孫東亞-大壩安全與應(yīng)急管理-水利學(xué)會-昆明-2010

大壩安全與管理孫東亞水利部防洪抗旱減災(zāi)工程技術(shù)研究中心中國水利水電科學(xué)研究院防洪抗旱減災(zāi)研究所sundy@內(nèi)容背景資料大壩病險(xiǎn)及加固大壩監(jiān)測新技術(shù)應(yīng)急管理水利部減災(zāi)中心中華世紀(jì)壇大壩效益

數(shù)量多，新建工程多壩型多，新壩型多壩高度大病險(xiǎn)水庫多大壩安全及風(fēng)險(xiǎn)管理規(guī)劃，設(shè)計(jì)，施工，運(yùn)行管理監(jiān)測技術(shù)和安全評價(jià)，應(yīng)急管理一、背景資料建壩、病險(xiǎn)壩、潰壩1、一些國家的大壩數(shù)量（大于500座）全球水力發(fā)電:2,800TWh/y≈20%電力相當(dāng)于減少二氧化碳排放量:2.1百萬噸2、我國大壩統(tǒng)計(jì)已建和新建壩病險(xiǎn)水庫大壩潰壩截至2006年底，我國已建成各類水庫85874座（水利部門管轄），總庫容達(dá)5974億m3，其中大型水庫479座、中型水庫3002座。截至2006年底，全國共有病險(xiǎn)水庫30979座，其中大型水庫病險(xiǎn)率為14%，中型水庫病險(xiǎn)率為25%，小型水庫病險(xiǎn)率為36.6%。1954年至2006年之間全國有3498座水庫潰壩。潰壩統(tǒng)計(jì)從統(tǒng)計(jì)分析可以看出，我國歷史上出現(xiàn)了兩個(gè)垮壩高峰，一個(gè)是1960年前后，即1959～1961年間，共計(jì)垮壩507座；另一個(gè)高峰期在1973年前后，僅1973年就有554座壩潰決。按年份統(tǒng)計(jì)潰壩統(tǒng)計(jì)壩高在1020米之間的潰壩數(shù)量最多，幾乎占總潰壩數(shù)的一半其次是壩高小于10m的大壩而高于50米的大壩發(fā)生潰決的很少。潰壩原因統(tǒng)計(jì)漫頂是最主要的原因，占47.85%，其中由超標(biāo)準(zhǔn)洪水導(dǎo)致漫壩破壞的占12.91%，由泄洪能力不足導(dǎo)致潰壩的占34.94%。不同年代，各類原因所導(dǎo)致的潰壩比例有一定的變化。近期，漫頂失事比例增加。二、大壩病險(xiǎn)及加固新技術(shù)層出不窮病險(xiǎn)水庫的主要病險(xiǎn)問題水庫防洪標(biāo)準(zhǔn)低；抗震標(biāo)準(zhǔn)低；大壩穩(wěn)定性差。許多水庫大壩壩體斷面不足、壩坡或壩體抗滑不穩(wěn)定、壩體裂縫等；體、壩基滲漏嚴(yán)重。大壩，尤其是土石壩，存在壩基滲漏、繞壩滲漏、接觸沖刷破壞、散浸、沼澤化、流土、管涌等嚴(yán)重問題；輸、放水及泄洪建筑物老化、破壞較為普遍；金屬結(jié)構(gòu)和機(jī)電設(shè)備不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)；管理設(shè)施、觀測設(shè)備等不完善；水庫淤積、山體滑坡、蟻害等。我國水庫大壩非潰壩事故統(tǒng)計(jì)表

