（农业工程专业论文）土石坝老化病害评价指标体系及对策研究.pdf

摘要 我国的8 6 万余座水库大坝，9 0 以上为土石坝，由丁设计、施工和管理等多方面的原因，许多 大坝都程度不同的存在裂缝、渗漏、滑坡、护坡破坏、动物破坏( 洞穴) 等隐患成为病库险库， 严重影响水库正常运行、效益的发挥并对下游人民群众的生命财产构成重大威胁。准确、及时地评 价土石坝的隐患和病害，及时采取处理和加固措施，是当前水利工程管理中亟待解决的一项重要课 题。本文在调查分析的基础上，依据土石坝检查监测资料和近年来士石坝加固处理的理论和成果， 应用科学的分析方法，主要研究了以下内容： ( 1 ) 综合分析了我国土石坝发展概况及运行现状，总结出土石坝主要病害是裂缝、渗漏、滑坡、 护坡破坏和动物破坏，分析了土石坝老化病害评价研究的目的和意义以及国内外研究现状。 ( 2 ) 研究分析了土石坝老化病害的类型和成因，分别探讨了土石坝裂缝、渗漏、滑坡、护坡破 坏、动物破坏特征及产生的原因，为土石坝病害检查和判断提供了基础。 ( 3 ) 研究提出了士石坝裂缝、渗漏、滑坡、护坡破坏、动物破坏的观测检查的内容及其方法， 提出了危险性病害的判断方法，为土石坝病害评价提供了依据。 ( 4 ) 依据检测、设计资料和有关规范，分别建立了土石坝裂缝、渗漏、滑坡和护坡破坏的评价 指标，研究提出了应用多因素分析法对土石坝老化病害进行量化综合评价分级方法，并应用具体事 例验证了指标体系和评价方法的正确性，同时介绍了本指标体系和评价方法在土石坝评价中的应用。 ( 5 ) 提出了土石坝老化病害预防与处理措施。 本文提出的土石坝病害评价指标体系和量化综合评价分级方法是科学可行的，为准确地评价土 石坝老化程度，及时采取相应的预防、维修、加固、改造措施提供了科学依据。 关键词：土石坝，裂缝，渗漏，滑坡，护坡破坏，检查，评价，防治 a b s t r a c t t h e r ea r ea b o u t8 6 0 0 0r e s e r v o i r si nc h i n aa n dm o r et h a n9 0p e r c e n to f t h e ma d o p te a r t h - r o c kd a m a sab r e a k w a t e rs t r u c t u r e b e c a u s eo ft h ei n f l u e n c e so f d e s i g n ，c o n s t r u c t i o na n dm a n a g e m e n t ，m o s to ft h e e a r t h r o c kd a m sa r eo fd i f f e r e n td a m a g e ss u c ha sc r a c k ，l e a k a g e ，c o a s te t c ，a n db e c o m e 川h e a l t h t h e e x i s t e n c eo fd a m a g ei ne a r t h - r o c kd a mi n f l u e n c e st h en o r m a lr u no fr e s e r v o i r sa n dt h r e a t e n st h es a f e t yo f p e o p l e sl i v e sa n dp r o p e r t i e s d u et ot h ef a c t sa b o v e ，t h ed a m a g ed e t e c t i o na n dq u a n t i t a t i v ee v a l u a t i o no f e a r t h r o c kd a mb e c o m e sa ni m p o r t a n tt a s kf o rt i m e l ym a i n t a i n i n ga n dr e i n f o r c i n gt h ed a m a g e dd a r n si n o r d e r t oa v o i dc o l l a p s e 。b a s e do nf u l li n v e s t i g a t i o no f p r e s e n td a md a m a g e sa n da d a p t a t i o no f n e wt h e o f e s a n dn a wm e t h o d s ，n o v e le v a l u a t i o n s y s t e m a n dd a m a g ed e t e c t i o nm e t h o da r es t u d i e d t h em a i n c o n t r i b u t i o n so f t h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ： 1 ) o u rc o u n t r yg r o u n dd a md e v e l o p m e n tg e n e r a ls i t u a t i o na n