水工建筑物課件

西安理工大學水利水電學院水利水電工程系教研室2007年1月第十一章水工建筑物管理10.1概述10.2大壩安全10.3水工建筑物監測10.5水工建筑物維修本章的主要內容：10.4大壩安全評價與監控10.1概述

1991年國務院頒布《水庫大壩安全管理條例》規定，“必須按照有關技術標準，對大壩進行安全監測和檢查”，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：

（1）檢查與觀測

通過觀察和測驗，掌握其變化規律，為有效管理提供科學依據；及時發現不正常跡象，采取正確措施，防止事故發生，保證安全運用；通過原型觀測，對設計的計算方法和計算數據進行驗證；根據水質變化做出動態水質預報。檢查觀測：觀察、變形、滲流、應力、溫度、水流、冰情、泥沙、岸坡崩塌、庫區浸沒觀測、抗震監測、隱患探測、河流觀測以及觀測資料的整編及分析。

（2）養護修理

對水工建筑物、機電設備、管理設施以及其他附屬工程等進行經常性養護，并定期檢修，以保持工程完整，設備完好。養護修理為：經常性的養護維修、歲修和搶修。（3）調度運用制訂調度運用方案，合理安排除害與興利的關系，綜合利用水資源，充分發揮工程效益，確保工程安全。

（4）管理自動化系統的運用

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

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

依據：《中華人民共和國水法》，國務院關于大壩安全管理條例、規范。第十一章水工建筑物管理10.1概述10.2大壩安全10.3水工建筑物監測10.5水工建筑物維修本章的主要內容：10.4大壩安全評價與監控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，垮壩數量也很驚人，經過采取措施，到1980年垮壩率已降到0.2％。我國近幾年垮壩率也在降低。

●大壩失事和發生事故的主要原因有：（1）設計：理論和方法還不夠完善，設計假定和計算結果與實際情況還難以吻合。（2）施工：可能出現與設計不符的情況及質量問題，留下隱患與缺陷。（3）環境及壩體、壩基自身條件：在運用中可能發生的不利變化，建筑物材料老化（開裂、沖蝕、腐蝕、風化等）。（4）自然災害：大洪水、地震、滑坡、泥石流、雪崩、上游垮壩等。