（a）出逸面的細(xì)顆粒遷移圖（b）土體內(nèi)部細(xì)顆粒的遷移圖（c）接觸流土過程土體中的細(xì)顆粒遷移過程滲透破壞防滲除險(xiǎn)加固防滲、排滲和反濾層聯(lián)合應(yīng)用的滲流控制體系；強(qiáng)調(diào)反濾層保護(hù)滲流出口的重要地位；實(shí)踐表明，反濾層運(yùn)行良好的土石壩，滲透穩(wěn)定性一般是能滿足的。振動沉模法施工設(shè)備工藝圖土壩裂縫幾種常見的裂縫示意圖紫坪鋪水利樞紐面板堆石壩，壩高156m，距5.12汶川地震震中約17km，壩址地震烈度10度。護(hù)坡的破壞面板接縫及其附近區(qū)域的破壞土壩震害：裂縫，滑坡，護(hù)坡失穩(wěn)裂縫處理開挖回填灌漿處理套井回填粘土防滲墻土石壩滑坡邊坡移動包括松弛張裂、蠕動、滑動（滑坡）、崩塌、塌滑、傾倒、剝落、流動（如泥石流）等等。壩坡淺層滑動水工混凝土的缺陷裂縫、滲漏、沖刷磨損和氣蝕、剝蝕碳化和鋼筋銹蝕、水質(zhì)侵蝕等；大壩混凝土中的堿骨料問題；大壩混凝土因強(qiáng)度低而產(chǎn)生風(fēng)化剝落問題；某些混凝土大壩局部壩頂異常升高問題，等等混凝土壩裂縫

水工混凝土建筑物缺陷修補(bǔ)

新材料：抗磨蝕材料，水下不分散混凝土，灌漿材料，表面保溫抗裂防護(hù)噴涂材料，納米材料。水工混凝土水下裂縫修補(bǔ)：水下嵌縫材料，水下封堵材料，水下裂縫表面覆蓋材料，水下錨桿錨固劑，水下裂縫化學(xué)灌漿材料。混凝土散裂白蟻危害公元前234年，韓非子的《喻老篇》中寫道千里之堤，以螻蟻之穴潰。后人將它演化為千里之堤，潰于蟻穴。土壩內(nèi)密集營巢，迅速繁殖，菌圃星羅棋布，蟻路四通八達(dá)，有些甚至穿通堤壩的內(nèi)外坡。蟻害除治與預(yù)防破巢除蟻薰殺白蟻灌藥毒殺藥物誘殺做好清基壩面噴灑藥劑后夯實(shí)石灰土壤或鹽堿土壤控制蟻源地蟻源燈光誘殺性激素誘殺利用天敵其它大壩震害引自：IGCEA5.12汶川大地震的孕育模式GPS揭示的中國大陸現(xiàn)代地殼運(yùn)動速度場。龍門山和四川盆地除了在水平方向上發(fā)生大幅度的相向運(yùn)動外，龍門山大幅度上升，其幅度正在測算過程中；四川盆地相對下降，下降幅度在沿龍門山前的安縣、都江堰一帶最大，達(dá)30-60厘米，向東迅速變小，過成都平原之后幾乎就沒有變化。很多大壩，包括四座高度100m以上的壩，位于5.12汶川地震區(qū)，并受到不同程度的破壞。但很多小型土壩則遭到很大破壞，形成險(xiǎn)情。汶川5.12大地震對大壩的危害中國地震局編制碧口粘土心墻堆石壩寶珠寺混凝土重力壩沙排碾壓混凝土壩紫坪鋪面板堆石壩ⅦⅧ三、大壩監(jiān)測新技術(shù)光纖測量技術(shù)，三維激光測量，水下電視新技術(shù)光纖傳感技術(shù)水下電視三維激光測量技術(shù)一般3層，每層3~4測點(diǎn)每點(diǎn)：3、5、7向應(yīng)變計(jì)教科書：應(yīng)力簡單實(shí)際應(yīng)力：復(fù)雜原因：分層施工，溫度變化觀測剖面應(yīng)變計(jì)測點(diǎn)混凝土重力壩景洪重力壩三維仿真計(jì)算第一主應(yīng)力包絡(luò)圖(MPa)應(yīng)變計(jì)有效率較低：儀器埋設(shè)，基準(zhǔn)值取值，自生體積變形，儀器維護(hù)，運(yùn)行期陳村重力壩18壩段順河剖面第一主應(yīng)力包絡(luò)圖(MPa)土石壩工程監(jiān)測位移變形伺服加速度計(jì)電阻應(yīng)變片式測斜儀裂縫及接縫電位器式電感式滲流壓力測壓管振弦式孔隙水壓力計(jì)壓力（應(yīng)力）振弦式鋼筋計(jì)振弦式土壓力計(jì)應(yīng)變計(jì)光纖傳感技術(shù)光纖陀螺面板壩撓度光纖/測縫計(jì)混凝土裂縫接縫開度分布式溫度傳感集中滲漏光纖光柵錨索應(yīng)變混凝土應(yīng)變溫度場1、光纖傳感混凝土面板堆石壩工程面板壩撓度－光纖陀螺應(yīng)變溫度場和滲漏水布埡面板壩工程基于微彎強(qiáng)度調(diào)制光纖傳感器的智能錨索結(jié)構(gòu)基于光纖布喇格光柵傳感器的智能錨索結(jié)構(gòu)光纖0.2mm薄壁鋼管0.3mm薄壁鋼管溫度光柵焊接點(diǎn)應(yīng)變溫度光柵5mm鋼絞線細(xì)鋼管內(nèi)的光纖光纖充填保護(hù)材料5mm鋼絞線

