大坝安全的分级评价及其方法

大坝安全的分级评价及其方法方卫华南京水利水文自动化研究所，南京铁心桥95号，210012，fangweihua@摘要：正确的大坝安全评价是充分发挥工程效益、降低工程风险和提高工程除险加固措施针对性的必然要求。

为使大坝安全评价更加合理，本文在分析大坝安全概念和评价标准具有模糊性、随机性、不完全认知性和动态特征的基础上，指出大坝安全是时间、位置、材料、结构、施工、运行管理和荷载等的函数，大坝安全信息既包括定量信息和定性信息，同时包括静态效应和动态效应.在损伤诊断方面，模态分析具有许多优势和成功的经验。

接着作者采用国际大坝委员会推荐的简易风险分析方法将大坝分成4级，给出了具体的分级指标。

然后根据大坝级别的不同对应地采用了不同深度的大坝安全评价方法，具体包括基于水库大坝安全评价导则的确定性评价、基于风险分析的安全评价、不确定性评价和考虑结构寿命的动静态组合评价等四个不同层次，分别对各层次的评价方法进行了研究，指出需要进一步研究的问题。

最后采用不确定度分析方法对安全评价结论的可信度进行了探讨，给出了有关概念和分析方法。

本文所做的工作为大坝安全评价新体系的建立奠定了基础。

关键词：大坝安全评价；安全风险；损伤诊断；分级；评价不确定度1前言对大坝安全进行客观准确地评价是充分发挥工程效益、降低工程安全风险和提高除险加固措施针对性的必然要求。

根据大坝安全评价深度不同，大坝安全评价可分成如下四个层次：（1）获取大坝当前安全的整体印象；（2）分析大坝面临的安全风险；（3）掌握损伤程度、隐患部位及其成因；（4）分析除险加固效益和预测结构使用寿命。

本文从采用简易风险分析方法分析大坝安全风险入手，依据大坝安全风险度大小将大坝分成不同级别，再根据不同级别的大坝选择不同深度的评价方法。

最后，引入不确定度分析方法对大坝安全评价过程的不确定性进行分析，并指出分析过程和结论的不确定度（可信度）是大坝安全评价的重要组成部分。

2大坝安全及其信息特征安全是与失事相对应的。

失事一般是指大坝出现异常现象的总称。

失事（Incidents）包括破坏（Failures）和事故（Accident）两大类。

破坏是指损失严重的失事，这类失事可能影响到公众与社会安全，而事故则是指那些采取某些措施易于恢复或补救之类的不会导致坝体破坏的失事。

从可靠度角度来理解，所谓的安全性是指结构在设计基准期内,经济合理地满足下列要求：（1）能承受正常施工和正常使用期间可能出现的各种作用(包括荷载及约束作用)；（2）在偶然事件(如地震、爆炸、龙卷风等)发生时及发生后,能够保持必要的整体稳定性。

2.1大坝安全影响因素大坝为修建在地基上的一个复杂系统，其安全状况与所处地理环境、水文地质条件、坝体结构和材料、施工质量和水库运行方式等都密切相关，因此大坝安全是设计、建造和运行管理过程、所处状态空间和时间的函数。

确定性分析认为，如果大坝及其支持系统满足强度、稳定和变形要求，即认为大坝是安全的。

而不确定性分析认为，影响大坝安全的因素是不确定性，其中许多是随机的，如特大洪水、上游水库溃决、汛期停电、人员误操作、泄洪时启动机械故障，甚至恐怖袭击都可能成为大坝失事的原因；其中有一些则是模糊的，如强度准则、屈服条件和稳定判据等；有一些又是灰色的，即我们不可能对所有有关大坝的安全信息全部掌握。

国际大坝委员会和有关组织对各种大坝的失事原因和有关定期检查都证明了上述观点。

2.2大坝安全分析的理论基础从时间上来看，随着外界环境、基础条件和材料与结构的老化，大坝安全状况随时都在变化，大坝系统是一个动力系统，其发展包括混沌到有序、又从有序到新的混沌的多个阶段，存在由于微小的隐患导致大坝失事的可能。

