（水利工程专业论文）水库防洪标准复核及安全稳定性分析问题的研究.pdf

摘要 刘吉索水库位于天津蓟县( 燕山浅山丘陵地区) ，水库于1 9 7 0 年“月份开 工，1 9 7 1 年7 月份全部竣工，自水库建成以来，已投入运行3 2 年，由于该水库 所处地理位置较重要，当初设计的标准未尽合理，经观察大坝上游护坡已有部分 破坏，加之近年来比较干旱，水库未经受较大洪水的考验，因此进行水库防洪标 准及大坝安全稳定性分析，对水库的运行管理以及除险加固是十分必要的。 本文主要采用水库防洪标准及安全性计算分析的基本方法，以蓟县刘吉素水 库为例，对水库进行了防洪标准及坝体安全稳定性计算，并对照国家有关规范对 刘吉素水库的防洪标准是否符合防洪要求，以及水库大坝的安全性是否满足稳定 性和变形的要求等问题进行了分析。本文主要工作如下： 1 对水库防洪标准的确定方法进行了归纳总结，并在此基础上论述了水库防 洪标准分析的基本过程，给出设计了洪水的计算方法、设计洪水计算的推理公式 法、中小型水库调洪演算的辅助曲线法、以及坝顶高程计算的基本方法。建立了 水库防洪标准复核计算的基本途径。 2 对土坝安全稳定性分析的基本原理进行了归纳总结，并在此基础上论述了 坝体部分安全稳定性分析的基本过程，给出了坝体抗滑稳定性计算的瑞典圆弧 法，泄水洞的抗压、抗剪强度计算方法，以及坝体护坡计算的基本方法。建立了 水库安全稳定性复核计算的基本途径。 3 结合刘吉素水库的基本情况，对其防洪标准进行了复核分析计算，确定水 库现有防洪安全程度，并对其土坝的安全稳定性进行了分析。 4 确定了坝体抗滑稳定性程度，并对泄水洞的抗压、抗剪强度进行了分析， 为水库的安全鉴定分析提供了科学依据。 关键词：刘吉素水库；防洪标准；复核计算；安全稳定性 a b s t r a c t l i u j i s u r e s e r v o i r l i e s i nj i c o u n t yo f t i a n j i n ( h i l l yr e g i o no f y a n s h a n m o u n t a i n ) i t w e n t i n t o o p e r a t i o ni nn o v e m b e ro f1 9 7 0 ，a n da l lc o m p l e t e di nj u l yo f1 9 7 1 t h er e s e r v o i rh a sa l r e a d yb e e n p u ti n t oo p e r a t i o nf o r3 2y e a r ss i n c eb e i n gb u i l tu p t h er e l a t i v e l yi m p o r t a n tg e o g r a p h i c a lp o s i t i o n o ft h er e s e r v o i r , t h ed e s i g ns t a n d a r do r i g i n a l l yn o tb e i n gr a t i o n a l ，t h ee x i s t i n gd e s t r o y e dp a r to f u p s t r e a ms l o p et h r o u g ho b s e r v i n gt h ed a m ，m o r ea r i di nr e c e n ty e a r sa n dt h er e s e r v o i rn o t s t a n d i n gt e s to fg r e a tf l o o d , a l lo fa b o v es h o wt h a ti ti sv e r ye s s e n t i a la n de x c e p tt oa n a l y z e r e s e r v o i rf l o o d - c o n t r o ls t a n d a r da n ds a f e t ys t a b i l i t yo fd a m a n dt 0s t r e n g t h e nt h eo p e r a t i o n m a n a g e m e n to f t h er a s e r v o i r w i t he a l c u l a t i o n a la n a l y s i sb a s i cm e t h o df o rr e s e r v o i rf i e o d c o n t r o ls t a n d a r da n ds e c u r i t y , l i u j i s ur e s e r v o i ri n j ic o u n t ya se x a m p l e ，t h er e s e r v o i rf l o o d - c o n t r o ls t a n d a r da n dd a mb o d y s a f e t ys t a b i l i t yw c r gc a l c u l a t e di nt h i sp a p e r a n di ta l s ow a sa n a l y z e dt h eq u e s t i o n sa b o u tw h e t h e r t h ef l o o d - c o n t r o l s t a n d a r da c c o r d i n gw i t ht h er e q u e s to ff l o o d - c o n t r o l ，a n da b o u tw h e t h e rt h e s e c u r i t yo ft h er e s e r v o i rd a mm e e t i n gt h es t a b i l i t ya n dr e q u e s to u to fs h a p ew i t hc o n t r a s t i n g n a t i o n a lr e g u l a t i o nt ol i u j i s ur e s e r v o i kt h eg r o u n d w o r ko f t h i sp a p e ri sa sf o l l o w s ： 1 t h em e t h o dt od e t e r m i n er e s e r v o i rf l o o d c e n t r e ls t a n d a r dw a ss u m m a r i z e d b a s i so ni t t h e b a s i cc o u r s eo fr e s e r v o i rf l o o d c o n t r o ls t a n d a r da n a l y s i sw a sa l s oe x p o u n d e d i nt h i sp a p e r ，t h e c a l c u l a t i n gm e t h o da n dr e a s o n i n gf o r m u l al a wo f t h ed e s i g nf l o o d ，t h ec a l c u l a t i o no f f l c o d - c o n t r o l a u x i l i a r yc u w em e t h o df o rm e d i u ma n ds m a l l s c a l er e s e r v o i r , a n dt h eb a s i cm e t h o do fc r e s t e l e v a t i o nc a l c u l a t i o nw e r gp r o p o s e d t h e n ，t h eb a s i cw a yo fc h e c k i n ge s t i m a t i o nf o rr e s e r v o i r f l o o d c o n t r o ls t a n d a r dw a se s t a b l i s h e d 2 t h eb a s i cp r i n e i p l ea b o u tt h es a f e t ys t a b i l i t ya n a l y s i so f e a r t h - f i l l e dd a mw a ss u m m e du p ， a n dt h e nt h eb a s i cc o u r s eo fs a f e t ys t a b i l i t yo fd a mb o d ya n a l y s i sw a sd e s c r i b e d ，t h es w e d e na r c m e t h o do fs t a b i l i t yc a l c u l a t i n gf o rd a mb e d ys t a b i l i t ya g a i n s ts l i d i n g ，t h ec a l c u l a t i n gm 酏h o do f c o m p r e s s i o ns t r e n