大壩安全與管理孫東亞水利部防洪抗旱減災工程技術研究中心中國水利水電科學研究院防洪抗旱減災研究所sundy@內容背景資料大壩病險及加固大壩監測新技術應急管理水利部減災中心中華世紀壇大壩效益

數量多，新建工程多壩型多，新壩型多壩高度大病險水庫多大壩安全及風險管理規劃，設計，施工，運行管理監測技術和安全評價，應急管理一、背景資料建壩、病險壩、潰壩1、一些國家的大壩數量（大于500座）全球水力發電:2,800TWh/y≈20%電力相當于減少二氧化碳排放量:2.1百萬噸2、我國大壩統計已建和新建壩病險水庫大壩潰壩截至2006年底，我國已建成各類水庫85874座（水利部門管轄），總庫容達5974億m3，其中大型水庫479座、中型水庫3002座。截至2006年底，全國共有病險水庫30979座，其中大型水庫病險率為14%，中型水庫病險率為25%，小型水庫病險率為36.6%。1954年至2006年之間全國有3498座水庫潰壩。潰壩統計從統計分析可以看出，我國歷史上出現了兩個垮壩高峰，一個是1960年前后，即1959～1961年間，共計垮壩507座；另一個高峰期在1973年前后，僅1973年就有554座壩潰決。按年份統計潰壩統計壩高在1020米之間的潰壩數量最多，幾乎占總潰壩數的一半其次是壩高小于10m的大壩而高于50米的大壩發生潰決的很少。潰壩原因統計漫頂是最主要的原因，占47.85%，其中由超標準洪水導致漫壩破壞的占12.91%，由泄洪能力不足導致潰壩的占34.94%。不同年代，各類原因所導致的潰壩比例有一定的變化。近期，漫頂失事比例增加。二、大壩病險及加固新技術層出不窮病險水庫的主要病險問題水庫防洪標準低；抗震標準低；大壩穩定性差。許多水庫大壩壩體斷面不足、壩坡或壩體抗滑不穩定、壩體裂縫等；體、壩基滲漏嚴重。大壩，尤其是土石壩，存在壩基滲漏、繞壩滲漏、接觸沖刷破壞、散浸、沼澤化、流土、管涌等嚴重問題；輸、放水及泄洪建筑物老化、破壞較為普遍；金屬結構和機電設備不能正常運轉；管理設施、觀測設備等不完善；水庫淤積、山體滑坡、蟻害等。我國水庫大壩非潰壩事故統計表

（a）出逸面的細顆粒遷移圖（b）土體內部細顆粒的遷移圖（c）接觸流土過程土體中的細顆粒遷移過程滲透破壞防滲除險加固防滲、排滲和反濾層聯合應用的滲流控制體系；強調反濾層保護滲流出口的重要地位；實踐表明，反濾層運行良好的土石壩，滲透穩定性一般是能滿足的。振動沉模法施工設備工藝圖土壩裂縫幾種常見的裂縫示意圖紫坪鋪水利樞紐面板堆石壩，壩高156m，距5.12汶川地震震中約17km，壩址地震烈度10度。護坡的破壞面板接縫及其附近區域的破壞土壩震害：裂縫，滑坡，護坡失穩裂縫處理開挖回填灌漿處理套井回填粘土防滲墻土石壩滑坡邊坡移動包括松弛張裂、蠕動、滑動（滑坡）、崩塌、塌滑、傾倒、剝落、流動（如泥石流）等等。壩坡淺層滑動水工混凝土的缺陷裂縫、滲漏、沖刷磨損和氣蝕、剝蝕碳化和鋼筋銹蝕、水質侵蝕等；大壩混凝土中的堿骨料問題；大壩混凝土因強度低而產生風化剝落問題；某些混凝土大壩局部壩頂異常升高問題，等等混凝土壩裂縫