dc i r c u l a t et h ep r e s e n tc o n d i t i o n ，t h e a g i n gd i s e a s ei nd a mi ng r o u n dh a r m st h ed e g r e et h ee v a l u a t i o nt h ei n v e s t i g a t i v ep u r p o s ew i t hm e a n i n g ， a n dt h ea g i n gd i s e a s ei nd a mi ng r o u n dh a r m st h er e a s o nw i t hm a n a g et h ed o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a l r e s e a r c hp r e s e n tc o n d i t i o n 2 ) t h ef o r m a t i o nc a u s e ，e v o l u t i o nm e c h a n i s m ，t y p ea n df e a t u r eo fe a r t h - r o c kd a ma g i n gd a m a g ea r e t h o r o u g h l yi n v e s t i g a t e d 3 ) d e t e c t i o nm e t h o d sf o rc r a c k ，l e a k a g e ，c o a s ta n ds oo na r ap r o p o s e d 4 ) a ne v a l u a t i o ns y s t e mo fa g i n gd a m a g ei sc o n s t r u c t e d ，w h i c hu s c san e wa p p r o a c hn a m e da s m u l t i - f a c t o ra n a l y s i st oe f f e c t i v e l yc a r r yo u tq u a n t i t a t i v ee v a l u a t i o na n dc l a s s i f i c a t i o no fe a r t h - r o c kd a m d a m a g e 5 ) m e a s u r e so f p r e v e n t i n ga n dr e p a i r i n ga g i n gd a m a g ea r ep r e s e n t e d o nt h eb a s i so ft h ea n a l y s i sr e s u l t so ft h ee v a l u a t i o ns y s t e m ，t h ef o u n d a t i o n a ld a t aa r ep r o v i d e d ， w h i c ha r cu s e dt o j u d g et h ed e g r e eo f a g i n gd a m a g ea n df l l r t h e r m o r et od e t e r m i n et h er e a s o n a b l em e a s u r e s u s e df o rp r e v e n t i n ga g i n gd a m a g ea n dm a i n t a i n i n g , r e i n f o r c i n go rr e c o n s t r u c t i n gd a m t h ef e a s i b i l i t ya n d e f f e c t i v e n e s so f t h ep r o p o s e dm e t h o di nt h i sp a p e ra r ev e r i f i e di nt h ep r a c t i c a le n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n k e yw o r d s ：e a r t h - r o c kd a r n ；c r a c k ；l e a k a g e ；c o a s t ；d e s t r u c t i o no fp r o t e c t i n gs l o p e ；d e t e c t i o n ； e v a l u a t i o n ；p r e v e n t i o no f d a m a g e 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 研究生虢套孑杆氟 时间： 一眸产肛巾 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送 交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学口丁以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 研究生签名：耋0 砰力司时间：一年牟月司日 导师签名7 归 时间： m r 年r 月日 讯 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 我国土石坝发展概况及运行现状 我国地处欧亚大陆东南部，地域辽阔，人口众多，主要经济发达地区属沿海季风区，降水时 卒分布不均匀旱涝洪水灾害频繁。