部大坝安全管理中心，210029，南京）

安全监测是保障大坝安全运行不可替代的重要手段。目前我国大坝安全监测主要依据相关规范和手册，如水利行业的《土石坝安全监测技术规范》（SL 551—2012）、《混凝土坝安全监测技术规范》（SL 601—2013）和《水利水电工程安全监测设计规范》（SL 725—2016）等，能源行业的《土石坝安全监测技术规范》（DL/T 5259—2010）、《混凝土土坝安全监测技术规范》（DL/T 5178—2016）以及《水工设计手册（第2版）第11卷：水工安全监测》等。这些规范和手册的规定是基于传统工程安全管理的理念，依据建筑物级别确定监测项目，依据坝型、结构和坝基地质条件确定测点布设，依据工程运行阶段确定观测频次等。

我国80%以上大坝服役时间超过50年，伴随全球气候变化及库区与下游经济社会快速发展，水库大坝的风险剧增，政府及公众对大坝安全关注日益增强，风险理念已引入大坝安全管理领域，大坝安全管理已向风险管理转变。传统的大坝安全监测已不适应风险管理需求，如安全监测项目及测点布设未考虑工程风险等级和可能破坏模式、观测频次未考虑工程风险等级等，建立基于风险的大坝安全监测是必然趋势。为此，本文就基于风险管理的大坝安全监测理念开展探讨。

一、大坝风险及破坏模式

1.大坝风险及等级

风险管理是改进大坝安全管理的一种手段，是通过用于管理、控制风险的一系列政策和程序，对大坝风险进行识别、评估、处理和监控的系统管理过程。根据国际大坝委员会的定义，大坝风险是指对生命、健康、财产和环境负面影响的可能性和严重性的度量，是不利事件可能性和危害后果的乘积。由于各国的经济社会条件和大坝及其下游影响不同，各国大坝风险等级划分标准各不相同。我国根据水库大坝工程安全等级和水库大坝溃决后果等级将水库大坝风险分为极高风险、高风险、中风险和低风险，分别用Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级、Ⅳ级表示。

2.大坝破坏模式分析

大坝破坏模式分析是风险管理的基础。根据溃坝及事故案例统计分析，不同类型的大坝可能破坏模式不同。国际大坝委员会（ICOLD）对国际上近200座溃坝统计表明：溃坝坝型中，土石坝占80%，溃坝原因包括漫顶、渗透破坏、基础抗剪强度不足、溢洪道泄洪能力不够、运行不当、库岸滑坡等。根据美国自19世纪统计的近200次溃坝资料显示，溃坝原因主要包括漫顶、强降雨、洪水、飓风、管涌、滑坡等。我国自有记录以来大坝溃决3500余座，绝大部分是小型土石坝，由于洪水漫顶导致溃坝所占比例为51%，渗漏而溃坝的占38%。地震对水库大坝造成的损坏主要有裂缝、滑坡、渗漏以及沉陷等，洪水可能导致漫顶和非正常泄洪，导致下游坝趾冲刷、结构破坏以及影响大坝安全。

土石坝可能破坏模式主要为漫顶、渗透破坏、坝坡失稳、泄洪设施损坏等，主要是超标准洪水、强暴雨、地震等外荷载以及坝体薄弱部位及坝基细砂层抗震能力不足所致。近年发生险情和垮坝的增隆昌水库、曲亭水库、中坝水库、英德尔水库、岗岗水库、小海子水库等的大坝均为土石坝，垮坝主要原因为超标准洪水引起的洪水漫顶、渗透破坏与变形，其中土坝的薄弱环节处置不良引发渗透破坏、导致大坝溃决是土石坝溃决的新趋势，这些薄弱环节包括新老坝体接触面、溢洪道与坝体接触处、涵洞（管）与坝体接触处、坝体新老接合面等。

混凝土坝的破坏主要表现为结构失稳、坝体开裂或渗水、泄洪设施损坏和漫顶等，主要是由超标准洪水、强暴雨、地震等外荷载以及坝体内部应力、温度、扬压力异常和不良的地质条件所致。如法国Malpasset坝溃决是坝基扬压力增加和岩基开裂、转动、压碎导致岩体剪切破坏，法国Bouzey重力坝失事是左坝肩地基中过大的水压力使坝基岩块沿断层滑动而溃坝，美国St.Francis混凝土重力坝是由坝基地质条件缺陷导致溃决。