g t ha n ds h e a f i n gs t r e n g t hf o rt h es l u i c ec u l v e r t , a n dt h eb a s i cm e t h o do f t h ed a m b o d ys l o p ec a l c u l a t i o nw e r ep r o p o s e d a tl a s t , t h eb a s i cw a yo f c h e c k i n ge s t i m a t i o nf o rr e s e r v o i r s a f e t ys t a b i l i t yw a ss e tu p 3 c o m b i n i n gt h eb a s i cs i t u a t i o no fl i u j i s ur e s e r v o i r , t h ef i o o d - e o n t r o ls t a n d a r df o rj tw a s c h e c k i n ge s t i m a t e d ，a n dt h es a f e t yd e g r e eo ft h ee x i s t i n gr e s e r v o i rf l o o d - c o n t r o lw a sc o n f i r m e d ， a n dt h es a f e t ys t a b i l i t yo f i 乜e a r t h - f i l l e dd a mw a s a n a l y s e d 4 t h ed a mb o d ys t a b i l i t ya g a i n s ts l i d i n gd e g r e ew a sc o n f i r m e d ，a n dt h ec o m p r e s s i o n s t r e n g t ha n ds h e a r i n gs t r e n g t hf o rt h es l u i c ec u l v e r tw e r ea n a l y s e d i tc o u l do f f e rs c i e n t i f i cb a s i s f o rt h ea p p r a i s a la n a l y s i so f t h er e s e r v o i rs a f e t y k e y w o r d ：l i u j i s ur e s e r v o ir ，f l o o d - c o n t r o ls t a n d a r d ，c h e c k i n ge s t i m a t i o n ，s a f e t ys t a b i l i t y 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得 的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之外，论文中不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞盘鲎或其他教育机构的 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 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名夕莹市每字日期：矿哆年，月，尸日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞盘茔可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意 学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者躲勘矾 签字日期：可年，月日 导师繇场耷 签字日期：z - 硝年1 月l c 7 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 问题的提出 中国己建成各类水库8 4 万座，其中小型水库8 i 万座，占水库总数的 9 6 2 “3 。由于种种原因，数量庞大的小型水库不同程度地存在着安全责任不到 位、管理粗放、带病带险运行等问题，直接导致了小型水库安全事故的频发。水 利部大坝安全管理中心目前完成了我国小型水库安全状况调查及对策研究报 告，指出了中国病险水库七大工程问题。