[美國]P.J.里根

大壩事故與其運行年限的關(guān)系

[美國]P.J.里根

有些大壩事故是源于其長期運行;有些大壩事故則與地震、洪水或其他一些原因密切相關(guān)。著重對大壩安全事故怎樣分布于大壩運行壽命期內(nèi),大壩長期運行后是否會出現(xiàn)重大安全事故,不同型式的大壩的長期運行性能是否存在差異,何種潛在的潰壩模式有助于大壩安全事故分析,以及不同年代修建的大壩發(fā)生事故的類型是否存在差異等問題進行了分析研究。

大壩;大壩失事;運行年限;分析研究

負責(zé)大壩運行安全的人員必須保持高度警惕,盡一切努力確保其管理的大壩、其他一些水利設(shè)施或水利樞紐工程的安全。無論是業(yè)主、監(jiān)管機構(gòu),還是咨詢專家,當涉及到大壩安全時,沒有人會掉以輕心。可是,當一座大壩在安全運行相當長一段時間后,一種對大壩安全的自滿情緒常常會悄然而生。不知多少次聽到過或說過這樣的話:“這座壩已經(jīng)安全運行50 a了,為什么您現(xiàn)在會對該壩的安全擔心呢？“

在聯(lián)邦能源管理委員會(FERC)多次召開的潛在潰壩模式分析會議上,這種推理被提出來作為降低大壩潛在潰壩模式分類的依據(jù)。

看來還是忽略了大壩正在經(jīng)受著老化與惡劣的自然環(huán)境等諸多影響。有些大壩事故是由于其長期運行的結(jié)果。對人類來說,長時期的疲勞工作會導(dǎo)致腕管綜合癥;而對大壩來說,則可能會導(dǎo)致閘門啟閉機出現(xiàn)機械類故障。某些事故就是因長期遭受惡劣環(huán)境的影響所導(dǎo)致的。

像癌癥等疾病可能會突然發(fā)生,或者會在體內(nèi)停留很長一段時間。同樣,管涌在大壩第1次充水時就可能來勢兇猛,就像提堂壩情況一樣(提堂壩位于美國愛達荷州東南部的特頓河上,1976年6月5日大壩第1次沖水時,發(fā)生了嚴重的潰壩事故)。否則,就有很長一段時間的變化過程,如斯里蘭卡的坎泰爾(Kantale)壩,該壩表面上看來已經(jīng)安全運行了117 a,可終究由于管涌而潰壩。

本文試圖解答以下4個問題:

(1)大壩安全事故在大壩的運行壽命中是怎樣分布的？特別是,當一座大壩在經(jīng)過一段重要時期明顯令人滿意的運行以后,預(yù)示著該壩在其今后的運行壽命中就不會出現(xiàn)重大的安全事故嗎？

(2)對于不同壩型的大壩,其長期運行性能有差異嗎？

(3)隨著對大壩潛在潰壩模式研究的深入開展,會有一些什么樣的潛在潰壩模式特別有助于對大壩安全事故進行分析？

(4)因大壩修建年代不同而造成的事故類型有差異嗎？

為了解決上述問題,筆者開發(fā)了一個與大壩安全事故有關(guān)的“大壩事故與安全數(shù)據(jù)庫”。目前,該數(shù)據(jù)庫已收錄了84個國家4 000余座大壩破壞與安全事故的專門資料,其中1 158座大壩可以斷定出現(xiàn)潰壩或安全事故時的運行壽命。

1 大壩安全事故在其運行期的分布

對大壩安全事故在其整個運行期的分布情況開展了研究(圖1)。特別是,當一座大壩在具有非常令人滿意的運行狀態(tài)的情況下,是否預(yù)示著該壩在其今后的運行壽命中就不可能出現(xiàn)重大的安全事故呢？

