孙东亚-大坝安全与应急管理-水利学会-昆明-2010

大坝安全与管理孙东亚水利部防洪抗旱减灾工程技术研究中心中国水利水电科学研究院防洪抗旱减灾研究所sundy@内容背景资料大坝病险及加固大坝监测新技术应急管理水利部减灾中心中华世纪坛大坝效益

数量多，新建工程多坝型多，新坝型多坝高度大病险水库多大坝安全及风险管理规划，设计，施工，运行管理监测技术和安全评价，应急管理一、背景资料建坝、病险坝、溃坝1、一些国家的大坝数量（大于500座）全球水力发电:2,800TWh/y≈20%电力相当于减少二氧化碳排放量:2.1百万吨2、我国大坝统计已建和新建坝病险水库大坝溃坝截至2006年底，我国已建成各类水库85874座（水利部门管辖），总库容达5974亿m3，其中大型水库479座、中型水库3002座。截至2006年底，全国共有病险水库30979座，其中大型水库病险率为14%，中型水库病险率为25%，小型水库病险率为36.6%。1954年至2006年之间全国有3498座水库溃坝。溃坝统计从统计分析可以看出，我国历史上出现了两个垮坝高峰，一个是1960年前后，即1959～1961年间，共计垮坝507座；另一个高峰期在1973年前后，仅1973年就有554座坝溃决。按年份统计溃坝统计坝高在1020米之间的溃坝数量最多，几乎占总溃坝数的一半其次是坝高小于10m的大坝而高于50米的大坝发生溃决的很少。溃坝原因统计漫顶是最主要的原因，占47.85%，其中由超标准洪水导致漫坝破坏的占12.91%，由泄洪能力不足导致溃坝的占34.94%。不同年代，各类原因所导致的溃坝比例有一定的变化。近期，漫顶失事比例增加。二、大坝病险及加固新技术层出不穷病险水库的主要病险问题水库防洪标准低；抗震标准低；大坝稳定性差。许多水库大坝坝体断面不足、坝坡或坝体抗滑不稳定、坝体裂缝等；体、坝基渗漏严重。大坝，尤其是土石坝，存在坝基渗漏、绕坝渗漏、接触冲刷破坏、散浸、沼泽化、流土、管涌等严重问题；输、放水及泄洪建筑物老化、破坏较为普遍；金属结构和机电设备不能正常运转；管理设施、观测设备等不完善；水库淤积、山体滑坡、蚁害等。我国水库大坝非溃坝事故统计表

（a）出逸面的细颗粒迁移图（b）土体内部细颗粒的迁移图（c）接触流土过程土体中的细颗粒迁移过程渗透破坏防渗除险加固防渗、排渗和反滤层联合应用的渗流控制体系；强调反滤层保护渗流出口的重要地位；实践表明，反滤层运行良好的土石坝，渗透稳定性一般是能满足的。振动沉模法施工设备工艺图土坝裂缝几种常见的裂缝示意图紫坪铺水利枢纽面板堆石坝，坝高156m，距5.12汶川地震震中约17km，坝址地震烈度10度。护坡的破坏面板接缝及其附近区域的破坏土坝震害：裂缝，滑坡，护坡失稳裂缝处理开挖回填灌浆处理套井回填粘土防渗墙土石坝滑坡边坡移动包括松弛张裂、蠕动、滑动（滑坡）、崩塌、塌滑、倾倒、剥落、流动（如泥石流）等等。坝坡浅层滑动水工混凝土的缺陷裂缝、渗漏、冲刷磨损和气蚀、剥蚀碳化和钢筋锈蚀、水质侵蚀等；大坝混凝土中的碱骨料问题；大坝混凝土因强度低而产生风化剥落问题；某些混凝土大坝局部坝顶异常升高问题，等等混凝土坝裂缝

