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Application of PFMA in safety monitoring of concrete face rockfill dams
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摘要: 随着大坝风险管理理念的发展，潜在破坏模式分析（PFMA）方法得到了广泛应用。基于传统工程安全理念的大坝安全监测设计对隐患缺乏针对性，将破坏模式分析与大坝安全监测相结合可以提高监测的有效性和针对性。研究了混凝土面板堆石坝的结构特点和常见病害，应用潜在破坏模式分析方法提出了混凝土面板堆石坝的可能破坏模式，分析了各破坏模式的可监测项目及重点部位。利用破坏模式分析方法，对某混凝土面板堆石坝的监测系统提出了改进措施。研究结果表明，基于潜在破坏模式分析的大坝安全监测具有较强的针对性，可提高监测效率和可靠性。Abstract: With the development of dam risk management concept, potential failure mode analysis (PFMA) method is becoming more and more widely used. The design of dam safety monitoring based on traditional engineering safety concept lacks pertinence to hidden dangers. Combining failure mode analysis with dam safety monitoring can improve the effectiveness and pertinence of monitoring. In this research, the structural characteristics and common diseases of concrete face rockfill dam are studied, and the possible failure modes of concrete face rockfill dam are proposed by use of PFMA method, and the monitoring items and key parts under each failure mode are analyzed. Improvement measures for concrete face rockfill dam monitoring system are put forward with a view to the PFMA method. The results show that the dam safety monitoring based on the analysis of potential failure mode has strong pertinence and can improve the monitoring efficiency and reliability.
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Key words:
- concrete face rockfill dam /
- potential failure mode /
- safety monitoring
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表 1 混凝土面板堆石坝组成结构功能
Table 1. Structures and functions of concrete face rockfill dam
编号 单元名称 结构功能 1 混凝土面板 坝体防渗 2 垫层区 面板的直接支承体，向堆石体均匀传递水压力，并起辅助渗流控制作用 3 特殊垫层区 对周边缝及其附近面板上铺设的堵缝材料及水库泥沙起反滤作用 4 过渡区 保护垫层并起过渡作用 5 主堆石区 承受水荷载的主要支承体 6 次堆石区 位于坝体下游区，与主堆石区共同保持坝体稳定 7 排水区 排除坝体及坝基渗透水，降低坝体浸润线 8 下游护坡 保护坝体下游坡面 9 上游铺盖区 覆盖在底部面板及周边缝表面，起辅助防渗作用 10 盖重区 覆盖在上游铺盖区上，维持上游铺盖区的稳定 11 趾板 连接地基防渗体与面板，延长渗径，
防渗体系的一部分12 防浪墙 上游侧与面板顶部连接，起挡水和防浪作用 13 止水 连接周边缝、垂直缝、水平缝 
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表 2 混凝土面板堆石坝可能破坏模式及监测分析
Table 2. Possible failure modes and monitoring analysis of concrete face rockfill dam
单元 基本单元 可能破坏模式及原因分析 监测重点 坝体 防浪墙 坝体沉降导致墙间缝、墙与面板接缝变形过大，止水破坏 墙间缝、防浪墙底与面板顶接缝位置的缝宽 混凝土面板 坝体不均匀沉降导致面板变形过大而开裂 施工缝、受压及受拉区域面板应力应变、挠度、脱空 坝体不均匀沉降导致面板压性碎裂 坝体中部垂直缝板间缝、钢筋应力 面板变形大导致分缝止水破坏 河床坝段板间缝宽度、应力应变 垫层 填筑质量差，变形过大 面板挠度、板间缝宽度、脱空 在渗流破坏作用下，垫层料流失 面板挠度、板间缝宽度、脱空，渗流压力、渗透量、渗流水质 趾板后特殊垫层料渗透稳定性不足，
在渗流破坏作用下流失周边缝上游侧铺盖变形、河床部位周边缝开合度，渗流压力、
渗透量、渗流水质过渡层 在渗透破坏作用下，过渡料流失 坝体内部变形、面板挠度、脱空，渗流压力、渗透量、渗流水质 在地震作用下，过渡料开裂，垫层料流失 坝体内部变形、面板挠度、脱空，渗流压力、渗透量、渗流水质 主堆石区 填筑质量差导致坝体沉降过大 坝体内部变形、面板挠度、脱空 在渗透破坏下，细颗粒流失，导致坝体沉降、面板开裂 施工缝、受压及受拉区域、堆石料分区接触面，渗流压力、
渗透量、渗流水质次堆石区 地震作用下沉降过大 坝体表面及内部变形 渗透破坏导致细颗粒流失，沉降变大 堆石料分区接触面及材料坡降较大处坝体内部变形，
渗流压力、渗透量、渗流水质周边缝 地震作用导致止水破坏 河床部位、断层、基岩风化及破损带处周边缝三向变形，
渗流压力、渗透量止水材料老化开裂 库水位变动区及露天区域，渗流压力、渗透量 面板变形过大导致止水破坏 坝肩及面板顶部周边缝三向变形 混凝土趾板 地震作用导致趾板开裂、渗水 河床部位、断层、基岩风化及破损带处趾板分缝宽度、
应力应变，渗流压力、渗透量地基断层运动导致趾板开裂、渗水 河床部位、断层、基岩风化及破损带处趾板分缝宽度、
应力应变，渗流压力、渗透量上游铺盖 库水位骤降或地震导致铺盖滑动、塌陷 河床部位、断层、基岩风化及破损带处铺盖变形 上游盖重 库水位骤降或地震作用导致盖重滑动、塌陷 河床部位、断层、基岩风化及破损带处盖重区变形 坝基 覆盖层 覆盖层沉降变形 覆盖层厚度突变处、最大坝高处内部变形 覆盖层受坝基渗流侵蚀，形成管涌 覆盖层厚度突变处、最大坝高处内部变形，坝基渗压、
渗流量及渗流水质地震作用下，覆盖层液化 覆盖层厚度突变处、最大坝高处内部变形，坝基渗压、
渗流量及渗流水质灌浆帷幕 地震作用或施工质量问题导致灌浆帷幕破坏 断层、基岩风化及破损带处坝基渗压、渗流量、渗流水质 坝肩 灌浆帷幕 地震作用或施工质量导致灌浆帷幕开裂 断层、基岩风化及破损带处渗压、渗流量、渗流水质 周边缝 周边缝开裂，形成绕坝渗流 断层、基岩风化及破损带处渗压、渗流量、渗流水质 地震作用导致坝肩和坝体之间产生裂缝 断层、基岩风化及破损带处渗压、渗流量、渗流水质
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图(2) / 表 (2)
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