水工建筑物管理資料

水工建筑物管理資料第一頁，共36頁。第十一章水工建筑物管理10.1概述10.2大壩安全10.3水工建筑物監(jiān)測10.5水工建筑物維修本章的主要內(nèi)容：10.4大壩安全評價與監(jiān)控第二頁，共36頁。10.1概述

1991年國務(wù)院頒布《水庫大壩安全管理條例》規(guī)定，“必須按照有關(guān)技術(shù)標準，對大壩進行安全監(jiān)測和檢查”，并指出，“大壩包括永久性擋水建筑物以及與其配合運用的泄洪、輸水和過船建筑物等”。這里的“大壩”，實際上是指包括大壩在內(nèi)的各種水工建筑物。在國際上“大壩”一詞，有時也具有“水庫”、“水利樞紐”、“攔河壩”等綜合性含義。主要工作：

第三頁，共36頁。

（1）檢查與觀測

通過觀察和測驗，掌握其變化規(guī)律，為有效管理提供科學(xué)依據(jù)；及時發(fā)現(xiàn)不正常跡象，采取正確措施，防止事故發(fā)生，保證安全運用；通過原型觀測，對設(shè)計的計算方法和計算數(shù)據(jù)進行驗證；根據(jù)水質(zhì)變化做出動態(tài)水質(zhì)預(yù)報。檢查觀測：觀察、變形、滲流、應(yīng)力、溫度、水流、冰情、泥沙、岸坡崩塌、庫區(qū)浸沒觀測、抗震監(jiān)測、隱患探測、河流觀測以及觀測資料的整編及分析。第四頁，共36頁。

（2）養(yǎng)護修理

對水工建筑物、機電設(shè)備、管理設(shè)施以及其他附屬工程等進行經(jīng)常性養(yǎng)護，并定期檢修，以保持工程完整，設(shè)備完好。養(yǎng)護修理為：經(jīng)常性的養(yǎng)護維修、歲修和搶修。（3）調(diào)度運用制訂調(diào)度運用方案，合理安排除害與興利的關(guān)系，綜合利用水資源，充分發(fā)揮工程效益，確保工程安全。第五頁，共36頁。

（4）管理自動化系統(tǒng)的運用

主要有：大壩安全自動監(jiān)控系統(tǒng)，防洪調(diào)度自動化系統(tǒng)，調(diào)度通信和警報系統(tǒng)，供水調(diào)度自動化系統(tǒng)。（5）科研

保障安全、提高社會經(jīng)濟效益、延長使用年限、降低運行費及在采用新技術(shù)、新材料、新工藝等方面進行試驗研究。（6）積累、分析、應(yīng)用技術(shù)資料，建立技術(shù)檔案

依據(jù)：《中華人民共和國水法》，國務(wù)院關(guān)于大壩安全管理條例、規(guī)范。第六頁，共36頁。10.2大壩安全

●自49年以來，已建成壩84837座（1997年）。1980年全國普查，年平均垮壩率為0.17％，近期世界大壩為0.2％～0.4％?！駠H大壩委員會（ICOLD）的統(tǒng)計，1950年前失事率為2.2％，1951～1986為0.5％，1986年前的總失事率為1.2％。美國在20世紀70年代，垮壩數(shù)量也很驚人，經(jīng)過采取措施，到1980年垮壩率已降到0.2％。我國近幾年垮壩率也在降低。第七頁，共36頁。

●大壩失事和發(fā)生事故的主要原因有：（1）設(shè)計：理論和方法還不夠完善，設(shè)計假定和計算結(jié)果與實際情況還難以吻合。（2）施工：可能出現(xiàn)與設(shè)計不符的情況及質(zhì)量問題，留下隱患與缺陷。（3）環(huán)境因素及壩體、壩基自身條件在運用中可能發(fā)生的不利變化，建筑物材料老化（開裂、沖蝕、腐蝕、風(fēng)化等）。（4）自然災(zāi)害：大洪水、地震、滑坡、泥石流、雪崩、上游垮壩等。第八頁，共36頁。

●壩齡：大壩在建成后的初期和老齡化后，最容易出現(xiàn)問題。根據(jù)對世界大壩的統(tǒng)計資料，在蓄水后幾年內(nèi)發(fā)生失事的大壩幾乎占總失事大壩數(shù)的60%。前蘇聯(lián)有人研究認為約占66％。國際水利學(xué)研究協(xié)會（IAHR）主席在1983年統(tǒng)計的14700座大壩中，有1105座失事破壞，其中，蓄水前5年內(nèi)失事與5年后失事之比為1.27：1。在我國的垮壩統(tǒng)計中也有類似的結(jié)論。第九頁，共36頁。