水工混凝土建筑物缺陷修补

新材料：抗磨蚀材料，水下不分散混凝土，灌浆材料，表面保温抗裂防护喷涂材料，纳米材料。水工混凝土水下裂缝修补：水下嵌缝材料，水下封堵材料，水下裂缝表面覆盖材料，水下锚杆锚固剂，水下裂缝化学灌浆材料。混凝土散裂白蚁危害公元前234年，韩非子的《喻老篇》中写道千里之堤，以蝼蚁之穴溃。后人将它演化为千里之堤，溃于蚁穴。土坝内密集营巢，迅速繁殖，菌圃星罗棋布，蚁路四通八达，有些甚至穿通堤坝的内外坡。蚁害除治与预防破巢除蚁薰杀白蚁灌药毒杀药物诱杀做好清基坝面喷洒药剂后夯实石灰土壤或盐碱土壤控制蚁源地蚁源灯光诱杀性激素诱杀利用天敌其它大坝震害引自：IGCEA5.12汶川大地震的孕育模式GPS揭示的中国大陆现代地壳运动速度场。龙门山和四川盆地除了在水平方向上发生大幅度的相向运动外，龙门山大幅度上升，其幅度正在测算过程中；四川盆地相对下降，下降幅度在沿龙门山前的安县、都江堰一带最大，达30-60厘米，向东迅速变小，过成都平原之后几乎就没有变化。很多大坝，包括四座高度100m以上的坝，位于5.12汶川地震区，并受到不同程度的破坏。但很多小型土坝则遭到很大破坏，形成险情。汶川5.12大地震对大坝的危害中国地震局编制碧口粘土心墙堆石坝宝珠寺混凝土重力坝沙排碾压混凝土坝紫坪铺面板堆石坝ⅦⅧ三、大坝监测新技术光纤测量技术，三维激光测量，水下电视新技术光纤传感技术水下电视三维激光测量技术一般3层，每层3~4测点每点：3、5、7向应变计教科书：应力简单实际应力：复杂原因：分层施工，温度变化观测剖面应变计测点混凝土重力坝景洪重力坝三维仿真计算第一主应力包络图(MPa)应变计有效率较低：仪器埋设，基准值取值，自生体积变形，仪器维护，运行期陈村重力坝18坝段顺河剖面第一主应力包络图(MPa)土石坝工程监测位移变形伺服加速度计电阻应变片式测斜仪裂缝及接缝电位器式电感式渗流压力测压管振弦式孔隙水压力计压力（应力）振弦式钢筋计振弦式土压力计应变计光纤传感技术光纤陀螺面板坝挠度光纤/测缝计混凝土裂缝接缝开度分布式温度传感集中渗漏光纤光栅锚索应变混凝土应变温度场1、光纤传感混凝土面板堆石坝工程面板坝挠度－光纤陀螺应变温度场和渗漏水布垭面板坝工程基于微弯强度调制光纤传感器的智能锚索结构基于光纤布喇格光栅传感器的智能锚索结构光纤0.2mm薄壁钢管0.3mm薄壁钢管温度光栅焊接点应变温度光栅5mm钢绞线细钢管内的光纤光纤充填保护材料5mm钢绞线

智能锚索系统钢绞线结构示意图应变仪读数（）钢板弯曲分布应变测量试验大坝集中渗漏监测06februari202341time(hours)head(m)Hcsandtraces(suffusion?)sandboils(non-continuous)sandboils(pipeformation)clearingprocessfailureVWPs-measurementsduringtest4Contourplotsshowingdeviationfromlineargroundwaterflowpattern06februari202342光缆买入堤基砂层0.1m深左图：温度

右图：应变荷兰堤防现场试验锚索监测（锚固力）大坝变形监测国外的分布式温度和应变传感器分别于1999年和2001年安装在在瑞典的Sadva和Ajuare大坝工程中。应变、变形监测止水结构砂砾石垫层反滤层面板FOSCFRD光纤传感技术在水利水电工程中的应用前景面板反滤层趾板混凝土面板堆石坝CFRDFOSFOSCore土石坝砂砾石砂砾石坝基FOS2、水下电视系统美国Benthos公司生产仪器型号BenthosStingray，包括ROV载体（遥控潜器）、船载控制平台和便携式遥控板、TV摄象头、水下照相机、监视器，自动定深系统，平面定位系统，两个150瓦的水下探照灯以及配套软件等。溢洪道混凝土结构整体性混凝土表面剥蚀情况哈尔滨是西泉眼水库水下10m处，混凝土表面小裂缝，长度1m左右，宽度约3mm水下14.7m处，钢筋头周围混凝土剥蚀较严重，出露骨料粒径较大水下15.7m处，混凝土表面剥蚀较严重，骨料直径达到2cm。裂缝及孔洞溢流堰0+14m处，水下混凝土表面发现一条小裂缝，同时伴有麻面以及蜂窝状骨料脱空现象。水下12m处，混凝土骨料脱空。水下12.7m处，存在一定范围的混凝土表面脱落层，脱落边界明显，并且造成了内部混凝土侵蚀与骨料出露。左翼墙0+6m处，水下10m处混凝土存在骨料出露现象。水下11m处，出露骨料粒径较大，达到3cm。3、三维激光扫描仪水利部948计划引进。各种大型的、复杂的、不规则的实景三维数据完整地采集到电脑中，从而快速重构出目标的三维点云模型。它所采集的三维点云数据还可进行各种后处理工作，如测绘，计量、分析、仿真、模拟展示监测、建立虚拟现实。垂直方向扫描范围：0°80°，水平方向扫描范围：0°360°距离1km。测量精度：10mm灌滩堰塞湖三维地形效果图（5月28日）导流渠堰塞体水流方向肖家桥堰塞湖三维地形效果图（5月27日）四、应急管理应急管理应急泄洪应急预案应急管理1、应急泄洪坝面溢流自溃式溢洪道坝面溢流在世界水利工程发展史上，土石坝过流技术以我国为最早；1986年，一些专家曾对我国已建成的30多座过水土石坝的运行情况进行了调查，撰写了调研报告，其要点归纳如下（《过水土石坝建设经验汇编》编审组，1988）2、应急预案溃坝模式洪水风险图应急管理（1）溃坝模式溃决机理溃口发展过程溃口参数溃口高度溃口宽度最终溃口形成时间宽度：Bavg=0.1803K0Vw0.32hb0.19最终溃口形成：

