水库大坝安全评价技术现状与发展

水库大坝安全评价技术现状与发展

袁坤傅蜀燕欧正峰王之博

摘要:随着水资源开发与利用的发展，以及极端气候的变化，大坝安全性问题日益突显，大坝安全性评价技术就显得尤为重要。主要从国内外水库大坝安全监测和风险分析的研究现状，分析水库大坝安全评价存在的问题，及对未来水库大坝安全评价发展指定方向。

关键词:大坝;安全评价;安全监测;风险分析

中图分类号: TV64 文献标识码: A 文章编号: 1001-9235( 2013) 06-0063-05

中国水库大多建于20 世纪50—70 年代，由于当时的经济社会条件制约，普遍存在工程质量问题，加上长期维修管理不够，其中约50%左右水库为病险水库。病险水库不仅不能正常发挥效益，而且存在较高的溃坝风险，严重威胁人们安全与社会的可持续发展。因此，要定期对水库大坝进行安全评价，了解大坝安全状况，以便有针对性地采取措施，对确保大坝安全和公共安全具有十分重要的意义。水库大坝安全评价就是利用系统工程原理和方法，对拟建或已有水库大坝工程及系统可能存在的危险性及其可能产生的后果进行综合评价和预测，并根据可能导致的事故风险的大小，提出相应的安全对策措施，以达到工程及系统安全的过程。主要从大坝安全监测和风险分析两个测度来分析大坝的安全评价。

1 水库大坝安全评价技术发展现状

1．1 国外水库大坝安全评价技术的发展

早在19 世纪末期，人们就开始关注大坝安全，由于当时科学技术不发达，人们只对大坝进行感性的分析。到20 世纪初—中期，随着水利行业的发展，大坝的工程技术得到较快的发展，大坝数量迅速增加，失事事故也逐渐增多，大坝的安全性引起国际大坝委员会的高度重视。1948 年第3 届国际大坝会议安排了防止管涌的最新措施会议，以提高对大坝的安全性认识; 1951 年第4 届大会提出了从大坝和库岸角度看大坝安全性的议题; 1970 年第10 届大会安排了大坝和建筑物监测的议题; 1979 年第13 届大会提出了大坝老化和失事的议题; 1982年第14 届大会安排了运行中大坝安全的议题; 2002 年第70 届年会提出了大坝安全与风险评价的议题;2003 年第71 届年会安排了水库大坝抗震安全评价影响研究的议题; 2005 年国际大坝委员会第73 届年会安排了大坝工程的不确定性评估的议题; 2006 年国际大坝委员会第22 届大坝会议提出了土坝和堆石坝的大坝安全、洪水和干旱的评估及管理等议题; 2012 年国际大坝委员会第80 届年会成立了大坝安全、大坝监测等专委会。同时世界各国也以此为契机，着重研究水库大坝的安全评价，并从风险分析和大坝安全监测两个方面来对大坝进行安全性评价。

a) 监测技术的发展现状。国外大坝安全监控资料分析工作起步较早，在20 世纪50 年代以前，人们主要通过感观认识来观测大坝表面，并对变形观测值作定性分析。1955年，意大利的Faneli 和葡萄牙的Ｒocha 等首次应用统计回归方法定量分析了大坝的变形观测资料。Ｒocha 等人采用大坝横断面各层平均温度和温度梯度作为温度因子，并以函数式来表示水位因子，使模型表达式进一步完善。1963 年中村庆一等采用回归分析法分析大坝实

测资料，并筛选出显著因子，以建立最优的回归方程。1980 年Bonaldi 等提出了混凝土大坝变形的确定性模型和混合模型，将运用有限元理论计算值与实测数据有机地结合起来。1985 年Ouedes 应用多元线性回归( 高斯－马尔柯夫概率函数模型) 来拟合原因量与效应量的关系，这种方法能分离各个分量，并且能确定原因量和效应量的最佳经验公式。1996 年Lue E．chouinard 等采用主成份回归分析了dukki 拱坝的监测资料，这种回归分析方法能分离各个分量，并且能确定原因量和效应量的最佳经验公式［5］。其他许多学者在大坝安全监控数学模型上也做了一些研究，为回归方法的的完善作出了贡献。学者在资料分析中提出采用MDV 方法对大坝进行监控，即: 从测值序列中将水压分量和温度分量分离出来，分析时效和残差的变化规律来评判大坝的安全状况。目前，葡萄牙、法国、意大利、西班牙和奥地利等国家在大坝安全监测以及相关的各项研究方面不同程度地处于国际领先水平。到21 世纪初，国际大坝委员会第118 号公报《大坝自动化监测系统———导则和实例》中，总结了自动化监测资料分析方面的经验，可以看出人工智能技术是目前的发展趋势。

