第三讲 大坝安全监测目标和依据

第三讲大坝设置安全监测系统的目标和依据

魏德荣

我国大坝数量居世界之首，这中间有三峡这样举世闻名的高坝，也有大量名不传经的低坝；有的芷在深山峡谷，有的雄居繁华城镇附近，对于这些有天圵之别的大坝，安全监测该如何进行？是区别对待还是一视同仁？要回答这些问题，就必须搞清大坝安全监测的目标和安全监测的依据。

1大坝安全监测目标

大坝安全监测的目标取决于大坝安全监测的性质。大坝安全监测是监视大坝安全运行的耳目。通过安全监测，可以及时发现安全隐患，提醒人们及时加以消除，从而确保大坝安全。因此，从本质上来说，大坝安全监测是提高大坝安全的一项非工程措施；它不同于补强加固，它本身不可能提高大坝的安全度。安全监测能提供大坝运行的信息，因此，安全监测有如下目的；一是及时发现大坝异常现象或隐患监控大坝安全；二是掌握变化规律，指导运行；三是验证设计、指导施工、发展理论，其中首要的是保证大坝安全，许多国家对此都有明确规定。比如法国立法规定监测的目的主要是尽早了解影响大坝安全的所有事故，以防造成严重后果，同时应及时了解所有薄弱环节，以防恶化。我国新的混凝土坝安全监测技术规范明确指出大坝设置安全监测系统是“用以监控大坝安全、掌握运行规律，指导施工和运行、反馈设计”。也就是说，大坝安全监测的首要目标是实现大坝自身应该具有的安全性要求。

原电力工业部历年防汎工作一再强调：水电站在设防标准内，做到水库不垮坝；在遭遇超标准洪水时，竭尽全力减少损失，千方百计确保大坝安全。这是防汎工作的目标，也是大坝安全监测的目标。同SDJ336-1989《混凝土大坝安全监测技术规范》一样，DL/T5178-2003《混凝土坝安全监测技术规范》对于大坝安全监测的目标，仍具体体现在上述“二个水准”上：一个在设防标准内，另一个在设防标准外，即超标准荷载时。

1.1按照设防标准修建大坝

我国是一个洪灾频发的国家，又是世界上最活跃的地震区之一。防御洪水，抗震救灾，减免洪灾和震灾损失是国家的一项重要的任务。但是，我国是一个发展中国家，国家财力有限，不可能用大量投资进行安全建设。考虑我国现阶段的

社会经济条件，按照具有一定安全度，承担一定风险，经济上基本合理，技术上切实可行的原则，采用设防标准建造大坝。

目前，我国和世界上许多国家一样，都是根据防护对象的重要程度和洪灾损失情况，确定适度的防洪标准，以该标准相应的洪水作为防洪规划、设计、施工和管理的依据。对于防护对象的防洪标准，我国统一采用洪水的重现期表示，如100年一遇，500年一遇等。有少数防护对象特别重要，一旦遭受洪水灾害，损失特别严重或将造成难以挽回的影响，为保证其防洪的绝对安全，可采用可能最大洪水表示。

我国各部门现行的防洪标准，有的规定设计一级标准，有的规定设计和校核两级标准。水利水电工程采用的是两级标准。其中，设计标准，是指当发生小于或等于该标准洪水时，应保证防护对象的安全或防洪设施的正常运行。校核标准是指遇该标准相应的洪水时，采取非常运用措施，在保障主要防护对象和主要建筑物安全的前提下，允许次要建筑物局部或不同程度的损坏，次要防护对象受到一定的损失。

水工建筑物不仅要求能抵御设计洪水的作用，而且能抵御设计烈度的地震作用。水工建筑物，特别是壅水建筑物，遭受强震若发生溃坝，就可能导致严重次生灾害。设防目标首先要确保水工建筑物在遭遇设计烈度的地震时，不发生严重破坏。但允许出现不危及建筑物整体安全的局部损坏。

1.2大坝必须进行安全监测

大坝是人们通过设计施工建造起来的建筑物。周密设计、精心施工和安全运行是坝工工程的基本规则，按理大坝应相安无事。但是，据不完全统计，上世纪世界上水坝失事破坏就发生了500多起。是什么原因造成如此多的水坝失事呢，有人作了分析，认为使大坝遭受破坏的原因有以下五个方面：自然因素、勘测、设计因素、施工因素、运行管理因素和战争因素。国际大坝委员会大坝安全委员会也进行了调研，结论是：绝对安全和彻底消除危险是不可能做到的。

