PFMA 在混凝土面板堆石坝安全监测优化布置中的应用

冯龙海 ，王士军，谷艳昌，吴云星

(1. 南京水利科学研究院，江苏 南京 210029；2. 河海大学 水利水电学院，江苏 南京 210098)

监测是保证大坝安全的重要手段，以往的大坝安全监测设计侧重于与规范和设计值的比较，根据坝型和尺寸采用均匀布置的方式，并考虑最大坝高处、地质地形突变处[1]。随着大坝安全管理理念的转变，传统的监测方式已不能满足风险管理的需求[2]，基于潜在破坏模式分析（potential failure mode analysis，PFMA）的大坝安全监测技术[3]已开始研究与应用。文献[4]以尾矿坝为例研究了溃坝模式分析流程及监测方法；周志维等[5]采用故障模式、影响及危害分析方法对均质土坝监测系统进行了改进，并进行新老监测数据的对比分析，论证了改进后监测设计的合理性；彭雪辉等[6]以阿尔塔什面板堆石坝为例研究了潜在溃坝模式分析方法及分级标准。

混凝土面板堆石坝具有较高的安全性、经济性，在我国得到广泛应用和迅速发展。目前已建和在建的面板堆石坝有300 余座，坝高超过100 m 的有80 余座。我国正在规划建设一批200 m 甚至300 m 级的高面板堆石坝。随着混凝土面板堆石坝的大规模发展，深入研究其结构特点和病害特征，采取有效的监测措施保证其安全运行至关重要。PFMA 可运用于工程设计及运行阶段。本文在分析混凝土面板堆石坝结构特点及常见病害的基础上，运用潜在破坏模式分析方法分析工程在其运行阶段可能出现的破坏模式；并以某混凝土面板堆石坝为例，应用潜在破坏模式分析方法对其现有监测布置进行改进。

1 混凝土面板堆石坝结构特点

面板堆石坝坝体结构通常由上游铺盖、上游盖重、混凝土面板、垫层、过渡层、主堆石区、次堆石区、下游护坡等结构组成[7]，典型断面见图1，坝体主要组成结构及功能见表1。

图 1 混凝土面板堆石坝典型断面Fig. 1 Typical section of concrete face rockfill dam

2 混凝土面板堆石坝病害分析

混凝土面板堆石坝的筑坝材料为散粒体，受材料特性、碾压工艺、施工质量等影响，坝体具有易变形和变形时间长的特点。混凝土面板与堆石体物理力学性能的差异，导致面板与堆石体存在差异性沉降。变形不协调是导致面板堆石坝各种病害发生的主要原因。混凝土面板堆石坝的主要病害及破坏形式包括：面板压性破坏、面板开裂、面板塌陷、止水失效和地震震损。

表 1 混凝土面板堆石坝组成结构功能Tab. 1 Structures and functions of concrete face rockfill dam

2.1 面板压性破坏

面板垂直缝挤压破坏[8]是高面板堆石坝常见问题，如紫坪铺、天生桥一级[9]等面板堆石坝。筑坝材料在自重及地震、水压力等外荷载作用下，沿坝轴线方向由两岸向河谷中部或由高向低移动，形成坝体中部的强压性变形区和靠近两岸的弱压性变形区或张拉区。面板在堆石体的拖拽作用下，由两侧向河谷中部移动。坝体中部面板的相对移动和阻碍作用，使得面板产生压应变和压应力，一旦压应变或压应力超过混凝土材料的极限承载力，面板即发生压性破坏。垂直缝挤压破坏受筑坝材料特性和河谷形状的影响。

2.2 面板开裂

受筑坝材料变形、施工质量、温度等影响，混凝土面板容易产生结构性裂缝和非结构性裂缝[10]。结构性裂缝主要由筑坝材料在自重、水压力、浪压力、地震力等外力作用下，产生不均匀沉降导致；非结构性裂缝是指在非外力作用下产生的裂缝，包括面板混凝土干缩、温度应力、冻融等。影响坝体变形的因素包括筑坝材料压缩性、材料级配和分区、碾压质量、坝基处理质量等。