b) 风险分析技术的发展现状。风险分析是近几十年来逐步发展起来的一门综合性边缘科学。其最早起源于美国，应用在工业、军事等方面。1974 年美国发表的商用核电站风险评价报告［8］，引起了全世界极大关注，标志着风险分析技术推广应用的开始，从此风险分析技术在各个领域的研究逐渐开展起来。对水利工程的风险分析最早也起源于美国。早在20 世纪70 年代，美国土木工程师协会( ASCE) 在评估已建大坝溢洪道泄洪能力时，就应用了风险分析方法来分析溢洪道的大小规模［9］。随着一些重要研究成果的发表，以及美国等一些国家若干大坝失事造成灾难性后果的披露，美国工程界逐渐重视了对大坝的安全评估。1978 年美国总统卡特在对全美水利资源委员会的工作中，指出了系统风险分析在水利工程中应用的必要性及重要性。1988 年ASCE 发表的“大坝水文安全评估程序”报告也将风险分析作为主要评估方法。20 世纪80 年代，美国学者Ｒichard B．Waite、DavidS．Bowels 等运用风险评价方法为美国西部几个大坝业主进行了大坝风险评价［10］。20 世纪90 年代初，BC Hydro 和澳大利亚大坝委员会根据在其他领域积累的实践经验，制定了暂行的生命损失可接受风险标准。当前大坝风险分析技术在国外发展迅速，尤其是美国、加拿大、澳大利亚及西欧等。1994 年澳大利亚大坝委员会颁布的《风险评估指南》，后又进行修订; 于1998 年制定了《大坝地震设计指南》和《大坝环境管理指南》; 1999 年制定了《大坝可接受防洪能力选择指南》; 2000 年5 月制定了《大坝溃决后果评价指南》; 2002 年2 月制定了昆士兰州政府自然资源和矿产部《大坝溃决影响评价指南》和《昆士兰州大坝安全管理指南》等。在风险标准方面，加拿大BC Hydro 制定了一个临时的风险标准［3］。风险分析技术上，美国国家气象局( NWS) 开发了一系列的溃坝模型，有DAMBＲK 模型、BＲEACH 模型以及FLDWAV 模型，为溃坝洪水计算提供了强大的计算支持。芬兰环境研究院和芬兰农林部、内务部及西部地区环境中心于1999 年06月01日至2001年03 月31 日联合开发的ＲESCDAM 计划中提出了一套风险分析方法，应用数字地形模型( DTM) 对溃坝洪水进行一维和二维模拟，研究了流动水流中人群的稳定性和机动性、房屋的性能及森林和房屋的糙率。应用方面，从单坝风险评估、群坝风险评估［18］到对大坝安全隐患除险加固的排序［11］，都得到了实际应用。此后，欧洲有国家成立了专门从事水利工程可靠性和风险分析的工作小组，提出了风险分析的研究框架和系统的理论、方法及评价指标等。近年来，加拿大、澳大利亚等国在大坝安全评估和决策方面，开展了诸多研究工作，提出了一系列大坝安全分析的理论和方法，建议采用概率的允许风险作为大坝安全的标准; 荷兰等国在防洪风险分析和堤防设计标准方面，也进行了诸多研究工作，取得了不错的进展; 国际上普遍认同将洪水风险图的绘制作为洪灾风险评估的重点工作，并开展了相关研究工作。2000 年在北京召开的第20 届国际大坝会议上，第76 议题“风险分析在大坝安全决策和管理中的应用”主要讨论了风险和灾害