智能錨索系統(tǒng)鋼絞線結(jié)構(gòu)示意圖應(yīng)變儀讀數(shù)（）鋼板彎曲分布應(yīng)變測量試驗(yàn)大壩集中滲漏監(jiān)測06februari202341time(hours)head(m)Hcsandtraces(suffusion?)sandboils(non-continuous)sandboils(pipeformation)clearingprocessfailureVWPs-measurementsduringtest4Contourplotsshowingdeviationfromlineargroundwaterflowpattern06februari202342光纜買入堤基砂層0.1m深左圖：溫度

右圖：應(yīng)變荷蘭堤防現(xiàn)場試驗(yàn)錨索監(jiān)測（錨固力）大壩變形監(jiān)測國外的分布式溫度和應(yīng)變傳感器分別于1999年和2001年安裝在在瑞典的Sadva和Ajuare大壩工程中。應(yīng)變、變形監(jiān)測止水結(jié)構(gòu)砂礫石墊層反濾層面板FOSCFRD光纖傳感技術(shù)在水利水電工程中的應(yīng)用前景面板反濾層趾板混凝土面板堆石壩CFRDFOSFOSCore土石壩砂礫石砂礫石壩基FOS2、水下電視系統(tǒng)美國Benthos公司生產(chǎn)儀器型號BenthosStingray，包括ROV載體（遙控潛器）、船載控制平臺和便攜式遙控板、TV攝象頭、水下照相機(jī)、監(jiān)視器，自動定深系統(tǒng)，平面定位系統(tǒng)，兩個(gè)150瓦的水下探照燈以及配套軟件等。溢洪道混凝土結(jié)構(gòu)整體性混凝土表面剝蝕情況哈爾濱是西泉眼水庫水下10m處，混凝土表面小裂縫，長度1m左右，寬度約3mm水下14.7m處，鋼筋頭周圍混凝土剝蝕較嚴(yán)重，出露骨料粒徑較大水下15.7m處，混凝土表面剝蝕較嚴(yán)重，骨料直徑達(dá)到2cm。裂縫及孔洞溢流堰0+14m處，水下混凝土表面發(fā)現(xiàn)一條小裂縫，同時(shí)伴有麻面以及蜂窩狀骨料脫空現(xiàn)象。水下12m處，混凝土骨料脫空。水下12.7m處，存在一定范圍的混凝土表面脫落層，脫落邊界明顯，并且造成了內(nèi)部混凝土侵蝕與骨料出露。左翼墻0+6m處，水下10m處混凝土存在骨料出露現(xiàn)象。水下11m處，出露骨料粒徑較大，達(dá)到3cm。3、三維激光掃描儀水利部948計(jì)劃引進(jìn)。各種大型的、復(fù)雜的、不規(guī)則的實(shí)景三維數(shù)據(jù)完整地采集到電腦中，從而快速重構(gòu)出目標(biāo)的三維點(diǎn)云模型。它所采集的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)還可進(jìn)行各種后處理工作，如測繪，計(jì)量、分析、仿真、模擬展示監(jiān)測、建立虛擬現(xiàn)實(shí)。垂直方向掃描范圍：0°80°，水平方向掃描范圍：0°360°距離1km。測量精度：10mm灌灘堰塞湖三維地形效果圖（5月28日）導(dǎo)流渠堰塞體水流方向肖家橋堰塞湖三維地形效果圖（5月27日）四、應(yīng)急管理應(yīng)急管理應(yīng)急泄洪應(yīng)急預(yù)案應(yīng)急管理1、應(yīng)急泄洪壩面溢流自潰式溢洪道壩面溢流在世界水利工程發(fā)展史上，土石壩過流技術(shù)以我國為最早；1986年，一些專家曾對我國已建成的30多座過水土石壩的運(yùn)行情況進(jìn)行了調(diào)查，撰寫了調(diào)研報(bào)告，其要點(diǎn)歸納如下（《過水土石壩建設(shè)經(jīng)驗(yàn)匯編》編審組，1988）2、應(yīng)急預(yù)案潰壩模式洪水風(fēng)險(xiǎn)圖應(yīng)急管理（1）潰壩模式潰決機(jī)理潰口發(fā)展過程潰口參數(shù)潰口高度潰口寬度最終潰口形成時(shí)間寬度：Bavg=0.1803K0Vw0.32hb0.19最終潰口形成：