虽然经过各国坝工工程师的共同努力，当今筑坝技术已取得了很大进展，但是，由于地质水文气象的复杂性，即使掌握了现代最先进的勘探技术，采用了周密彻底的调查，也仍然难于彻底掌握坝址区工程地质和水文气象情况，任何地质勘探和水文气象调查的结果最后都通过理论计算而成为设计的依据，但是在某些

情况下，这种数据与实际情况可能有很大的出入。设计中，对建筑物将来的工作条件极易估计失误，对运行情况容易考虑不全；在理论分析时，常常因引进假设进行简化而使结果偏离实际，特别是当前坝工设计仍处在半理论半经验的状态，设计很难做到完美无缺。施工中，也极易发生施工方法不当，选用材料不严等问题，为抢施工进度，极易产生施工工艺草率、浇筑振捣不透、温度控制不严，从而引发一系列质量问题，施工也很难做到十全十美。竣工后，由于筑坝材料将逐渐老化，性能将逐渐变异。因此，大坝不可能修建得万无一失，以致在运行中绝对安全而不发生事故。

由于大坝失事的原因很多，而且其中不少原因是很难在事前靠计算来估算的。但是，大坝失事一般都有一个缓慢的从量变到质变的过程。因此，通过安全监测，并对监测成果进行及时的整理分析，是可以及时发现大坝的安全隐患。这方面事例是很多的。位于瑞士西南部高156m的差齐埃尔（Zeuzier）双曲拱坝，1957年建成蓄水，不料正常运行21年后，1978年底，在水库满蓄的情况下，三条垂线全都显示，该坝坝顶位移反常地偏向上游。经反复分析，确属异常现象，遂放空水库，经查发现上游坝面已出现多处裂缝。以后，监测继续发现，大坝坐落的峡谷出现大面积下沉，峡谷宽度缩短。到1981年末，大地测量结果显示，大坝沉陷110mm，坝顶高程处拱弦缩短60mm，坝顶高程处拱冠向上游位移110mm，经专家组查明，这是因为大坝东侧14km处有一南北走向的勘探平洞当时正在开挖，该平洞的高程低于大坝建基面约400m，但与坝基属同一岩层。平洞掘进时排放了大量的地下水，改变了岩体中的水文地质条件，因而引起基岩较大的变形。平洞停止掘进后，大坝变形即开始衰减，经详细勘测研究后，采取了审填的修复措施，该坝已经开始恢复正常运行了。我国梅山大坝从坝基大量漏水，垂线测值异常等信息，分析出左岸基岩可能发生错动，因而及时采取措施，避免了恶性事故的发生。因此，修订后的规范明确规定：混凝土坝必须设置必要监测项目，以监控大坝的安全。

1.3在“二个水准”上实现监测目标

大坝是按照设防标准修建的，在设防标准内，大坝理应安然无恙，但是，由于种种原因，大坝也可能失事。为了在设防标准内，做到水库不垮坝，也就是在设防标准内，对可能引起大坝失事的种种预兆都能监测到，新的DL/T5178-2003

《混凝土坝安全监测规范》规定了以下内容：

（1）监测对象，安全监测的大坝。不是狭义上的大坝，而是广义上的大坝，它包括对坝体、坝基、坝肩以及对大坝安全有重大影响的近坝岸坡及其他与大坝安全有直接关系的建筑物和设备。

（2）监测项目。新规范增加了部分监测项目，这些监测项目基本上能函盖可能引起水库大坝种种失事的预兆。

（3）监测仪器和设施布置的原则和方法。由于大坝是一个大型的空间结构，不可能在大坝上布满监测仪器和设施，监测仪器设施的布置应该紧密结合工程实际，突出重点，兼顾全面，相关项目统筹安排，配合布置。显然，监测仪器和设施的布置难度较大，为了提高布置质量，规范规定分阶段开展设计工作，在每一设计阶段确定设计工作重心和目标，依靠集体智慧，做好布置设计。

（4）仪器设备选取的原则。仪器设备是安全监测的工具，因此，仪器设备要耐久、可靠、实用、有效，要推行技术监测，力求先进和便于实现自动化监测。在采购前，要进行考察研究，尽量选用有成功经验的仪器。

（5）仪器安装和埋设的原则。规定必须及时，必须按设计要求精心施工。

（6）监测的原则和监测测次。监测首先是必须严格按照规程规范和设计要求进行，其次是发现异常，应立即复测，一旦发现问题，及时上报。同时，规定仪器监测应与巡视检查相结合。

