主要失效模式及可靠性理论应用in服役土石坝工程系统

服役土石坝工程是一个复杂的系统工程，其中存在的变量多且之间相互关联（表现为变量之间和失效模式之间具有一定的相关性），要完全按照结构工程系统可靠性理论进行可靠度计算是很困难的。因此，分析其系统中的主要失效模式及失效机理，既可简化计算，还能将对系统可靠性贡献较大的失效部位或失效模式区分出来，并在分析的过程中发现服役土石坝工程系统安全性的薄弱环节，以便在加固或加高决策中应用。下面分析服役土石坝工程系统中的失效机制和特点，并按照可靠性原理分析其广义荷载效应和广义抗力（承载力）等，这些是进行可靠性计算的基础。

作为一个实际存在的结构系统实体，服役土石坝系统有一般结构工程系统类似的老化、损坏或破坏现象。现有土石坝的失效包括安全性失效和适用性失效两大类，由于统计口径的不同，对现有土石坝工程（包括其他的坝型）的各类失效比例和绝对数据，在不同的文献中不同。根据20世纪90年代的统计，在我国，各类大坝总数量为82848座，运行多数达30～40年（到目前一般超过50年），发生漫顶失事的1147座，总的漫顶失事率为1.38%［49］。而在近年的统计中，土石坝（15m高度以上）总数是17475座，我国的大坝总数是85120座，总数中发生的溃坝率为3.9%（其中的漫坝失事比例高达51.5%，按计算的漫顶失事率为2.01%）［3］。

上述的失事率中的失事是指溃坝无控制地下泄洪水，而土石坝工程由于各种原因产生的病害而不能正常发挥效益的数量更大，即由于适用性失效而使工程的可靠性不足［3］。目前对溃坝这一类的安全性问题研究多，对适用性研究少。我国在总结溃坝经验和统计方面研究较多，但是对其中的破坏机理的深入研究很少，尤其是根据工程系统可靠性基本原理的研究成果［3］。

尽管现有土石坝工程的失事形式多样、原因复杂或多种原因共同促成了最后的溃坝等失事事件，但其中的最重要或最主要的原因（或称为失事类型）是洪水漫顶、渗透破坏和滑坡（边坡失稳）3种，这是共识。另外，除坝体本身的3种破坏形式外，还包括坝体表面的损坏或破坏、泄水建筑物的破坏、输水建筑物的破坏等。因此，对于土石坝工程系统而言，破坏（或适用性失效）的形式远不止3种。服役土石坝工程系统的失效并不只是指溃坝漫顶，按照可靠性理论，工程结构系统的可靠性除了安全性外，还包括适用性和耐久性（尽管土石坝的坝体本身的耐久性问题并不突出，但其系统中的泄水与输水结构物还是有许多耐久性问题，尤其是混凝土结构物）。所以，研究土石坝工程系统的可靠性时，除要研究由于洪水及水位不确定性带来的风险并形成破坏的机制外，还应该研究其他的破坏机制。由于技术及该问题本身的复杂性，但研究的成果还远没有达到结构可靠性意义上的理论成果，更没有达到应用阶段。

在我国，由于大规模进行水利工程建设时正处于20世纪50年代末和60年代初期这一个比较特殊的历史时期，使得我国现有的土石坝存在两种主要类型的病险问题，一个防洪标准低，另外一个是工程质量差。根据统计［3］，我国的水库失事率为3.4%左右，而年平均破坏率为3.6%，其中小型水库占96%；在土坝失事中，由于设计的洪水标准低或超标准设计洪水而造成漫顶失事的占51.5%，而由于施工质量差失事的为38.5%，管理运行不当而超蓄和未及时维护的为4.2%，其他原因造成土坝失事的为4.6%。由此可见，防洪标准低与工程质量差是我国的土坝失事和病险的主要原因。国内外的土石坝病害类型基本一致，土石坝的病险问题大致都与勘测设计和水文资料、施工质量与材料、检查观测与养护、维修与运行控制不当等有关。按照结构可靠性理论的观点，这些原因形成了土石坝工程系统中变量（基本参数）的不确定性，其主要破坏的形式也是这种工程系统中的主要失效模式。

