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摘 要：针对重大水利水电工程中存在的严重隐患缺陷或丧失功能，吸收美国等对此处理的先进理论和方法，并结合我国的特点，构建了重大水利水电工程寿命诊断的理论体系，并提出了水利水电工程生存寿命的原则，即安全原则、工程效益原则以及生态环境原则。在此基础上，研究了重大水利水电工程寿命诊断的理论和方法以及技术。
关键词：水利水电工程；寿命诊断；理论；方法
中图分类号：TV 文献标识码：A 文章编号：
一、引 言
随着社会经济的发展和人民生活水平的提高，人们对生存安全也越来越重视，尤其是水利水电工程的安全已引起各国政府和人们的高度关注。水利水电工程是我国国民经济的重要基础设施，在经济建设和社会安定中起着举足轻重的作用，其安全不仅直接影响到效益的充分发挥，而且危及下游人民的生命、财产安全。然而，由于水文、工程地质、设计、施工以及老化等原因，部分工程存在不安全因素，还有不少病险工程，这些工程对安全提出了更高的要求。下面分别论述各部分的内涵，并提出一些新理论、新方法和新技术。
二、水利水电工程生存寿命的原则
世界上任何事物都存在由生到死的生命周期，如地球预计约为50亿a，房屋的使用寿命约50a，大型桥梁约100a，而水利水电工程的生存寿命在国内外属尚未解决的难题。笔者认为水利水电工程的生存寿命应遵循社会经济效益最大、对生态环境的负面影响最小的总原则，具体应考虑以下几个重要原则：
(1) 安全原则
水利水电工程( 如大坝) 应在各种设计荷载组合作用下，满足强度、稳定和耐久性等的安全要求。
(2) 工程效益原则
水利水电工程应发挥设计所规划的防洪、灌溉、发电等效益要求。
(3) 生态环境原则
在以往水利水电工程的设计和建设中考虑较少，甚至不考虑。随着社会的发展，国内外对水利水电工程影响生态环境的问题也越来越重视。笔者认为对生态环境的影响，应遵循“以人为本，人与自然和谐共处”的原则。
三、水利水电工程的寿命诊断方法及评价探讨
依据以上原则，水电工程( 或大坝) 的生存寿命同样也存在“生老病死”的生命周期。对此，笔者初步提出以下的看法和认识。
3.1 安全诊断
根据设计规范、原位监测资料及其分析与反分析成果，动态复核水利水电工程的强度、稳定及耐久性，除满足现行规范的要求外，还应定期检查、分析老化和病变的机理及其对大坝安全的影响，使大坝在健康状态下运行。除此以外，本文提出以下一些新的分析理论和方法。
3.1.1 强度分析理论和方法
设计规范规定，水利水电工程中的强度分析以控制部位的拉、压应力是否满足允许应力判断。本文探索用微纳米尺度的力学分析方法分析裂缝和强度，即采用宏观、细观、纳观的3层嵌套的力学模型，其基本原理为：(1) 用原子镶嵌模型和分子动力学理论模拟裂纹尖端附近的纳观区行为；(2) 用弹性基体加离散位错描述细观区行为；(3) 宏观区采用超弹性、粘塑性大变形本构关系和有限元計算分析。
3.1.2 稳定分析理论和方法
设计规范规定，在设计荷载组合作用下，沿控制滑动面的稳定安全系数大于或等于规范的允许值，则为稳定，否则为不稳定。近几十年来，有限元法已成为计算力学中解决工程问题的主要数值分析方法，然而随着其应用范围的扩展，其固有的一些缺陷也日益突出。近几年来国际上许多著名的计算力学学者，提出了一些新的分析理论和方法，如DDA，NMM，Meshfree Method等。
3.1.3 耐久性分析理论和方法
除了常用的抗冻、抗渗和抗冲等作为耐久性的指标外，还应包括现场检测和监测的变形、应力应变、扬压力和渗漏量、析出物以及隐患缺陷(尤其是裂缝)等资料，建立时变模型，以定量分析水利水电工程耐久性的演变过程。
3.1.4 安全监测新技术
除了上述对水利水电工程的强度、稳定和耐久性进行定期复核外，实践证明，对水利水电工程进行实时安全监测和定期检测及其安全分析评价也是十分重要的。本文介绍用纳米监测技术及4S监测技术进行安全监测。
