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1、水工建筑物课件,水利水电工程系李守义2013年3月,第十一章 水工建筑物管理,10.1概述,10.2大坝安全,10.3水工建筑物监测,10.5水工建筑物维修,本章的主要内容：,10.4大坝安全评价与监控,10.1 概述,1991年国务院颁布水库大坝安全管理条例规定，“必须按照有关技术标准，对大坝进行安全监测和检查”，并指出，“大坝包括永久性挡水建筑物以及与其配合运用的泄洪、输水和过船建筑物等”。这里的“大坝”，实际上是指包括大坝在内的各种水工建筑物。在国际上“大坝”一词，有时也具有“水库”、“水利枢纽”、“拦河坝”等综合性含义。主要工作：,（1）检查与观测 通过观察和测验，掌握其变化规律，为有
2、效管理提供科学依据；及时发现不正常迹象，采取正确措施，防止事故发生，保证安全运用；通过原型观测，对设计的计算方法和计算数据进行验证；根据水质变化做出动态水质预报。检查观测：观察、变形、渗流、应力、温度、水流、冰情、泥沙、岸坡崩塌、库区浸没观测、抗震监测、隐患探测、河流观测以及观测资料的整编及分析。,（2）养护修理,对水工建筑物、机电设备、管理设施以及其他附属工程等进行经常性养护，并定期检修，以保持工程完整，设备完好。养护修理为：经常性的养护维修、岁修和抢修。（3）调度运用 制订调度运用方案，合理安排除害与兴利的关系，综合利用水资源，充分发挥工程效益，确保工程安全。,（4）管理自动化系统的运用,
3、主要有：大坝安全自动监控系统，防洪调度自动化系统，调度通信和警报系统，供水调度自动化系统。,（5）科研,保障安全、提高社会经济效益、延长使用年限、降低运行费及在采用新技术、新材料、新工艺等方面进行试验研究。,（6）积累、分析、应用技术资料，建立技术档案,依据：中华人民共和国水法，国务院关于大坝安全管理条例、规范。,10.2 大坝安全,自49年以来，已建成坝84837座（1997年）。1980年全国普查，年平均垮坝率为0.17，近期世界大坝为0.20.4。国际大坝委员会（ICOLD）的统计，1950年前失事率为2.2，19511986为0.5，1986年前的总失事率为1.2。美国在20世纪70年
4、代，垮坝数量也很惊人，经过采取措施，到1980年垮坝率已降到0.2。我国近几年垮坝率也在降低。,大坝失事和发生事故的主要原因有：（1）设计：理论和方法还不够完善，设计假定和计算结果与实际情况还难以吻合。（2）施工：可能出现与设计不符的情况及质量问题，留下隐患与缺陷。（3）环境因素及坝体、坝基自身条件在运用中可能发生的不利变化，建筑物材料老化（开裂、冲蚀、腐蚀、风化等）。（4）自然灾害：大洪水、地震、滑坡、泥石流、雪崩、上游垮坝等。,坝龄：大坝在建成后的初期和老龄化后，最容易出现问题。根据对世界大坝的统计资料，在蓄水后几年内发生失事的大坝几乎占总失事大坝数的60%。前苏联有人研究认为约占66。国
5、际水利学研究协会（IAHR）主席在1983年统计的14700座大坝中，有1105座失事破坏，其中，蓄水前5年内失事与5年后失事之比为1.27：1。在我国的垮坝统计中也有类似的结论。,大坝的寿命曲线可分为初期运行、正常运行和老化期三个阶段（图12l）。P512 由于材料老化，混凝土受寒暑交替、气候变化影响，地下水浸蚀，泥沙等作用，其强度和稳定将会逐渐降低，同时附属设施等也会出现老化现象，这就需要及时补强、修缮和更新，以免大坝出现失事的严重后果（图122）。大坝工作状况恶化问题在国际上也日益突出，已引起许多国家重视。第九届国际大坝会议（1967年）专门讨论了堤坝老化课题，1973年成立了大坝医学委