在工程的适用性和耐久性方面，存在的问题一般表现为工程病害。在我国，病险土石坝出现病害的原因，主要在设计、施工和管理等3个建设阶段，分别约为40%、37%和6%，其他原因为17%［3］。勘测粗糙和设计不当主要表现为坝型与坝址不合适、设防标准低；施工质量不良主要表现为选材不合适、施工工序不当；管理问题则主要表现为观测设备缺乏、制度不严和维修不及时。按存在的病害表现的破坏形式划分，土石坝的病害主要形式为裂缝（包括坝体和输水建筑物部位）、渗漏与管涌（包括坝体、坝基、输水建筑物及溢洪道部位的渗漏）、边坡滑动与塌陷（包括坝体和溢洪道部位）、护坡损坏等。按病害表现的破坏形式分析，比较直观而且有利于采取针对性的工程处理措施，但有的病险工程的多种病险形态可能都是由某一种原因造成的，如土石坝的填筑材料不合适从而造成坝体防渗系统的破坏，引发坝体裂缝、渗漏和管涌，继而发生坝坡塌陷和滑坡等形式的破坏。显然，这种病害情况比较常见和典型，而这些病险都是由于一种原因引发的，病险问题显然是由于防护系统被破坏，最终的工程处理措施是恢复防渗系统才能从根本上解决问题，否则都将事倍功半或根本不能解决病害问题。因此，对土石坝的病险分析，应该从调查病因出发，分析其根本原因，尤其是为保障其安全的各种防护措施。

其实，土石坝工程系统的病害就是结构可靠性中的适用性不满足要求的表现。土石坝工程系统的结构组成主要包括大坝的坝体、坝基、输水建筑物结构和泄水建筑物结构等，除此外，还包括非结构系统的水库调节和防洪调度系统。土石坝的病险反映在结构上的形态是结构损坏、裂缝和渗漏等，如果仅从结构破坏形态分析，不能全面反映土石坝的病险基本原因，也很难按系统可靠性的观点研究和量化计算其病险状态及程度，因为如裂缝、渗漏等病险形态要量化计算是很困难的。

如果按土石坝工程系统的组成及其各子系统设置的安全防护措施，可将土石坝本身（坝体与坝基两组成部分）的病险形式（或失效模式）划分为漫顶与漫溢失效（或失事）、滑动（包括局部与整体滑动）及塌陷失事、渗透变形失效（包括接触渗透变形失事）和坝体表面冲刷失效等4大类主要失效形式或模式，即一般意义上所称的土石坝工程4种主要失效模式［3，49］。(www.xing528.com)

这4种主要的失效模式，除漫顶失效外，其他的3种形式在土石坝工程系统的其他组成部分中也会出现。如滑动失效（或失事），在溢洪道的边坡部位也会出现；而渗透变形失效，在输水建筑物与坝体等接触部位、高水位运行时在溢洪道的混凝土结构与土工结构的接触面可能也存在。至于表面冲刷，在其他部位也是存在的（尽管有的冲刷可能不至于产生灾难性的失事后果、或仅是适用性或耐久性不足，因此表面冲刷的失效模式在某种意义上也是适用性不满足的问题）。因此，作为一个工程系统，这4种主要失效模式的发生部位，可能不仅在坝体本身，这也是服役土石坝工程可靠性问题应该作为一个工程结构系统来考虑的原因。

