大坝安全保障体系分析理论与关键问题综述

曾 欣，王 龙

(水利部水利水电规划设计总院，北京 100120)

1 概述

我国作为筑坝数量最多的国家，目前大坝数目接近10万座[1]。大坝作为重要的水工建筑物，在工农业经济发展以及社会安全等方面具有基础性作用[2]。由于建国初期技术、标准等原因，在大坝建设施工、运行、管理等过程中不可避免地带来一些问题，随着水库大坝服役时间的推长，这些问题会导致工程系统逐渐出现影响大坝整体安全的隐患，而这些隐患是造成大坝局部破坏或者整体失稳的因素之一[3-4]。带病服役的大坝不仅降低了工程正常功效的发挥，并且影响着上下游国民经济的发展和人民社会的安全[5]。与此同时，随着西部水电基地的开发建设，突破现行规范适用范围的高坝大库越来越多，导致大坝设计理论不能满足当前的需求[6]。因此应结合大坝安全监控技术，开展原位观测和反馈分析[7]，确保水库大坝安全长效运行，推进水利工程系统化、信息化发展，充分发挥水利工程在新时期“绿水青山”国家发展战略的作用。为了保障大坝安全运行，适时地进行大坝安全监控体系理论的总结和探讨相关关键问题就显得尤为重要。

目前，我国在大坝建设工程中积累了大量经验，自主研发了特高坝筑坝技术，其水平处于世界领先位置，但由于系统安全理论的研究相较于国外还不够深入，需要进一步提高其安全管理水平以确保高坝大库的安全[8]。因此，应该跟踪国际先进管理体系及理论，以国内工程为研究对象，进行多学科的安全管理理论融合，提高水利系统的整体安全冗余，识辨管理过程中的关键热点难点问题，是大坝安全管理工作的主要内容。为此，本文首先总结了大坝安全保障分析理论和技术研究进展，进而讨论了目前存在的4个方面的关键问题。

2 大坝安全保障分析理论和技术研究进展

当前，国际发展水平较高的国家在水利行业的开发和管理已经处在较高水平[9]。在大坝安全保障分析理论方面，风险分析理论已经开发应用到实际工程；基于概率论的可靠度理论得到深入研究；大坝运行预警指标以及综合评价指标体系已经十分成熟；基于统计回归、模糊数学、神经网络等机器学习数学理论方法的大坝特性预测模型的研究相当充分，根据不同运行条件下的不同坝型提出相应的预测模型，其预测的精度和可靠度能够满足工程实际的需要。目前，基于大数据和深度学习的预测和安全评价模型是大坝安全分析理论研究新的热点。在大坝安全检测和监测方面，一些先进的传感技术被成功应用到坝工领域，如遥感技术、光纤光栅监测技术、智能压电陶瓷等[10]。与此同时，由于计算机技术的发展，在水利工程的结构分析方面，由经典力学向现代力学转变，特别是一些有限元分析软件可以较好地解决水工结构力学特性分析的难题以研究和诊断大坝的结构安全，如ADINA、Marc.、ANSYS、ABAQUS等。在监测数据分析和研判大坝运行的性态方面，大量的智能算法方法已经广泛地应用到其中[11-13]。在坝工除险加固方面，主要以新材料、新工艺为研究及应用热点，如高强度水泥、水下高分子裂隙修补材料、特快硬水泥等。由此可知，大坝安全监控和保障已经跨越包括水工结构工程、软件工程、传感仪器、力学、材料学等多学科，需要从业人员以多学科视角去理解和处理大坝的安全管理[14]。

目前，我国积累了大量水利工程的建设和管理经验，逐渐形成具有中国特色的大坝安全保障管理体系，而其中风险管理是安全管理的重点。由于之前坝工从设计、施工到管理中以单方面强调工程的安全性，忽视了工程的整体和局部存在的风险源，这与我国水利工程建设水平不符，限制了工程效益的发挥[15]。当前，水利工程行业已经开始由安全管理向风险管理转变，但考虑到不少老坝、小型坝的信息化水平不高，推广至全行业依然需要一定的时间，较之国际高水平的风险管理，国内坝工领域依然需要进一步提高水利工程风险管理的水平。具体来看，在大坝安全保障分析理论方面，基于国际研究成果，根据国内工程特点和需要，提出了结构安全评估方法和健康诊断标准，编撰制定了SL 25—2017《水库大坝安全评价导则》。发展完善了大坝安全评价体系，如定性安全评价方法、定量安全评价方法、概率风险评价法、伤害范围评价法和危险指数评价法。吴中如院士[16]等融合坝工理论、数学力学、人工智能和现代计算等理论和技术，集成实测资料及其正反分析成果、设计和施工资料和专家知识等，研发了由综合推理机、知识库、方法库、工程数据库和图库组成的大坝安全综合评价专家系统。该系统实现了对资料及专家知识进行全面科学的管理，对大坝安全进行全过程的实时分析评价，评价大坝的安全级别。在大坝安全技术发展研究层面，分别从坝工监测仪器、变形监测、结构性态分析、新技术开发应用、新材料和基于智能算法和深度学习的监控等4个方面进行讨论。在坝工监测仪器方面，依据不同的监测部位和监测对象，电阻式、弦式、电位式监测仪器已经广泛应用在内部大坝运行监控；在变形监测方面，采用垂线、引张线等方式进行监控；这些监测仪器和方式能够实现基本的监控目的，但依然存在维护难、不易更换等缺点。在结构性态分析方面，国内研究者基于传统有限元法亦开始学习优化了离散元、数值流形、无单元法等数理研究方法[17]；得益于计算机计算的发展，有限元计算向精细化、大型化发展。在新技术开发应用的角度，国外的光纤监测技术、智能骨料等新技术方法已经在国内进行了大量的验证，部分技术已经得到小范围的试用，距全面推广还需要一定的时间[18]。在新材料和基于智能算法和深度学习的监控方面，研究成果颇多，但核心算法的原创性不多，实际应用的转化程度不高[19]，多停留在理论探讨研究的层次。