（7）定期对监测仪器进行鉴定和计量。保证监测仪器处于正常工作状态。

（8）定期对监测结果进行分析研究，对大坝的工作状态作出评估。

（9）已建坝监测设施不全或发生损坏失效时，应根据实际情况，择要予以补设或更新改造，保证大坝在监测系统的有效监控下运行。

当发生地震，大洪水以及大坝工作状态异常时，大坝极易失事，因此，规范规定这时应加强巡视检查，并对重点部位的有关项目加强观测，增加测次，必要时还应增加监测项目，提供更多的信息，供有关部门决策参考。一旦发现问题，及时上报，以便有部部门及时决策，采取相应措施，千方百计确保大坝安全，尽全力减少损失，从而实现第二水准的监测工作要求。

2大坝设置安全监测系统的依据

大坝设置安全监测的依据是设计大坝时，对大坝运行中可能造成大坝危害程

度的认识和估计。危害程度大的安全监测项目设置较全；危害程序小的安全监测项目设置较少。由于在工程实践中，水利水电工程按其规模，效益及在国民经济中的重要性进行分等，水利水电工程中的建筑物再根据其所属工程等别及其在工程中的作用和重要性进行分级。因此，新规范DL/T5178-2003和原规范SDJ336-1989相同，大坝设置安全监测的依据仍然采用工程“等级制”。

2.1工程等别

水利水电枢纽工程根据其在国民经济建设中的重要性，按照其水库总库容和装机容量等指标划分为五等。

划分工程等别的分等指标经历了较长的演变：在1949-1959年期间，我国基本按照前苏联规范划分工程等别，以电站装机容量、灌溉与排水面积（治涝）和河道通航标准等作为分等指标，来考虑库容指标。1959年，我国制定了《水利水电工程设计基本技术规范》，其中的分类指标仍与前苏联规范基本相同，仅将防洪单列为一项工程分等指标。并将电站装机容量指标作了适当提高。1964年制定的《水利水电工程等级划分及设计标准》（草案）列入了库容、防洪御潮，灌溉排水、装机容量等指标。1978年颁布的SDJ12-78《水利水电工程等级划分设计标准》（山区、丘陵区部分）（试行），1987年颁布的SDJ217-87《水利水电工程等级划分及设计标准》（平原、滨海部分）（试行），这些标准中的工程分等指标仍与1964年标准基本相同。1994年颁布了国家标准GB50201-94《防洪标准》，该标准主要按照SDJ12-78和SDJ217-87等两项标准制订的，列入了库容、防洪、治涝（排水）、灌溉、供水和装机容量等六项工程分等指标。其中装机容量经与原能源部和水利部协商后作了修改，并对库容的含义作了新的定义，由校核洪水位以下的静库容改为最高水位以下的静库容，因为有些以防洪为主的水库，其最高水位可能不是校核洪水位。对于水电工程，一般情况下，水库总库容指校核洪水位以下的水库静库容。2003年，颁布了DL5180-2003《水电枢纽工程等级划分及设计安全标准》，由于对以发电为主的水利水电枢纽工程，考虑按照防洪、治涝、灌溉和供水等指标确定的工程等别通常不会高于按照水库总库容、装机容量所确定的工程等别。因此，DL5180-2003在工程分等指标上作了重大简化，标准仅列入库容和装机容量作为水电枢纽工程的分等指标，量值基本与GB50201-2003标准一致，详见表3-1。

表3-1 水电枢纽工程的分等指标

综合利用的水电枢纽工程，承担发电、防洪等多项任务，为工程安全起见，规定以各分等指标所确定的最高等别作为枢纽工程等别是多年实践的经验，行之有效。

（1）水库库容

我国1961年在《水库防洪安全标准》中就已经提出水利水电枢纽工程分等的水库库容指标，到1994年颁布实行GB50201，水库库容指标始终没有作过改变，说明工程分等的库容指标大体是合适的。据对1954-1980年我国大坝失事资料的统计，绝大多数失事与施工质量差有关，一部分大坝失事是洪水计算值偏小，以致据以确定的防洪库容偏小所致，而不是因洪水标准太低之故。这与我国20世纪五六十年代水文资料短缺和计算经验不足有关。因此DL5180-2003对水库库容指标仍沿用以往规定。