尽管我国水资源蕴藏量居世界前例，但人均水平较低，开发 难度较大。新中国建立以后，为兴利除害，党和政府对水利事业给予了高度重视，领导全国人民 进行了大规模的水利水电工程建设。经过五十多年的发展，中国的水库大坝建设在规模、质量、 技术等各方面都取得了举世瞩目的成就。大坝作为重要的水利设施，发挥了巨大的兴利除害作用， 有力地促进和保障了经济发展、社会稳定和环境改善。 新中国成立后，我国已建成各类水库8 6 万余座，总库容达到近5 0 0 0 亿m 3 【“。筑坝技术得 到了长足发展，很多方面处于世界领先水平。地质勘探技术、计算机应用技术、模型试验、导流 技术、地下工程施工技术、高坝泄洪消能技术等领域发展迅速，对十石坝筑坝材料、坝体稳定分 析、应力应变分析、基础处理和筑坝标准等一系列关键技术也积累了丰富的经验。 中国在国际大坝委员会登记的大坝( 坝高大r1 5 m ) 为3 万多座，其中以士石坝居多。1 9 9 0 年前大多为中低坝，坝高9 0 m 以上的只有3 座。1 9 9 0 年以后，高土石坝和混凝土面板堆石坝的 筑坝技术得到了迅速发展。现已建成的小浪底水利枢纽采用粘土斜心墙堆石坝，坝高15 4 m ，天 生桥一级水电站大坝为混凝上面板堆石坝，坝高】7 8 m 。截止到2 0 0 3 年，中国已建和在建的坝高 在1 0 0 m 以上的土石坝1 2 座j 。 中国这些年来建设的水利工程和设施在防洪、灌溉、排涝、发电、航运、供水、养殖、水土 资源保护和改善生态环境等方面产生了巨大的经济效益和社会效益，发挥了巨大作用。 ( 】) 防洪减灾效益显著，极大地减少了江河中下游洪涝灾害。我国在大江河上修建了2 4 5 座大型水库，控制流域面积1 5 0 万k m 2 以上，占江河流域面积的3 4 ，建成水库的总库容相当， 全国河流年均径流量的1 6 在历年抗洪斗争中，发挥了巨大的防洪效益。如1 9 9 5 年浑河流域 大伙房水库上游发生特大洪水，经过水库的调节，保证了下游沈阳、抚顺等城市的安全，减免洪 灾经济损失约7 5 亿元，相当于大坝工程投资的1 8 倍。1 9 9 8 年长江流域发生特大洪水，洪峰流量、 洪峰水位均与1 9 5 4 年接近，但洪灾损失较1 9 5 4 年大大减少，其中重要的原因之一就是丹江n 、 葛洲坝、二滩等沿线一大批水库调蓄洪水，削减洪峰，为减轻洪灾损失做出了突出贡献。据统计， 1 9 9 8 年全国共有1 3 3 5 座大中型水库参与了拦洪削峰拦蓄洪量5 3 2 亿i t l 3 ，减少农田受灾面积 3 4 2 0 万亩，使2 2 1 座城市免遭洪水侵袭，减免直接经济损失1 3 5 3 亿人民币p j 。 ( 2 ) 有力地支援了工农业生产，极大地满足了工农业经济增长的需要。水是粮食作物和经 济作物稳产高产不可缺少的条件。水库灌区水源可靠，用水保证率高可以为农业灌溉提供优质、 稳定的水量。我国8 0 以上的水库以灌溉为主，水库的灌溉面积为2 4 亿亩，约占全国灌溉面积 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 的3 0 。为满足城市迅猛发展对水日益增长的需求，我国修建了一大批向城市远程供水的水源工 程如南水北调工程、引滦入津工程等源头都是拦江或拦河水库，近年来为城乡供水5 8 0 0 亿m 3 。 据统计，全国已有1 0 0 多座大、中城市主要或全部依靠水库供水”j 。 ( 3 ) 为水产养殖和旅游提供了基础和场所，为库区经济发展注入新的活力。我国水库大坝 的建设，形成了水产养殖面积3 0 0 0 多万亩的水域，年产鱼t 2 0 多万吨p j 。为发展水产养殖提供了 良好的条件，许多水库己成为水产供应基地。水库环境优美。是城乡居民极好的旅游休闲场所， 又是极其宝贵的旅游资源。一大批水库，如浙江的千岛湖( 新安江水库) 已成为著名的旅游胜地， 成为库区经济的新的增长点。 ( 4 ) 水力发电为国民经济发展提供能源支持。与火力发电相比，水力发电运行成本低，没 有环境污染。改革开放以来，我国水电大坝建设取得了迅速的发展，截至2 0 0 2 年底，中国的水 力发电总装机容量已达8 2 7 0 0 m w ，占世界装机总容量的1 1 ，水电年发电量2 8 0 0 亿k w h ，2 0 0 2 年，中国水电装机容量和年发电量为世界第1 位和第4 位p 】。 然而我国的水库大坝多为土石蜘 ，大多都是兴建于五六十年代，由于受工程自身特性的影响， 大多数工程长期处于干湿交替、动静悬殊的恶劣环境中，而且经历多年的风雨、雷电、地震、水 力动荷载、不合理的拆挖、动植物等自然和人为因素的侵害，使得大多数工程都在不同程度上带 “病”运行，在现有的土石坝中，有许多大坝都程度不同的存在裂缝、渗漏、滑坡、护坡老化、 动物破坏( 洞穴) 等隐患，成为病库险堤坝，不能正常蓄水运用，影响工程效益的正常发挥，有 的造成滑坡甚至垮坝事故，给国家和人民带来严重损失。