6、员会，研究堤坝监测和报警，总结堤坝事故后果及教训。以后又改名为坝和水库恶化研究会。,一、现场检查,经常检查：一种经常性、巡回性的制度式检查，一般一个月l2次；,特别检查：指发现建筑物有破坏、故障、对安全有疑虑时组织的专门性检查。,10.3 水工建筑物监测,定期检查：需要一定的组织形式，进行较全面的检查，如每年大汛前后的检查；,二、仪器监测,（一）变形观测,1水平位移观测,正垂线法：上端固定在坝顶附近，下端用重锤张紧钢丝，可测各测点的相对位移。倒垂线法：将不锈钢丝锚固在坝体基岩深处，顶端自由，借液体对浮子的浮力将钢丝拉紧，可测各测点的绝对位移。,（1）垂线法,视准线法是在两岸稳固岸坡上便于观测处
7、设置工作基点，在坝顶和坝坡上布置测点，利用工作基点间的视准线来测量坝体表面各测点的水平位移。,（2）视准线法,引张线法是在坝内不同高程的廊道内，通过设在坝体外两岸稳固岩体上的工作基点，将不锈钢丝拉紧，以其作为基准线来测量各点的水平位移。,（3）引张线法,激光准直法分为大气激光准直法和真空激光准直法。前者又可分为激光经纬仪法和波带板法两种。,（4）激光准直法,三角网法是利用两个或三个已知坐标的点作为工作基点，通过对测点交会算出其坐标变化，从而确定其位移值（见图122）。P514,（5）三角网法,2铅直位移（沉降）观测,对混凝土坝坝内的铅直位移，除精密视准法外，还可用精密连通管法量测。,土石坝的固
8、结观测，实质上也是一种铅直位移观测。它是在坝体有代表性的断面（观测断面）内埋设横梁式固结管、深式标点组、电磁式沉降计或水管式沉降计，通过逐层测量各测点的高程变化计算固结量。土石坝的孔隙水压力观测应与固结观测配合布置，用于了解坝体的固结程度和孔隙水压力的分布及消散情况，以便合理安排施工进度，核算坝坡的稳定性。,（二）接缝、裂缝观测,观测方法是在测点处埋设金属标点或用测缝计进行。需要观测空间变化时，亦可埋设“三向标点”，如图124所示。由于非正常情况所产生的裂缝，其分布、长度、宽度、深度的测量可根据不同情况采用测缝计、设标点、千分表、探伤仪以至坑探、槽探或钻孔等方法。当土石坝的裂缝宽度大于5mm，
9、或虽不足5mm，但较长、较深或穿过坝轴线的，以及弧形裂缝、垂直裂缝等都须进行观测。观测次数视裂缝发展情况而定。,（三）应力、应变和温度观测,1应力、应变观测,在混凝土建筑物内设置。,我国大坝安全监测经验表明：应力、应变观测比位移观测更易于发现大坝异常的先兆。,重力坝：常选择一个溢流坝段和一个非溢流坝段，对重要工程和地质条件复杂的工程还应增加观测坝段。,拱坝：一般选择拱冠处的悬臂梁和拱座断面。,土石坝：常选择12个横断面作为观测断面，在每个观测断面的不同高程上布置23排测点，测点分布在不同填筑材料区。所用仪器为土压计。,2温度观测,温度观测：坝体内部温度、边界温度和基岩温度观测。,在水闸的边墩、