定义，风险估计方法、评估技术及风险管理和应急预案等，标志着风险分析已发展成为体系完整的决策工具。2005 年国际大坝委员会发布了130 号公报《大坝安全管理中的风险评估》，公报主要介绍了风险评估的原理和术语，简述了风险评估在大坝安全决策中的应用，标志着风险概念已被世界水利界所接受。2010 年国际大坝委员会发布了最新的关于大坝安全管理的公报草案，系统地介绍了大坝安全管理的方针目标、计划、实施、性能监控和评价以及审核校核等的方法步骤，并对以往发布的公告进行对比分析。

c) 存在的问题。综合分析国外的水库大坝安全评价技术中的监测与风险分析技术的发展现状，存在的主要问题有: ①随着区域经济的发展及对水资源管理的需求，人类社会与水库大坝越来越靠近，人们在享受水库大坝带来的经济效益的同时，也承担着潜在大坝失事所带来的巨大风险，使得传统的以大坝工程安全为主的评价标准已不再适用。②水库大坝与周围自然环境和社会环境组成了一个相互影响相互制约的复杂灾变系统，大坝作为该系统的中心，既是承灾体，又是孕灾环境，必须将其放入到整个复杂灾变系统中研究其安全性，建立起基于风险理念的大坝安全评估体系。③风险识别作为大坝风险分析的第一环节，能否识别出所有潜在的失效模式及路径，正确合理地约简失事模式及路径集，挖掘出大坝的主要失事模式及路径，直接影响到风险分析结果的正误和分析过程的易繁。④由于大坝安全监测的测点比较分散，且仪器种类较多，要实现对建筑物各测点的全面控制，需要一种低成本、可互操作的测控系统。⑤国外对大坝安全监测技术重点是研究监测仪器、设备的更新等，不注重对大坝安全理论专业知识的培养，特别是将监测技术、控制、数据分析管理、安全分析评价、快速预报预警和野外设备仪器综合防护等为一体的系统化研究成果尚不成熟。

1．2 国内对大坝安全评价技术的发展

我国目前是世界上水库大坝最多的国家，大、中型大坝约占4%左右，15 m以上的大坝约占20%，大部分大坝修建于20 世纪50—70 年代，随着大坝建设的快速增多，大坝的安全性问题越来越突出，引起了我国政府的高度重视，大坝的安全评价技术也得到了迅速发展。

a) 监测技术的发展现状。早在20 世纪50 年代，我国就开始对大坝进行观测来分析大坝安全; 如对官厅水库、南湾水库进行水平位移、沉降等指标进行观测，对丰满水库进行温度及应力应变指标的观测［12］; 20 世纪50 年代末期，对三门峡等大型混凝土大坝系统地开展了较大规模的内、外部观测［13］。1974 年，陈久宇等学者开始应用统计回归方法来分析大坝安全监测资料，并提出了许多对大坝安全分析有价值的模型。到20 世纪80 年代后期，我国观测技术总体水平有了很大提高，实现了自动化遥感观测。如我国从1987 年开始连续3 年开展了大坝安全评价中防汛遥感观测技术研究，1987 在永定河下游进行的防汛遥感实验中，首次在我国实现了机载真实孔径侧视雷达图像的实时传输。我国在“六五”至“八五”期间，国家通过“遥感技术应用研究”科技攻关项目在建立中国洪水灾害监测信息系统方面取得了丰硕的成果［14］。20 世纪80 年代中期，吴中如等从徐变理论出发，推导了坝体顶部时效位移的表达式，用周期函数模拟温度、水压等周期荷载，并用非线性二乘法进行参数估计; 同期还提出了裂缝开合度统计模型的建立和分析方法、坝顶水平位移的时间序列分析法以及连拱坝位移确定性模型的原理和方法，分析重力坝、拱坝的水平位移，并在实际工程中得到了成功应用［15］。20 世纪90 年代后到大坝安全监测技术发展较快，许多水库和水电站都完成了自动化监测系统的安装和改造，并研究出很多安全评价方法。1994 年，河海大学李珍照、尉维斌等在《大坝安全模糊综合评价决策方法的研究》中，提到利用模糊数学方法自下而上的确定大坝实测性态评价体系中各元素的权重［16］; 1997 年，河海大学王

