第十二章-水工建筑物管理

水工建筑物課件

西安理工大學(xué)水利水電學(xué)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(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(biāo)準(zhǔn)，對大壩進(jìn)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(yùn)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：

（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(yùn)用；通過原型觀測，對設(shè)計的計算方法和計算數(shù)據(jù)進(jìn)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。

（2）養(yǎng)護(hù)修理

對水工建筑物、機(jī)電設(shè)備、管理設(shè)施以及其他附屬工程等進(jìn)行經(jīng)常性養(yǎng)護(hù)，并定期檢修，以保持工程完整，設(shè)備完好。養(yǎng)護(hù)修理為：經(jīng)常性的養(yǎng)護(hù)維修、歲修和搶修。（3）調(diào)度運(yùn)用制訂調(diào)度運(yùn)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。

（4）管理自動化系統(tǒng)的運(yùn)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(jì)效益、延長使用年限、降低運(yùn)行費(fèi)及在采用新技術(shù)、新材料、新工藝等方面進(jìn)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％。●國際大壩委員會（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(jì)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。

●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)境及壩體、壩基自身條件：在運(yùn)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。

●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(rèn)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?！翊髩蔚膲勖€可分為為初期運(yùn)行、、正常運(yùn)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(qiáng)度和穩(wěn)定定將會逐漸降降低，同時附附屬設(shè)施等也也會出現(xiàn)老化化現(xiàn)象，這就就需要及時補(bǔ)補(bǔ)強(qiáng)、修繕和和更新，以免免大壩出現(xiàn)失失事的嚴(yán)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(yī)學(xué)委委員會，研究究堤壩監(jiān)測和和報警，總結(jié)結(jié)堤壩事故后后果及教訓(xùn)。。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(jiān)測測10.5水水工建建筑物物維修修本章的的主要要內(nèi)容容：10.4大大壩安安全評評價與與監(jiān)控控一、現(xiàn)現(xiàn)場檢檢查■經(jīng)常常檢查查：一一種經(jīng)經(jīng)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(fā)現(xiàn)現(xiàn)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(jiān)監(jiān)測■定期期檢查查：需需要一一定的的組織織形式式，進(jìn)進(jìn)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(jiān)監(jiān)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(zhǔn)線線法是是在兩兩岸穩(wěn)穩(wěn)固岸岸坡上上便于于觀測測處設(shè)設(shè)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(zhǔn)準(zhǔn)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(zhǔn)線法法引張線法法是在壩壩內(nèi)不同同高程的的廊道內(nèi)內(nèi)，通過設(shè)在在壩體外外兩岸穩(wěn)穩(wěn)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(zhǔn)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(zhǔn)直直法分為為大氣激激光準(zhǔn)直直法和真真空激光光準(zhǔn)直法法。前者者又可分分為激光光經(jīng)緯儀儀法和波波帶板法法兩種（4）激激光準(zhǔn)直直法（5）三三角網(wǎng)法法是利用用兩個或或三個已已知坐標(biāo)標(biāo)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(biāo)標(biāo)變化，，從而確確定其位位移值（（見圖12–3）。（5）三三角網(wǎng)法法2．鉛直直位移（（沉降））觀測對混凝土土壩壩內(nèi)內(nèi)的鉛直直位移，，除精密密視準(zhǔn)法法外，還可用精精密連通通管法量量測。土石壩的的固結(jié)觀觀測，實實質(zhì)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(nèi)埋埋設(shè)橫梁梁式固結(jié)結(jié)管、深深式標(biāo)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(jié)量。。