面板裂缝大多呈水平状，在岸坡较陡、水深较深时靠近两岸易出现平行岸坡方向裂缝。面板裂缝会由表面逐渐发展成贯穿性裂缝，降低面板防渗性能。当库水位升高时，库水侵入坝体侵蚀筑坝材料，加速面板开裂，严重威胁坝体稳定。

2.3 面板塌陷

面板是支撑在堆石料上的薄板结构，当面板失去支撑作用，在外力作用下便会发生塌陷。面板失去支撑作用的原因包括：①渗流作用使得垫层料流失；②垫层料填筑质量差，在水压力作用下发生不均匀变形；③坝体变形使面板与垫层料脱空；④地震作用使得面板和垫层料脱空等。面板塌陷将会产生众多贯穿性裂缝，加剧坝体渗透破坏，威胁坝体稳定性。

2.4 止水失效

止水结构是混凝土面板堆石坝防渗体系的重要组成部分，止水的破坏会导致坝体渗漏量急剧增大，引发坝体渗透破坏，甚至溃坝，如沟后水库[11]由于库水位超过防浪墙底板，防浪墙开裂和水平止水带破坏，导致库水侵蚀坝体，面板塌陷，最终导致溃坝事故。止水破坏原因包括止水结构本身质量问题、安装质量差、坝体变形过大、止水材料老化等。

2.5 地震破坏

地震作用下坝体将发生较大的沉降和水平位移，导致面板大面积脱空、施工缝错台、周边缝位移、垂直分缝挤压破坏、止水破坏等[12]。面板脱空的主要原因是地震导致大坝堆石体产生的永久变形，地震永久变形随着坝高的增大而增大，混凝土面板与筑坝材料变形不相协调导致面板与坝体之间发生脱空。堆石体的地震永久变形是导致混凝土面板及其接缝破损的主要原因。地震会导致坝体防渗结构发生不同程度破坏，渗漏量明显增加，渗漏水变浑浊。

3 基于PFMA 分析的混凝土面板堆石坝安全监测布置

3.1 PFMA 方法

潜在破坏模式分析是指在充分了解结构组成及功能的条件下，分析结构可能破坏的位置、形式、发展路径。潜在破坏模式分析步骤如下：

（1）系统定义与拆解。根据结构部位和功能将坝体拆解为基本组成单元。基本组成单元要细化到结构的每个部分，以便进行结构功能和影响分析。

（2）基本单元功能。坝体组成结构拆解后，需要确定每个基本单元的功能。单元功能及其相互关系的分析将有助于溃坝路径的识别。

（3）破坏模式分析。破坏模式通常由多种因素导致一个或多个基本结构破坏，进而影响本身及其他结构功能的发挥，由此造成一系列的破坏事件，最终导致溃坝事故的发生。破坏模式识别就是分析系统各组成部分功能损坏的顺序及其发展过程，通常包含起始→发展→破坏等3 个阶段。

3.2 基于破坏模式的混凝土面板堆石坝安全监测布置

安全监测的目的是对工程隐患进行早期识别，评估其破坏风险，及时预警并采取降低风险的措施。破坏模式分析结合其破坏过程中的可监测性分析，可为大坝安全监测项目及布置提供依据，使得监测仪器能够给予破坏模式早期信息及其发展过程。

基于破坏模式的安全监测改进主要内容包括资料收集、破坏模式分析、可监测参数分析、监测位置分析、现有监测系统分析评价、监测布置改进[13]。分析过程见图2。

图 2 监测系统改进流程Fig. 2 Improvement process of monitoring system

根据混凝土面板堆石坝的结构特点及常见病害分析结果，运用可能破坏模式分析方法总结混凝土面板堆石坝的可能破坏模式，并对各破坏模式的可监测项目和重点部位进行分析，结果见表2。

表 2 混凝土面板堆石坝可能破坏模式及监测分析Tab. 2 Possible failure modes and monitoring analysis of concrete face rockfill dam