當然,大多數(shù)觀點認為,大壩在投入運行后的最初幾年是出現(xiàn)嚴重事故的時期。而且本數(shù)據(jù)庫資料也證實了這一觀點。

在本文所分析的出現(xiàn)安全事故的大壩中,約有31%的大壩事故是發(fā)生在施工期或出現(xiàn)在大壩投入運行后的前5 a。從壩型的統(tǒng)計資料來看,有些壩型發(fā)生安全事故的概率有明顯的差異。在投入運行后的前5 a,重力壩發(fā)生安全事故的概率為18%,拱壩為29%;而土壩和堆石壩發(fā)生安全事故的概率為42%,且均是發(fā)生在施工期或投入運行后的前5 a內(nèi)。

圖1 綜合各類壩型的大壩安全事故數(shù)量與運行年限的關(guān)系

大壩在投入運行后的前5 a內(nèi)事故的出現(xiàn)率高,說明對潛在壩址進行反復(fù)的深入的研究、認真審查、對大壩設(shè)計方案是否全面考慮了可能會導(dǎo)致誘發(fā)和發(fā)展大壩潛在事故模式的特定壩址條件進行核實、謹慎施工以使觸發(fā)大壩事故模式的可能性降至最低,以及實施重點監(jiān)控和全面監(jiān)測的措施,實時掌控大壩的運行狀態(tài)等至關(guān)重要。

至于當一座大壩在經(jīng)過一段非常令人滿意的運行期后,是否預(yù)示該壩在其今后的運行壽命中就不會出現(xiàn)重大安全事故的問題,通過對運行5 a后出現(xiàn)事故的大壩的相關(guān)資料進行認真研究,可以得出滿意的答案。

運行5 a后發(fā)生大壩安全事故的比率示于圖2。由圖2可以看出超出某一使用年限后發(fā)生的有記錄的大壩事故率。根據(jù)筆者開發(fā)的大壩事故與安全數(shù)據(jù)庫的統(tǒng)計,在所有大壩事故中,49%的大壩事故發(fā)生在大壩運行50 a或更長的時間。現(xiàn)有資料表明,大壩事故率在任一一個5 a運行期內(nèi)沒有明顯差異。

圖2 運行5 a后的大壩事故率

大壩事故高峰期出現(xiàn)在其投運后的前5 a運行期之后的第2個5 a運行期內(nèi),即運行期內(nèi)的第6～10 a間。據(jù)數(shù)據(jù)庫的資料統(tǒng)計,其間共發(fā)生大壩事故72件;運行期內(nèi)的第11～15 a間,共發(fā)生事故61件。而第3個大壩事故發(fā)生的高峰期則出現(xiàn)在大壩運行期內(nèi)的第81～85 a間,其間共發(fā)生大壩事故55件。

毫無疑問,發(fā)生潰壩或出現(xiàn)嚴重事故的大壩數(shù)量在已建大壩的總數(shù)中所占比率相對較小。然而,資料顯示,大壩在運行50 a或50 a以上時,出現(xiàn)與大壩安全有關(guān)的事故比率相當大。

顯然,不能忽視大壩的運行年限,也不要因大壩的老化發(fā)生安全事故而感到驚奇。事實上,有些大壩的事故模式更是隨著壩齡在發(fā)生變化。

本文分析研究中采用的大壩事故與安全數(shù)據(jù)庫中的平均建壩時間是1933年,距今已有77 a。根據(jù)該數(shù)據(jù)庫的統(tǒng)計資料,即可以確定大壩發(fā)生事故的時間。但是,由于統(tǒng)計中包含有少數(shù)非常老的大壩,因而會使平均建壩時間有誤差,其中,最早建成的大壩是在1550年;而有451(39%)座大壩是建于1945年以后,其運行年限還不足60 a。

2 不同壩型的大壩長期運行性能的差異

已對各類壩型的大壩在其投入運行的前5 a后發(fā)生安全事故的資料數(shù)據(jù)進行了收集整理,并對整理結(jié)果作了分析。分析表明,對于各類壩型的大壩來說,其長期運行性能都存在著一些明顯的差異。