●壩齡：大壩在建成后的初期和老齡化后，最容易出現問題。根據對世界大壩的統計資料，在蓄水后幾年內發生失事的大壩幾乎占總失事大壩數的60%。前蘇聯有人研究認為約占66％。國際水利學研究協會（IAHR）主席在1983年統計的14700座大壩中，有1105座失事破壞，其中，蓄水前5年內失事與5年后失事之比為1.27：1。在我國的垮壩統計中也有類似的結論。●大壩的壽命命曲線可分為為初期運行、、正常運行和老老化期三個階階段（圖12–l）。由于材料老化化，混凝土受受寒暑交替、、氣候變化影影響，地下水水浸蝕，泥沙沙等作用，其其強度和穩定定將會逐漸降降低，同時附附屬設施等也也會出現老化化現象，這就就需要及時補補強、修繕和和更新，以免免大壩出現失失事的嚴重后后果（圖12–2）。大壩工作狀況況惡化問題在在國際上也日日益突出，已已引起許多國國家重視。第第九屆國際大大壩會議（1967年））專門討論了了堤壩老化課課題，1973年成立了了大壩醫學委委員會，研究究堤壩監測和和報警，總結結堤壩事故后后果及教訓。。以后又改名名為壩和水庫庫惡化研究會會。第十一一章水水工工建筑筑物管管理10.1概概述10.2大大壩安安全10.3水工建建筑物物監測測10.5水水工建建筑物物維修修本章的的主要要內容容：10.4大大壩安安全評評價與與監控控一、現現場檢檢查■經常常檢查查：一一種經經常性性、巡巡回性性的制制度式式檢查查，一一般一一個月月l～～2次次；■特別別檢查查：指指發現現建筑筑物有有破壞壞、故故障、、對安安全有有疑慮慮時組組織的的專門門性檢檢查。。10.3水水工工建筑筑物監監測■定期期檢查查：需需要一一定的的組織織形式式，進進行較較全面面的檢檢查，，如每每年大大汛前前后的的檢查查；二、儀儀器監監測（一）變變形觀觀測1．水水平位位移觀觀測正垂線線法：：上端端固定定在壩壩頂附附近，，下端端用重重錘張張緊鋼鋼絲，，可測測各測測點的的相對對位移移。倒垂線線法：：將不不銹鋼鋼絲錨錨固在在壩體體基巖巖深處處，頂頂端自自由，，借液液體對對浮子子的浮浮力將將鋼絲絲拉緊緊，可可測各各測點點的絕絕對位位移。（1））垂線線法視準線線法是是在兩兩岸穩穩固岸岸坡上上便于于觀測測處設設置工工作基基點，，在壩壩頂和和壩坡坡上布布置測測點，，利用用工作作基點點間的的視準準線來來測量量壩體體表面面各測測點的的水平平位移移。（2）視視準線法法引張線法法是在壩壩內不同同高程的的廊道內內，通過設在在壩體外外兩岸穩穩固巖體體上的工工作基點點，將不銹鋼鋼絲拉緊緊，以其其作為基基準線來來測量各各點的水水平位移移。（3）引引張線法法激光準直直法分為為大氣激激光準直直法和真真空激光光準直法法。前者者又可分分為激光光經緯儀儀法和波波帶板法法兩種（4）激激光準直直法（5）三三角網法法是利用用兩個或或三個已已知坐標標的點作作為工作作基點，，通過對對測點交交會算出出其坐標標變化，，從而確確定其位位移值（（見圖12–3）。（5）三三角網法法2．鉛直直位移（（沉降））觀測對混凝土土壩壩內內的鉛直直位移，，除精密密視準法法外，還可用精精密連通通管法量量測。土石壩的的固結觀觀測，實實質上也也是一種種鉛直位位移觀測測。它是是在壩體體有代表表性的斷斷面（觀觀測斷面面）內埋埋設橫梁梁式固結結管、深深式標點點組、電電磁式沉沉降計或或水管式式沉降計計，通過過逐層測測量各測測點的高高程變化化計算固固結量。。土石壩壩的孔隙隙水壓力力觀測應應與固結結觀測配配合布置置，用于于了解壩壩體的固固結程度度和孔隙隙水壓力力的分布布及消散散情況，，以便合合理安排排施工進進度，核核算壩坡坡的穩定定性。（二）接接縫、裂裂縫觀測測觀測方法法是在測測點處埋埋設金屬屬標點或或用測縫縫計進行行。需要要觀測空空間變化化時，亦亦可埋設設“三向向標點””，如圖圖12––4所示示。由于于非正常常情況所所產生的的裂縫，，其分布布、長度度、寬度度、深度度的測量量可根據據不同情情況采用用測縫計計、設標標點、千千分表、、探傷儀儀以至坑坑探、槽槽探或鉆鉆孔等方方法。當土石壩壩的裂縫縫寬度大大于5mm，或或雖不足足5mm，但較較長、較較深或穿穿過壩軸軸線的，，以及弧弧形裂縫縫、垂直直裂縫等等都須進進行觀測測。