1、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 ,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: 2,800 TWh/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8587
2、4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19591961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
3、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
4、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
5、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，
6、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：IGCEA,5.12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
7、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,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34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
8、河剖面第一主应 力包络图(MPa),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,大坝集中渗漏监测,4 juli 2019,41,time (hours),head (m),Hc,sand traces (suffusion?),sand boils (non-continuous),sand boils (pipe formati
9、on),clearing process,failure,VWPs - measurements during test 4,Contour plots showing deviation from linear groundwater flow pattern,4 juli 2019,42,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,CFRD,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
10、面板堆石坝CFRD,FOS,Core,土石坝,砂砾石,砂砾石,坝基,2、水下电视系统,美国Benthos公司生产仪器型号Benthos Stingray，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。,溢流堰0+14m处，水下混凝土表面发
11、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。
12、测量精度：10mm,灌滩堰塞湖三维地形效果图（5月28日）,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.
13、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
14、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。,