●大壩的壽命曲線可分為初期運行、正常運行和老化期三個階段（圖12–l）。P512由于材料老化，混凝土受寒暑交替、氣候變化影響，地下水浸蝕，泥沙等作用，其強度和穩(wěn)定將會逐漸降低，同時附屬設(shè)施等也會出現(xiàn)老化現(xiàn)象，這就需要及時補強、修繕和更新，以免大壩出現(xiàn)失事的嚴重后果（圖12–2）。大壩工作狀況惡化問題在國際上也日益突出，已引起許多國家重視。第九屆國際大壩會議（1967年）專門討論了堤壩老化課題，1973年成立了大壩醫(yī)學(xué)委員會，研究堤壩監(jiān)測和報警，總結(jié)堤壩事故后果及教訓(xùn)。以后又改名為壩和水庫惡化研究會。第十頁，共36頁。一、現(xiàn)場檢查

■經(jīng)常檢查：一種經(jīng)常性、巡回性的制度式檢查，一般一個月l～2次；

■特別檢查：指發(fā)現(xiàn)建筑物有破壞、故障、對安全有疑慮時組織的專門性檢查。10.3水工建筑物監(jiān)測

■定期檢查：需要一定的組織形式，進行較全面的檢查，如每年大汛前后的檢查；第十一頁，共36頁。二、儀器監(jiān)測（一）變形觀測1．水平位移觀測

正垂線法：上端固定在壩頂附近，下端用重錘張緊鋼絲，可測各測點的相對位移。倒垂線法：將不銹鋼絲錨固在壩體基巖深處，頂端自由，借液體對浮子的浮力將鋼絲拉緊，可測各測點的絕對位移。（1）垂線法

視準線法是在兩岸穩(wěn)固岸坡上便于觀測處設(shè)置工作基點，在壩頂和壩坡上布置測點，利用工作基點間的視準線來測量壩體表面各測點的水平位移。（2）視準線法第十二頁，共36頁。

引張線法是在壩內(nèi)不同高程的廊道內(nèi)，通過設(shè)在壩體外兩岸穩(wěn)固巖體上的工作基點，將不銹鋼絲拉緊，以其作為基準線來測量各點的水平位移。（3）引張線法

激光準直法分為大氣激光準直法和真空激光準直法。前者又可分為激光經(jīng)緯儀法和波帶板法兩種。（4）激光準直法三角網(wǎng)法是利用兩個或三個已知坐標的點作為工作基點，通過對測點交會算出其坐標變化，從而確定其位移值（見圖12–2）。P514（5）三角網(wǎng)法第十三頁，共36頁。2．鉛直位移（沉降）觀測

對混凝土壩壩內(nèi)的鉛直位移，除精密視準法外，還可用精密連通管法量測。

土石壩的固結(jié)觀測，實質(zhì)上也是一種鉛直位移觀測。它是在壩體有代表性的斷面（觀測斷面）內(nèi)埋設(shè)橫梁式固結(jié)管、深式標點組、電磁式沉降計或水管式沉降計，通過逐層測量各測點的高程變化計算固結(jié)量。土石壩的孔隙水壓力觀測應(yīng)與固結(jié)觀測配合布置，用于了解壩體的固結(jié)程度和孔隙水壓力的分布及消散情況，以便合理安排施工進度，核算壩坡的穩(wěn)定性。第十四頁，共36頁。（二）接縫、裂縫觀測

觀測方法是在測點處埋設(shè)金屬標點或用測縫計進行。需要觀測空間變化時，亦可埋設(shè)“三向標點”，如圖12–4所示。由于非正常情況所產(chǎn)生的裂縫，其分布、長度、寬度、深度的測量可根據(jù)不同情況采用測縫計、設(shè)標點、千分表、探傷儀以至坑探、槽探或鉆孔等方法。當土石壩的裂縫寬度大于5mm，或雖不足5mm，但較長、較深或穿過壩軸線的，以及弧形裂縫、垂直裂縫等都須進行觀測。觀測次數(shù)視裂縫發(fā)展情況而定。第十五頁，共36頁。（三）應(yīng)力、應(yīng)變和溫度觀測

1．應(yīng)力、應(yīng)變觀測

在混凝土建筑物內(nèi)設(shè)置。

我國大壩安全監(jiān)測經(jīng)驗表明：應(yīng)力、應(yīng)變觀測比位移觀測更易于發(fā)現(xiàn)大壩異常的先兆。

●重力壩：常選擇一個溢流壩段和一個非溢流壩段，對重要工程和地質(zhì)條件復(fù)雜的工程還應(yīng)增加觀測壩段。

●拱壩：一般選擇拱冠處的懸臂梁和拱座斷面。

●土石壩：常選擇1~2個橫斷面作為觀測斷面，在每個觀測斷面的不同高程上布置2~3排測點，測點分布在不同填筑材料區(qū)。所用儀器為土壓計。第十六頁，共36頁。2．溫度觀測