从空间上分析，大坝安全涉及上游水库，同时也与本身的防渗止水结构有关，使得大坝安全必须从全空域加以考虑。

从荷载因素进行分析，大坝不仅受到准静态荷载作用，同时也受到地震、泄洪等动力荷载作用，加上应力场、温度场、渗流场和地质结构的相互作用，使得数值计算异常复杂；从能量耗散角度，大坝是一个耗散系统，与外界存在着各种形式的物质和能量交换，系统内部由于开裂、热传导等同样存在能量耗散；从自组织的角度来看，大坝，特别是拱坝作为多次超静定结构，由于应力重分布和徐变等作用使得结构具有自组织特征，一点的破坏或局部开裂可能不会引起大坝整体安全问题。

泥砂淤积和钙化会改善结构的渗流状态和提高结构的抗渗能力，这是由于物理化学作用而产生的自组织现象。

从安全状态发展来看，大坝安全的发展总体上是准静态或是缓慢的，但不排除在地震、高水位条件下或是在随机涨落的过程中存在突变的可能性。

实际上，由于存在许多松散和脆性材料，大坝的破坏过程总是存在渐变和突变之间的耦合。

因此要全面分析评价一座大坝的安全状况必须应用系统论、信息论、控制论、协同理论、耗散理论和突变理论等。

在具体方法选择上，既需要采用传统的力学与强度理论、现代数值计算方法和概率与数理统计，同时也需要应用模糊理论、混沌分形理论、小波理论、Rough理论、D-S证据理论、人工智能、仿生算法和信息融合等理论与方法。

既需要进行正分析，也需要进行反分析，既需要进行静态分析，也需要进行动态分析，既需要进行局部分析，也需要进行全时空分析。

3基于简易风险分析的大坝分级3.1大坝安全评价分级的必要性由于大坝数量众多，各个大坝的状况都不一样，因此针对每座大坝都采用上述方法进行系统分析不仅是不经济的，同时也是不必要的，因此针对具体工程，在对大坝进行风险分析的基础上对大坝进行分级，对于不同级别的大坝选用不同深度的安全评价方法不仅是必要的，而且是有意义的。

3.2 大坝安全风险及其简易分析方法大坝安全风险是大坝失事的概率及其损失的乘积。

损失是个广义的概念，即包括投资和效益损失，也包括生命财产损失、生态环境破坏和社会影响等。

为简化起见，在简易风险分析中采用国际大坝委员会第41期会刊推荐了风险度方法，该方法中考虑的大坝风险因素如表1所示。

该表从环境、库容、大坝设计施工运行和下游情况等方面评价大坝风险，基本上考虑到失事概率和损失两个方面。

表1 大坝风险指数估算表中考虑的因素 建议的危险状态评价外部的或环境的条件（指数E） 坝的状态/可靠性（指数F） 居民/经济方面的潜在危险（指数R）地震 强度库岸坍滑 的危险 超设计 洪水的危险 水库的功用（蓄水类型与管理）侵蚀性环境的作用 （气候、水）结构的配置基础泄洪设施维护 状态 水库 的库容 下游设施（1）（2） （3） （4） （5） （6）（7）（8）（9） （10） （11）在上述因素中根据各因素的不同程度由（4）式计算建筑物安全总风险指数：)4()3(21)2(41)1(5111109651EFRR F E g i i i i i i =×=×=×=∑∑∑===αααα总指数上式中具体i α含义参见国际大坝委员会第41号会刊。

3.3大坝分级根据式（3-4）计算的结果可以得出大坝整体的风险，在此基础上对大坝进行分级评价，依据不同风险选择不同的风险评价方法，对于风险高的大坝，选择深入和全面的大坝安全评价方法，对于风险较小的大坝选择简单易行的风险评价方法。