tf=0.00254Vw0.53hb(-0.9)潰壩洪峰流量洪峰流量與水庫庫容的關(guān)系洪峰流量與水庫庫容和壩高乘積的關(guān)系（2）洪水風(fēng)險(xiǎn)圖

洪水到達(dá)時(shí)間；淹沒范圍；淹沒水深；淹沒歷時(shí)；水流速度。（3）應(yīng)急管理潰壩洪水應(yīng)急管理隸屬于各級防辦，但同時(shí)大壩管理部門或業(yè)主也具有一定的責(zé)任。大壩管理部門應(yīng)協(xié)助各級防辦建立預(yù)警系統(tǒng)，制定旨在保護(hù)下游人民生命和生命線的計(jì)劃。即使建立了預(yù)警系統(tǒng)和安全計(jì)劃，大壩管理部門仍有責(zé)任采取各類措施，盡力保證大壩安全。高風(fēng)險(xiǎn)病險(xiǎn)水庫大壩下游的潰壩影響區(qū)，均應(yīng)制定洪水應(yīng)急計(jì)劃和建立預(yù)警系統(tǒng)（3）應(yīng)急管理高風(fēng)險(xiǎn)或有威脅的大壩，主要從三方面評價(jià)：防洪標(biāo)準(zhǔn)和泄洪能力（可能最大洪水？）大壩和主要附屬建筑物安全大壩抗震安全戰(zhàn)爭時(shí)期，對一些大壩，國家所要求制定的應(yīng)急計(jì)劃。大壩管理部門的作用和責(zé)任責(zé)任應(yīng)進(jìn)行經(jīng)常性或定期監(jiān)測資料分析和大壩安全巡查；應(yīng)在第一時(shí)間提供大壩狀態(tài)的準(zhǔn)確信息，通告應(yīng)急管理部門；提供大壩險(xiǎn)情發(fā)展?fàn)顩r的信息，提出預(yù)防措施建議，包括供決策部門向公眾發(fā)布的適當(dāng)信息，決策部門將參考這些資料，決策發(fā)布及時(shí)準(zhǔn)確的預(yù)警信息和實(shí)施人員轉(zhuǎn)移計(jì)劃。大壩安全狀態(tài)進(jìn)行大壩安全評估，識別威脅大壩安全的各類險(xiǎn)情；基于安全評估結(jié)論，采取適當(dāng)?shù)拇胧?，降低大壩失事的潛在風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)施適宜的大壩安全監(jiān)測方法。險(xiǎn)情巡查大壩安全監(jiān)測設(shè)備的監(jiān)測資料分析可作為險(xiǎn)情識別的主要手段；影響大壩的突發(fā)險(xiǎn)情主要通過現(xiàn)場巡查進(jìn)行識別。大壩管理部門的作用和責(zé)任決策根據(jù)咨詢專家意見，制定與大壩安全相關(guān)的各類決策，立即組織實(shí)施應(yīng)急加固或搶險(xiǎn)措施；協(xié)助業(yè)主制定有效的應(yīng)急加固決策，應(yīng)急行動計(jì)劃包括：物料來源，設(shè)備，人員和工程技術(shù)經(jīng)驗(yàn)。