绍泉在《多层次阀值模糊综合评判在分析大坝安全中的应用》一文中，以模糊数学理论为依据，在考虑各专家的权威性权和专业熟悉性权的基础上，研究了大坝安全分析的多层次阀值模糊综合评判模型［17］。2005 年河海大学杨云在其博士论文《大坝安全管理关键技术研究》，刘成栋在其硕士论文《大坝安全评价的多因素赋权分析方法及其应用研究》中提出了大坝安全评价体系，重点研究了评价指标的专家权重和信息权重［18-19］。2006年，广东水科院廖文来，何金平在其发表的文章《基于集对分析的大坝安全综合评价方法研究》中建立了大坝安全集对分析评价模型［20］。2007 年，南京水科院何勇军发表的《模糊测度理论在大坝安全智能决策支持系统中的应用》中，提出了安全评价集对的表示方法［21］。2008 年，河海大学刘强、沈振中等在《基于灰色模糊理论中的多层次大坝安全综合评价》中建立了基于灰色模糊理论的多层次大坝安全综合评价模型，取得了较好的效果［22］，促进了水库大坝安全评价技术的发展。

b) 风险分析技术的发展现况。在20 世纪末期，风险分析才开始运用到国内大坝安全评价中。风险分析是对大坝失事概率的分析和大坝失事所造成的损失的一种新的评价方法，国内的一些学者进行深入研究，得出了大量水库大坝安全评价的风险分析方法。如水库大坝总体安全度评价方法，根据大坝总体安全度，参考水库大坝安全度评判标准，得出水库大坝安全的程度。单一风险分析法，主要考虑大坝系统的不确定性，以数理统计法为主，应用最广，已经从直接积分法、蒙特卡罗法( MC) 等发展到均值一次二阶矩法( MFOSM) 、改进一次二阶矩法( AFOSM) 、JC 法、二次二阶矩法等［23］。综合风险分析法，通过两次映射，把无序空间上的点映射到有序空间上，从而实现风险的比较优化。通过指标体系的量纲一体化实现将一个由m 个无序的、单位不统一的指标构成的m 维空间A 上的点映射到一个由无计量单位的m 个指标构成的m 维空间B 上的点，而后通过各种综合分析方法，将各项指标值转化为一个综合指标值，实现在一个一维有序空间中的比较分析。综合分析法包括层次分析法、模糊综合分析法、灰色综合分析法、最大熵原理等。人工神经网络法［24］，通过对多因素风险进行模拟记忆然后分析未来类似的风险。国内正积极运用风险分析技术评价水库大坝安全的问题，建立基于风险的大坝安全评价体系。

c) 存在的问题。近年来，我国在水库大坝安全评价技术方面取得了很大进步，但是也存在着一些问题: ①相关技术规范体系还尚未形成，我国已经颁布的《水库大坝安全评价导则》中阐述了对水库大坝的防洪标准复核、渗流安全评价、抗震安全复核、结构安全评价和金属结构安全评价的内容、方法和标准，但没有针对如何根据大坝坝体安全监测进行在线综合评价进行详细的指导说明。大坝坝体安全评价和快速预警方面，我国也没有统一的技术标准。②大坝安全监测系统在已建大坝的实施难度大，主要问题集中在坝体内部仪器的数据校正和控制方面难以达到国家的规范标准。③系统运行保障技术不成熟，导致多数监测系统运行在几年后就不能工作。④大坝管理单位普遍存在着规章制度不全、水工监测队伍整体素质偏低或专业人员结构布局不合理等问题，存在“重机电，轻水工”的现象，造成水工队伍不稳定，人员流动大，对监测设施的巡查与维护不到位，对仪器设备缺乏定期检校，致使大坝安全监测工作不能正常开展。⑤水库大坝观测资料分析问题及评价深度只停留在短期的定性分析，缺乏系统性与综合性，使观测成果不能完整、客观地反映大坝安全状况。⑥水库大坝安全现状判断的基础资料极端缺乏、水库大坝隐患严重程度认定难度大、风险程度排序不清和基层技术力量的薄弱等给大坝安全评价技术风险分析带来了很多困难。

2 水库大坝安全评价技术的发展

根据国内外对水库大坝安全评价的研究现状及存在的问题，大坝管理单位及大坝安全技术研究者应紧紧围绕水库大坝安全评价技术中监测系统和风险分析的关键技术问题，全面开展课题研究和实践操作工作，将研究出的新设备更好的运用到实践中去; 在水库大坝安全评价项目建设中不断积累经验，及时解决实际应用中存在的问题; 完善研究成果，进一步推动技术成果的创新，创造出一套先进实用的水库大坝安全评价技术系统; 积极实践系统运行效率保障，设备防护、系统综合布线、在线分析与安全评价、快速预警等一系列相对成熟的关键技术成果; 才能推动水库大坝安全评价技术的进一步发展。