二、基于风险的大坝安全监测理念

1.监测原则

基于风险的大坝安全监测目的是破坏模式识别、风险评估、隐患早期预警和采取对策降低风险。安全监测应针对工程的可能破坏模式及风险等级进行，安全监测项目与测点布设的重点关注破坏模式识别和潜在隐患的分析，每一监测仪器能给予破坏模式早期的信息及发展异常状况，是识别破坏模式的要素；监测不仅考虑常规运行工况下工程可能破坏模式，同时考虑超标准洪水、地震和恶劣环境等极端荷载运行条件下的运行工况。现场检查应重点关注可能破坏模式部位，现场检查结果应为破坏模式分析提供支撑。

安全监测仪器设备应可靠、耐久、实用、牢固，技术性能指标不仅满足常规运行条件下的监测，关键监测点的仪器在极端荷载甚至失事条件下仍能工作。仪器安装应尽量减少对工程安全的影响，避免监测设施埋设产生新的破坏模式，如大坝下游及出口、心墙内埋设仪器及电缆不当的敷设可能产生新的破坏模式，监测仪器应及时安装、埋设、保护和观测；不再需要监测或损坏的测点应废弃，避免错误的数值导致错误的结论，不满足需求的监测设施应进行改造。

观测频次应根据可能破坏模式和风险等级确定，相关监测项目应同步监测，发现测值异常时立即复测。监测频次根据风险等级和破坏发展的速度确定。高风险大坝安全监测力求实现自动化，以便在恶劣环境条件下能高频次测量，并能自动触发报警。

大坝服役全生命周期中不同阶段的风险等级不同，监测需求不同，及时利用所掌握的监测资料等对大坝可能破坏模式和风险进行识别、分析与评估，拟定预警指标，以便及早发现预警，才能有效控制大坝风险。预警指标拟定可分级，包括期望值、警戒值和警报值，根据工程运行和风险变化动态调整预警指标。

2.监测项目与布设

现行的大坝安全监测技术规范规定，监测项目选择按监测类别和建筑物级别确定必设项目和可选项目，如SL 551—2012规定：1级和2级建筑物坝体内部变形是必设项目，3级建筑物坝体内部变形监测是可选项目。

基于风险的监测项目选择是依据工程的可能破坏模式分析及风险等级确定，监测项目及布设能监测每种破坏模式形成及发展的全过程，一个监测项目可能为多种破坏模式提供信息，应综合考虑。根据每种破坏模式的特点，提出土石坝漫顶、渗透破坏、结构失稳、坝肩失稳和泄洪设施损坏等常见破坏模式的监测项目分类及选择，见表1。

传统监测测点布设位置和数量，主要根据建筑物的结构形式、地形地质条件决定，以掌握大坝安全运行性态为主。 如SL 551—2012中4.2.2（2）规定：监测横断面应选在最大坝高或原河床处、合龙段、地形突变处、地质条件复杂处以及坝内埋管或可能异常处，一般不少于 3 个；4.2.2（4）规定：坝体表面变形监测横断面间距，当坝轴线长度小于300 m时，宜取20～50 m；坝轴线长度大于300m时，宜取50～100 m。工程实践中，由于缺少基于破坏模式的监测理念，片面理解4.2.2（4）规定，一些大坝表面变形监测断面按等间距布设，未考虑 4.2.2（2）条规定，导致大坝可能破坏部位未被监测。

基于风险安全监测的测点布置，是在可能破坏模式分析基础上，在大坝可能破坏的部位有针对性地布置或加密布设，以监控大坝可能风险为主。如某一心墙坝，坝基为砂卵石层，因大坝存在坝基渗漏问题，曾采用混凝土防渗墙加固，并在6个横断面防渗墙前后安装了渗流压力监测设施。监测资料分析表明，其中有2个断面防渗墙前后测点位势差仅2%，其他断面防渗墙前后测点位势差均超过20%，综合大坝地质条件及施工质量分析，这2个部位坝基防渗不明显，存在渗透破坏可能，为此拟增设渗流监测设施，加强现场检查和渗流压力、渗流量及水质观测。