(1) 纳米监测技术
纳米技术的覆盖面相当广泛，本文探讨了该技术在水利水电工程监测中的应用。
① 纳米传感器。由于独特的物理化学性能，纳米材料在传感器技术上有着良好的应用前景；利用纳米材料的大表面积可制造出具有高灵敏度、高选择性、高稳定性和高重复性的纳米传感器，监测大坝的变形、渗流和应力应变等，可弥补传统的传感器的不足。
② 微观诊断新技术。日本科学家最近利用纳米材料，开发出一种可检测人或动物体内物质的新技术，该技术可辨别身体内物质特性；东京大学的科研人员使用一种纳米级的微粒子，因其与物质反应产生光，研究人员采用深入内部的光导纤维检测反应所产生的光，经光谱分析就可以了解是何种物质及其特性和状态。
(2) 4S监测技术
综合应用地理信息系统(GIS)、遥感(RS)、全球卫星定位系统(GPS) 和专家系统(ES) 对水利水电工程进行安全监测是一种新的尝试。4S 技术及其集成技术作为数字流域中的重要技术，在大坝安全监控领域有广阔的应用前景。笔者提出4S 集成框架(图1)，用以对整个流域大坝群的监测和管理或者微观每座大坝的安全监测和监控。
图1
3.2 工程效益评估
修建水利水电工程的目的是要发挥防洪、灌溉(供水) 和发电等综合效益，因此，要及时评估工程效益。下列情况下的大坝应退役或拆除：(1) 不能发挥这些大坝的效益或效益大为降低；(2) 病险问题十分严重，通过技术经济分析和风险分析，当补强加固费用大于工程效益，或者大坝失事引起下游严重灾害等。因此，工程效益必须作为水利水电工程生存的重要因素。
修建水利水电工程后对生态环境的影响内容广泛，笔者认为，要遵循“以人为本，人与自然和谐共处”的根本原则，具体应注意以下几个方面：
（1) 移民问题要遵循“移得出、安得住”的原则。修建水库后，特别是大型水库，往往需要迁移大量移民，必须保证这些移民要有发展再生产和提高生活的好环境。
(2) 次生地质灾害
修建水库特别是特大型水库或水库群后，大体积水体作用在地壳上，使地应力增大，在高地应力或高地震区或活动地质构造处，可能产生诱发性地震。因此，修建大坝是否发生灾难性的地质灾害，是大坝生存的重要条件之一。
(3) 泥沙问题
修建水库后，改变了河道中泥沙的运动规律，使库区泥沙淤积、清水下泄。这将引起上游支流河口和河床抬高，降低支流的排洪能力，抬高地下水位，引起次生盐渍化，如三门峡水库修建后对渭河的影响。清水下泄将冲刷下游河床和防洪堤。因此要分析这些灾害所造成的损失，或者改变水库的运行方式，使灾害降低到最小程度。
(4) 对水生动植物的影响
修建水库后，改变了水生动物的通道，也使得水质产生了变化等，破坏了有些物种的生存环境。与此同时，水库蓄水，特别是梯级水库蓄水，造成下游水量减小，甚至断流，使下游特别是河口物种的生存环境遭到破坏，这在国外是很重视的，如美国缅因州的Edwards 坝，服役 162 a后，因该坝破坏了大西洋某些物种的生存环境而被拆除。
(5) 文物淹没问题
库区往往有较多的历史文物古迹，具有重要的历史保存价值，对这些古迹的保护，也是生态环境评估的内容。
(6) 对气候的影响
大型水库或水库群产生的大面积水面，一方面改善了当地的气候条件，如刘家峡水库使当地气温在夏天降低1℃～2 ℃、冬天升高 1 ℃～2 ℃。另外，也对大气环流产生一定的影响，使有些地区降雨增多，而有些地区降雨减少。
(7) 大坝失事对生态环境的影响
大坝存在严重病变或者现代战争等引起溃坝，将对下游产生严重灾难。因此，要评估这种极端情况对生态的影响。
四、结论
本文探索了重大水利水电工程寿命诊断的理论和方法，得到以下结论：
(1) 随着我国大量水利水电工程的老化，急待研究其生存诊断的理论和方法体系。
(2) 提出了重大水利水电工程与世界一切事物