水工混凝土建筑物缺陷修補

新材料：抗磨蝕材料，水下不分散混凝土，灌漿材料，表面保溫抗裂防護噴涂材料，納米材料。水工混凝土水下裂縫修補：水下嵌縫材料，水下封堵材料，水下裂縫表面覆蓋材料，水下錨桿錨固劑，水下裂縫化學灌漿材料。混凝土散裂白蟻危害公元前234年，韓非子的《喻老篇》中寫道千里之堤，以螻蟻之穴潰。后人將它演化為千里之堤，潰于蟻穴。土壩內密集營巢，迅速繁殖，菌圃星羅棋布，蟻路四通八達，有些甚至穿通堤壩的內外坡。蟻害除治與預防破巢除蟻薰殺白蟻灌藥毒殺藥物誘殺做好清基壩面噴灑藥劑后夯實石灰土壤或鹽堿土壤控制蟻源地蟻源燈光誘殺性激素誘殺利用天敵其它大壩震害引自：IGCEA5.12汶川大地震的孕育模式GPS揭示的中國大陸現代地殼運動速度場。龍門山和四川盆地除了在水平方向上發生大幅度的相向運動外，龍門山大幅度上升，其幅度正在測算過程中；四川盆地相對下降，下降幅度在沿龍門山前的安縣、都江堰一帶最大，達30-60厘米，向東迅速變小，過成都平原之后幾乎就沒有變化。很多大壩，包括四座高度100m以上的壩，位于5.12汶川地震區，并受到不同程度的破壞。但很多小型土壩則遭到很大破壞，形成險情。汶川5.12大地震對大壩的危害中國地震局編制碧口粘土心墻堆石壩寶珠寺混凝土重力壩沙排碾壓混凝土壩紫坪鋪面板堆石壩ⅦⅧ三、大壩監測新技術光纖測量技術，三維激光測量，水下電視新技術光纖傳感技術水下電視三維激光測量技術一般3層，每層3~4測點每點：3、5、7向應變計教科書：應力簡單實際應力：復雜原因：分層施工，溫度變化觀測剖面應變計測點混凝土重力壩景洪重力壩三維仿真計算第一主應力包絡圖(MPa)應變計有效率較低：儀器埋設，基準值取值，自生體積變形，儀器維護，運行期陳村重力壩18壩段順河剖面第一主應力包絡圖(MPa)土石壩工程監測位移變形伺服加速度計電阻應變片式測斜儀裂縫及接縫電位器式電感式滲流壓力測壓管振弦式孔隙水壓力計壓力（應力）振弦式鋼筋計振弦式土壓力計應變計光纖傳感技術光纖陀螺面板壩撓度光纖/測縫計混凝土裂縫接縫開度分布式溫度傳感集中滲漏光纖光柵錨索應變混凝土應變溫度場1、光纖傳感混凝土面板堆石壩工程面板壩撓度－光纖陀螺應變溫度場和滲漏水布埡面板壩工程基于微彎強度調制光纖傳感器的智能錨索結構基于光纖布喇格光柵傳感器的智能錨索結構光纖0.2mm薄壁鋼管0.3mm薄壁鋼管溫度光柵焊接點應變溫度光柵5mm鋼絞線細鋼管內的光纖光纖充填保護材料5mm鋼絞線

智能錨索系統鋼絞線結構示意圖應變儀讀數（）鋼板彎曲分布應變測量試驗大壩集中滲漏監測06februari202341time(hours)head(m)Hcsandtraces(suffusion?)sandboils(non-continuous)sandboils(pipeformation)clearingprocessfailureVWPs-measurementsduringtest4Contourplotsshowingdeviationfromlineargroundwaterflowpattern06februari202342光纜買入堤基砂層0.1m深左圖：溫度

右圖：應變荷蘭堤防現場試驗錨索監測（錨固力）大壩變形監測國外的分布式溫度和應變傳感器分別于1999年和2001年安裝在在瑞典的Sadva和Ajuare大壩工程中。應變、變形監測止水結構砂礫石墊層反濾層面板FOSCFRD光纖傳感技術在水利水電工程中的應用前景面板反濾層趾板混凝土面板堆石壩CFRDFOSFOSCore土石壩砂礫石砂礫石壩基FOS2、水下電視系統美國Benthos公司生產儀器型號BenthosStingray，包括ROV載體（遙控潛器）、船載控制平臺和便攜式遙控板、TV攝象頭、水下照相機、監視器，自動定深系統，平面定位系統，兩個150瓦的水下探照燈以及配套軟件等。溢洪道混凝土結構整體性混凝土表面剝蝕情況哈爾濱是西泉眼水庫水下10m處，混凝土表面小裂縫，長度1m左右，寬度約3mm水下14.7m處，鋼筋頭周圍混凝土剝蝕較嚴重，出露骨料粒徑較大水下15.7m處，混凝土表面剝蝕較嚴重，骨料直徑達到2cm。裂縫及孔洞溢流堰0+14m處，水下混凝土表面發現一條小裂縫，同時伴有麻面以及蜂窩狀骨料脫空現象。水下12m處，混凝土骨料脫空。水下12.7m處，存在一定范圍的混凝土表面脫落層，脫落邊界明顯，并且造成了內部混凝土侵蝕與骨料出露。左翼墻0+6m處，水下10m處混凝土存在骨料出露現象。水下11m處，出露骨料粒徑較大，達到3cm。3、三維激光掃描儀水利部948計劃引進。各種大型的、復雜的、不規則的實景三維數據完整地采集到電腦中，從而快速重構出目標的三維點云模型。它所采集的三維點云數據還可進行各種后處理工作，如測繪，計量、分析、仿真、模擬展示監測、建立虛擬現實。垂直方向掃描范圍：0°80°，水平方向掃描范圍：0°360°距離1km。測量精度：10mm灌灘堰塞湖三維地形效果圖（5月28日）導流渠堰塞體水流方向肖家橋堰塞湖三維地形效果圖（5月27日）四、應急管理應急管理應急泄洪應急預案應急管理1、應急泄洪壩面溢流自潰式溢洪道壩面溢流在世界水利工程發展史上，土石壩過流技術以我國為最早；1986年，一些專家曾對我國已建成的30多座過水土石壩的運行情況進行了調查，撰寫了調研報告，其要點歸納如下（《過水土石壩建設經驗匯編》編審組，1988）2、應急預案潰壩模式洪水風險圖應急管理（1）潰壩模式潰決機理潰口發展過程潰口參數潰口高度潰口寬度最終潰口形成時間寬度：Bavg=0.1803K0Vw0.32hb0.19最終潰口形成：