觀測測次數視視裂縫發發展情況況而定。。（三）應應力、應應變和溫溫度觀測測1．應力力、應變變觀測在混凝土土建筑物物內設置置。我國大壩壩安全監監測經驗驗表明：：應力、、應變觀觀測比位位移觀測測更易于于發現大大壩異常常的先兆兆?！裰亓危海撼＿x擇一一個溢流壩壩段和一個個非溢流壩壩段，對重重要工程和和地質條件件復雜的工工程還應增增加觀測壩壩段?！窆皦危阂话惆氵x擇拱冠處處的懸臂梁和和拱座斷面。?！裢潦瘔危撼３＿x擇1~2個橫斷面作作為觀測斷面面，在每個觀觀測斷面的不不同高程上布布置2~3排排測點，測點點分布在不同同填筑材料區區。所用儀器器為土壓計。。2．溫度觀測測溫度觀測：壩壩體內部溫度度、邊界溫度度和基巖溫度度觀測?！裨谒l的邊墩墩、翼墻、底底板等土與混凝土建筑筑物接觸處，，也常需量測測土壓力。●混凝土面板壩壩的面板應力力觀測，一般般選擇居于河河床中部、1/4處及靠靠岸坡等有代代表性的面板板，其中應包包含長度最大大的面板。（四）滲流觀觀測1．土石壩的的滲流觀測據國內外統計計，因滲流引引起大壩出現現事故或失事的的約占40％％。（1）浸潤線線觀測。實際際上就是用測測壓管觀測壩壩體內各測點點的滲流水位位。（2）滲流量量觀測。將滲水集中到到排水溝中采采用容積法、、量水堰或測測流速方法進進行測量。常常用量水堰法法。（3）壩基、、土石壩兩岸岸或連接混凝凝土建筑物的的土石壩壩體體的繞流觀測測方法與以上上所述基本相相同。（4）滲水透透明度觀測。。為了判斷排排水設施的工工作情況，檢檢驗有無發生生管涌的征兆兆，對滲水應應進行透明度度觀測。2．混凝土建建筑物的滲流流觀測●壩基揚壓力力觀測多用測測壓管，也可可采用差動電電阻式滲壓計計。●滲流量和繞繞壩滲流的觀觀測方法與土土壩相同。（五）水流觀觀測水位、流速、、流向、流量量、流態、水躍和水面線線等，一般用用水文測驗的的方法進行測測量，輔以攝攝影、目測、、描繪和描述述，參見《測測流規范》。。對于由高速水水流所引起的的水工建筑物物振動、空蝕蝕、進氣量、、過水面壓力力分布等項目目的觀測部位位、觀測方法法、觀測設備備等，參見《《高速水流原原型觀測手冊冊》。二、儀器監測測【日】喜撰山山壩，是一座座抽水蓄能電電站上池心墻墻土石壩，最最大壩高H=91m。由由于壩較高，，庫水位變化化急劇、頻繁繁，所以布置置了很多觀測測設備。第十一章水水工建筑物管管理10.1概述述10.2大壩壩安全10.3水工工建筑物監測測10.5水工工建筑物維修修本章的主要內內容：10.4大壩安全評價價與監控一、大壩定期期檢查內容1.現場檢查查現場檢查包括括對壩體、壩壩基、壩肩以以及對大壩安安全有重大影影響的近壩岸岸坡和其他與與大壩安全有有直接聯系的的建筑物等進進行巡視檢查查。對混凝土壩、、土石壩、泄泄洪建筑物和和近壩庫區檢檢查的部位和和重點各不相相同。10.4大大壩安全評價價與監控根據《水電站站大壩安全管管理辦法》要要對大壩定期檢檢查，主要是是進行現場檢檢查和對大壩設計、、施工和運行行進行復查、、評價，評估大壩所處處的工作狀態態類型（正常常狀態、異常常狀態及險情情狀態），據據此向主管單單位提交大壩壩安全鑒定報報告。2.對設計、、施工及運行行的復查與評評價①復查勘測設設計數據與資資料；②復查設計標標準、結構設設計、水力設設計、壩基處處理設計等，，考查其是否否符合新近的的設計方法和和標準及客觀觀條件的情況況；③復查運行設設計的安全可可靠性及非常常情況大壩安安全設計，包包括放空水庫庫設計、泄洪洪能力數據等等；④復查查大壩壩維修修和改改建設設計，，分析析其對對大壩壩安全全的作作用。⑴設設計復復查內內容①復查查地基基處理理、壩壩體修修筑、、隱藏藏工程程的施施工資資料；；②復查查由施施工質質量問問題所所造成成的大大壩弱弱點及及隱患患，評評價它它們對對大壩壩安全全的影影響。。⑵施施工復復查內內容①復查查水庫庫第一一次蓄蓄水的的原始始記錄錄和分分析成成果；；②復查查運行行期的的觀測測資料料和分分析成成果，，了解解大壩壩維修修和改改善的的歷史史過程程和現現狀，，評價價大壩壩的實實際工工作性性態。。