與各類壩型大壩的總事故率接近已建壩總數(shù)的50%相比,土壩在投入運行的前50 a內(nèi),事故率要高于各類壩型的總平均事故率;而在運行50 a或50 a以上的情況下,土壩的事故發(fā)生率僅為31%。與此相反,重力壩在投入運行的前70 a,其平均運行性能要優(yōu)于所有的壩型。在投入運行的最初幾年,堆石壩和拱壩的運行性能比各類大壩的平均性能都差?？偟恼f來,更趨近于土壩或重力壩的平均性能。

在對各類壩型的大壩事故模式進行仔細分析后,對土壩和重力壩在運行性能方面存在的差異可以得到部分的解釋。土壩的主要破壞模式包括:內(nèi)部溶蝕、滲漏和管涌,共110次;漫頂105次,結(jié)構(gòu)破壞47次。

重力壩發(fā)生與洪水載荷相關(guān)的事故101次,這些事故往往與溢洪道有關(guān)。115次結(jié)構(gòu)性破壞中,包括混凝土破壞以及附屬建筑物的結(jié)構(gòu)性損壞,如溢洪道閘門和閘門操縱機構(gòu)失靈等;另外有27座重力壩的壩基發(fā)生管涌。在115座大壩結(jié)構(gòu)的破壞中,有41座涉及溢洪道閘門。

如果水庫水位不小于臨界水位,滲漏即是一種隨時可能發(fā)生的潛在事故模式;而在洪水季節(jié),水位升高時滲漏還會加劇;由于地震引起的開裂,也會導(dǎo)致給滲流提供方便的通道張開。因此,對于所有的土石壩和其他壩型的壩基來說,壩體的內(nèi)部溶蝕和管涌都是必須慎重考慮的潛在破壞模式。而洪水載荷導(dǎo)致的大壩事故,特別是特大洪水這類相對罕見的洪水事件,在一座壩的運行初期,發(fā)生的概率相對較小。同理,大壩的性能退化進程也與時間有關(guān),比如堿-硅反應(yīng)或凍融等老化反應(yīng),只有當其在持續(xù)一段時間以后,才會對大壩的結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生負面影響。

大壩的運行性能退化,也是導(dǎo)致水電站機電設(shè)備出現(xiàn)故障的重要因素。而機電設(shè)備的性能退化則可能是由于在其正常運行中的磨損或是缺乏日常維護所致。

3 大壩安全事故分析

隨著對大壩潛在潰壩模式研究的深入,會有一些什么樣的潛在潰壩模式特別有助于對大壩安全事故進行分析？為了尋找解決這一問題的方法,對本數(shù)據(jù)庫資料按大壩發(fā)生事故時的壩齡進行排列;而且也將事故模式分為以下3類:

(1)與洪水相關(guān)的事故模式;

(2)與結(jié)構(gòu)相關(guān)的事故模式;

(3)與滲漏/管涌相關(guān)的事故模式。

庫岸滑坡、其他類水庫事故以及另外一些與上述3類事故模式無關(guān)的事故模式,在已查明的事故中所占比例微不足道,因而未將其納入數(shù)據(jù)庫的資料中。所有與洪水泛濫有關(guān)的事故模式,無論是由特大洪水、溢洪道堵塞,還是由于閘門操作失效等導(dǎo)致的事故,均歸納為洪水泛濫類。與壩體結(jié)構(gòu)破壞相關(guān)的事故包括壩基滑移、邊坡失穩(wěn)、地震破壞、混凝土結(jié)構(gòu)劣化和閘門故障等事故。與滲漏/管涌相關(guān)的事故包括各種內(nèi)部溶蝕、管涌以及釀成潰壩的滲漏,其中包含壩身滲漏、壩基滲漏、繞壩滲漏。對數(shù)據(jù)庫中的所有大壩事故資料和已經(jīng)經(jīng)過了第1個5 a運行期的大壩資料都進行了分析。