一样存在生到死的生命过程，主要以工程效益、对生态环境的影响等功能为控制，以确定工程寿命。
(3) 提出了重大水利水电工程生存寿命的理论和方法。
作者：卢良森 单位：深圳市广汇源水利勘测设计有限公司邮编：518020
关键词：水利水电工程；寿命诊断；理论；方法
中图分类号：TV 文献标识码：A 文章编号：
一、引 言
随着社会经济的发展和人民生活水平的提高，人们对生存安全也越来越重视，尤其是水利水电工程的安全已引起各国政府和人们的高度关注。水利水电工程是我国国民经济的重要基础设施，在经济建设和社会安定中起着举足轻重的作用，其安全不仅直接影响到效益的充分发挥，而且危及下游人民的生命、财产安全。然而，由于水文、工程地质、设计、施工以及老化等原因，部分工程存在不安全因素，还有不少病险工程，这些工程对安全提出了更高的要求。下面分别论述各部分的内涵，并提出一些新理论、新方法和新技术。
二、水利水电工程生存寿命的原则
世界上任何事物都存在由生到死的生命周期，如地球预计约为50亿a，房屋的使用寿命约50a，大型桥梁约100a，而水利水电工程的生存寿命在国内外属尚未解决的难题。笔者认为水利水电工程的生存寿命应遵循社会经济效益最大、对生态环境的负面影响最小的总原则，具体应考虑以下几个重要原则：
(1) 安全原则
水利水电工程( 如大坝) 应在各种设计荷载组合作用下，满足强度、稳定和耐久性等的安全要求。
(2) 工程效益原则
水利水电工程应发挥设计所规划的防洪、灌溉、发电等效益要求。
(3) 生态环境原则
在以往水利水电工程的设计和建设中考虑较少，甚至不考虑。随着社会的发展，国内外对水利水电工程影响生态环境的问题也越来越重视。笔者认为对生态环境的影响，应遵循“以人为本，人与自然和谐共处”的原则。
三、水利水电工程的寿命诊断方法及评价探讨
依据以上原则，水电工程( 或大坝) 的生存寿命同样也存在“生老病死”的生命周期。对此，笔者初步提出以下的看法和认识。
3.1 安全诊断
根据设计规范、原位监测资料及其分析与反分析成果，动态复核水利水电工程的强度、稳定及耐久性，除满足现行规范的要求外，还应定期检查、分析老化和病变的机理及其对大坝安全的影响，使大坝在健康状态下运行。除此以外，本文提出以下一些新的分析理论和方法。
3.1.1 强度分析理论和方法
设计规范规定，水利水电工程中的强度分析以控制部位的拉、压应力是否满足允许应力判断。本文探索用微纳米尺度的力学分析方法分析裂缝和强度，即采用宏观、细观、纳观的3层嵌套的力学模型，其基本原理为：(1) 用原子镶嵌模型和分子动力学理论模拟裂纹尖端附近的纳观区行为；(2) 用弹性基体加离散位错描述细观区行为；(3) 宏观区采用超弹性、粘塑性大变形本构关系和有限元計算分析。
3.1.2 稳定分析理论和方法
设计规范规定，在设计荷载组合作用下，沿控制滑动面的稳定安全系数大于或等于规范的允许值，则为稳定，否则为不稳定。近几十年来，有限元法已成为计算力学中解决工程问题的主要数值分析方法，然而随着其应用范围的扩展，其固有的一些缺陷也日益突出。近几年来国际上许多著名的计算力学学者，提出了一些新的分析理论和方法，如DDA，NMM，Meshfree Method等。
3.1.3 耐久性分析理论和方法
除了常用的抗冻、抗渗和抗冲等作为耐久性的指标外，还应包括现场检测和监测的变形、应力应变、扬压力和渗漏量、析出物以及隐患缺陷(尤其是裂缝)等资料，建立时变模型，以定量分析水利水电工程耐久性的演变过程。
3.1.4 安全监测新技术
除了上述对水利水电工程的强度、稳定和耐久性进行定期复核外，实践证明，对水利水电工程进行实时安全监测和定期检测及其安全分析评价也是十分重要的。本文介绍用纳米监测技术及4S监测技术进行安全监测。
(1) 纳米监测技术
纳米技术的覆盖面相当广泛，本文探讨了该技术在水利水电工程监测中的应用。