“大跃进”和“文革”时期兴建的一些 大坝，由于受当时历史条件、经济基础、技术水平的限制，致使许多水库大坝标准偏低、质量问 题严重，造成大量遗留问题。 原水利电力部水利管理司于1 9 8 1 年分析了土石坝损伤病害1 0 0 0 例”1 ，这些病例虽然未造成 溃坝。但都影响工程的正常运行。据调查，土石坝各类病害类型的百分比见表1 - 1 。 类型比例( )类型 比例( ) 大坝裂缝1 2 9 大坝滑坡5 3 滑 裂缝 大坝铺盖裂缝 i 1 坡 大坝塌坑2 5 其他裂缝1 1 3岸坡滑坡 3 1 坝基渗漏 6 7护坡破坏 6 5 渗漏 嚣萎粪霎；： 冲刷破坏 1 1 2 气蚀破坏 3 0 其他渗漏9 , 6 闸门启闭失灵4 8 管涌 5 3白蚁打洞及其他破坏 6 6 由上表可以看出，由于许多坝体存在许多病害，为了防止溃坝失事，不得不限制在低水位远 行，使工程不能发挥应有的效益。 另据山东省统计，山东省已建成大中型水库1 6 7 座，除两座中型水库为砌石重力坝外，其余 大中型水库主坝都是土石坝”。全省3 2 座大型水库有1 5 座被水利部列为危险水库；1 3 5 座中型 水库有7 5 座为病险水库。其主要病害类型见表1 - 2 。 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 裹1 - 2 山东省土石坝各类病害类型统计裹 由于水库大如! 存在不同程度的病险，对火坝安全构成了严重威胁，使下游居民在汛期则提心 吊胆，唯恐溃坝出事，群众不能安寝，工厂企业不能安心生产。自八十年代中期，尽管我国水利 部门对水库大坝病险进行了处理和加固，但十石坝的病险加固不是一劳永逸的，是一个k 期的动 态的过程，这就需要及时准确地对土石坝进行监测和评判，及时做出加固处理决策，确保人民生 命和财产的安全。 1 2 土石坝老化病害评价研究的目的和意义 1 2 1 土石坝老化病害评价研究的目的 建国以来，在我国已修建8 万余座水库中，土石坝占9 0 以上，2 l f l ! _ 纪水库大坝安全面i 瞄许 多新的问题： ( 1 ) 随着社会经济发展，水资源可持续战略对水库防洪提出更高要求。主要表现在：水库防 洪与发电安全，汛期防洪与兴利矛盾加剧，电力生产部门管理的水电站水库矛盾尤为突出。防洪 与供水安全，干旱地区、缺水地区的水库，特别是承担着城市生活供水、工业生产供水的水库， 面临着巨大的供水压力直接影响当地经济和人民生活安全。 水库防洪安全和兴利矛盾极为突出。水库是防洪工程体系中必须同时考虑安全与兴利双重任 务的特殊群体，发电、灌溉、城市供水、环境保护等等都与水库蓄水密切相关，特别是北方干旱 地区，水资源十分宝贵，水库往往一年甚至多年才来一场洪水，干部群众节水意识非常强烈。这 两类问题焦点集中表现在汛期汛限水位的控制运用上。 ( 2 ) 社会主义市场经济下管理体制变化引发的新问题。我国绝大多数水库在上个世纪5 0 7 0 年代依靠群众运动建成。完全是计划经济规律在起作用。目前，我国已经由计划经济向市场经济 过渡，且转变速度正在加快，水库管理体制如何转变值得高度重视。水库管理单位的事业、企业 转制事关犬局，直接影响管理效率，影响防洪事业的开展。在这种形势下，如何保证水库安全， 意义更大。 ( 3 ) 我国城市化进程加快，对水库安全提出高要求。目前，我国建制城市中有防洪任务城市 6 0 0 多库。据统计，影响城市防洪安全的水库5 0 0 多座”。保护城镇安全足水库的重要任务，合理 调度、科学调度极为重要。一方面，城市化加快，经济迅速发展，洪涝灾害损失将大大增加r 水 库保护城市安全任务加重：另一方藏。热岛效应、温室效应等直接或间接影响城市上空气候变化， 3 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 葺皇皇置置舅鼍曼| 篁舅曼皇| 曼曼鼍i ii i i 蔓曼量曹鼍鼍曼曼皇量曼笪皇邕簟皇皇曼舅曼曼 导致城市暴雨发生机遇大大增加。加大了位于城市暴雨区的水库防范难度。 ( 4 ) 水库已步入老龄化年代，问题突出。我国大部分水库建于5 0 一7 0 年代，至今约3 0 一5 0 年 不等。老化、失修严重，重重问题、症状都表现出来。石坝老化同工程界一般讲豹老化( 单纯 的材料老化) 不是一个概念其定义可以概括为：大坝建成后，在内部和外界各种因素作用下 随着时间的推移，逐渐降低甚至丧失其功能的现象，叫土石坝老化。土石坝老化有内部老化和外 部老化。外部老化是指库内淤积、铺盖裂缝塌陷、护坡防浪墙风化剥蚀、坝体外表冲蚀破坏、排 水设拖淤积堵塞等现象。内部老化是指滑坡、裂缝、渗漏、动物洞穴等隐患。外部老化现象容易 发现，处理及时。内部老化隐患不露痕迹、隐蔽，经过长时间的变化突然加剧，令人措手不及 若不及时发现造成大坝事故隐患，甚至导致溃坝失事。库到老年，各类问题暴露出来，突发性 病情增多，令人防不胜防，加重了防洪调度、工程治理的难度和负担。 本文的目的在于建立准确、及时地诊断土石坝的隐患和病害的方法，着重研究土石坝老化的 成因和机理，找出切实可行的监测评估手段，建立老化程度评价的指标体系，以便准确地评价土 石坝老化程度，从而采取相应的维修、加固、改造等措施。 