根据国内外对水库大坝安全评价的研究现状及存在的问题，水库大坝安全评价技术的发展可归纳如下几点:

a) 大坝安全监测仪器，通常工作在高低温、高湿度等环境中，监测仪器的长期稳定性、可靠性是考核大坝监仪器的最重要的指标，各类仪器均应进一步探索和改进仪器抗恶劣环境的能力、增强长期稳定性和可靠性的发展。目前，大坝安全监测自动化正朝着网络化、智能化方向发展，各种智能仪器将会在大坝安全监测中广泛应用。因此，智能变送器、智能传感器、以及个人数字助理等数字设备的研究开发，也是未来大坝安全监测发展的方向。

b) 大坝安全评价数据采集系统发展。由于国内外有关厂家对建筑物各测点的全面控制且低成本、可互操作的监测系统产品的研发还不够理想，因此对目前各种大坝监测数据采集系统的开放性、可兼容性、可靠性及现场设备监测网络适应多种通信介质的广泛易组合性、可远程监控等性能进行改进，是未来的一个重要的发展方向。

c) 群坝安全信息系统集成的发展。目前，国内外大多水库都没有统一的管理，我们应以公司管理为中心，各坝区为分中心，实行统一管理、远程操控、监测数据采集、分析评价和网络报送等由中心负责，各分中心只需保证系统的现场硬件设备正常运行即可，这就大大减少了管理人员，且提高了工作效率，也是大坝安全评价发展的一个重要的方向。

d) 大坝采用视频图像监控综合自动化系统监测的发展。由于现在大多数大坝都是人工监测，监测数据不精确、工作效率低，所以利用视频图像作为大坝安全监测的辅助手段来更好地了解和检查大坝的工作状态和运行情况，并建立同时存在多个自动化系统，同时监测大坝各个方面，对工程自动化系统的综合管理，也是大坝安全监测一种发展方向和趋势。

e) 大坝风险标准对大坝安全评价的发展。国外一些发达国家早就在研究风险标准，基本都已建立了本国的生命风险和经济风险标准，但对环境风险、社会风险仍未研究制定相应的定量评价标准。由于社会经济发展水平、传统文化背景、社会价值观、管理体制、保险制度等方面的差异，不同国家、不同地区以及不同大坝业主对风险标准的认识及相应制定的生命风险和经济风险标准也不尽相同。我国对大坝安全风险标准的研究还几乎处于空白，尚未形成一套完整的体系，所以大坝风险标准的研究也是大坝安全评级技术发展的趋势。

f) 基于风险的大坝安全评价体系发展。传统大坝安全评价方法着重于工程自身的安全，未考虑非工程措施对大坝安全的作用。引入风险概念后，由于采用风险作为大坝安全的衡量标准，工程安全评价需同时关注下游公共安全，即同时要考虑工程安全与大坝溃决、下游损失之间的关系。因此，传统大坝安全评价已不能满足社会发展和水库下游公众对自身安全程度的要求，必须建立基于风险的大坝安全评价体系，制定适合我国国情的风险评价方法体系。

g) 随着高坝的发展，超高边坡稳定分析方法与安全评价体系，复杂地质条件下大型地下洞室群稳定性评价与控制标准，深埋长大隧洞围岩稳定性及地质超前预报，超大深厚复杂地基处理等也是大坝安全评价技术未来的发展方向。

3 结语

虽然国内外水库大坝安全评价技术在近几十年来得到了空前的发展，但相对于水电大坝安全高效运行及极端气候变化对大坝安全性影响的需求来说，还有很大的发展空间，尤其是近年来一些巨型的高坝大库相继开工建设，给大坝安全评价技术领域提出了许多新的课题。综合起来可以得出以下几点:

a) 要使水库大坝安全评价更好地发挥其作用，必须自始至终把大坝安全监测和风险分析放在首位。

b) 大坝安全评价技术应充分利用科技进步，走向即时化、智能化、网络化、三维可视化、一体化。

总之，大坝安全评价就是通过监测分析和风险分析，确保水库大坝以较少的投入来保证长期、稳定、安全的运行。

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作者简介: 袁坤，男，河南信阳人，主要从事水工结构研究工作。