3.观测

现行大坝安全监测技术规范规定观测频次是按监测项目、施工期、初蓄期、运行期等不同工程运行阶段确定的，如SL 551—2012规定的土石坝坝体表面变形施工期观测频次4～1次/月，初蓄期观测频次10～1次/月，运行期观测频次6～2次/年。

表1 基于风险的大坝安全监测项目分类及选择表

基于风险的大坝安全监测设施观测频次应结合工程的风险确定，工程风险等级不同监测频次也不同，一般风险越大观测频次应越大，此外同一破坏模式下的监测项目应同时观测。基于风险的大坝安全监测设施观测频次可参照图1进行。考虑与现行相关标准体系的延续性，低风险的大坝观测频次参考现行规范下限，中风险的大坝观测频次按现行规范上限，高风险的大坝每天观测，极高风险的大坝应实时观测。基于上述理念，高风险及极高风险的大坝宜建立大坝安全监测自动化系统，以实现实时观测和应急观测要求。

图1 水库大坝风险监测频次

4.资料分析与预警

监测资料是反映大坝运行性态的重要信息，通过分析监测资料变化趋势，识别大坝运行性态是否发生变异及可能的破坏模式，是风险分析的基础工作。监测资料分析包括监测资料的可靠性分析、监测量的时空分析、特征值分析、异常值分析、数学模型分析，监测资料分析应结合工程风险分析关注的项目及部位，资料分析成果按工程风险等级在规定时间内提出，对于中、低风险的大坝，可按现行规范定期进行整编分析，对于高风险或极高风险的大坝，应及时或实时提供分析成果。

预警是风险管理的关键，应结合工程结构特点、运行表现、巡视检查资料，参考类似工程经验，对可能破坏部位或重要部位的监测项目和关键测点提出分级监控指标，包括超过预期值的警示值、超过允许值警戒值和需采取行动的报警值等。预警指标及阈值是与破坏模式关联的，不同破坏模式可能有不同的指标（链），预警阈值是动态的，应适时调整。监测成果分析发现异常时，需采取包括重复测量、传感器检测、增加监测、安全分析、现场调查和应急处置等行动。

三、结 语

随着大坝管理向风险管理转变，传统的大坝安全监测已不适应风险管理需求，建立基于风险的大坝安全监测是必然趋势。基于风险的大坝安全监测目的是破坏模式识别、风险评估、隐患及早预警和采取对策降低风险。

大坝破坏模式与大坝坝型、结构、地质条件、运行条件等因素相关。总体来讲，土石坝可能破坏模式主要为漫顶、渗透破坏、坝坡失稳、泄洪设施损坏等，主要是超标准洪水、强暴雨、地震等外荷载和坝体薄弱部位及坝基细砂层抗震能力不足所致。混凝土坝的破坏主要是结构失稳、坝体开裂渗水、泄洪设施损坏和漫顶等，破坏主要是超标准洪水、强暴雨、地震等外荷载以及坝体内部应力、温度、扬压力异常和不良的地质条件所致。

大坝安全监测项目及布设应根据工程的风险等级和可能破坏模式确定，不仅考虑常规运行工况，同时考虑超标准洪水、地震和恶劣环境等极端荷载条件。针对大坝不同可能破坏模式，提出相应的不同风险等级下监测项目，在大坝可能破坏的部位有针对性地布置或加密布设，为保证监测数据可靠和联系，监测设施可考虑冗余。

大坝服役全生命周期中不同阶段的风险等级不同，监测需求不同，依据工程风险确定频次进行观测，及时利用监测资料等对大坝的风险进行识别和可能的破坏模式进行分析与评估是重要的，不满足需求的监测设施应进行改造。对于高风险或极高风险的大坝，宜建立具有信息在线分析功能的大坝安全监测自动化系统，以及时或实时提供分析成果。

预警是风险管理的关键,每座大坝应结合工程特点及运行表现，对重要部位的监测项目和关键测点提出分级监控指标，预警指标应适时调整。