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1、水库大坝安全保障关键技术研究与应用,张建云二一四年十月 天津,中国水利学会2014年学术年会,汇报提纲,一 项目背景二 主要技术成果与意义三 突出创新点与科学发现四 学术产出与评价五 成果应用与综合效益六 结语,一 项目背景,一 项目背景重要性,水库多、病险多，水库大坝工程安全问题突出我国现有各类水库大坝98002座，不可避免存在工程质量问题多建于上世纪50-70年代，技术限制、年久失修，病险率高新中国成立以来，我国已溃决大坝3525座，给人民生命财产带来巨大损失,一 项目背景 重要性,大坝安全管理相对薄弱：,水库大坝信息管理体系尚不完善大坝病险规律与溃坝机理认识不深 大坝安全监测、评估与预警
2、亟需加强大坝风险评估和风险管理相对薄弱病险水库除险加固决策和方案有待优化,一 项目背景 重要性,科技部、水利部作为“十一五”国家科技支撑计划重大项目立项开展协同攻关研究,一 项目背景 研究内容,风险管理 战略层,降低风险 关键措施层,支持技术层,课题7：水库大坝风险标准和风险管理研究,课题4：病险水库除险加固关键技术研究,课题5：水库大坝风险控制非工程措施研究,课题6：水库大坝安全信息监测及预测预警技术研究,课题1：病险水库和溃坝数据库基础平台,课题2：溃坝试验和模拟技术研究,课题3：基于风险的大坝安全评价方法体系研究,溃坝与洪水,大坝风险,除险决策,应急对策,项目牵头单位： 南京水利科学研究
3、院项目参加单位： 中国水利水电科学研究院 河海大学 长江科学院 黄河水利科学研究院 长江勘测规划设计研究院 南京大学 中国人民解放军理工大学 华北水利水电学院 武汉大学 江苏南大先腾信息产业有限公司 江苏省溧阳市沙河水库管理处 杭州市青山水库管理处,一 项目背景 成果完成单位,二 主要技术成果与意义,1. 建立了全国水库大坝基础数据以及病险与除险加固、溃坝数据全系列全要素数据库，为大坝病险研究和大坝安全管理奠定了坚实的资料基础,水库大坝基础数据(8.6万余座)病险水库数据(7000余座)除险加固数据(6240座)水库溃坝记录(3525座),成果一：水库大坝病险与溃坝规律研究,四大类、全系列、全
4、要素数据库,数据种类最全、数据系列最长的大坝数据库,2. 建立和规范了水库大坝信息采集与信息管理体制机制，为水库大坝信息化管理奠定了坚实基础,编制了水利工程建设与管理数据库表结构及标识符，即将颁布实施,成果一：水库大坝病险与溃坝规律研究,3. 系统挖掘了病险水库成因及演变机理，建立了大坝老化评估模型和评价指标体系，为病险水库处置方案制定提供科学基础,病险水库分布规律大坝病害特征和成因大坝老化评估指标体系大坝老化度模型大坝老化技术经济关系模型（4个阶段）,成果一：水库大坝病险与溃坝规律研究,4. 深入剖析和揭示了水库溃坝机理和发展过程，构建了溃坝特征统计模型,溃坝统计特征：,成果一：水库大坝病险