① 纳米传感器。由于独特的物理化学性能，纳米材料在传感器技术上有着良好的应用前景；利用纳米材料的大表面积可制造出具有高灵敏度、高选择性、高稳定性和高重复性的纳米传感器，监测大坝的变形、渗流和应力应变等，可弥补传统的传感器的不足。
② 微观诊断新技术。日本科学家最近利用纳米材料，开发出一种可检测人或动物体内物质的新技术，该技术可辨别身体内物质特性；东京大学的科研人员使用一种纳米级的微粒子，因其与物质反应产生光，研究人员采用深入内部的光导纤维检测反应所产生的光，经光谱分析就可以了解是何种物质及其特性和状态。
(2) 4S监测技术
综合应用地理信息系统(GIS)、遥感(RS)、全球卫星定位系统(GPS) 和专家系统(ES) 对水利水电工程进行安全监测是一种新的尝试。4S 技术及其集成技术作为数字流域中的重要技术，在大坝安全监控领域有广阔的应用前景。笔者提出4S 集成框架(图1)，用以对整个流域大坝群的监测和管理或者微观每座大坝的安全监测和监控。
图1
3.2 工程效益评估
修建水利水电工程的目的是要发挥防洪、灌溉(供水) 和发电等综合效益，因此，要及时评估工程效益。下列情况下的大坝应退役或拆除：(1) 不能发挥这些大坝的效益或效益大为降低；(2) 病险问题十分严重，通过技术经济分析和风险分析，当补强加固费用大于工程效益，或者大坝失事引起下游严重灾害等。因此，工程效益必须作为水利水电工程生存的重要因素。
修建水利水电工程后对生态环境的影响内容广泛，笔者认为，要遵循“以人为本，人与自然和谐共处”的根本原则，具体应注意以下几个方面：
（1) 移民问题要遵循“移得出、安得住”的原则。修建水库后，特别是大型水库，往往需要迁移大量移民，必须保证这些移民要有发展再生产和提高生活的好环境。
(2) 次生地质灾害
修建水库特别是特大型水库或水库群后，大体积水体作用在地壳上，使地应力增大，在高地应力或高地震区或活动地质构造处，可能产生诱发性地震。因此，修建大坝是否发生灾难性的地质灾害，是大坝生存的重要条件之一。
(3) 泥沙问题
修建水库后，改变了河道中泥沙的运动规律，使库区泥沙淤积、清水下泄。这将引起上游支流河口和河床抬高，降低支流的排洪能力，抬高地下水位，引起次生盐渍化，如三门峡水库修建后对渭河的影响。清水下泄将冲刷下游河床和防洪堤。因此要分析这些灾害所造成的损失，或者改变水库的运行方式，使灾害降低到最小程度。
(4) 对水生动植物的影响
修建水库后，改变了水生动物的通道，也使得水质产生了变化等，破坏了有些物种的生存环境。与此同时，水库蓄水，特别是梯级水库蓄水，造成下游水量减小，甚至断流，使下游特别是河口物种的生存环境遭到破坏，这在国外是很重视的，如美国缅因州的Edwards 坝，服役 162 a后，因该坝破坏了大西洋某些物种的生存环境而被拆除。
(5) 文物淹没问题
库区往往有较多的历史文物古迹，具有重要的历史保存价值，对这些古迹的保护，也是生态环境评估的内容。
(6) 对气候的影响
大型水库或水库群产生的大面积水面，一方面改善了当地的气候条件，如刘家峡水库使当地气温在夏天降低1℃～2 ℃、冬天升高 1 ℃～2 ℃。另外，也对大气环流产生一定的影响，使有些地区降雨增多，而有些地区降雨减少。
(7) 大坝失事对生态环境的影响
大坝存在严重病变或者现代战争等引起溃坝，将对下游产生严重灾难。因此，要评估这种极端情况对生态的影响。
四、结论
本文探索了重大水利水电工程寿命诊断的理论和方法，得到以下结论：
(1) 随着我国大量水利水电工程的老化，急待研究其生存诊断的理论和方法体系。
(2) 提出了重大水利水电工程与世界一切事物
一样存在生到死的生命过程，主要以工程效益、对生态环境的影响等功能为控制，以确定工程寿命。
(3) 提出了重大水利水电工程生存寿命的理论和方法。
作者：卢良森 单位：深圳市广汇源水利勘测设计有限公司邮编：518020