大壩運行5 a后,不料各類滲漏事故的發(fā)生率竟有65%;然而,前5 a運行期過后,與洪水相關(guān)的大壩事故率為74%,結(jié)構(gòu)性破壞事故率為78%。值得一提的是,大壩在運行80 a之后,上述所有3類事故模式中未來事故的發(fā)生率幾乎相同。

數(shù)據(jù)分析表明,前5 a運行期過后,不同事故模式出現(xiàn)的事故率存在著些許差異,結(jié)構(gòu)性事故率比較低。然而,在運行45 a以后,無論是在洪水事故模式、滲漏事故模式還是結(jié)構(gòu)事故模式下,出現(xiàn)的事故率差異卻很小。

數(shù)據(jù)超級終端顯示,在運行100 a以后出現(xiàn)潰壩或安全事故的大壩,有45座在事故出現(xiàn)時的運行年限和事故模式分析的使用年限相一致。在45件事故中,有22件屬于洪水泛濫類事故,13件屬于結(jié)構(gòu)破壞事故,10件屬于滲漏事故。

這些信息表明,盡管地震和洪水載荷一般認為是發(fā)生率不高的事故,而且對于漫頂或地震引起的潰壩等極端事件,無疑更有理由認為是發(fā)生率不高的事故,但在處理土石壩和各類壩基時,應(yīng)當勞記管涌和其他滲漏造成的嚴重后果。

與滲漏相關(guān)的事故是大壩運行初期最常見的事故模式,且將繼續(xù)成為長期存在的重要的潛在事故模式。

4 建于不同年代的大壩事故類型差異

根據(jù)數(shù)據(jù)庫中收集的資料可以看出,大壩的平均建壩時間是1933年。通過該數(shù)據(jù)庫可以確定大壩在運行多少年以后會發(fā)生破壞事故,這是巖石力學(xué)現(xiàn)代理論、濾光技術(shù)和讀寫存儲技術(shù)較重大的發(fā)展,是現(xiàn)代巖土工程理論在大壩設(shè)計中的運用。事故數(shù)據(jù)庫中收集的資料顯示,大壩事故率高峰出現(xiàn)在某些建設(shè)時期,部分原因是由于在那些特定年代里修建了大量特定壩型大壩的緣故。隨后,大壩事故量減少,是由于在大壩設(shè)計和采用的施工技術(shù)方面取得了進步;也是由于自20世紀60 ～70年代建壩高峰期以后,修建大壩的數(shù)量減少的原因;或者說,后來修建的大壩的老化期還未到來。

按照建壩時間,繪制了超出給定壩齡發(fā)生滲漏/管涌事故的比率圖,并且更詳細地研究了與土石壩滲漏有關(guān)的事故關(guān)聯(lián)性。按照建壩時間對大壩進行了分組,具體可分為:

(1)1900年以前修建的大壩;

(2)1900～1950年修建的大壩;

(3)1950～1975年修建的大壩。

1900～1950年和1950～1975年修建的大壩中,共計有65座大壩發(fā)生事故;1900年以前修建的大壩中,有26座大壩發(fā)生事故。

為了說明自然環(huán)境對新老大壩運行狀態(tài)產(chǎn)生影響的差異,剔除了前5 a運行期內(nèi)發(fā)生事故和運行時間超過45 a的大壩資料,這樣可以比較全面地了解5～45 a時間跨度內(nèi)大壩的運行狀況。

數(shù)據(jù)顯示,修建于1900 ～1950年間的老土壩和1950年以后修建的大壩在事故發(fā)生率方面沒有實質(zhì)性的差別。但是修建于1900年以前的大壩的相關(guān)數(shù)據(jù)竟然顯示,一旦度過了投運之后最初的5 a運行期,這些較早修建的大壩發(fā)生事故的概率要大于在其以后所建大壩發(fā)生事故的概率,特別是壩齡為5～10 a的大壩。壩齡超過10 a以后,老壩發(fā)生事故的概率仍舊比在其以后修建的任何一類大壩發(fā)生事故的概率都要高。

陳 謙 編譯自美刊 《水電評論》2010年第6期

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2011-07-18