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大壩安全監(jiān)控理論與應用

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大壩安全監(jiān)控理論與應用 
鄭東健 教授 博士生導師

Tel：83786581
Email：zhengdj@hhu.edu.cn
——大壩安全監(jiān)控理論與應用 ——
緒  論 
大壩安全監(jiān)測必要性
大壩安全監(jiān)控的“大壩”常具有“水庫”、“水利樞紐”、“攔河壩”等綜合性含義。
大壩安全監(jiān)測--各種水工建筑物的安全監(jiān)測。
監(jiān)測的必要性： 
設計、施工、運行復雜，失事后果嚴重
隱患病害和老化 ，掌握水工建筑物健康狀態(tài)和有效壽命
反饋設計、施工和運行
防災減災

——大壩安全監(jiān)控理論與應用 ——
水工建筑物
堤防
溝渠、渡槽
水電站
涵洞、水閘
大壩
（含灰壩、尾礦壩）
船閘、航道
碼頭
水井、基坑
高邊坡
地下洞室
——大壩安全監(jiān)控理論與應用 ——
大壩的壽命可分為運行初期、正常運行期和老化期三個階段。大壩運行初期和老化期，最容易出現(xiàn)問題。許多隱患在施工期落下，運行期管理不當和環(huán)境變化常是誘因。

大壩失事概率
壩齡
運行初期
正常運行期
老化期
  大壩各齡期失事概率示意
——大壩安全監(jiān)控理論與應用 ——
1954－2003年歷年潰壩數(shù)量統(tǒng)計 
    70年代各省市自治區(qū)潰壩數(shù)占相應區(qū)域50年中潰壩數(shù)比例
——大壩安全監(jiān)控理論與應用 ——
96座大、中型水電站大壩的主要缺陷和隱患 
——大壩安全監(jiān)控理論與應用 ——
206座土石壩事故原因占事故總數(shù)百分比 
1000座病險水庫事故類型分布 
——大壩安全監(jiān)控理論與應用 ——
教訓
1975年河南板橋、石漫灘兩座大型水庫、兩座中型水庫和58座小型水庫垮壩，致使29個縣市1100萬畝農(nóng)田遭受毀滅性災害，沖毀鐵路102km，直接經(jīng)濟損失100億元，死亡人數(shù)達9萬人。這次垮壩堪稱是世界最大垮壩慘?。?
1963年海河大水，5座中型水庫垮壩，死亡達1000多人；
1993年青海溝后小(一)型水庫垮壩，死亡320余人。 
——大壩安全監(jiān)控理論與應用 ——
1864年，英國戴爾戴克水庫在蓄水中發(fā)生裂縫垮壩，死亡250人，800所房屋被毀。
1889年，美國約翰斯敦水庫洪水漫頂垮壩，死亡4000－10000人。
1959年，西班牙佛臺特拉水庫發(fā)生沉陷垮壩，死亡144人。
1959年，法國瑪爾帕塞水庫因地質(zhì)問題發(fā)生垮壩，死亡421人。
1960年，巴西奧羅斯水庫在施工期間被洪水沖垮，死亡1000人。
1961年，蘇聯(lián)巴比亞水庫洪水漫頂垮壩，死亡145人。
1963年，意大利瓦伊昂拱壩水庫失事，死亡2600人。
1967年，印度柯依那水庫誘發(fā)地震，壩體震裂，死亡180人。
1979年，印度曼朱二號水庫垮壩，死亡5000－10000人。 
教訓
——大壩安全監(jiān)控理論與應用 ——
——大壩安全監(jiān)控理論與應用 ——
薄拱壩壩高60m，底寬6.26m,頂寬1.5m，修建在片麻巖上。1959年12月2日，當水庫接近滿庫時45分鐘內(nèi)壩體突然崩潰。500名士兵喪生，下游10km一城鎮(zhèn)變成廢墟。
1、法國馬爾帕賽雙曲拱
壩下朝左岸視圖
右岸殘留壩體
——大壩安全監(jiān)控理論與應用 ——
右岸殘留壩體
右岸殘留壩體
——大壩安全監(jiān)控理論與應用 ——
失事原因：基礎
——大壩安全監(jiān)控理論與應用 ——
2、意大利瓦依昂水庫滑坡
壩高267m，是當時世界上最高的雙曲拱壩。庫區(qū)蓄水后，山體突然以高達25－30m/s的速度下滑，近2億方土石迅速淤滿水庫，掀起高過壩頂100余米的涌浪，沖毀下游3km處的村鎮(zhèn)，造成3000人死亡，水庫變?yōu)槭瘞臁?
——大壩安全監(jiān)控理論與應用 ——
水庫變?yōu)槭瘞?
——大壩安全監(jiān)控理論與應用 ——
3、青海溝后大壩失事
    大壩長265m，上游坡1∶1.6，下游坡1∶1.5，下游坡設有兩道馬道。面板厚30～60cm，面板縱縫間距：河床部位14m，兩岸7m，高程3255m處設一道水平縫，單層鋼筋設于面板中部，配筋率0.35%～0.5%。壩頂有5m高的混凝土防浪墻。
    1989年9月完工，10月下閘蓄水，歷時四年多。1992年9月底通過竣工驗收。