5、与溃坝规律研究,溃口形状、溃坝水深、溃坝历时、溃口深度、溃口宽度,溃口深度、溃口宽度、溃口流量与坝高统计模型,溃坝特征参数统计模型：,1. 开展了56组室内溃坝模型试验，获得了土石坝溃决的基本现象和规律，为现场实体溃坝试验方案确定和实施提供了坚实基础,成果二：溃坝试验和模拟技术研究,非粘性材料土坝漫顶溃决,粘性材料土坝漫顶溃决,不同粒径不同坝坡坡度不同溃口位置不同压实度不同含水量,2. 创建了国内外试验坝高最高的实体溃坝试验场，开展了5组漫顶溃坝和2组管涌溃坝实体试验，真实地反演了土石坝溃决的全息过程,最大坝高 9.7m坝体材料 C 值范围 6.539.5kPa,最大坝高 6m坝体材料 C 值
6、范围 0.94.9kPa,最大坝高：9.7m总库容：10万m3坝长：120m顶宽：3.0mC 值范围：6.539.5kPa,成果二：溃坝试验和模拟技术研究,本项目试验坝：,欧盟IMPACT项目：,3. 研发了实体溃坝试验多要素、大尺度溃坝动态测量系统，攻克了记录高流速下水下坝体变形监测的技术难题,溃口流速：ADV+雷达测速仪库水位下降：水位压力传感器洪水演进：高分辨率CCD+水尺溃口纵向下切：自主发明监测传感器溃口横向扩展：CCD图像分析技术,测桥及ADV、CCD,埋入式现场溃坝试验计时仪,溃坝测试系统,成果二：溃坝试验和模拟技术研究,溃坝动态测试系统,4. 实体溃坝试验发现了一些在实验室试验
7、中未能发现的现象，得到了一些重要的与原有溃坝理论不同的新认识，这些重要科学发现，完善和丰富了溃坝理论和模拟方法,二级跌坎,冲坑下游水流继续加速，大于起动流速,跌坎合并示意图,成果二：溃坝试验和模拟技术研究,（1）提出坝体冲刷形成两级陡坎、陡坎合并和陡坎刷深的 “剪剥式”冲蚀过程的新认识,（2）揭示了坝顶双螺旋流淘刷机理,当水流漫顶形成冲蚀溃口后，溃口水流具有强三维特征，溃口两侧形成双螺旋流，加剧了溃口横向扩展,成果二：溃坝试验和模拟技术研究,（3）发现了溃口边坡间歇性失稳坍塌规律,粘粒含量较大的土坝溃口边坡将发生倾倒破坏，而粘粒含量较小的土坝溃口边坡将发生剪切破坏,倾倒破坏示意图,剪切破坏示意
8、图,F3倾倒破坏,F2剪切破坏,成果二：溃坝试验和模拟技术研究,5. 基于坝体材料综合抗冲能力分析，提出了“陡坎”移动速率公式，建立了坝体下切速率与“陡坎”移动速率预测模型,“陡坎”移动速率预测公式,坝体纵向下切速率预测公式,该公式模拟精度明显高于国内外已见土石坝漫顶溃口预测模型,成果二：溃坝试验和模拟技术研究,6. 首次从漫顶溃坝机理出发，获得了土石坝漫顶溃坝过程的两个重要模型相似准则，为溃坝模型试验规范制定提供科学依据,溃口流量过程实测与模型预测对比图,堤坝漫顶溃决时间比尺,“跌坎”移动速率相似比尺,成果二：溃坝试验和模拟技术研究,基于实时监控信息的大坝运行风险评价体系,成果三：基于风险的
9、大坝安全评价技术,1. 提出了基于模糊贴近度的溃坝模式识别方法和溃坝路径挖掘层次分析方法，建立了基于实时大坝安全监控信息的大坝运行风险分析模型,2. 构建了溃坝综合评估模型及综合评估系统,成果三：基于风险的大坝安全评价技术,1. 基于优先排序决策方法和灰色关联决策理论，创建了水库除险加固“优先排序关联决策方案优化量化评价”全过程的决策方法和评价模型, 在病险水库除险加固工程规划和实施中发挥了重要指导作用,成果四：病险水库除险加固关键技术,群坝除险加固优先排序决策方法除险加固技术方案的灰色关联决策模型基于风险的除险加固方案优化方法基于加速遗传算子的除险加固效果量化评价模型,浮式拱围堰示意图,2.