本文将大坝分成4类，即低风险大坝、中风险大坝、高风险大坝和超高风险大坝四个档次，具体见表2。

表2 大坝分级及其评价方法选择大坝级别 低风险大坝（IV） 中风险大坝（III）高风险大坝（II） 超高风险大坝（I）g αg α<10 20>g αP10 30>g αP 20 g αP30 对应评价方法 （4.2） （4.2）~（4.3）（4.2）~（4.4） （4.2）~（4.5）4大坝安全评价方法4.1安全信息的获取与评价方法的层次划分安全评价信息包括水文、地质、大坝结构、材料、流域和地形、运行管理和安全监测等信息，通过数值仿真、模型实验、实测资料分析、信息融合最终获取大坝安全状态参数。

目前常用的综合评价方法主要有层次分析法(AHP)、模糊综合评价法、模糊可靠度和和模糊灰色综合评价法等。

常用的准则有强度和屈服准则、断裂力学准则、损伤力学准则、稳定准则、能量准则、熵准则、突变理论准则等。

根据大坝风险度的不同，大坝安全评价方法依次划分为（1）确定性评价：从力学、物理和逻辑规律等方面对大坝进行安全评价，不考虑非线性和不确定性，即认为满足设计、施工和运行规范要求的大坝就是安全的[1]。

（2）安全风险评价：将水文、水力、地质、结构、材料、等作为随机变量，同时结合具体的政治、经济和社会环境，考虑到其它可能影响大坝安全的非传统因素，结合相应损失的大坝安全评价方法。

（3）不确定性评价：全面考虑大坝安全影响因素和评价标准的不确定性以及信息的不完整性的大坝安全评价方法，主要包括模糊可靠度评价、模糊灰色评价和基于盲数理论的综合评价方法等[2]。

（4）考虑结构寿命和可修复性的不确定性评价：将大坝系统作为一个动力系统，考虑大坝系统初始损伤和损伤发展、结构和材料老化、可修复性风险等方面，从大坝系统的损伤累积、材料和结构的老化速度和外部环境的变化趋势等方面估计结构的剩余寿命，使人们对大坝安全的现状、成因和发展趋势获得全面了解的评价方法。

4.2确定性评价确定性分析方法就是依据规范[1]，在工程质量评价、大坝运行管理评价、防洪标准复核、结构安全评价、渗流安全评价、抗震安全复核和金属结构安全评价等基础上，对大坝安全进行综合评价。

评价的结论一般用正常、异常和险情三种来表示。

4.3安全风险评价风险分析既需要考虑水文、地质、材料、荷载的时空变异性，同时也要考虑到其他非传统因素，如人为差错、机械故障、上游水库失事等随机事件可能给大坝安全造成的威胁。

如将上述变量均视为随机变量，可能导致大坝失事看成随机事件，各种原因导致的大坝失事概率分别定义为fi p (i=1,2……n),则大坝失效概率为：大坝总风险和各原因导致的单项风险分别为：另外从大坝系统的组成来分析，大坝安全风险可能来自坝体、坝基、坝肩、金属结构、泄水建筑物等j 个部分（按照层次分析法的思想可以继续往下细分），大坝系统各部分发生失事称为事件B j ,相应的概率为P（B j ），大坝失事事件称为D，由于各部分失事导致整个大坝失事的概率为条件概率P（DCB j ），条件概率的计算可以通过首先获得各个部分的失效概率后，通过强度储备法得出。

在计算前需要通过实测资料获取荷载和材料参数的概率密度函数和特征参数等。

则根据全概率公式，大坝失事的总概率也可以表示成：()()()∑===m j j j f B P B D P D P P 1)8(在此条件下，大坝体系风险和各部分失事导致的大坝系统风险为：)7()6(R P RP fi gi f g ×=×=αα())5(111∏=−−=n i fi f P P()()()())10()/()9(j j j j j gi g R B P R R B D P B P R D P ×+−××=×=αα式（6）和（9）分别从不同的角度对大坝体系的失事概率进行了计算。