综上所述，近年来我国坝工领域的安全保障的研究得到了较大的进步，无论工程的实际监测技术方法、管理体系和理念，还是新技术、新材料、新方法等方面都较之前取得了长足的进步。但在社会发展、技术进步、筑坝标准提高等方面，着眼于系统工程的安全管理发展不足，当前的管理模式已经和目前的坝工发展不相适用。国内在监测技术及仪器的开发方面，其监测精度较国外先进水平存在一定差距；在安全管理的理念和理论研究方面，引进消化居多，原创性不足。

3 急需解决的关键问题

由目前我国坝工领域的安全管理现状可知，安全保障管理需要由安全管理向风险管理转变，由单一目标向系统目标转变，进行大坝安全监控保障体系的深入研究。主要从以下4个方面论述坝工领域安全管理急需解决的关键问题。

3.1 大坝全生命周期病变机理与模拟

大坝在施工建设、运行服役过程中，特别是服役期后期，由于外部荷载的持续反复加载和卸载以及大坝材料的老化等多种因素叠加影响，导致大坝的结构性态及安全性有所降低，弱化大坝的健康状态及效益的发挥。为此需要继续深入研究以下3个方向的内容。

(1)大坝病变判别研究。开发大坝结构劣化的监测、检测的新技术、新方法，进一步提高对大坝结构损伤信息的获取[20]，依据信息技术加强对大坝服役状态的感知。

(2)大坝病变风险研究。根据风险理论，定性评价与定量评价相结合，综合诊断及评定大坝病变的风险等级，并进行风险识别、风险损失、风险决策等相关新的评价方法研究。

(3)坝体病变机理的理论及方法研究。运用现代力学理论及有限元方法模拟坝体病态的演化过程，探寻其劣化病变的数理规律以及外观变化所表征的效应理论。

3.2 大坝健康监测、诊断与病变预警

由于水电开发一般以梯级电站和水电基地的方式进行，大坝安全评价的指标由过去的单一化向坝群化转变。基于同一评价尺度，构建大坝安全评价及预警指标，实时评定大坝的结构性态，为坝群及单坝结构服役提供新的评价模型。

(1)大坝安全监测及检测设备的开发。依据积累的经验以及与仪器仪表学科联合研究，研制新一代监测、检测设备。特别是根据不同的检测、监测对象，加强仪器的系统化、体系化，建立大坝传感仪器的评价模型[21]。

(2)大坝在线安全评价和预警体系的研究。主要包括大坝灾变预警指标体系研究以及预警系统的开发和实时监控的目标实现。

(3)大坝安全诊断的理论及模型研究。基于监测数据，结合智能算法及深度学习等非线性数学模型拟合预测大坝的结构性态，进一步研究大坝安全评价理论体系，构建大坝安全评价模型和环境-大坝安全性态的反馈模型。

3.3 大坝除险加固及风险管理

由于20世纪50、60年代建设的大坝已经进入运行服役的中后期，不少工程已经出现影响大坝正常运行的工程问题，这些工程需要全面综合的安全诊断及除险加固，所以研究和开发除险加固的技术方法、加固材料就十分必要。此外，在除险加固比选方案的研究方面，需要构建更加经济合理的评价方法和指标。因此，应该着眼于风险管理理论进行大坝病态修复工作。

3.4 大坝安全管理与保障

在大坝安全管理与安全保障方面，基于风险管理的理论，重新构建大坝安全评价模型，以期提高旧有的安全管理模型的安全度，并进一步研究发挥大坝的工程效益评价细则和大坝退役准则。主要以大坝失事模式下的风险评价、基于风险管理的非工程和退役理论这3个方面为主。

(1)大坝失事方式、风险及后果评价研究。结合大坝长期监测数据和国内外大坝失事案例，构建大坝失事识别模式数据库，定量研究大坝不同服役期失事的风险概率和相应的损失及抢险救灾的处理方案以及预警、应急措施；结合可靠度等概率理论和现代力学，研究不同概率下的失事指标，建立一整套在线失事预警系统，并进行相关预案的研究。

(2)风险控制的非工程研究。在深入研究风险控制工程措施的基础上，需要进行相适应的非工程措施的研究，比如大坝管理单位走进库区，为周边群众安排知识讲座、散发宣传传单、录制相关讲解知识，政府部门组织相关的疏散演练方案的研究等。

(3)风险管理的退役理论。基于大坝效益的评估和社会经济发展的需要以及社会安全的考虑，综合研究大坝病化老化规律和退役机制。在宏观和微观两个层面，构建大坝退役的指标评价体系和准则，全面对标退役评价体系和准则，以研判大坝服役的性态。同时开展大坝退役后，其他功能的使用方案再评估，以达到二次利用的目的。

4 结论

(1)本文基于风险管理理论，综合阐述水库大坝的保障理论和相关关键技术的研究进展，这能够为研究者和大坝管理人员掌握当前的研究现状提供较为全面的视角。

(2)具体探讨当前急需解决的大坝全生命周期病变机理与模拟、大坝除险加固及风险管理、大坝除险加固及风险管理、大坝安全管理与保障4个问题，要求国内坝工从业人员以关键问题为出发点，通盘研究大坝的风险管理和决策理论，以提高水库大坝的服役效益。

(3)由于计算机技术的不断发展，加速各行业的深度融合，需要坝工领域加强多学科的合作，以推进水工行业管理的现代化、信息化、智能化发展。