10、 研发了水库除险加固新技术新方法，在除险加固中得到较好的应用。,气动抛投散粒料示意图,新型材料试验场全貌,浮式拱围堰干场施工综合方案气动抛投散粒体地洞堵水技术寒区坝面保温与防渗新型材料,浮式拱围堰示意图,成果四：病险水库除险加固关键技术,1. 提出了水库突发事件应急预案有效性评价方法，建立了突发事件应急组织体系与应急预案运行机制， 推动国家水库大坝的应急管理,成果五：水库大坝风险控制非工程措施,应急预案有效性评价方法流程图,2. 建立了水库应急调度模型，开发了应急调度决策支持系统,系统功能,风险区概况,特征断面,历史洪水,水库河道特性曲线,溃坝洪水计算,二维洪水演进,淹没区域选择,图层控制,大
11、断面水位过程,水面线计算,淹没范围,淹没水深,淹没损失,应急调度考虑因素：,成果五：水库大坝风险控制非工程措施,上游水情、工程险情、下游风险及承受能力等,洪水预报调度、大坝安全实时评估、下游洪灾风险分析、调度方案评价与优化、应急会商决策、信息服务,应急调度决策支持系统功能：,参数设置,区域概况,水流计算,风险分析,灾情信息,3. 构建了水库降等与报废决策指标体系，提出了水库降等与报废判别准则，编制颁布了水库降等与报废标准，已在广西卡马等水库处置中应用，强化了水库大坝的科学管理,成果五：水库大坝风险控制非工程措施,4. 分析了拆坝生态环境影响及其时空关系，建立了拆坝生态环境影响与修复评价指标体系
12、与网络层次分析模型, 推动了我国拆坝生态环境的保护工作,水库报废影响的层次分析示意图,成果五：水库大坝风险控制非工程措施,1. 改进了电阻率成像仪和地层地温测量仪的数据解析方法，提出了多种异常体的高密度电法典型图谱，提高了隐患探测的可靠性,成果六：大坝安全监测与预警技术,不考虑首蓄因子的水平位移预测模型,2. 改进了大坝安全监控预测模型，研发了基于人工智能技术的大坝安全综合分析推理系统,改进模型考虑因素：冻胀因子首蓄因子水位变化对温度影响,考虑首蓄因子的水平位移预测模型,大坝安全综合分析推理系统,成果六：大坝安全监测与预警技术,3. 提出了突发事件预警因子及阈值的确定方法、预警等级划分标准及预
13、警模式，建立了突发事件预警决策支持技术体系,溃坝突发事件预警阈值确定流程图,开始,确定大坝溃坝模式,Zi(i=1,n)溃坝洪水计算,洪水演进分析,洪水淹没图,估计溃坝损失L,n,绘制Z-L关系曲线,由L(i=1,2,3,4)查找Z-L关系曲线,结束,溃坝水位与损失关系曲线推求,对应四级损失的四个特征水位值Zi(i=1,2,3,4)，即为溃坝四级预警阙值,成果六：大坝安全监测与预警技术,溃坝,1.基于熵权系数法和模糊数学分析法，建立了溃坝风险承受能力评价指标体系和评价模型,成果七：大坝风险标准与风险管理,风险承受能力概化模型：5大要素、23个评价指标下游居民风险承受能力综合评价模型,风险承受能力
14、指标体系与权重,2. 揭示了大坝风险标准的地域性、时变性与社会性特点,1954-1980年：东中西部溃坝生命损失很高，中部最高1981-2000年：东中西部溃坝生命损失大幅度下降，西部较小2001-2006年：东中部溃坝生命损失为零，西部地区大幅下降,地域分布和时变的形似性东中西部的区别不断缩小现阶段年均溃坝概率很低,成果七：大坝风险标准与风险管理,3. 建立了溃坝社会与环境影响度量体系和模糊综合评价方法,成果七：大坝风险标准与风险管理,溃坝的社会影响评价指标体系,成果七：大坝风险标准与风险管理,溃坝的环境影响评价指标体系,隶属函数：结合偏小型降半梯形分布和偏大型升半梯形分布隶属函数进行评判综
15、合风险分级综合决策向量 B = AR综合模糊评判：根据最大隶属度原则，找出B 向量中分量最大者，其相对应的评价集中的评语即为模糊综合评判的结果,成果七：大坝风险标准与风险管理,模糊综合评价方法,4. 编制了水库大坝风险等级划分标准并颁布实施,生命风险定量分级标准 经济风险定量分级标准 社会与环境风险定量分级标准,生命风险定量分级标准,经济风险定量分级标准,社会与环境风险定量分级标准,成果七：大坝风险标准与风险管理,三 突出创新点与科学发现,1. 创建了国内外试验坝高最高的实体溃坝试验场，开展了7次实体溃坝试验： 2. 发现了土石坝溃决过程中的新现象，获得了土石坝溃决过程的新认识，揭示了土石坝溃