（1）漫顶失事（失效）所反映的问题包括设防标准偏低、坝顶高程由于沉陷降低以及溢洪道的泄洪能力不足等。漫顶失效是土石坝工程系统最重要的失事形式。

（2）滑动及塌陷（局部与整体）失效形式，既反映了坝体材料（包括斜墙坝的防渗斜墙）的质量和设置的位置问题，也包括坝基的处理效果和方法等问题。在多数情况下，土石坝的边坡失稳表现的是局部塌陷或滑动，形成了适用性不满足可靠性要求的问题（限制蓄水位、没有发挥设计效益等）。尽管滑动及塌陷失事可能不会立即导致大坝系统的破坏，但其出现之后将使工程系统出现在可靠性意义上的失效，也属于典型的失效模式之一。另外，溢洪道系统的边坡不稳定，严重威胁到大坝本身的安全性，这一点在许多研究中都没有计算在内，尽管计算其对这个系统的可靠性（或风险率）的贡献是非常困难的；再次，坝体局部塌陷将降低大坝的有效高度（或高程），增加漫顶的风险或系统的失效概率。滑动及塌陷也间接涉及到坝体与坝基的防渗系统等的适用性和耐久性，有的土石坝坝体的边坡或连同基础的滑动可能还与渗透压力的控制不力及渗漏的反滤设置不当有关系，或地震时液化引起。因为渗漏量增加及渗透压力增高也将引发土石坝的滑动或塌陷等病险失效形态，有的病险土石坝的滑动或塌陷破坏往往是由几种防护失效造成的。

（3）渗透变形破坏反映了包括坝体和坝基的渗透水压力的控制（及渗漏的反滤设置等在内的）问题。渗透变形失效问题还隐含了大坝的坝体构造设计合理性（包括结构尺寸、坡度及各种材料的分区设计等）、施工质量（压实质量和接触面的处理质量等）、坝基的处理和渗透变形的控制措施、坝体与坝基的防渗系统失效、穴居动物的侵害等问题。另外，土石坝的增建坝后式电站的建设也可能造成隐患，尤其是在发电引水管（洞）穿越大坝部位容易形成渗流通道，或隧洞由于衬砌不良渗水而危害大坝安全。

（4）表面冲刷失效模式，则包括坝体的上游和下游边坡、溢洪道的冲刷等。土石坝的上游坝坡一般设有边坡防护，如砌石护面等；下游坡面也有护面或植被覆盖等。上游表面的防护损坏后，由于浪击力的作用将使坝坡遭到冲刷淘蚀，边坡防护材料将移动、使垫层材料暴露，严重恶化后将影响大坝的安全；下游边坡防护材料的损伤和移动，可能将使护坡下垫反滤层阻塞失效，造成排水不畅、护坡隆起等。

上述的安全性方面的4种主要失效模式，其中的任何一类（两类或全部）失效都将使土石坝工程系统处于危险状态，而且可以反映土石坝的任何病害破坏形式。当然，这4类失效对土石坝的安全性的重要程度是应该有所不同的，也就是说其重要性不同。就土石坝工程系统而言，早期主要考虑的是坝体的边坡失稳和洪水位漫顶两种失效模式。目前，一般考虑的是漫顶失效、边坡滑动失稳和渗透变形失稳3种，其中渗透变形失稳包括堤身与堤基两个部位的失稳［294］。

相对于土石坝工程系统的安全性，其适用性和耐久性问题的研究还没有开展。作为一个工程系统，其中的适用性问题还隐含在上述几种主要的安全失效模式中，如塌陷或局部滑坡的出现则影响其适用性；溢洪道的边坡出现滑动问题也将影响其使用。由于适用性这一可靠性问题的计算技术还不成熟，所以目前的讨论大多数是安全性的问题。除挡水建筑物是岩土材料组成外，土石坝工程系统中的泄水和输水建筑物一般是混凝土或砌体结构，所以作为工程系统的可靠性研究，还有耐久性问题不可回避。实际情况是，作为一个工程系统，部位（或构件）的耐久性影响到安全性，如溢洪道系统中的混凝土闸室子系统的耐久性影响过流能力或本身的安全性，同样影响到土石坝系统的安全性；坝下游的砌体排水系统（如贴坡排水系统）的风化，将影响排水的畅通，从而影响到渗透变形及稳定，会导致坝体系统的失效事件发生。