最安全的大坝

杨弘，张志伟编译

（二滩水电开发有限责任公司，四川成都610051）

0 引言

坝工界已经积累了很多溃坝的记录，并对它们的失事模式进行了研究，未及时发现基础缺陷和泄洪能力不足是其中主要的两个原因。美国垦务局收集整理了大量具有代表性的失事模式，以期对现有大坝的安全评估提供帮助。

按惯例，特定坝址处最终选择的坝型是在满足地形地质条件和工程目标（防洪、发电等）前提下最经济的方案。确定设计标准时考虑大坝和基础材料特性、荷载出现概率及其最大值的不确定性，通常会取较大的安全系数，大坝的安全度即取决于此。荷载不确定性的典型例子有可能最大洪水（PMF）和最大可信地震（MCE）。Wieland（1999年）曾指出，设计地震的估算距真实情况的差值可能超过30%。

最安全的大坝是一种概念上的实践，建立在对坝基地质状况充分认识的前提下，并且投资上可以接受。如果地基认识不清楚，不可能实现真正的安全。1954年，阿斯旺工程顾问委员会提交给埃及政府的报告中，初步提到这一问题。它的核心被概括为一句话：粘土心墙堆石坝（上游布置铺盖和灌浆帷幕，范围由顾问委员会确定）是沉积物地基上土石坝中最安全的。

建设最安全的大坝要遵守如下基本原则：首先，当有备选方案时，选择最安全的；其次，这个选择不能大量增加投资。如果最安全的大坝投资远高于备选方案，那么人们会认为这个差额即是“安全投资”。

1 最安全的大坝的内涵

1.1 洪水

1988年，美国土木工程师协会关于溢洪道设计洪水选择的报告称，截至1984年，约有2900座不安全的大坝，其中2350座的主要原因是泄洪能力不足。随后重新评价泄洪道设计洪水，一些重要大坝采取了新的标准即使可能最大洪水安全通过，工作委员会推荐采用美国原子能委员会标准中可能最大洪水值的计算方法。

可能最大洪水的确定是项复杂的工作，通常包含近似值逼近、估算、推测。目前还没有一种方法可以做到洪峰的极限计算值准确无误。过了数十年后，原来的可能最大洪水设计值必须修正，有些会减小，有些则会增大。

可能最大洪水会受到气候变化的影响，而且很难定量评估。由于温室效应对气候变化的影响一直不断被校正，严格说来，它对现有大坝的安全和未来设计工作一些参数的选择影响较大，结果可能很快就会显现。

最大入库流量（即准确的PMF）是估算的可能最大洪水加上估算误差，尽管目前这个误差还不能确定，但在设计“最安全的大坝”时必须考虑这个因素。

1.2 淤积

设计最安全的大坝有一个前提假设，即水库最终淤满并达到坝顶溢洪道堰顶高程，将此作为正常设计荷载考虑。

1.3 大坝

最安全的大坝应采用对称梯形断面混凝土结构，上下游坡面不用覆盖其它材料。从长远安全角度考虑，可以无须考虑传统重力坝的技术特征以节约投资。

基础：理想的坝基是各向同性、合适硬度、较高弹模、无风化侵蚀的新鲜岩体。

荷载：除了本文特殊规定外，最安全大坝的设计荷载可参考标准重力坝的设计惯例（例如，美国陆军工程师兵团1995年颁布的标准）。PMF和MCE的上限值则由设计者来决定。

扬压力：假定多数坝基排水管排水不畅或完全堵塞，并得不到正常维护，所有排水设施设备（排水廊道、抽排设备等）丧失功能。由于没有应有的排水系统，扬压力得不到降低，上游帷幕也失去作用，坝体和基础的扬压力可以认为是从坝顶或最高洪水位到下游尾水呈线性分布的静水压力。

图1 最安全的大坝Fig.1 The safest dam

稳定性：坝体上游面受到水压力和淤积压力的联合作用，但由于大坝质量的增加和坝基更加平均的荷载分布，对称的断面也更加稳定。对于相同的荷载状况，最安全的大坝会比传统的重力坝更不容易出现较高的拉、压应力。

混凝土：最安全的大坝不要求混凝土的强度很高，碾压混凝土是典型的代表。胶凝材料含量低（100 m的高坝含量约为50 kg/m3），非塑性的细屑作为填充料，可以提供充足的粘合料；骨料是最方便得到的，可以使用当地天然或人工处理过的砂石。

这样的混凝土弹模低、徐变大，并有较高的抗拉能力，第1年的抗压强度即可达到7～10 MPa。由这种材料建设的大坝，在大多数的荷载状况下（包括温度应力）都有足够的变形能力以避免开裂。

对于多数的混凝土集合料，没有密实和成型前，其坡度在0.8∶1（H∶V）或再陡一点均可保持稳定，这种方式建设大坝的上下游面最经济，安全性也没有降低。坝顶宽度在方便建设的情况下可以取最小。

廊道：从大坝安全的角度讲，取消坝体内各式的廊道是有益的。因为廊道是大坝的一个薄弱带，易被恐怖分子袭击；地震时廊道周围容易产生较大拉应力。另外，廊道处也易出现大的渗漏。

渗漏：在必要的地方，一般会采用帷幕灌浆的方法减少通过坝基和坝肩的绕坝渗流。没有垫层振捣的碾压混凝土坝，其水平缝的渗透性对坝体总渗流量有重要影响。但这个因素对结构不会产生大的影响，渗漏量随时间逐渐变小。