——大壩安全監(jiān)控理論與應用 ——
青海溝后大壩失事
——大壩安全監(jiān)控理論與應用 ——
失事過程與原因分析
　　1993年8月27日，庫水位升高至3277.40m(超過了已沉陷的防浪墻)。13時，值班人員見到庫水漏進防浪墻和面板頂部的裂縫以及水平縫。下游坡多處漏水，下游坡臺階上能聽到壩內(nèi)有噴氣聲和水跌落聲。20∶30，村民見到下游坡3260m和3240m馬道之間涌水像自來水。21時值班人員在值班室聽到悶雷般巨響，出門看到壩上噴水，土石翻滾，水霧中見到石塊相碰的火花。22時，潰壩口門底部高程達到3250m。潰壩總水量為268萬m3。最大流量3267m3。23∶40，潰壩洪水到達恰卜恰鎮(zhèn)，死亡300多人。
　　由于大量砂礫隨水流沖失，混凝土面板懸臂臨空、隨之折斷被水沖走，潰壩流量進一步擴大，這一過程像漫頂潰壩一樣。大壩潰決后潰口形狀為倒梯形，上口寬139m，下口寬61m，下口底高為3232.33m，有9塊寬14m的面板折斷。
　　
——大壩安全監(jiān)控理論與應用 ——
潰壩的主要原因:
      面板頂端與防浪墻底板接縫橡膠止水片因質(zhì)量低劣而破壞，嚴重漏水，使防浪墻底板與砂卵石間產(chǎn)生接觸沖刷以及壩體砂卵石產(chǎn)生管涌，導致防浪墻沉陷傾倒，庫水漫過防浪墻沖刷壩體?！　?
其他原因有：
　　(1)監(jiān)測資料分析不及時充分分析，疏于管理。大壩出現(xiàn)異?，F(xiàn)象時，未能開閘放水，以減輕事故破壞。失事前早已發(fā)現(xiàn)大壩下游面(坡腳以上)有滲水，防浪墻沉陷嚴重，而未能采取有效的處理措施。
　　(2)壩體填筑時分區(qū)不清，分層明顯，排水達不到自由排水。
——大壩安全監(jiān)控理論與應用 ——
4、奧斯丁重力壩失事
美國賓夕法尼亞州奧斯丁重力壩失事
——大壩安全監(jiān)控理論與應用 ——
——大壩安全監(jiān)控理論與應用 ——
5、吉布森大壩漫頂 
——大壩安全監(jiān)控理論與應用 ——
6、梅山連拱壩壩肩破裂
        1962年右岸大量漏水，大壩三天內(nèi)向左岸傾斜57.2mm,向下游位移9.4mm，右岸各壩垛出現(xiàn)大量裂縫。
——大壩安全監(jiān)控理論與應用 ——
7、滑坡
（1）1989 年 1 月 10 日在中國云南漫灣水電站大壩壩肩開挖過程中發(fā)生的滑坡，耗資近億元治理， 150 萬 kW 的水電站推遲發(fā)電近一年，損失巨大。
（2）天生橋二級電站閘首滑坡
——大壩安全監(jiān)控理論與應用 ——
8、河南75.8洪水 
   1975年8月8日 在一場特大暴雨中 包括板橋水庫、石漫灘水庫在內(nèi)的兩座大型水庫、兩座中型水庫、數(shù)十座小型水庫和兩個滯洪區(qū)在短短數(shù)小時內(nèi)相繼垮壩潰決 使河南駐馬店地區(qū)猝然間溝壑橫溢、頓成澤國 數(shù)以萬計的人失去了生命。 
     打撈到的尸體10萬多具，后續(xù)因缺糧、感染、傳染引起的死亡14萬，共24萬多人死亡。（ 據(jù)說在discovery中為“10 top technological catastrophe in the world”）。

