3.3 破坏模式识别

对识别的大坝风险要素，可采用破坏模式分析确定溃坝模式和溃坝路径。破坏模式是指在大坝风险要素作用下，导致水库大坝最终破坏的路径。破坏模式分析有FMEA法和FMECA法^［31］。

3.3.1 FMEA法

FMEA法即破坏模式与后果分析（Failure Modes and Effects Analysis）法，FMEA法是将大坝作为一个系统，分析系统中每一个子系统与要素所有可能破坏模式及其后果的一种归纳分析方法。

FMEA法分析过程如下：

（1）定义系统。水库大坝系统包括永久性挡水建筑物以及与大坝安全有关的泄水、输水和过坝建筑物及相应的金属结构等。

（2）识别系统。收集水库的设计、施工及运行资料，或通过与设计、施工、管理人员进行座谈，了解水库建设和运行的详细情况，对系统有一个全面的认识。

（3）分解系统。把系统分解成若干子系统，找出各子系统构成要素，一般将其分解为1级子系统、2级子系统及其要素。

（4）要素功能分析。子系统和要素是根据它们的主要功能来定义的。为实现不同要素及同一个要素的不同功能的区分，可采用数字编码的方法，如11223344，其中11代表1级子系统，22代表2级子系统，33代表要素，44代表要素功能。

（5）要素筛选。对每个要素破坏后对系统性能的影响进行初步评估，把那些对系统性能影响不大的要素剔除掉，而把那些对系统性能起关键作用的要素保留下来做进一步的分析。如难以确定某个要素功能对系统性能的重要性，则应保留作进一步的分析。

（6）要素破坏模式识别。分析通过筛选的要素是如何破坏的，识别其破坏模式。

（7）要素相互作用分析。在识别要素破坏模式过程中，需要考虑要素之间的相互作用。可通过事件树或故障树来分析要素之间的相互作用以及一系列要素之间的破坏顺序。

（8）要素破坏后果分析。分析要素在不同破坏模式下的直接影响和最终影响（即后果）。确定要素破坏模式的最终影响，需要考虑以下情形：①某种影响可能是多种要素破坏后造成的；②某种要素破坏可能会造成多种影响；③某种要素破坏可能会触发一系列要素破坏；④某种要素破坏可能不会直接影响其他要素，但可能会增加这些要素破坏的可能性。

（9）人工干预。通过系统地识别要素可能存在的破坏模式，及时发现要素破坏并进行人工干预以避免或降低破坏后果。

3.3.2 FMECA法

FMECA法即破坏模式、后果和危害程度分析（Failure Modes，Effects and Criticality Analysis）法。FMECA由两项相对独立的工作组成，即破坏模式与后果分析（FMEA）和危害程度分析（Criticality Analysis-CA）。

在FMEA基础上，进行危害程度分析过程如下：

（1）分析要素破坏模式发生的可能性。可由专家根据经验确定，判别标准见表3.1。

（2）分析后果严重程度。后果严重程度的判别标准见表3.2。

（3）分析后果发生的可能性。后果发生可能性的判别标准参见表3.3。

（4）确定危害程度指标。每个要素破坏模式的危害程度可根据要素破坏模式发生的可能性、后果严重程度、后果发生的可能性按表3.4确定。

最后，统计每个要素的危害程度、在子系统中所占比重和在系统中所占比重，统计各个子系统的危害程度及其在系统中所占比重。每个要素的危害程度为该要素的各种破坏模式危害程度的简单相加，子系统的危害程度为该子系统的各个要素的危害程度的简单相加。

根据危害程度大小对每种破坏模式、每个要素危害程度和每个子系统的危害程度进行排序。危害程度越大，风险越大。

3.3.3 案例分析

以江苏省某大（2）型水库东副坝和溢洪道为例，说明如何应用FMECA法。东副坝为均质土坝，最大坝高17.3m，其典型断面见图3.2。

图3.2 江苏省某水库东副坝典型断面示意图（单位：m）

东副坝与溢洪道是水库枢纽的一级子系统，分别编号为01、02。东副坝二级子系统包括坝顶（0101）、坝体（0102）、坝基和坝肩（0103）、下游坝脚及附近地面（0104）等；溢洪道二级子系统包括引水渠（0201）、控制段（0202）、泄洪渠（0203）。每个二级子系统下都有多个要素。

每个要素都有一种或多种破坏模式。针对每种破坏模式，分析发生的可能性、导致后果的严重性和后果发生的可能性，得到如表3.1～表3.3中所示的分级。根据分级情况，依据表3.4可得到要素的危害程度指标，结果见表3.5。可见，东副坝坝体白蚁危害、坝体管涌破坏、地震作用下的坝坡失稳是危害程度高的破坏模式，溢洪道控制段混凝土边墙砂浆脱落与地震破坏、泄洪渠左浆砌石导流墙因冲刷导致部分坍塌是危害程度高的破坏模式，也是采取工程措施或工程管理中需要认真对待的主要问题。

3.3.4 主要溃坝模式与溃坝路径

3.3.4.1 溃坝原因分析

根据已有溃坝资料和理论分析^［33］，土石坝漫顶主要原因见表3.6，土石坝渗流破坏主要原因见表3.7，土石坝裂缝主要原因见表3.8，土石坝坝坡失稳主要原因见表3.9，拱坝各种破坏或事故模式主要原因见表3.10，重力坝各种破坏或事故模式主要原因见表3.11。