监测仪器：从逻辑上来说，最安全的大坝不需要监测仪器（除了坝后渗流监测），因为它结构简单、变形性能好、基础和坝内应力水平低、胶凝材料含量低、可以承受全水头扬压力。

1.4 溢洪道

对于最安全的大坝来说，闸门溢洪道是不满足这个概念要求的，因为闸门溢洪道的出流永远不会超过水库的入库流量。无闸门溢洪道可以排除闸门操作方面带来的任何风险，不会受大量伴随洪水而来的漂浮物撞击的影响。

另外，无闸门溢洪道减少了投资，在坝肩适当防护后，允许洪水漫过整个坝顶。由于采取了对称横断面，漫顶时，最安全的大坝较传统重力坝更稳定。

对于设计者来说，他们拥有巨大的选择空间。多数情况下，将溢洪道布置在中间坝段（可以宣泄重现期500年的洪水），剩余坝段可以作为超标准洪水情况的备用溢流坝段，这种方式将是设计者首选的；另一些情况，整个坝顶都作为溢洪道，如图1所示，即满足最安全大坝概念的溢洪道布置形式。

1.5 消能

作为最安全大坝的必要组成部分之一，布置碾压混凝土衬砌消力池或类似型式的消能工，可以使泄槽内高速水流的流速在到达下游天然河道前充分降低。

1.6 坝肩防护

坝肩防护的手段包括将大坝碾压混凝土浇筑延伸至超越坝趾，并对薄弱带岩体进行置换、加固。

1.7 加高和波浪

最安全的大坝坝顶高于溢洪道堰顶高程，不需要专门加高；大风或者地震产生的波浪可以翻越坝顶，而不会对结构产生破坏。

1.8 坝顶公路

大坝不是用来作为交通设施的，设计的重点是安全。当整个坝顶作为无闸门溢洪道被超标准洪水翻越时，其各项操作和维护仅限于保障大坝安全，而不是为了其它无关的目的。

1.9 坝身泄水孔

对任何碾压混凝土坝，不管何种断面，都不适合采用坝身泄水孔，因为这样干扰了碾压混凝土的快速浇筑，而且泄水孔的位置也会成为一个渗漏源。

由于人员比较容易进入坝身泄水孔，曾有恐怖分子进入其中安放炸药破坏大坝。鉴于这个原因，最安全的大坝较理想的泄水孔是布置在坝肩并采用钢板衬护。

1.10 水库放空设施

从安全的意义上讲，最安全的大坝不需要水库放空设施来放空水库。

1.11 检查和维护

最安全大坝的维护工作量是最小的，这一点很重要，特别是对维护资金不充足、维护工作经常拖延或搁置的一些地方。泄水孔、闸门和各式的阀门是仅有的一些金属结构，几乎没有什么复杂的构件需要维修，而且也不需要安全监测系统。

1.12 成本和进度

浇筑体积为500000 m3的大坝，采用常规的低掺胶凝材料的碾压混凝土，其综合平均单价为35～40美元/m3，而同类高掺胶凝材料的碾压混凝土成本为45～50美元/m（31995年）。这个价格包含了模板、上游防水、基础处理、表面处理、廊道、内部排水、横缝和所有的常规混凝土的费用。通过取消所有这些辅助工程（除了溢洪道堰顶混凝土），减少50%的胶凝材料，降低碾压混凝土浇筑中的阻碍，放宽骨料质量范围，坝体结构中尽可能少用常规混凝土，将单价降低至20～25美元/m3不是没有可能。

对于高100 m、坝顶宽5 m的大坝，对称断面体型和标准重力断面体型的体积比为1.9∶1，说明相同高度大坝，采用对称断面体型和重力断面体型投资成本是相同的。

减少成本的地方还包括：取消坝内交通廊道、坝基排水孔、坝肩永久平硐和坝内抽排设备，还减少了监测仪器数量和运行期操作、维护费用。基于上述这些考虑，最安全大坝的成本费用可能还低于传统断面的碾压混凝土重力坝。

特别是，最安全的大坝建基面顺河向距离增长导致泄水孔长度增加约20%，在坝身外面建设泄水道可能会产生额外的巨大投资。对于这两种坝型来说，溢洪道投资基本上是相同的。

1.13 其它需要注意的地方

（1）发电尾水

对于坝后式厂房，将引水系统设置在坝身内部通常是不经济的。而将引水管道首部水平布置在引水坝段内，并在坝后贴着坝面延伸直到厂房，这种坝后背管式方案最近在印度尼西亚两座近100 m高的碾压混凝土大坝工程中得到了应用。

（2）冲淤设施

如果布置冲淤设施，最有效的方式是在坝基位置布置相应的孔管。

2 结语

鉴于公众对大坝安全越来越关注和极限荷载状况的不确定性（特别是在发展中国家），文中假定了一种经过修改的坝型，作为最安全的大坝。

最安全的大坝是碾压混凝土浇筑的低强度、对称横断面的大坝，能建基在任何岩基上，并可以达到和传统重力坝同样的高度。溢洪道不配制闸门，长度可以延伸至整个坝顶，洪水顺着大坝下游面宣泄进入混凝土衬砌的消能工。最安全大坝的突出特点是结构简单。

最安全的大坝满足了常规的稳定性要求，但不依赖于那些传统的维持长期安全的因素——特别是坝体、基础排水和防水设施设备。在任何情况下，都能安全通过上限设计洪水，并使出库洪峰流量不大于入库洪峰。整个坝基接触区域处于压缩状态，在所有正常和特殊荷载组合情况下，大坝最大主应力为压应力。■

[1]Michael A.Stevens,Jack Linard.The Safest Dam[J].Journal of Hydraulic Engineering，2002（02）:139～142.