据水利部的资料显示，全国共有病险 水库3 0 4 1 3 座，占水库总数的3 6 ，其中大型病险水库1 4 5 座，中型1 l1 8 座， 小型2 9 1 5 0 座，分别占各类水库总数的4 2 、4 2 和3 6 。据统计，1 9 5 4 至2 0 0 1 年间，全国共有3 4 5 9 座水库发生垮坝事故，其中小型水库多达3 4 3 4 座，占垮坝 总数的9 9 2 8 ，平均每年近7 3 座”1 。小型水库现已成为全国防洪体系中的薄弱 环节和危及人民群众生命财产安全的重要隐患。 刘吉索水库位于天津市蓟县( 燕山浅山丘陵地区) ，距刘吉素村2 5 公里的 河谷狭口处，控制秃尾巴河三支上游，属海河流域，大坝为碾压式斜墙土石坝。 水库于1 9 7 0 年1 1 月份开工，1 9 7 1 年7 月份全部竣工，历时8 个月，原设计标 准为2 0 年一遇洪水，校核标准为5 0 年遇洪水。水库控制流域面积1 1 6 7 平方 公里，总库容1 7 3 5 万立方米，是一座以防洪为主，兼顾灌溉和解决山区人畜饮 水相结合，综合利用的小( i ) 型水库，水库坝址所在地位置毗邻下游的大秦铁 路、北京到唐山的客运铁路、1 0 2 国道和京哈高速公路等重要防护对象。 由于水库位于丘陵山区，地貌属山间沟谷，地势北高南低，地层均属中上古 界地层，主要有页岩、燧石条带自云岩等岩性。经过漫长的地质时期，局部构造 比较发育。虽然没有发现塌岸和库坝稳定问题，但水库自1 9 7 1 年建成以来，已 投入运行3 3 年，并且由于所处地理位置较重要，当初设计的标准未尽合理，经 观察大坝上游护坡已有部分破坏，下游草皮护坡分布不均匀，坝顶下游侧边石破 坏l1 米，防浪墙为白灰砌黏土砖，风化比较严重，泄水洞洞身存在裂缝，无把 握保证泄流能力和结构安全。另外，近年来比较干旱，水库运行一直采取汛期 敝门迎汛的运用管理措施，未经受较大洪水的考验，因此进行水库防洪标准及大 坝安全稳定性分析，对水库的运行管理以及除险加固是十分必要的。 第一章绪论 1 2 水库防洪及大坝安全概况 1 2 1 国外研究概况 防洪安全是水库安全的一个主要组成，几乎4 0 的垮坝是由于水库漫坝造成 的，尤其是土坝。统计数据都表明，洪水的极值是威胁水库安全的重要风险因 子，防洪对水库安全是至关重要的，在确定水库设计洪水时必须采用使风险降 到最低为原则。一般是以特定的洪水极值作为水库防洪安全标准。 1 9 3 2 年，s h e r m a n 为解决由降落在流域上的净雨过程线推求流域出口断面 流量过程线的问题，提出了单位线的概念n 1 。他假设单位线服从倍比、叠加原 理和总历时不变。从此以后，该方法在世界范围内的许多流域的汇流计算中获得 了好的精度。直至现在，该方法仍是极具生命力的流域汇流计算方法。 1 9 2 1 年r o s s 提出了面积一时间曲线，1 9 7 9 1 9 8 0 年间r o d r i g u e z - - i t u r b e 和g u p t a 等提出了瞬时单位线理论“1 ，1 9 6 7 年，d o o g e 建立了“系统水文学” 的科学体系。1 。按照系统理论，自然界的系统有线性和非线性之分，凡满足倍比 和叠加原理的系统称为线性系统；凡不满足倍比原理而满足叠加原理，或既不满 足倍比原理，也不满足叠加原理的系统称为非线性系统。因此，一个流域的流域 汇流系统只要属于线性系统，那么使用单位线推流就是符合事物的客观性。 国际大坝委员会( i c o l d ) 对水库安全事故和垮坝进行了大量的研究工作 ( 1 9 7 4 ，1 9 8 3 ，1 9 9 5 ) ，对不同时期的垮坝水库失事原因作了剖析，以便水库及 坝工界从中吸取教训，提高水库的安全度。 ( 1 ) 最近几十年来，垮坝数量已明显减少。在五十年代以前，水库失事的 百分比为2 3 ，而此后所建的水库，其失事率降至0 5 。表明在水库的工程建 设和安全防护方面，取得了明显的进步。 ( 2 ) 按失事水库的坝型统计，几乎8 0 垮的是土坝，其余2 0 是混凝土坝和 圬工坝。 ( 3 ) 最常见的失事原因是坝项漫流，约占失事水库的3 6 ，由于漫坝而垮 坝的水库中8 7 是土坝。 ( 4 ) 失事的士坝中大部份由于漫坝而溃决的，其坝高多在3 0 米以下，共占 漫坝失事水库的7 3 ，占垮坝总数的3 1 。 第一章绪论 2 0 世纪6 0 年代末，大多数国家才普遍采用概率方法。1 。到了7 0 年代后半 期，有些国家开始使用确定性的标准和途径，来估计可能最大洪水( 硎f ) 。这 个时期各部门采用的标准各不相同，使用的方法也很不一致，重现期可以从2 0 0 年到1 0 ，0 0 0 年，多数情况下，设计洪水是采用1 0 0 0 年洪水或者p m f ( 世界大坝 委员会i c o l d ，1 9 8 8 ) ”3 。