根据溃坝原因分析，可以总结出土石坝、混凝土坝和浆砌石坝主要的溃坝模式与溃坝路径。

3.3.4.2 土石坝主要溃坝模式与溃坝路径

土石坝主要有五大类溃坝模式和24种可能溃坝路径，文献［33］总结如下：

第一类，汛期由于坝顶高程不足、无泄洪设施或泄洪设施泄量不足、上游水库溃坝、近坝库岸滑塌、泄洪设施闸门故障等原因引起洪水漫顶溃坝的路径如下：

（1）洪水—→闸门操作正常—→坝顶高程不足—→不能及时加高坝顶—→漫顶—→冲刷坝体—→干预无效—→溃坝。

（2）洪水—→无泄洪设施或泄洪设施泄量不足—→逼高库水位—→坝顶高程不足—→不能及时加高坝顶—→漫顶—→冲刷坝体—→干预无效—→溃坝。

（3）洪水+上游水库溃坝洪水—→坝顶高程不足—→漫顶—→冲刷坝体—→干预无效—→溃坝。

（4）洪水+持续降雨—→近坝库岸滑塌—→涌浪—→漫顶—→冲刷坝体—→干预无效—→溃坝。

（5）洪水—→部分闸门故障—→逼高库水位—→坝顶高程不足—→不能及时加高坝顶—→漫顶—→冲刷坝体—→干预无效—→溃坝。

（6）洪水—→全部闸门故障—→逼高库水位—→坝顶高程不足—→不能及时加高坝顶—→漫顶—→冲刷坝体—→干预无效—→溃坝。

第二类，汛期由于泄洪设施被冲毁，或上下游坝坡滑坡引起溃坝的路径如下：

（1）洪水—→泄洪设施冲毁—→库水无控制下泄—→冲刷坝体—→干预无效—→溃坝。

（2）洪水—→泄洪设施冲毁—→库水无控制下泄—→上游坝坡滑坡—→干预无效—→溃坝。

（3）洪水—→泄洪设施冲毁—→库水无控制下泄—→回流冲刷下游坝脚—→下游坝坡滑坡—→干预无效—→溃坝。

（4）洪水—→下游坝坡滑坡—→坝顶高程降低—→坝顶高程不足—→漫顶—→冲刷坝体—→干预无效—→溃坝。

（5）洪水—→闸门全部开启—→库水位下降过快—→上游坝坡滑坡—→坝顶高程降低—→坝顶高程不足—→漫顶—→冲刷坝体—→干预无效—→溃坝。

（6）洪水+持续降雨—→上部坝体饱和—→纵向裂缝—→坝体局部失稳—→坝顶高程降低—→干预无效—→溃坝。

第三类，汛期渗透破坏导致溃坝的路径如下：

（1）洪水—→坝基集中渗漏—→管涌—→干预无效—→溃坝。

（2）洪水—→坝体集中渗漏—→管涌—→干预无效—→溃坝。

（3）洪水—→穿坝建筑物与坝体之间发生接触冲刷破坏—→干预无效—→溃坝。

（4）洪水—→坝体深层横向贯穿性裂缝—→集中渗流破坏—→干预无效—→溃坝。

（5）洪水—→下游坝坡大范围散浸—→坝体失稳—→坝顶高程降低—→漫顶—→干预无效—→溃坝。

（6）洪水—→坝体管涌破坏—→坝体失稳—→坝顶高程降低—→漫顶+管涌—→干预无效—→溃坝。

第四类，非汛期渗透破坏导致溃坝的路径如下：

（1）坝体、坝基集中渗漏—→管涌—→干预无效—→溃坝。

（2）穿坝建筑物与坝体之间发生接触冲刷破坏—→干预无效—→溃坝。

（3）坝体管涌破坏—→坝体失稳—→坝顶高程降低—→漫顶+管涌—→干预无效—→溃坝。

第五类，地震导致溃坝的路径如下：

（1）地震—→坝体横向裂缝—→集中渗漏—→干预无效—→溃坝。

（2）地震—→坝体纵向裂缝—→坝坡失稳—→坝顶高程降低—→漫顶—→干预无效—→溃坝。

（3）地震—→坝基或坝体液化—→大坝破坏 （坝顶高程降低、裂缝、滑坡）—→漫顶或管涌—→干预无效—→溃坝。

3.3.4.3 混凝土坝和浆砌石坝主要溃坝模式与溃坝路径

混凝土坝和浆砌石坝主要有如下6种可能溃坝路径：

（1）坝基和两岸岩体破碎、抗冲刷能力差—→特大洪水—→长时间漫顶—→干预无效—→冲毁坝趾基岩—→溃坝。

（2）各类裂缝—→洪水—→裂缝迅速扩展—→干预无效—→溃坝。

（3）防渗帷幕失效或排水孔堵塞—→洪水—→坝基扬压力增大—→重力坝整体失稳—→干预无效—→溃坝。

（4）防渗帷幕失效或排水孔堵塞—→洪水—→坝基扬压力增大—→拱坝拱座失稳—→干预无效—→溃坝。

（5）拱坝拱座存在的软弱夹层、裂隙发育带、断层破碎带处置不当或勘测设计、施工均未发现—→洪水或地震—→拱座变形、坍塌—→干预无效—→溃坝。

（6）拱坝河谷宽阔+两岸边坡平缓+坝体单薄或坝基浅层岩基中存在软弱夹层—→洪水—→沿两岸倾斜坡面发生向下游或上滑失稳—→干预无效—→溃坝。