管理責任缺位、應急預警缺失引起災害擴大。
——大壩安全監(jiān)控理論與應用 ——
9、俄羅斯薩揚.舒申斯克水電站事故
水電站大壩為圓柱形的混凝土重力拱壩，壩高242m，壩頂長1074m，壩頂寬25m。2009年8月17日，俄羅斯水力發(fā)電開放式股份公司以聶泊羅日尼命名的薩揚舒中斯克水電站分公司由于水力機組有設計缺陷、設備使用和維護不當及調(diào)度管理不善等多方面因素，發(fā)生了世界水電史上罕見的重大事故，造成75人死亡，13人受傷，電站10臺機組全部損壞或損毀，部分廠房結(jié)構被摧毀等重大損失。
事故直接起因:水力發(fā)電機組多次穿越不建議運行區(qū)，導致產(chǎn)生交變的附加荷載，使水力發(fā)電機組的固定節(jié)點，連同水輪機頂蓋發(fā)生和發(fā)展了疲勞損傷，引發(fā)螺栓破壞，導致水輪機頂蓋和水力發(fā)電機組引水通道的密封被撕裂。最終水淹廠房。
——大壩安全監(jiān)控理論與應用 ——
      除機組設備和運行調(diào)度原因外，至少還包括：（1）沒有振動監(jiān)測;（2）定期檢查，僅采用目測，關鍵部位沒有采用無損檢測方法;（3）管理措施不到位，無危險性綜合防護和應急措施
尾礦壩失事
2000年1月30日，羅馬尼亞Baia Mare尾礦壩失事，100,000 m3 含氰化物和重金屬的水涌入下游河道，造成下游生態(tài)災難，200萬人的飲用水嚴重污染。
意大利stave尾礦壩１９８５年的潰壩導致了近３００人死亡和巨大的財產(chǎn)損失。2000年廣西南丹尾礦庫垮塌，造成20多人死亡；2006年陜西鎮(zhèn)安某黃金尾礦壩潰壩，造成17 人死亡。
   2008年9月8日山西襄汾尾礦壩潰壩 ，事故遇難人數(shù)達259人。
——大壩安全監(jiān)控理論與應用 ——
     貴州盤縣電廠”1灰壩發(fā)生泄漏。約30米高的灰壩的底部蓋板被沖開，在巨大的壓力下，灰壩內(nèi)所囤積的灰渣直接排入拖長江中，整個過程持續(xù)了4個多小時，據(jù)有關專家估計約有30萬噸左右的灰渣廢水直接排入了拖長江，給拖長江、北盤江水質(zhì)造成了污染。

2008年牙買加Kingston 煤電廠32.4平方米的灰壩潰決，沖毀1.62平方公里區(qū)域，造成生態(tài)災難，12戶人家被毀。
灰壩失事
——大壩安全監(jiān)控理論與應用 ——
客觀技術條件限制（勘測、設計、施工）
施工階段遺留的隱患
運行管理
制度、不利工況、檢查和監(jiān)測