10、翼墙、底板等土与混凝土建筑物接触处，也常需量测土压力。,混凝土面板坝的面板应力观测，一般选择居于河床中部、1/4处及靠岸坡等有代表性的面板，其中应包含长度最大的面板。,（四）渗流观测,1土石坝的渗流观测,据国内外统计，因渗流引起大坝出现事故或失事的约占40。,（1）浸润线观测。实际上就是用测压管观测坝体内各测点的渗流水位。（2）渗流量观测。将渗水集中到排水沟中采用容积法、量水堰或测流速方法进行测量。常用量水堰法。（3）坝基、土石坝两岸或连接混凝土建筑物的土石坝坝体的绕流观测方法与以上所述基本相同。（4）渗水透明度观测。为了判断排水设施的工作情况，检验有无发生管涌的征兆，对渗水应进行透明度观测。
11、（5）坝体孔隙水压力观测。,2混凝土建筑物的渗流观测,坝基扬压力观测多用测压管，也可采用差动电阻式渗压计。渗流量和绕坝渗流的观测方法与土坝相同。,（五）水流观测,水位、流速、流向、流量、流态、水跃和水面线等，一般用水文测验的方法进行测量，辅以摄影、目测、描绘和描述，参见测流规范。对于由高速水流所引起的水工建筑物振动、空蚀、进气量、过水面压力分布等项目的观测部位、观测方法、观测设备等，参见高速水流原型观测手册。,三、观测布置实例,【日】喜撰山坝，是一座抽水蓄能电站上池心墙土石坝，最大坝高H=91m。由于坝较高，库水位变化急剧、频繁，所以布置了很多观测设备。,一、大坝定期检查内容,1.现场检查,现
12、场检查包括对坝体、坝基、坝肩以及对大坝安全有重大影响的近坝岸坡和其他与大坝安全有直接联系的建筑物等进行巡视检查。对混凝土坝、土石坝、泄洪建筑物和近坝库区检查的部位和重点各不相同。,10.4 大坝安全评价与监控,根据水电站大坝安全管理办法要对大坝定期检查，主要是进行现场检查和对大坝设计、施工和运行进行复查、评价，评估大坝所处的工作状态类型（正常状态、异常状态及险情状态），据此向主管单位提交大坝安全鉴定报告。,2.对设计、施工及运行的复查与评价,复查勘测设计数据与资料；复查设计标准、结构设计、水力设计、坝基处理设计等，考查其是否符合新近的设计方法和标准及客观条件的情况；复查运行设计的安全可靠性及非
13、常情况大坝安全设计，包括放空水库设计、泄洪能力数据等；复查大坝维修和改建设计，分析其对大坝安全的作用。,设计复查内容,复查地基处理、坝体修筑、隐藏工程的施工资料；复查由施工质量问题所造成的大坝弱点及隐患，评价它们对大坝安全的影响。,施工复查内容,复查水库第一次蓄水的原始记录和分析成果；复查运行期的观测资料和分析成果，了解大坝维修和改善的历史过程和现状，评价大坝的实际工作性态。,运行复查内容：,二、评价方法,目前常用的是综合评价安全系数和风险分析等方法。国际大坝委员会曾建议一个危险状况评价表（表122）。,三、监控方法,通过现场观测及数据处理得到大坝性态（如渗水量、位移、应力）的实测值E0，以其
14、与监控模型求得的预测值Ec进行比较（图126），若E0-ECR小于容许值t，属正常，否则，属：大坝性态异常；荷载或结构条件变化；观测系统不正常，此刻都需要采取措施或找出原因。这个过程的实现需要建立一整套观测与分析系统。这个系统能够在微机辅助下，实现大坝观测数据自动采集、处理、分析与计算，能对大坝性态正常与否作出初步判断和分级报警的观测。这种自动化的观测系统是保证大坝安全的重要手段，与人工观测系统相比，具有：快速、及时、多样、反复比较；可靠性大；费用低等特点。典型的监控系统（拱坝）如图127所示。,图126 大坝安全监控框图,四、监控模型,1.数学模型,根据正常运行状态下某一效应量（如位移）的实