本课题的工作对切实搞好水利工程的管理工作，防止丁程的老化，杜绝事故发生，避免不必 要的经济损失和对社会生产生活的严重影响，更好地发挥经济和社会效益。确保水库大坝安全， 并对土石坝的安全性做出合理科学的评价意义十分重大，也是当前水利工程管理中亟待解决的一 项重要课题。 1 2 2 土石坝老化病害评价研究的意义 通过本课题的研究，对土石坝老化病害评价、加固具有十分重要的意义。 ( 1 ) 对土石坝老化病害评价是管理领导者进行决策的重要依据 土石坝病害是一个渐进的过程，不论是裂缝、渗漏、滑坡还是动物破坏，部是一个由量变到 质变的过程，因此对士石坝老化病害评价是一个动态的过程，内容包括：土石坝病害到什么程度 是否对大坝稳定产生影响。需要不需要加固处理，如何预防等等。土石坝老化病害程度评价可为 决簟者提供有效而直观的例证，从而为决策者提供有益的帮助，为领导决策提供重要的决策依据。 ( 2 ) 对土石坝老化病害评价有利于提高设计水平 对土石坝老化病害评价是系统地对土石坝病害产生的成因、病害机理进行综合分析，总结士 石坝在设计、施工、质量、管理、运行等诸方面存在的问题，这可为土石坝加固设计和新建土石 坝设计提供经验，为下一次设计同类型的水利工程提供参考，为同一类设计中的不确定因素提供 实际数据，提高设计水平。 ( 3 ) 对土石坝老化病害评价有利于提高管理水平 我国的水库大坝，其中尤以土石坝最多。这些犬坝绝夫多数建成于二十世纪5 0 至7 0 年代。 由于历史的原因，有相当大的一部分土石坝存在各种各样的病险隐患，对人民生命财产和经济发 展形成潜在的威胁。及时准确地建立土石坝病害评价指标体系，对土石坝老化病害程度进行准确 评价，使土石坝病险隐患得到监控，病险大坝得到及时处理和加固。使先进的检测技术得到应用， 特别是通过指标体系的建立，把计算机技术、网络技术应用丁- 土石坝安全评价中击，建立起土石 坝评价计算机系统，实现水库大坝管理的新的革命，有利于实现管理的科学化、现代化、制度化 4 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 和规范化，促进管理水平的提高。 ( 4 ) 土石坝评价指标体系的建立，促进管理队伍业务素质的提高 如何评价、判断大坝的安全，建立准确地评价指标体系尤为重要。大坝安全的评价不但要视 其已发现的或潜在的病险类型和病险程度，也与该地区人口及经济发达的程度有关，是一个包括 挡水功能和社会经济影响的复杂综合体系。这就需要管理者结合工程实际，按照己确立的评价指 标体系，研究己建士石坝破坏标淮及安全评价方法，运用先进的技术，对十石坝病害进行科学评 价，做出科学的处理加固决策，确保工程安全。这就需要管理者学习和掌握1 = 程业务知识，把工 程业务同先进科学技术的应用紧密地结合起来，增强评价的准确性，决策的科学性，从而促进管 理队伍素质的提高。 ( 5 ) 对土石坝安全评价有利于提高群众的认识 对士石坝安全评价的结果是土石坝是否安全的结论。评价的最终结果是以数据的形式反映水 利工程安全对库区的经济、社会和生态效益和人民生命财产安全所产生的影响，这些数据全面、 详实，具有很强的实效性和权威性，可以有力说明水利工程建设的重要意义和不可替代性，提高 人民群众对水利工程重要性的认识，为顺利开展水利t 作奠定坚实的基础。 1 3 土石坝老化病害国内外研究现状 1 3 1 国外研究现状 从大坝记录资料表明在全世界各地大坝失事中为数展多的是土坝。美国大坝委员会在上个 世纪7 0 年代和8 0 年代进行了两次全面事故调查，截止到1 9 7 2 年1 2 月底，美国共发生重大事故 案例3 4 9 宗，其中土石坝2 4 9 宗，占总数的7 1 - 3 。1 9 7 3 年至1 9 8 5 年底大坝事故2 5 8 宗，其 中属土石坝2 0 1 宗，占7 0 。国际太坝委员会对全世界大坝事故进行了统计，按坝型统计，土石 坝数量最多，其溃坝数占溃坝总数的7 0 p 。 1 9 7 9 年在第十三届国际大坝会议上【l i ，西班牙的工程师分析了西班牙2 0 0 年来5 2 座大坝溃 坝的原因见表1 3 。1 9 8 0 年前苏联的工程师分析了7 0 0 多座大坝( 包括混凝土坝) 失事的原因， 见表1 - 4 。 表1 - 3 西班牙土石坝渍域原因 5 衰卜4 前苏联大甥溃埂原因 国际人坝委员会历来对大坝安全问题都极为重视，1 9 4 8 年第三届国际大坝会议安排了防j r 管 涌的最新措施议题；1 9 5 1 年第四届大会安排了坝址可能出现最大设计洪水估计议题；1 9 6 7 年第九 届大会列入了大坝和库岸角度看大坝安全的议题；1 9 7 0 年第十届大会安排了大坝和建筑物监测的 议题：1 9 7 9 年第十三届大会列入了大坝老化和失事的议题；1 9 8 2 年第十四届大会列入了运行中大 坝安全的议题【l l ，重点分析了水库大坝失事的原因。2 0 0 2 年第7 0 届年会列入了大坝安全与风险评 价议题，2 0 0 3 年第7 l 届年会列入了水库大坝老化过程分析及其对大坝安全影响研究和防止老化的 措施，同时列入大坝抗震安全评价。世界各国也以此为契机，着重研究水工建筑物老化问题，并 开始对建筑物进行老化评价和加固处理。