工程老化
   環(huán)境變化、材料和結(jié)構 
——大壩安全監(jiān)控理論與應用 ——
株樹橋混凝土面板堆石壩
      最大壩高78 m，1986年動工興建，1990年11月建成并首次蓄水水庫投人運行后不久，大壩即出現(xiàn)嚴重滲漏。滲漏量每年汛期隨水庫水位增高而增加，而非汛期只輕微減少，且滲漏量有逐年增加的趨勢。       
        1999年11月放空水庫檢查,損壞情況如下：周邊縫、豎縫止水損壞，混凝土面板塌陷，混凝土面板裂縫，墊層不均勻沉陷,混凝土面板脫空，墊層料細粒流失。
——大壩安全監(jiān)控理論與應用 ——
三板溪混凝土面板堆石壩
2002年開工，2006年1月7日下閘蓄水，6月庫水位上升至429m（壩前最大水深約100m），2006年12月主、副壩防浪墻及壩頂結(jié)構施工完成。期間最大滲漏量27.2L/s，大壩工作性態(tài)正常。
2007年6月，水庫水位再次蓄水，庫水位快速上漲過程中，相繼出現(xiàn)滲漏量和幕后壩基部分滲透壓力突增，總滲漏量最大達303L/s，部分監(jiān)測儀器測值異?；蚴А?008年1月10日，庫水位降至426.25m（死水位425），檢查發(fā)現(xiàn)12塊面板一二期施工縫部位多處局部破損，外側(cè)鋼筋向外彎曲，破損最大寬度4m，最大深度達40cm。水平施工縫擠壓破損！
原因：河谷形狀和面板結(jié)構（引起應力集中），沉降不均勻，水位上升速度過快。
——大壩安全監(jiān)控理論與應用 ——
1981年8月，龍羊峽遇150年特大洪水，依靠圍堰混凝土心墻48支觀測儀器，決定加高圍堰4m抗洪。
1985年6月，長江三峽新灘，監(jiān)測預警，大滑坡2000萬方，安全撤離，無一傷亡。
洪門、南水、大洪河3座水電廠，經(jīng)監(jiān)測分析和補強加固，提高汛前水位，每年增加電能5700萬kw.h。
1998年鳳灘、五強溪、柘溪三座水庫在防洪關鍵時刻，經(jīng)監(jiān)測分析預測，多攔蓄洪峰洪量27億方，相當于洞庭湖高水位時1m庫容。
柘林水庫，經(jīng)實時監(jiān)測下，超過歷史最高水位1.32m運行，為保證京九高速公路和京九鐵路安全，起到關鍵作用。
——大壩安全監(jiān)控理論與應用 ——
水電站水工程：
      大壩、進（引）水建筑物、廠房、邊坡（含庫區(qū)）、金屬結(jié)構、相關交通橋梁等

大壩安全狀態(tài)：
       施工期、蓄水期、運行期大壩結(jié)構的運行狀況
安全：
     以設計規(guī)范、安全評價導則、安全評價細則以及國家和行業(yè)規(guī)范為依據(jù)。

安全等級
      電力部門：險壩、病壩、正常壩— “水電站大壩安全檢查實施細則”
      水利部：一類壩、二類壩、三類壩—“水庫大壩安全評價導則”
——大壩安全監(jiān)控理論與應用 ——
正常狀態(tài) 
     指大壩（或監(jiān)測的對象）達到設計要求的功能，不存在影響正常使用的缺陷，且各主要監(jiān)測量的變化處于正常情況下的狀態(tài)。
異常狀態(tài) 
     指大壩（或監(jiān)測的對象）的某項功能已不能完全滿足設計要求，或主要監(jiān)測量出現(xiàn)某些異常，因而影響正常使用的狀態(tài)。
險情狀態(tài)
     指大壩（或監(jiān)測的對象）出現(xiàn)危及安全的嚴重缺陷，或環(huán)境中某些危及安全的因素正在加劇，或主要監(jiān)測量出現(xiàn)較大異常，若按設計條件繼續(xù)運行將出現(xiàn)大事故的狀態(tài)。
——大壩安全監(jiān)控理論與應用 ——
充分掌握：
       水工建筑工程建設和運行中發(fā)生的各種可能危害、事故
基礎：工程特征信息
監(jiān)控內(nèi)容：應力、變形、滲流、動力特性、水流特性
方法：
    （1）工程類比已發(fā)生危害事件或事故的經(jīng)驗；
    （2）綜合運用自然科學、技術科學和管理科學等方面的有關知識，識別和預測建設、運行活動中存在的不安全因素，并采取有效的控制措施防止危害、事故發(fā)生。
——大壩安全監(jiān)控理論與應用 ——
課程參考文獻:
吳中如 水工建筑物安全監(jiān)控理論及其應用
趙志仁 大壩安全監(jiān)測的原理與應用
水利水電工程質(zhì)量質(zhì)量檢測人員從業(yè)資格考核培訓系列教材》（測量與監(jiān)測類 監(jiān)測篇）
李珍照 大壩安全監(jiān)測
巖土工程監(jiān)測手冊
水工建筑物觀測工作手冊
顧沖時 大壩與壩基安全監(jiān)控理論和方法及其應用
混凝土壩安全監(jiān)測技術規(guī)范DLT5178-2003
土石壩安全監(jiān)測技術規(guī)范SL60-94
水工建筑物強震動安全監(jiān)測技術規(guī)范（電力報批稿）
觀測數(shù)據(jù)的分析與處理

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