坝体各基本单元的破坏模式都会引起坝体表面及内部变形；面板开裂及止水破坏会引起坝体渗压升高、渗流量变大，对于存在内部侵蚀破坏的破坏模式需监测渗漏水质。人工巡视检查是保证大坝安全的必备手段。根据溃坝模式进行巡视检查具有目的性强、效率高的特点。因此，无论溃坝模式如何，大坝需要进行日常人工巡视检查，设置坝体表面及内部变形，进行渗压、渗流量及渗流水质监测。

4 案例分析

某大型水利枢纽，主坝为混凝土面板堆石坝。坝顶高程275.70 m，最大坝高102.20 m，坝顶长约621.32 m，坝顶宽8.00 m，坝体用灰岩和部分工程开挖页岩料填筑。上游坝坡为1∶1.40，下游戗台间坝坡坡度1∶1.35，综合边坡坡度1∶1.50。上游混凝土面板厚0.30～0.59 m，下游依次为垫层区、过渡区、灰岩堆石区、次堆石区和下游灰岩堆石区。工程运行中发现坝顶混凝土存在裂缝、破损，面板存在众多裂缝、露筋及顶部止水局部脱开等质量缺陷。

监测资料分析结果表明：①大坝整体向左岸位移，左坝肩位移量大于右坝肩；②左坝肩高程200～220 m范围周边缝及面板变形较大；③上游两侧坝肩渗压水头高于库水位；④上游面板出现众多微裂缝。

破坏模式分析结果表明坝体可能破坏模式主要包括：①地震导致坝体沉降，坝体中部面板压性破坏，竖向分缝止水破坏，库水侵蚀坝体，面板开裂、塌陷，坝体渗透破坏；②面板上部与防浪墙连接的分缝止水破坏，洪水侵蚀坝体，渗透破坏，面板断裂，坝体失稳；③一期、二期面板施工缝（高程200 m）开裂，面板塌陷，坝体渗透破坏；④二期、三期面板施工缝（高程234 m）开裂，面板塌陷，坝体渗透破坏；⑤左坝肩高程200～220 m范围周边缝破坏，垫层料流失，面板塌陷，坝体渗透破坏；⑥左岸灌浆帷幕及固结灌浆失效，形成渗漏通道，侵入坝体，坝体细颗粒流失，坝体失稳破坏；⑦三期面板开裂、坝体渗透破坏。

针对破坏模式分析结果，提出大坝监测改进措施：①桩号0+310.00 m 断面垂直分缝增设单向测缝计；②在面板顶缝位置布置5 只单向测缝计，监测顶缝开合情况；在单向测缝计相应位置面板下方布置大量程位移计，监测面板脱空情况；③在高程200 m、234 m 处分别增设6 只单向测缝计，监测水平施工缝的开合情况；④在左坝肩周高程200～220 m 周边缝附近面板布置电平仪，监测面板挠度变化；⑤0+000.00～0+106.50 m范围（左坝肩）内，坝上0+060.00 m、坝上0+006.00 m、坝下0+005.0 m 布置3 个表面变形测点，监测左坝肩变形；⑥在下游侧增设左右岸渗流量监测点，并对渗流水质进行监测；⑦在面板裂缝处布置单向测缝计，监测裂缝开合发展情况。

5 结 语

本文根据混凝土面板堆石坝的结构特点及病害类型分析，应用潜在破坏模式分析方法研究提出了混凝土面板堆石坝的潜在可能破坏模式及各破坏模式的可监测项目和重点部位，并提出了基于潜在破坏模式分析的安全监测改进方法，在某混凝土面板堆石坝上进行了应用，对其现有监测设施提出了改进方案，提升了监测效果。

研究表明潜在破坏模式分析能够发现经常被忽视或不易察觉的安全隐患，做到防患于未然。针对可能破坏模式选择监测项目和布置测点，可以有效监控破坏模式的发生和发展进程，提供预警信息，提高大坝安全管理效率和风险管控能力。