早在1 9 5 5 年，意大利的法那林( f a n e l i ) 和葡萄牙的罗 卡( r o e h a ) 就开始应用统计回归方法来定量分析大坝的变形观测资料。1 9 7 7 年，f a n e l i 又提出了 大坝变形的确定性模型和混合模型，即将理论计算值与实测资料有机地结合起来，对大坝安全进 行监控p i 。法国在资料分析方面迅速、简便，他们采用了v l d v 方法监测大坝，在测值序列中去掉 水压和温度分量后的剩余部分( 即时效和残差) ，并分析其规律，判断大坝的运行情况”1 。 在常规分析资料的基础土，苏联、日本、法国、意大利等国家也开展了大坝的监测和评价研 究，多数侧重于坝体材料的物理力学性能的研究。美国垦务局把“老化混凝土的决策支持系统” 研究课题作为重点工作之一，它从水工建筑物( 混凝士) 材料性质的历史数据库、大坝安全信息 系统以及设各运行维护记录中获取信息，分析了水工建筑物老化的原因、机理和加固，并提出了 水工建筑物抗老化的基础知识和经验。美国垦务局的工程师们每年都对建筑物进行一次检查，每 六年对其结构进行全面审查，采用的方法为风险评估技术。应用风险评估。确定那些是晟危险的 建筑物。以经常性的和管理先进的数据记录为基础，采用试验方法，确定水工混凝土建筑物的整 体状况，对其老化程度进行鉴定，采用这种方法，是由美国垦务局所属的3 4 8 座大坝和水库所用 材料多为混凝土为基础，多为老化混凝土的研究。多数研究侧重大坝力学性能分析、大坝防渗以 及大坝加同理论研究以及当出现病害时的每种功能的失效概率风险评估水库人坝的安全性。 1 9 2 9 年加州政府制定了维护大坝安全的法律，这是美国对大坝安全立法的开始。针对人坝出现 的问题，垦务局设立了大坝安全职能单位井从1 9 8 0 年至今开展了一项长期的对已建坝进行安全 评价的计划对每座坝每6 年进行一次定期安全检查”“。 法国自1 9 5 9 年1 2 月马尔帕赛( m a l p a s s e t ) 混凝土拱坝发生溃坝事故后，法国更加重视大坝 安全管理。主要采取以下措施：安排相当数量的犬坝安全监测经费，用于大坝安全监测仪器的 费用约为人坝费用的1 ，每年大坝安全监测费用约为大坝费用的1 。颁布有关大坝安全监测 6 的新法规。如1 9 7 0 年颁布的“法国关于坝工观测及监控法规”中规定对运行的大坝每5 年要进行 一次检查每1 0 年一般要放空水库检查一次。建立报警制度，对高于2 0 m 的大坝及库容超过1 5 0 0 万m s 的水库，均需设置报警系统，以保护下游居民安全。同时要求计算或经模型试验，提出溃坝 后水的淹没范围、冲击波到达时间、淹没持续时间和相应的居民疏散计划。强调重视做好首次大 坝蓄水安全监控工作，包括对库区岸坡和大坝基础监测在内。对大坝的蓄水计划也要求进行专门 的审查，定期提出大坝安全评价报告。建立一套较完善的大坝安全管理机构，其中设有一个计 算中心，有较大的数据库，储存电力公司全部大坝的观测数据、基本参数和工程指标，可随时提 供研究，及时做出评价。“ 1 3 2 国内研究现状 我国的水工建筑物安全检查始于19 7 5 年河南发生人洪水致使板桥、石漫滩两座大型水库溃 坝失事后并开始对水工建筑物特别是大坝进行安全评价，并对病险水库进行了加固处理a 对于 水工建筑物的老化问题的研究始于1 9 8 5 年后的全国水工建筑物安全检查，由于看到了水工建筑 物特别是水库大坝安全的重要性，国家、省市、长江、珠江、黄河、淮河、海河流域等管理部门 对其所辖水利工程进行了老化和病害调查与研究，产生了一大批科研成果，并应用于工程的修补 和加固，对于水利工程的正常运行产生了积极作用，水利下程设施得以造福社会，为经济的发展 产生了积极作用。 目前的研究进展在以下几方面取得了较好的成果：一是，单体输水水工建筑物- 如水闸、灌 区混凝七、渡槽等输水建筑物老化病害的原因分析、检测和评估，对防治对策进行了探讨一：是 水工建筑物修复技术研究，针对病害特征，对病害进行评估，通过验证承载力、温度效应等方面 的测试，进一步分析破坏机理，提出了修复方案。三是，土石坝安全性分析及加固处理。应用现 代坝工建设理论，通过室内抗渗强度试验和渗流场的正反演分析，对目前土石坝运行进行分析， 提出加固措施，如劈裂灌浆防渗技术、土石坝裂缝加固处理技术等等由此产生了修补材料的研 究与应用。四是，输水建筑物老化病害评估及检测方法的研究。如“混凝土结构耐久性的模糊概 率分析”、“水闸耐久性影响评估分级研究”等，这些研究成果对于解决输水建筑物的老化病害起 到了积极作用并得到较好的应用。在水库大坝总体安全度评价方法中采用水坝总安全度作为评 判标准，既考虑了坝体结构的安全性又考虑了水库对社会经济的影响，取得了一定的成果”“。同 时，大坝结构性态数学模型法、层次分析法、模糊综合评判法以及模糊模式识别等方法也在太坝 实测性态安全评价中得到了很好的应用”1 。 国内研究存在以下需要解决的问题： ( 1 ) 老化评价缺乏有效的测试手段。由于测试方法不同，测试的精度、数据存在筹异，需 要应用先进的测试手段，收集和掌握与实际相接近的测试数据，为评价体系的建立提供准确的数 据。 ( 2 ) 模糊评判水利工程，权重的确定是评价的关键。