溫度觀測：壩體內(nèi)部溫度、邊界溫度和基巖溫度觀測。

●在水閘的邊墩、翼墻、底板等土與混凝土建筑物接觸處，也常需量測土壓力。

●混凝土面板壩的面板應(yīng)力觀測，一般選擇居于河床中部、1/4處及靠岸坡等有代表性的面板，其中應(yīng)包含長度最大的面板。第十七頁，共36頁。（四）滲流觀測1．土石壩的滲流觀測據(jù)國內(nèi)外統(tǒng)計，因滲流引起大壩出現(xiàn)事故或失事的約占40％。

（1）浸潤線觀測。實際上就是用測壓管觀測壩體內(nèi)各測點的滲流水位。（2）滲流量觀測。將滲水集中到排水溝中采用容積法、量水堰或測流速方法進行測量。常用量水堰法。（3）壩基、土石壩兩岸或連接混凝土建筑物的土石壩壩體的繞流觀測方法與以上所述基本相同。（4）滲水透明度觀測。為了判斷排水設(shè)施的工作情況，檢驗有無發(fā)生管涌的征兆，對滲水應(yīng)進行透明度觀測。（5）壩體孔隙水壓力觀測。第十八頁，共36頁。2．混凝土建筑物的滲流觀測

●壩基揚壓力觀測多用測壓管，也可采用差動電阻式滲壓計?！駶B流量和繞壩滲流的觀測方法與土壩相同。第十九頁，共36頁。（五）水流觀測

水位、流速、流向、流量、流態(tài)、水躍和水面線等，一般用水文測驗的方法進行測量，輔以攝影、目測、描繪和描述，參見《測流規(guī)范》。對于由高速水流所引起的水工建筑物振動、空蝕、進氣量、過水面壓力分布等項目的觀測部位、觀測方法、觀測設(shè)備等，參見《高速水流原型觀測手冊》。三、觀測布置實例

【日】喜撰山壩，是一座抽水蓄能電站上池心墻土石壩，最大壩高H=91m。由于壩較高，庫水位變化急劇、頻繁，所以布置了很多觀測設(shè)備。第二十頁，共36頁。一、大壩定期檢查內(nèi)容1.現(xiàn)場檢查

現(xiàn)場檢查包括對壩體、壩基、壩肩以及對大壩安全有重大影響的近壩岸坡和其他與大壩安全有直接聯(lián)系的建筑物等進行巡視檢查。對混凝土壩、土石壩、泄洪建筑物和近壩庫區(qū)檢查的部位和重點各不相同。10.4大壩安全評價與監(jiān)控

根據(jù)《水電站大壩安全管理辦法》要對大壩定期檢查，主要是進行現(xiàn)場檢查和對大壩設(shè)計、施工和運行進行復(fù)查、評價，評估大壩所處的工作狀態(tài)類型（正常狀態(tài)、異常狀態(tài)及險情狀態(tài)），據(jù)此向主管單位提交大壩安全鑒定報告。第二十一頁，共36頁。2.對設(shè)計、施工及運行的復(fù)查與評價

①復(fù)查勘測設(shè)計數(shù)據(jù)與資料；②復(fù)查設(shè)計標準、結(jié)構(gòu)設(shè)計、水力設(shè)計、壩基處理設(shè)計等，考查其是否符合新近的設(shè)計方法和標準及客觀條件的情況；③復(fù)查運行設(shè)計的安全可靠性及非常情況大壩安全設(shè)計，包括放空水庫設(shè)計、泄洪能力數(shù)據(jù)等；④復(fù)查大壩維修和改建設(shè)計，分析其對大壩安全的作用。⑴設(shè)計復(fù)查內(nèi)容第二十二頁，共36頁。

①復(fù)查地基處理、壩體修筑、隱藏工程的施工資料；②復(fù)查由施工質(zhì)量問題所造成的大壩弱點及隱患，評價它們對大壩安全的影響。⑵施工復(fù)查內(nèi)容

①復(fù)查水庫第一次蓄水的原始記錄和分析成果；②復(fù)查運行期的觀測資料和分析成果，了解大壩維修和改善的歷史過程和現(xiàn)狀，評價大壩的實際工作性態(tài)。⑶運行復(fù)查內(nèi)容：第二十三頁，共36頁。二、評價方法

目前常用的是綜合評價安全系數(shù)和風(fēng)險分析等方法。國際大壩委員會曾建議一個危險狀況評價表（表12–2）。第二十四頁，共36頁。三、監(jiān)控方法