土石壩壩的孔隙隙水壓力力觀測應(yīng)應(yīng)與固結(jié)結(jié)觀測配配合布置置，用于于了解壩壩體的固固結(jié)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(jìn)進(jìn)度，核核算壩坡坡的穩(wěn)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(shè)金屬屬標(biāo)點或或用測縫縫計進(jìn)行行。需要要觀測空空間變化化時，亦亦可埋設(shè)設(shè)“三向向標(biāo)點””，如圖圖12––4所示示。由于于非正常常情況所所產(chǎn)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(jù)據(jù)不同情情況采用用測縫計計、設(shè)標(biāo)標(biāo)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(dāng)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(jìn)進(jìn)行觀測測。觀測測次數(shù)視視裂縫發(fā)發(fā)展情況況而定。。（三）應(yīng)應(yīng)力、應(yīng)應(yīng)變和溫溫度觀測測1．應(yīng)力力、應(yīng)變變觀測在混凝土土建筑物物內(nèi)設(shè)置置。我國大壩壩安全監(jiān)監(jiān)測經(jīng)驗驗表明：：應(yīng)力、、應(yīng)變觀觀測比位位移觀測測更易于于發(fā)現(xiàn)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(zhì)條件件復(fù)雜的工工程還應(yīng)增增加觀測壩壩段。●拱壩：一般般選擇拱冠處處的懸臂梁和和拱座斷面。。●土石壩：常常選擇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(qū)區(qū)。所用儀器器為土壓計。。2．溫度觀測測溫度觀測：壩壩體內(nèi)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?！窕炷撩姘鍓螇蔚拿姘鍛?yīng)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(yīng)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(jù)國內(nèi)外統(tǒng)計計，因滲流引引起大壩出現(xiàn)現(xiàn)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(nèi)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(jìn)進(jìn)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(shè)施的工工作情況，檢檢驗有無發(fā)生生管涌的征兆兆，對滲水應(yīng)應(yīng)進(jìn)行透明度度觀測。2．混凝土建建筑物的滲流流觀測●壩基揚(yáng)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?！駶B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(tài)、水躍和水面線線等，一般用用水文測驗的的方法進(jìn)行測測量，輔以攝攝影、目測、、描繪和描述述，參見《測測流規(guī)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(jìn)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(shè)備備等，參見《《高速水流原原型觀測手冊冊》。二、儀器監(jiān)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(shè)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(jiān)測測10.5水工工建筑物維修修本章的主要內(nèi)內(nèi)容：10.4大壩安全評價價與監(jiān)控一、大壩定期期檢查內(nèi)容1.現(xiàn)場檢查查現(xiàn)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(lián)系的的建筑物等進(jìn)進(jìn)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(qū)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(jiān)控根據(jù)《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(jìn)行現(xiàn)場檢檢查和對大壩設(shè)計、、施工和運(yùn)行行進(jìn)行復(fù)查、、評價，評估大壩所處處的工作狀態(tài)態(tài)類型（正常常狀態(tài)、異常常狀態(tài)及險情情狀態(tài)），據(jù)據(jù)此向主管單單位提交大壩壩安全鑒定報報告。2.對設(shè)計、、施工及運(yùn)行行的復(fù)查與評評價①復(fù)查勘測設(shè)設(shè)計數(shù)據(jù)與資資料；②復(fù)查設(shè)計標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)、結(jié)構(gòu)設(shè)設(shè)計、水力設(shè)設(shè)計、壩基處處理設(shè)計等，，考查其是否否符合新近的的設(shè)計方法和和標(biāo)準(zhǔn)及客觀觀條件的情況況；③復(fù)查運(yùn)行設(shè)設(shè)計的安全可可靠性及非常常情況大壩安安全設(shè)計，包包括放空水庫庫設(shè)計、泄洪洪能力數(shù)據(jù)等等；④復(fù)查查大壩壩維修修和改改建設(shè)設(shè)計，，分析析其對對大壩壩安全全的作作用。⑴設(shè)設(shè)計復(fù)復(fù)查內(nèi)內(nèi)容①復(fù)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(fù)查查由施施工質(zhì)質(zhì)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(fù)復(fù)查內(nèi)內(nèi)容①復(fù)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(fù)查查運(yùn)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(xiàn)現(xiàn)狀，，評價價大壩壩的實實際工工作性性態(tài)。。