15、测数据通过统计分析建立起来的效应量与原因量之间相互关系的数学模型。只要原因量（如水位、温度）在运行变化范围内，则可预测今后相应关系的效应量。回归分析是建立统计数学模型的一种主要方法。统计模型建立后，将模型取得的解析值与实测值进行比较，即可获得大坝工作性态的有效信息（图128）。图中t为时间，Q为渗流量，T为温度，H为水位，R为雨量，为位移，为应力。,统计模型,是以水工设计理论为基础，依据大坝的环境条件、受荷状况、结构特性、建筑物及坝基材料的物理力学参数演绎计算，并结合实测值的信息反馈，对计算假定和参数进行调整后建立起来的原因量与效应量之间的因果关系式。它代表大坝及坝基在正常运行状态下效应量的变
16、化规律。使用这一模型可以预测以后某一时刻在某一环境和荷载条件（如水位、温度）下的某一效应量（如位移）。当在同种条件下某一效应量的实测值与模型预报值之差，处于容许的范围之内时，则认为该部位处于正常状态，否则为不正常。一般可按三维有限元法分析计算，其工作流程如图129所示。,确定性模型,如：温度分量用统计模型，水位分量用确定性模型建立起来的一种数学模型。,混合模型,2.数据库,例，一座混凝土坝的安全监测数据库系统，需要有一个仪器观测数据库(坝体变形、温度、接缝、基岩变形、应力及应变、扬压力等分库)和工程情况库(上、下水位、气温及水温、闸门、发电钢管等分库)。应用软件能够对大坝观测数据的各类数据库文
17、件进行管理。,一、水工建筑物的养护 养重于修，修重于抢。发现问题，及时处理。,（1）土石坝,坝顶、坝坡应保持整齐清洁，填塞坝面的裂缝、洞穴和局部下陷处，防止排水设施淤塞，及时修复因波浪而掀起的块石护坡等。,10.4 水工建筑物维修,（2）混凝土及钢筋混凝土建筑物,填塞混凝土裂缝，处理疏松或遭侵蚀的混凝土，随时填满分缝止水沥青井中的沥青，放水前清除消力池中的杂物，保持排水系统通畅等。,（3）钢结构 定期除锈、涂油漆，检查铆钉、螺栓是否松动，焊缝附近是否变形。闸门应定期启动，以防止泥沙淤积，橡皮止水如有硬化应及时更换。（4）木结构 应尽量保持干燥，定期涂油漆或沥青进行防腐处理，对个别损坏构件应及时
18、更换等。（5）启闭机械和动力设备的维护 应有防尘、防潮设施，经常保持清洁，定期检修；轴承、齿轮、滑轮等转动部分应定期加润滑油，如有损坏应及时修补或更换。,（6）对北方寒冷地区的建筑物还要防止冰冻 对建筑物的破坏等。,二、土坝的维修,包括：裂缝处理、滑坡处理、渗漏和管涌处理等，可参见第五章及有关专著。,1.裂缝处理,（1）表面涂抹可减少裂缝渗漏，但只能用于非流水表面的堵缝截漏。贴补就是用胶粘剂把橡皮、玻璃布等粘贴在裂缝部位的混凝土表面上，主要用于修补对结构物强度没有影响的裂缝，特别用于修补伸缩缝及温度缝。,三、混凝土及钢筋混凝土建筑物的维修,沿缝凿一深槽，槽内嵌填各种防水材料(如环氧砂浆、沥青油膏、干硬性砂浆、聚氯乙烯胶泥等)，以防止内水外渗或外水内渗，主要用于修理对结构物强度没有影响的裂缝。,（2）齿槽嵌补,对于贯穿性裂缝或在水下不便于采取其他措施的裂缝宜采用灌浆法处理。当缝宽0.10.2mm时，多采用水泥灌浆；当裂缝0.10.2mm时，应采用化学灌浆。化学灌浆有：水玻璃、铬木素、丙凝、丙强、聚胺脂、甲凝、环氧树脂等，后两种多用于补强加固灌浆。,（3）灌浆处理,2.表面缺陷的修补,破坏深度不大，挖掉，填混凝土或用水泥喷浆、喷水泥砂浆。修补厚度l0cm时，喷混凝土，或压浆法修补。过水表面，为提高抗冲能力，可用混凝土真空作业法。环氧材料修补。,本章结束,