tf=0.00254Vw0.53hb(-0.9)溃坝洪峰流量洪峰流量与水库库容的关系洪峰流量与水库库容和坝高乘积的关系（2）洪水风险图

洪水到达时间；淹没范围；淹没水深；淹没历时；水流速度。（3）应急管理溃坝洪水应急管理隶属于各级防办，但同时大坝管理部门或业主也具有一定的责任。大坝管理部门应协助各级防办建立预警系统，制定旨在保护下游人民生命和生命线的计划。即使建立了预警系统和安全计划，大坝管理部门仍有责任采取各类措施，尽力保证大坝安全。高风险病险水库大坝下游的溃坝影响区，均应制定洪水应急计划和建立预警系统（3）应急管理高风险或有威胁的大坝，主要从三方面评价：防洪标准和泄洪能力（可能最大洪水？）大坝和主要附属建筑物安全大坝抗震安全战争时期，对一些大坝，国家所要求制定的应急计划。大坝管理部门的作用和责任责任应进行经常性或定期监测资料分析和大坝安全巡查；应在第一时间提供大坝状态的准确信息，通告应急管理部门；提供大坝险情发展状况的信息，提出预防措施建议，包括供决策部门向公众发布的适当信息，决策部门将参考这些资料，决策发布及时准确的预警信息和实施人员转移计划。大坝安全状态进行大坝安全评估，识别威胁大坝安全的各类险情；基于安全评估结论，采取适当的措施，降低大坝失事的潜在风险，实施适宜的大坝安全监测方法。险情巡查大坝安全监测设备的监测资料分析可作为险情识别的主要手段；影响大坝的突发险情主要通过现场巡查进行识别。大坝管理部门的作用和责任决策根据咨询专家意见，制定与大坝安全相关的各类决策，立即组织实施应急加固或抢险措施；协助业主制定有效的应急加固决策，应急行动计划包括：物料来源，设备，人员和工程技术经验。物料源包括粘土，砂，块石，碎石，土袋，水泥，塑料板材，等等。通告向应急管理部门提供最初的影响大坝安全的问题通告；在出现大坝安全险情的情况下，按照应急行动计划，连续不断地报告大坝安全状况。通讯系统掌握和实时更新各相关方的办公和移动通信电话。突发事件和险情大坝安全应急计划突发事件强降雨/洪水－暴风雨－地震－其它险情（漫顶，波浪破坏，裂缝，滑动，结构失稳，滑坡，坍塌，渗流量增加或新的渗水点，管涌，其它异常情况）警惕可能的险情发展，在极端事件情况下保持高度警觉，洞察大坝的异常反应。在应急反应行动阶段，满足安全需求。实施应急反应计划内的相关措施。严重的结构破坏大坝安全应急计划日常检查中是否发现土坝位移，滑坡，内部或外部侵蚀？是否出现大坝失事的迹象？如不确定，要保持警觉。牢记一旦发生严重险情，大坝可能会很快失事！评价大坝破坏的范围，告速应急反应人员是否存在不可控的泄洪情况！是对各项行动记进行记录。立即联系应急反应指挥机构，咨询专家，当地政府。记录相关事件（事件，照片，通告，视频，通话记录），保持联系。如安全条件许可，启动抢险加固措施。否强降雨或暴风雨事件大坝安全应急计划监测天气，波浪作用和库水上升速度检查波浪破坏、漫顶、结构破坏情况。检查滑坡和塌陷情况等。降雨是否会使溢洪道溢流？是是是否否否降雨是否会导致结构破坏？溢洪道能否满足泄洪要求？水位距坝顶的距离小于30cm并继续上升，联系应急反应各方，提高警惕。检查溢洪道是否有阻水险情，若有，实施清障！立即联系防办，咨询专家，当地政府。如安