16、决的新机理3. 建立了土石坝漫顶溃决模型相似准则和溃口发展预测方法, 完善和丰富了溃坝理论和模拟方法,创新点一：溃坝试验与模拟技术,试验坝体世界最高（9.7m）试验难度大（坝体材料 C 值范围 6.539.5kPa）监测系统先进（全要素、多尺度、高精度）,“剪剥式”冲蚀“双螺旋流”淘刷 溃口边坡间歇性失稳坍塌,1. 首次研发建设了大坝基础数据、病险与除险加固、溃坝数据等全系列、全要素的全国水库大坝数据库 2. 建立健全了水库大坝信息采集与信息管理体制机制，规范了水库大坝信息管理 3. 系统挖掘了病险水库成因及演变机理，科学指导了全国病险水库除险加固方案的制定和实施 4. 构建了溃坝特征统计模型
17、，揭示了我国溃坝事件时空特征和规律,创新点二：大坝数据及数据挖掘,1. 首次构建了个人风险承受能力概化模型，建立了中国水库大坝风险标准体系，编制了水库大坝风险等级划分标准、水库大坝风险评估导则2. 创建了病险水库除险加固“优先排序关联决策方案优化效果量化评价”全过程决策方法和评价模型3. 提出了水库降等与报废判别准则，建立了水库报废拆坝生态环境影响与修复网络层次分析模型，编制颁布了水库降等与报废标准,创新点三：大坝风险管理,提出了大坝隐患典型图谱及数据解析新方法研发了大坝安全监测数据可靠性识别和安全监控预测新模型，以及基于人工智能技术的大坝安全综合分析推理系统首次提出了水库大坝突发事件预警等级
18、划分标准，建立了水库大坝突发事件预警体系,创新点四 ：大坝安全监测与预警,四 学术产出与评价,技术专利,（1）获得国家发明专利 7 项， 另有6 项申请受理中,技术专利,（2）实用新型专利 11 项,技术专利,（3）研制软件系统17 套，其中已获得软件著作权 12项,（1）编制行业标准、指南19项，其中6项已发布实施,技术标准规范,（2）4项水利部规范性文件颁布实施,技术标准规范,专著译著,编著专（译）著 13 部，其中已出版专著8部、译著2部,发表学术论文 315篇，其中SCI检索 43篇、EI检索 87篇,论文发表,鉴定意见（2014.3.13）,具有突出创新性整体达到国际领先水平具有广泛
19、的推广应用前景,五 成果应用与综合效益,行业管理应用：,推广应用,4项水利部文件印发，8项行业技术规范颁布，提高水库大坝安全管理能力，增强了预防和抗御水库病险和溃坝灾害的能力，为公共安全及政府决策提供可靠的科技支撑,世界银行,应用证明,国际组织,本项目研究提出的降等报废评价指标体系和方法、风险评价和风险管理理论、病险水库除险加固技术等得到应用，取得良好的效果。,流域机构和地方水行政管理部门,长委河北省江苏省浙江省安徽省江西省海南省四川省云南省青海省,推广应用,东北勘测设计院,昆明勘测设计院,设计单位,推广应用,水库水电站管理单位黄河水利水电开发总公司小浪底水利枢纽工程丹江口水利枢纽工程三亚大隆
20、水利工程臧木水电站,推广应用,综合效益,安全效益 为大坝安全提供全方位技术保障、减少溃坝生命和财产损失社会效益 提供有效监控手段和重要技术支撑促进行业技术管理水平支持经济社会可持续发展经济效益 降低管理与防范成本，提高管理与防范效率优化经济社会资源，提高资金使用效率，降低资源与经济成本环境效益 水库安全与高效运行可产生巨大的环境保护和生态效应,六 结束语,行业科技进步的贡献,通过十多单位百余专家近5年的协同攻关研究，本项目取得了一些重要的科学发现，建立了评价模型和体系，丰富和发展了水库大坝病险、损伤、溃决的分析理论和模拟技术，全面提升了水库大坝安全监测、诊断评估、预测预警、应急处置和风险管理的技术水平。该项研究已颁布施行10项行业技术标准和管理文件，促进了大坝风险管理理念与实践的有机融合，完善和丰富了水库大坝安全管理技术体系，全面推动了水库大坝安全的科学化、规范化、现代化管理。,行业科技进步的贡献,我国是世界水库最多的国家，9万多水库多建于上世纪50-70年代，由于当时技术和经济等条件限制和年久失修，水库大坝病险多，工程安全问题突出，虽经近年国家进行多期除险加固，但水库大坝安全问题仍需高度重视，相关科学问题亦需深入研究。,谢 谢！,敬请批评指正,