⑶運(yùn)運(yùn)行復(fù)復(fù)查內(nèi)內(nèi)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(shù)和和風(fēng)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(jiān)監(jiān)控方方法通過現(xiàn)現(xiàn)場觀觀測及及數(shù)據(jù)據(jù)處理理得到到大壩壩性態(tài)態(tài)（如如滲水水量、、位移移、應(yīng)應(yīng)力））的實實測值值E0，以以其與與監(jiān)控控模型型求得得的預(yù)預(yù)測值值Ec進(jìn)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(tài)異異常；；②荷荷載或或結(jié)構(gòu)構(gòu)條件件變化化；③③觀測測系統(tǒng)統(tǒng)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(xiàn)現(xiàn)需要要建立立一整整套觀觀測與與分析析系統(tǒng)統(tǒng)。這這個系系統(tǒng)能能夠在在微機(jī)機(jī)輔助助下，，實現(xiàn)現(xiàn)大壩壩觀測測數(shù)據(jù)據(jù)自動動采集集、處處理、、分析析與計計算，，能對對大壩壩性態(tài)態(tài)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(tǒng)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(tǒng)相相比，，具有有：①①快速速、及及時、、多樣樣、反反復(fù)比比較；；②可可靠性性大；；③費(fèi)費(fèi)用低低等特特點。。典型型的監(jiān)監(jiān)控系系統(tǒng)（（拱壩壩）如如圖12––7所所示。。圖12–6大壩安全監(jiān)控框圖四、監(jiān)控控模型1.數(shù)學(xué)學(xué)模型根據(jù)正常常運(yùn)行狀狀態(tài)下某某一效應(yīng)應(yīng)量（如如位移））的實測測數(shù)據(jù)通通過統(tǒng)計計分析建建立起來來的效應(yīng)應(yīng)量與原原因量之之間相互互關(guān)系的的數(shù)學(xué)模模型。只只要原因因量（如如水位、、溫度））在運(yùn)行行變化范范圍內(nèi)，，則可預(yù)預(yù)測今后后相應(yīng)關(guān)關(guān)系的效效應(yīng)量。?；貧w分分析是建建立統(tǒng)計計數(shù)學(xué)模模型的一一種主要要方法。。統(tǒng)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(jìn)行比比較，即即可獲得得大壩工工作性態(tài)態(tài)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(yīng)力。。⑴統(tǒng)計計模型是以水工工設(shè)計理理論為基基礎(chǔ)，依依據(jù)大壩壩的環(huán)境條條件、受受荷狀況況、結(jié)構(gòu)構(gòu)特性、、建筑物物及壩基材材料的物物理力學(xué)學(xué)參數(shù)演演繹計算算，并結(jié)結(jié)合實測測值的信信息反饋饋，對計計算假定定和參數(shù)數(shù)進(jìn)行調(diào)調(diào)整后建建立起來來的原因因量與效效應(yīng)量之之間的因因果關(guān)系系式。它它代表大大壩及壩壩基在正正常運(yùn)行行狀態(tài)下下效應(yīng)量量的變化化規(guī)律。。使用這這一模型型可以預(yù)預(yù)測以后后某一時時刻在某某一環(huán)境境和荷載載條件（（如水位位、溫度度）下的的某一效效應(yīng)量（（如位移移）。當(dāng)當(dāng)在同種種條件下下某一效效應(yīng)量的的實測值值與模型型預(yù)報值值之差，，處于容容許的范范圍之內(nèi)內(nèi)時，則則認(rèn)為該該部位處處于正常常狀態(tài)，，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(tǒng)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(shù)學(xué)學(xué)模型。。⑶混合合模型2.數(shù)據(jù)據(jù)庫例，一座座混凝土土壩的安安全監(jiān)測測數(shù)據(jù)庫庫系統(tǒng)，，需要有有一個儀儀器觀測測數(shù)據(jù)庫庫(壩體體變形、、溫度、、接縫、、基巖變變形、應(yīng)應(yīng)力及應(yīng)應(yīng)變、揚(yáng)揚(yáng)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(fā)電電鋼管等等分庫)。應(yīng)用用軟件能能夠?qū)Υ蟠髩斡^測測數(shù)據(jù)的的各類數(shù)數(shù)據(jù)庫文文件進(jìn)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(jiān)測測10.5水工建筑物維維修本章的主要內(nèi)內(nèi)容：10.4大壩壩安全評價與與監(jiān)控一、水工建筑筑物的養(yǎng)護(hù)養(yǎng)重于修，修修重于搶。發(fā)現(xiàn)問題，及及時處理。（1）土石壩壩壩頂、壩坡應(yīng)應(yīng)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(shè)施施淤塞，及時時修復(fù)因波浪浪而掀起的塊塊石護(hù)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(tǒng)統(tǒng)通暢等。（3）鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)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(yīng)定期啟動，以防止止泥沙淤積，，橡皮止水如如有硬化應(yīng)及及時更換。（4）木結(jié)構(gòu)構(gòu)應(yīng)盡量保