⑶運運行復復查內內容：：二、評評價方方法目前常常用的的是綜綜合評評價安安全系系數和和風險險分析析等方方法。。國際大大壩委委員會會曾建建議一一個危危險狀狀況評評價表表（表表12–2）。。三、監監控方方法通過現現場觀觀測及及數據據處理理得到到大壩壩性態態（如如滲水水量、、位移移、應應力））的實實測值值E0，以以其與與監控控模型型求得得的預預測值值Ec進行行比較較（圖圖12–6），，若E0-EC＝R小于于容許許值t，屬屬正常常，否否則，，屬：：①大大壩性性態異異常；；②荷荷載或或結構構條件件變化化；③③觀測測系統統不正正常，，此刻刻都需需要采采取措措施或或找出出原因因。這這個過過程的的實現現需要要建立立一整整套觀觀測與與分析析系統統。這這個系系統能能夠在在微機機輔助助下，，實現現大壩壩觀測測數據據自動動采集集、處處理、、分析析與計計算，，能對對大壩壩性態態正常常與否否作出出初步步判斷斷和分分級報報警的的觀測測。這這種自自動化化的觀觀測系系統是是保證證大壩壩安全全的重重要手手段，，與人人工觀觀測系系統相相比，，具有有：①①快速速、及及時、、多樣樣、反反復比比較；；②可可靠性性大；；③費費用低低等特特點。。典型型的監監控系系統（（拱壩壩）如如圖12––7所所示。。圖12–6大壩安全監控框圖四、監控控模型1.數學學模型根據正常常運行狀狀態下某某一效應應量（如如位移））的實測測數據通通過統計計分析建建立起來來的效應應量與原原因量之之間相互互關系的的數學模模型。只只要原因因量（如如水位、、溫度））在運行行變化范范圍內，，則可預預測今后后相應關關系的效效應量。?；貧w分分析是建建立統計計數學模模型的一一種主要要方法。。統計模模型建立立后，將將模型取取得的解解析值與與實測值值進行比比較，即即可獲得得大壩工工作性態態的有效效信息（（圖12–8））。圖中中t為時時間，Q為滲流流量，T為溫度度，H為為水位，，R為雨雨量，δδ為位移移，σ為為應力。。⑴統計計模型是以水工工設計理理論為基基礎，依依據大壩壩的環境條條件、受受荷狀況況、結構構特性、、建筑物物及壩基材材料的物物理力學學參數演演繹計算算，并結結合實測測值的信信息反饋饋，對計計算假定定和參數數進行調調整后建建立起來來的原因因量與效效應量之之間的因因果關系系式。它它代表大大壩及壩壩基在正正常運行行狀態下下效應量量的變化化規律。。使用這這一模型型可以預預測以后后某一時時刻在某某一環境境和荷載載條件（（如水位位、溫度度）下的的某一效效應量（（如位移移）。當當在同種種條件下下某一效效應量的的實測值值與模型型預報值值之差，，處于容容許的范范圍之內內時，則則認為該該部位處處于正常常狀態，，否則為為不正常常。一般般可按三三維有限限元法分分析計算算，其工工作流程程如圖12–9所示。。⑵確定定性模型型如：溫度度分量用用統計模模型，水水位分量量用確定定性模型型建立起起來的一一種數學學模型。。⑶混合合模型2.數據據庫例，一座座混凝土土壩的安安全監測測數據庫庫系統，，需要有有一個儀儀器觀測測數據庫庫(壩體體變形、、溫度、、接縫、、基巖變變形、應應力及應應變、揚揚壓力等等分庫)和工程程情況庫庫(上、、下水位位、氣溫溫及水溫溫、閘門門、發電電鋼管等等分庫)。應用用軟件能能夠對大大壩觀測測數據的的各類數數據庫文文件進行行管理。。第十一章水水工建筑物管管理10.1概述述10.2大壩壩安全10.3水工工建筑物監測測10.5水工建筑物維維修本章的主要內內容：10.4大壩壩安全評價與與監控一、水工建筑筑物的養護養重于修，修修重于搶。發現問題，及及時處理。（1）土石壩壩壩頂、壩坡應應保持整齊清清潔，填塞壩壩面的裂縫、、洞穴和局部部下陷處，防防止排水設施施淤塞，及時時修復因波浪浪而掀起的塊塊石護坡等。。10.4水水工建筑物維維修（2）混凝土土及鋼筋混凝凝土建筑物填塞混凝土裂裂縫，處理疏疏松或遭侵蝕蝕的混凝土，，隨時填滿分分縫止水瀝青青井中的瀝青青，放水前清清除消力池中中的雜物，保保持排水系統統通暢等。（3）鋼結構構定期除銹、涂涂油漆，檢查查鉚釘、螺栓栓是否松動，焊焊縫附近是否否變形。閘門門應定期啟動，以防止止泥沙淤積，，橡皮止水如如有硬化應及及時更換。（4）木結構構應盡量保