tf=0.00254Vw0.53hb(-0.9)潰壩洪峰流量洪峰流量與水庫庫容的關系洪峰流量與水庫庫容和壩高乘積的關系（2）洪水風險圖

洪水到達時間；淹沒范圍；淹沒水深；淹沒歷時；水流速度。（3）應急管理潰壩洪水應急管理隸屬于各級防辦，但同時大壩管理部門或業主也具有一定的責任。大壩管理部門應協助各級防辦建立預警系統，制定旨在保護下游人民生命和生命線的計劃。即使建立了預警系統和安全計劃，大壩管理部門仍有責任采取各類措施，盡力保證大壩安全。高風險病險水庫大壩下游的潰壩影響區，均應制定洪水應急計劃和建立預警系統（3）應急管理高風險或有威脅的大壩，主要從三方面評價：防洪標準和泄洪能力（可能最大洪水？）大壩和主要附屬建筑物安全大壩抗震安全戰爭時期，對一些大壩，國家所要求制定的應急計劃。大壩管理部門的作用和責任責任應進行經常性或定期監測資料分析和大壩安全巡查；應在第一時間提供大壩狀態的準確信息，通告應急管理部門；提供大壩險情發展狀況的信息，提出預防措施建議，包括供決策部門向公眾發布的適當信息，決策部門將參考這些資料，決策發布及時準確的預警信息和實施人員轉移計劃。大壩安全狀態進行大壩安全評估，識別威脅大壩安全的各類險情；基于安全評估結論，采取適當的措施，降低大壩失事的潛在風險，實施適宜的大壩安全監測方法。險情巡查大壩安全監測設備的監測資料分析可作為險情識別的主要手段；影響大壩的突發險情主要通過現場巡查進行識別。大壩管理部門的作用和責任決策根據咨詢專家意見，制定與大壩安全相關的各類決策，立即組織實施應急加固或搶險措施；協助業主制定有效的應急加固決策，應急行動計劃包括：物料來源，設備，人員和工程技術經驗。物料源包括粘土，砂，塊石，碎石，土袋，水泥，塑料板材，等等。通告向應急管理部門提供最初的影響大壩安全的問題通告；在出現大壩安全險情的情況下，按照應急行動計劃，連續不斷地報告大壩安全狀況。通訊系統掌握和實時更新各相關方的辦公和移動通信電話。突發事件和險情大壩安全應急計劃突發事件強降雨/洪水－暴風雨－地震－其它險情（漫頂，波浪破壞，裂縫，滑動，結構失穩，滑坡，坍塌，滲流量增加或新的滲水點，管涌，其它異常情況）警惕可能的險情發展，在極端事件情況下保持高度警覺，洞察大壩的異常反應。在應急反應行動階段，滿足安全需求。實施應急反應計劃內的相關措施。嚴重的結構破壞大壩安全應急計劃日常檢查中是否發現土壩位移，滑坡，內部或外部侵蝕？是否出現大壩失事的跡象？如不確定，要保持警覺。牢記一旦發生嚴重險情，大壩可能會很快失事！評價大壩破壞的范圍，告速應急反應人員是否存在不可控的泄洪情況！是對各項行動記進行記錄。立即聯系應急反應指揮機構，咨詢專家，當地政府。記錄相關事件（事件，照片，通告，視頻，通話記錄），保持聯系。如安全條件許可，啟動搶險加固措施。否強降雨或暴風雨事件大壩安全應急計劃監測天氣，波浪作用和庫水上升速度檢查波浪破壞、漫頂、結構破壞情況。檢查滑坡和塌陷情況等。降雨是否會使溢洪道溢流？是是是否否否降雨是否會導致結構破壞？溢洪道能否滿足泄洪要求？水位距壩頂的距離小于30cm并繼續上升，聯系應急反應各方，提高警惕。檢查溢洪道是否有阻水險情，若有，實施清障！立即聯系防辦，咨詢專家，當地政府。如安