通過現(xiàn)場觀測及數(shù)據(jù)處理得到大壩性態(tài)（如滲水量、位移、應(yīng)力）的實測值E0，以其與監(jiān)控模型求得的預(yù)測值Ec進行比較（圖12–6），若E0-EC＝R小于容許值t，屬正常，否則，屬：①大壩性態(tài)異常；②荷載或結(jié)構(gòu)條件變化；③觀測系統(tǒng)不正常，此刻都需要采取措施或找出原因。這個過程的實現(xiàn)需要建立一整套觀測與分析系統(tǒng)。這個系統(tǒng)能夠在微機輔助下，實現(xiàn)大壩觀測數(shù)據(jù)自動采集、處理、分析與計算，能對大壩性態(tài)正常與否作出初步判斷和分級報警的觀測。這種自動化的觀測系統(tǒng)是保證大壩安全的重要手段，與人工觀測系統(tǒng)相比，具有：①快速、及時、多樣、反復(fù)比較；②可靠性大；③費用低等特點。典型的監(jiān)控系統(tǒng)（拱壩）如圖12–7所示。第二十五頁，共36頁。圖12–6大壩安全監(jiān)控框圖第二十六頁，共36頁。第二十七頁，共36頁。四、監(jiān)控模型1.數(shù)學(xué)模型

根據(jù)正常運行狀態(tài)下某一效應(yīng)量（如位移）的實測數(shù)據(jù)通過統(tǒng)計分析建立起來的效應(yīng)量與原因量之間相互關(guān)系的數(shù)學(xué)模型。只要原因量（如水位、溫度）在運行變化范圍內(nèi)，則可預(yù)測今后相應(yīng)關(guān)系的效應(yīng)量?；貧w分析是建立統(tǒng)計數(shù)學(xué)模型的一種主要方法。統(tǒng)計模型建立后，將模型取得的解析值與實測值進行比較，即可獲得大壩工作性態(tài)的有效信息（圖12–8）。圖中t為時間，Q為滲流量，T為溫度，H為水位，R為雨量，δ為位移，σ為應(yīng)力。⑴統(tǒng)計模型第二十八頁，共36頁。

是以水工設(shè)計理論為基礎(chǔ)，依據(jù)大壩的環(huán)境條件、受荷狀況、結(jié)構(gòu)特性、建筑物及壩基材料的物理力學(xué)參數(shù)演繹計算，并結(jié)合實測值的信息反饋，對計算假定和參數(shù)進行調(diào)整后建立起來的原因量與效應(yīng)量之間的因果關(guān)系式。它代表大壩及壩基在正常運行狀態(tài)下效應(yīng)量的變化規(guī)律。使用這一模型可以預(yù)測以后某一時刻在某一環(huán)境和荷載條件（如水位、溫度）下的某一效應(yīng)量（如位移）。當在同種條件下某一效應(yīng)量的實測值與模型預(yù)報值之差，處于容許的范圍之內(nèi)時，則認為該部位處于正常狀態(tài)，否則為不正常。一般可按三維有限元法分析計算，其工作流程如圖12–9所示。⑵確定性模型第二十九頁，共36頁。

如：溫度分量用統(tǒng)計模型，水位分量用確定性模型建立起來的一種數(shù)學(xué)模型。⑶混合模型2.數(shù)據(jù)庫

例，一座混凝土壩的安全監(jiān)測數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，需要有一個儀器觀測數(shù)據(jù)庫(壩體變形、溫度、接縫、基巖變形、應(yīng)力及應(yīng)變、揚壓力等分庫)和工程情況庫(上、下水位、氣溫及水溫、閘門、發(fā)電鋼管等分庫)。應(yīng)用軟件能夠?qū)Υ髩斡^測數(shù)據(jù)的各類數(shù)據(jù)庫文件進行管理。第三十頁，共36頁。一、水工建筑物的養(yǎng)護養(yǎng)重于修，修重于搶。發(fā)現(xiàn)問題，及時處理。（1）土石壩

壩頂、壩坡應(yīng)保持整齊清潔，填塞壩面的裂縫、洞穴和局部下陷處，防止排水設(shè)施淤塞，及時修復(fù)因波浪而掀起的塊石護坡等。10.4水工建筑物維修（2）混凝土及鋼筋混凝土建筑物

填塞混凝土裂縫，處理疏松或遭侵蝕的混凝土，隨時填滿分縫止水瀝青井中的瀝青，放水前清除消力池中的雜物，保持排水系統(tǒng)通暢等。第三十一頁，共36頁。

（3）鋼結(jié)構(gòu)

定期除銹、涂油漆，檢查鉚釘、螺栓是否松動，焊縫附近是否變形。閘門應(yīng)定期啟動，以防止泥沙淤積，橡皮止水如有硬化應(yīng)及時更換。

（4）木結(jié)構(gòu)

應(yīng)盡量保持干燥，定期涂油漆或瀝青進行防腐處理，對個別損壞構(gòu)件應(yīng)及時更換等。

（5）啟閉機械和動力設(shè)備的維護

應(yīng)有防塵、防潮設(shè)施，經(jīng)