如何准确、科学地确定权重- 需要科 学的理论和符合工程实际，更需要评价指标体系做基础，需要对其进行论证。 ( 3 ) 多数研究成果注重了单体输水水丁建筑物，而对于综合研究较少t 缺乏对整体建筑物 安全性的评价。特别是对土石坝某个方面的病害缺陷进行研究，如裂缝、渗漏等评价，缺乏土石 7 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 _ i i i i l l 置皇目量鲁舅目墨曼曼! 曼鼻曼毫皇曼量 坝的整体安全性的评价，没有建立起综合评价体系。 由以上可知，国内外目前尚未有完整的土石坝老化程度评价的指标体系，这就需要在国内外 已有研究成果的基础上，通过大量的调查、试验、现场实测和分析应用科学的分析方法，建立 一套切实可行、易于操作的土石坝老化指标评价体系，用以指导水_ t 建筑物的老化和病害评判， 为病害处理和加固提供决策依据。 1 4 问题的提出及本文研究的主要内容 我国绝大多数水库兴建于“大跃进”和“文革”时期，由于土石坝具有取材方便的特点，水 库大坝多为土石坝，限于当时的历史条件和经济、社会因素的制约，多数土石坝缺乏周密的设计 和论证，“三边”工程较多，缺乏质量保障，遗留隐患较多，许多水库老化失修，存在各种病害， 使得工程随着使用年限的增长，老化程度越来越深，严重影响了丁= 程的正常使用和安全运行，给 下游区人民生命和财产的安全构成了严重威胁。 我国的土石坝老化病害研究开始丁上世纪八十年代中期，由于党和政府的高度重视，近年来， 对全国土石坝工程进行了系统检查，发现了不少的安全问题。各工程管理单位也针对所管辖的土 石坝工程进行了检查，摸清了土石坝工程所存在的主要病害，在国家和地方政府的资助f ，对十 石坝工程存在的老化瘸害进行了研究和病害处理加固的理论、方法、技术研究，产生了一大批成 果，这些成果应用于土石坝的除险加固，对士石坝的安全运行产生了巨大的作用。但是多数成 果都是针对具体工程的具体病害进行的研究、评价、加固和处理，多数为事后研究和处理。土石 坝工程的老化病害是一个逐步发展的渐进性的过程，随着时间的推移，士石坝的老化也会越来越 深，老的病害解决了处理了，士石坝还会产生新的病害和新的老化问题。因此对土在坝的老化 病害监控是一个长期不间断的过程，在监测的基础上，需要管理者及时地对土石坝老化病害做出 准确地评价，这就需要建立起土石坝老化病害评价指标体系，变事后评价为事前和过程评价，变 事后处理为事前和过程预防，杜绝土石坝安全事故发生。 本研究在目前士石坝老化病害研究成果的基础上，通过对土石坝主要病害，如裂缝、渗漏、 滑坡、护坡破坏、动物破坏等病害特征、成因机理分析，应用先进的监测手段和方法，力图建立 起土石坝老化病害评价指标体系，以便准确地评价土石坝老化病害程度，提出相应的土石坝老化 病害防治措施。为土石坝老化病害维修、加固和处理提供决策依据，同时也为土石坝安全综合评 价分析计算机自动化系统的研究提供基础。主要研究以下内容： ( 1 ) 土石坝主要老化病害类型及其成因分析； ( 2 ) 士石坝主要病害检查： ( 3 ) 土石坝老化病害评价指标体系： ( 4 ) 土石坝老化病害防治措施及对策； 限于课题研究的时间和深度，本课题仅对土石坝坝体主要病害裂缝、渗漏、滑坡、护坡破坏、 动物破坏进行分析和评价，不涉及大坝防洪、放水洞、泄洪闸、地震灾害等对士石坝的破坏的研 究。 8 第二章土石坝主要老化病害类型及其成因分析 2 1 土石坝裂缝 2 1 1 裂缝的分类及特征 由于设计、施工不当等诸多原因，土石坝中常出现裂缝。十石坝裂缝按裂缝部位分为表面裂 缝和内部裂缝；按裂缝的走向分为横向裂缝、纵向裂缝、水平裂缝和龟纹裂缝：按裂缝形成条件 分为沉陷裂缝、滑坡裂缝、干缩裂缝、冰冻裂缝和震动裂缝，其特征见下表2 一l 。 寰2 - 1 辩缱分类厦特征 9 中国农业大学硕士学位论文第二章土石规主要老化病害类型及其成因分析 曼量皇| | 舅圈曩日詈量量量鼍目| _ 皇量墨舅暑曩舅| 一i i _ 一 2 1 2 土石坝裂缝的成因 2f 2 1 横向裂缱 这种裂缝与坝轴线垂直或斜交。如贯穿防渗体，可能造成集中渗流通道并在渗流的作用下 继续发展，因而危害极大。它的出现，在一般情况f ，反映在坝顶防浪墙或路缘石的开裂。产生 这种裂缝多是坝肩与河谷中心部分坝体的不均匀沉陷造成的。具体原因是： ( 1 ) 沿坝轴线方向的坝基地质不同，物理力学性质差异较大。如坝基局部为高压缩性地基或 湿陷性黄士，未经处理筑规后，压缩变形则相邻断面产生不均匀沉陷，出现横向裂缝。 ( 2 ) 坝基虽为均质地质，但地形变化很大。如岸坡或台地边坡过陡，与土坝交接处，填土高 差悬殊压缩变形不同，容易出现横向裂缝。 ( 3 ) 由于出现较大的不均匀沉陷土石坝与刚性建筑物接合的坝段容易引起的横向裂缝。如 坝体与溢洪道墙相接的坝段，即属于这钟情况。如在坝体内埋输水涵管的坝段，由于输水涵管上 部与管的两侧的坝体填土高度不同，而出现不均匀沉陷。在相应部位的坝顶处有可能出现横向裂 缝。 ( 4 ) 在士石坝施工中由于采用分段分块填筑，分段分块填筑进度不平衡，填土层高差过大， 接合部位坡度太陡，粗士团沿坡堆积，不容易压实，分段分期施工，填筑压实密度不均匀以及未 按要求土料填筑等，均有可能产生不均匀沉陷，形成裂缝。 ( 5 ) 地震裂缝。地震后，坝体出现横向裂缝。 2 ，1 2 2 纵向裂缝 这种裂缝是与坝轴线平行的，产生纵向裂缝的原因，有的是坝体或坝基的不均匀沉陷，有的 是滑坡引起的。纵向裂缝一般在下列部位出现： ( 1 ) 坝基压缩性大的坝段，主要指软土或黄土地基。对于未经处理的深厚黄土地基，当水库 蓄水后其上游部分先湿陷，下游部分后湿陷，在水库蓄水初期，地基产生不均匀沉陷，使坝体 出现纵向裂缝。对于软土地基如果厚度在上下游方向变化比较大，或者部分为软土地基，部分 为岩基，在坝体荷重作用下，地基也会发生不均匀沉陷，引起坝体纵向裂缝。 ( 2 ) 坝体跨建在条形山脊上，或坝端包着山脊，在坝体固结沉陷时，同时向两侧移动引起纵 向裂缝。 ( 3 ) 在深层透水坝基，采取截水槽防渗处理，截水槽的压缩性比两侧自然土基压缩性小截 水槽上部坝体沉陷且就比两侧沉陷且小，可能引起纵向裂缝。 ( 4 ) 粘土斜墙和心墙坝的透水料坝体碾压不实，在接合部位的上部坝面，可能产生纵向裂缝。 ( 5 ) 在施工中。如按小断面填筑，后在背水坡培厚加高，新老坝体沉陷不均；上f 游坝体分 给两个单位施工，分别从上下游取土填筑往往由于两个单位进度和施工质量控制不同，蓄水后 容易在填筑质量较差的分界处出现纵向裂缝；坝坡过陡；排水设施堵塞或损坏，起不到排渗作用r 使背水坡渗水出逸点抢高，坝坡发生渗透变形均有可能出现纵向裂缝。 ( 6 ) 在管理运用中，由于控制不当，库水位骤降迎水坡产生较大孔隙水压力；坝坡堆放重 物，附加荷载，当超过土体极限平衡状态时，即有可能产生纵向裂缝。甚至滑坡。 纵向裂缝有的是滑坡预兆。因此，判别裂缝的性质是很重要的。沉陷裂缝，在坝面上，一般 接近于直线，基本上是垂直地向坝体内延伸，裂缝两侧填十的错距一船不大t 3 0 0 m m ，缝宽和错 中国农业大学硕士学位论文第二章土石坝主要老化病害类型及其成因分析 距的发展是逐渐减慢的；滑坡裂缝，在坝面上，一般呈弧形，裂缝向坝体内廷申时弯向上游或下 游。缝的发展是逐渐加快的，直至土体发生滑动以后，才逐渐变慢。 21 ，2 3 干缩和冻融裂缝 一般裂缝发生在粘土均质坝的表面、粘土心墙坝的坝顶、施工期粘土的填筑面以及放空库水 的防渗铺盖上。产生裂缝的原因由于大坝含粘量和含水量较大( 人于最优含水量) 、施t 期间t 序衔接不好、护坡不能及时跟上粘土表面以及可能出现水库泄空而出露的上游防渗铺盖等部位， 遇到炎热或严寒天气，由于表层土料含水量的迅速蒸发或迅速冻结，都会使蜘 面产生裂壁。这种 裂缝分布较广。裂缝的方向没有规律，纵横交错缝的间距比较均匀，多是龟裂状。所以又把它 叫做龟裂缝。这种裂缝一般是与表面垂直的，上宽下窄，呈契形。缝宽往往小于10 l i l m 。深度一般 不超过l m 。个别情况，也有较宽、较深的。 2 1 2 4 内部裂缝 在土石坝体内部还可能出现裂缝。有的内部裂缝是贯穿上下游的，可形成集中渗漏通道。由 于事先不易被发现，因此危害性很大。产生内部裂缝的原因及其可能出现的部位： ( 1 ) 修建窄心墙士石坝，心墙边坡陡，断面窄。如坝壳材料压缩性小，而心墙土料的压缩性 大，则心墙向下沉陷时，其上部挤在上下游的坝壳之间，通过拱的作用而传递到两侧的坝壳上去， 以致上部心墙不能下沉，f 部继续沉陷。使心墙受拉而出现贯通上下游的水平裂缝。有的也可能 产生竖向裂缝。这种内部裂缝出现后，坝体会出现严重漏水。 ( 2 ) 在狭谷高压缩性地基上建的土坝，在坝基沉陷过程中，上部坝体的重量通过拱作用传递 到两岸。如果拱作用的下部坝体沉陷，上部坝体不能同时下沉，坝体可能受拉而出现内部裂缝。 ( 3 ) 修建在高压缩性地基上的土石坝，因坝基不均匀沉陷而形成马鞍形后，就有可能在坝体 底部出现拉应力，从而引起铅直内部裂缝。 ( 4 ) 在基础混凝土防渗墙或在粘土截水槽基岩上混凝土的截水墙上部坝体，由于混凝土墙的 压线变形远比河床冲积层或坝体的沉陷量小。因此，混凝土墙的顶部和两侧的坝体各产生不均匀 沉陷，从而可能使墙的附近的填土产生内部裂缝。 内部裂缝很难从坝面上用肉眼判断出来，但是，如果有坝体表面和内部沉陷观测资料，结台 地形、地质、坝型和施工质量等条件进行分析，做出判断，也是有可能的。必要时为了证实内 部裂缝的存在，还可打钻孔、挖探槽或探井进行检查。对于没有埋设观测项目的中、小型水库土 石坝，主要依靠蓄水后加强对渗漏量与浑浊度的观测。如发现异常现象，则应控制蓄水，迅速分 折原因，进行评价处理。 2 2 土石坝渗漏 2 2 1 渗漏的种类和特征 按渗漏的部位可分为坝体渗漏、坝基渗漏、接触渗漏、绕坝渗漏：按渗漏性质可分为正常渗 漏和异常渗漏；按渗漏现象可分为散浸和集中渗漏。其特征见表2 2 。 裹2 - 2 渗一的种类和特征 2 2 2 渗漏的成因 土石坝病害是由多种因素造成的，其中渗漏是重要原因之一，对土石坝产生渗漏的原因主要 有以下几个方面： ( 1 ) 勘测资料不足或未经勘测。如缺坝基地质资料和料场资料的物理力学基本数据。 ( 2 ) 试验资料不足或未经试验。如缺坝基、特别是软基地质资料或坝体土石料性质的试验数 据。 ( 3 ) 设计不周或未经设计就施工的工程。均质坝坝坡陡，反滤体设计不当，浸润线在坝的背 水坡反滤排水体以上逸出；复式断面土坝的粘土防渗体与下游透水坝壳之间，缺乏良好的过渡