随着我国水利水电工程实践的增加，水文资料的积累和计算理论与方法的改进、洪水分析计算成果的可靠度比过去要高得多。当条件成熟时，逐步提高大型水库工程分等的库容指标是有可能的。

（2）装机容量

自1979年以来，工程分等的装机容量指标有了较大提高。这主要反映了我国水电站建设技术的进步，防范洪水能力的增强。提高分等指标，可以降低工程造价。我国各个时期相应规范、标准中水电枢纽工程分等的装机容量指标规定详见表3-2。

表3-2 我国各个时期规范、标准中装机容量分等指标

由于装机容量指标的提高，据初步统计，全国规划、设计和建设中的大、中、小型水电站约有2500余座，其中，77座电站，包括常规水电站68座，抽水蓄能电站9座可能因装机容量分等指标的调整而改变工程等别。但是，进一步分析之后，上述68座常规水电站中，仅有7座因装机容量分等指标提高而比原标准降低一等，其他均由水库库容确定而不降低工程等别；9座抽水蓄能电站因库容小而全部降低一等。由此可见，装机容量指标的调高对常规水电站影响较小，而对抽水蓄能电站影响较大。

2.2水工建筑物级别

一般来说，水利水电工程包括多种水工建筑物。按其作用，这些水工建筑物可分为永久性和临时性水工建筑物，永久性水工建筑又分为主要建筑物和次要建筑物。主要建筑物，如拦河大坝、泄洪建筑物、输水建筑物、电站厂房等等，这是一些失事后将造成下游灾害或严重影响工程效益的建筑物。次要建筑物指失事后不致造成下游灾害或对工程效益影响不大并易于修复的建筑物，如失事后不影响主要建筑物和设备运行的挡土墙、导流墙、工作桥及护岸等。

由于外部作用对各种建筑物可能造成的危害不同，因此，除了按照工程规模的大小划分工程等别外，还按照水工建筑物的作用和重要性进行分级，再按照不同级别分别制订其安全级别。水工建筑物的级别是根据工程等别及其在工程中的作用和重要性确定，它反映了对不同建筑物的不同技术要求和安全要求。DL5180-2003标准关于水工建筑物的级别划分详见表3-3和表3-4。

表3-3 永久性水工建筑物级别

表3-4 临时性水工建筑物级别

表3-3和表3-4所列是一般情况下水工建筑物的级别划分标准，对于特殊情况，水工建筑物的级别可提高也可降低。DL5180-2003规定凡是符合下列条件之一的，可考虑提高标准一级：

（1）失事后损失巨大或影响十分严重的水电枢纽工程中的2～5级水工建筑物，经技术经济论证，可提高一级，洪水设计标准相应提高，但抗震设计标准不提高。

（2）如果坝高超过表3-5所列的指标，按表3-3确定的2-3级壅水建筑物级别宜提高一级，洪水设计标准相应提高，但搞震设计标准不提高。

表3-5 提高壅水建筑物级别的坝高指标

（3）当水工建筑物地基的工程地质条件特别复杂或采用实践经验较少的新型结构时，2～5级水工建筑物的级别，可提高一级，但洪水设计标准和抗震设计标准不提高。

凡是符合下列条件之一的，可考虑降低标准一级：

（1）当工程等别仅由装机空量决定时，挡水、泄水建筑物级别，经技术经济论证，可降低一级。

（2）当工程等别仅由水库总库容大小决定时，水电站厂房和引水系统建筑物级别，经技术经济论证，可降低一级。

（3）仅由水库总库容大小决定工程等别的低水头壅水建筑物（最大水头小于30m），符合下列条件之一时，1～4级壅水建筑物可降低一级。

①．水库总库容接近工程分等指标的下限。

②．非常洪水条件下，上、下游水位差小于2m。

③．壅水建筑物最大水头小于10m。

上述工程等别和水工建筑物级别的规定是混凝土坝设置安全监测系统的依据。

由于大坝所在工程等别不同，以及大坝失事后对整个工程安全和环境的影响程度不同，对安全监测系统的要求也各不相同。实践证明，对于重要的大坝，危害性高的大坝，必须设置系统的监测设施，对它的运行性态进行安全监控。对于重要性比较低，危害性比较小的大坝，监测设施的设置可以适当放宽。因此，新规范DL/T5178-2003明确规定：1级、2级、3级混凝土坝的安全监测工作，按照DL/T5178-2003执行，4级、5级混凝土坝的安全监测工作参照DL/T5178-2003执行。