物料源包括粘土，砂，塊石，碎石，土袋，水泥，塑料板材，等等。通告向應(yīng)急管理部門提供最初的影響大壩安全的問題通告；在出現(xiàn)大壩安全險(xiǎn)情的情況下，按照應(yīng)急行動計(jì)劃，連續(xù)不斷地報(bào)告大壩安全狀況。通訊系統(tǒng)掌握和實(shí)時(shí)更新各相關(guān)方的辦公和移動通信電話。突發(fā)事件和險(xiǎn)情大壩安全應(yīng)急計(jì)劃突發(fā)事件強(qiáng)降雨/洪水－暴風(fēng)雨－地震－其它險(xiǎn)情（漫頂，波浪破壞，裂縫，滑動，結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，滑坡，坍塌，滲流量增加或新的滲水點(diǎn)，管涌，其它異常情況）警惕可能的險(xiǎn)情發(fā)展，在極端事件情況下保持高度警覺，洞察大壩的異常反應(yīng)。在應(yīng)急反應(yīng)行動階段，滿足安全需求。實(shí)施應(yīng)急反應(yīng)計(jì)劃內(nèi)的相關(guān)措施。嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)破壞大壩安全應(yīng)急計(jì)劃日常檢查中是否發(fā)現(xiàn)土壩位移，滑坡，內(nèi)部或外部侵蝕？是否出現(xiàn)大壩失事的跡象？如不確定，要保持警覺。牢記一旦發(fā)生嚴(yán)重險(xiǎn)情，大壩可能會很快失事！評價(jià)大壩破壞的范圍，告速應(yīng)急反應(yīng)人員是否存在不可控的泄洪情況！是對各項(xiàng)行動記進(jìn)行記錄。立即聯(lián)系應(yīng)急反應(yīng)指揮機(jī)構(gòu)，咨詢專家，當(dāng)?shù)卣?。記錄相關(guān)事件（事件，照片，通告，視頻，通話記錄），保持聯(lián)系。如安全條件許可，啟動搶險(xiǎn)加固措施。否強(qiáng)降雨或暴風(fēng)雨事件大壩安全應(yīng)急計(jì)劃監(jiān)測天氣，波浪作用和庫水上升速度檢查波浪破壞、漫頂、結(jié)構(gòu)破壞情況。檢查滑坡和塌陷情況等。降雨是否會使溢洪道溢流？是是是否否否降雨是否會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞？溢洪道能否滿足泄洪要求？水位距壩頂?shù)木嚯x小于30cm并繼續(xù)上升，聯(lián)系應(yīng)急反應(yīng)各方，提高警惕。檢查溢洪道是否有阻水險(xiǎn)情，若有，實(shí)施清障！立即聯(lián)系防辦，咨詢專家，當(dāng)?shù)卣?。如?/p>