但是，设计洪水标准( 称为第一代标准) 最显著的特 点是其通用性，通用于任何水库和任何条件，没有考虑水库的规模、坝型、库容， 也没有考虑垮坝对下游的危害，采用的标准主要是依据经验和一些具有普适性的 理念。 1 9 7 3 年美国陆军工程师兵团出版了水库安全检查参考指南( 手册) ， 是上述理念的初次实际应用。按照水库规模，分成小型、中型和大型；按照对水 库下游地区的危害严重程度( 人口死亡或经济损失) 分为低危害、显著危害和高 危害瑚。一旦水库按这两个因素( 规模大小和对下游的危害) 进行了分级，就可 以对每级水库确定其设计洪水，如对高危害的大中型水库，是以p m f 作为设计洪 水。 一些国家的规范中( i c o l d ，1 9 9 2 ；b e r g a ，1 9 9 2 ) ，在水库的设计和运用 中，考虑两个设计洪水：设计洪水和校核洪水( 或极值洪水) 。设计洪水是设计 溢洪道和消能建筑物时考虑的洪水，并要求留有一定的“安全”超高。1 。校核洪 水是代表大坝可以承受的，不致失事的最大洪水，但仍应留有较低的安全超高， 这种情况下，混凝土坝容许有一定的漫坝，土坝则不容许。 美国、英国、加拿大、印度和南非等国家通过科学技术组织和政府部门公 布了推荐标准( 或指南) ，虽未经法律程序批准，但水库设计工程师普遍遵从执 行。而日本、葡萄牙和西班牙( b e r g a ，1 9 9 2 ) 等国，为确定设计洪水都制定了 具有法律约束力的设计标准“。 2 0 世纪8 0 年代以来所使用的标准意味着在防洪安全领域有很大改善，对 于建立确定设计洪水的实用标准，当前的确定设计洪水标准的原则综合为以下几 点： l 、适用于所有水库的通用标准，己日趋消亡，替代的标准是根据各个水库 垮坝对下游的危害程度进行分级，从而确定其设计洪水”1 。 第一章绪论 2 、水库一般分成三级( 高危害、显著危害和低危害) ，可能造成的人员死 亡是分级的决定性因素。高危害水库和显著危害水库的分界，是按死亡人数等于 或超过数值n 来定量划分。 3 、对高危害水库采用最高级别的安全措施和标准。这种情况下，设计洪水 是取p m f 或采用特长重现期( 1 0 ，0 0 0 年) 的洪水。一般说来，由于历史、技术 和专业方面的原因，存在两种趋向：其一，美国、英国、澳大利亚，以及受其经 济、技术影响的国家，都是采用确定性标准和方法( p m f ) ；其二，大多数欧洲 国家，采用概率方法，对高危害水库而言，采用的重现期是自1 0 0 0 年到1 0 ，0 0 0 年。 4 、现有各手册和规范对于显著危害和低危害级别的水库，设计洪水是取p m f 的一定百分比，或相应一定重现期的洪水，各自规定的标准差别是相当大的。有 些手册和规范对于显著危害级别的水库，规定可以采用经济风险分析( e r a ) 途 径。 5 、水库安全评估采用考虑两种设计洪水的可行性，即设计洪水和校核洪水。 1 9 9 9 年m c m u r l e y 提出基于风险分析确定设计洪水，其依据是个体或社会可 承受的风险水平( a r c ) 准则，后者表示对在该水平以下的风险，社会是准备不 采取任何降低风险措施，而采取承受下来。社会可承受风险的水平，可通过垮坝 事故可能罹难死亡人数的期望值n 和死亡的概率f 的关系说明。 在美国，垦务局( u s b r ) 现在正在研究以风险为基础的方法( u s b r ，1 9 9 7 ) ， 但美国各州以及联邦机构仍然采用一套确定性的水文安全标准“”。现在，基于风 险分析的方法，一般地还不能取代传统的、根据水库危害分级的传统标准。但是， 至少作为一种补充，该方法主要是应用在建成水库的水文安全评估工作中。 为了水库安全的规范化管理，一些国家对水库的安全加强了法制化管理。 1 9 2 0 年，美国国会通过了联邦水电法( f e d e r a lw a t e rp o w e ra c t ) ，并授权于联 邦能源委员会颁发水电开发许可证( 该委员会的功能于1 9 7 7 年由美国联邦能源 管理委员会f e r c 所接替) ”1 。大坝许可证有效期一般为3 0 5 0 年，到期后需要 经过严格的评审( 包括环境影响评价) 后重新申请注册。2 0 世纪9 0 年代，美国 许多早期建设的水电站进入了新一轮的许可证申请程序。 英国因发生多起溃坝事件，于1 9 3 0 年颁布了水库法“，其中规定了水 库业主、执法局、环境部和合格土木工程师专家组的职权，并要求定期对水库进 第一章绪论 行安全检查，做好水库运行记录和日常监测工作。检查中要求检查工程师凭借自 己的丰富经验，根据所见的各种迹象对大坝工作状况作出正确评价。通过加强法 制建设和技术管理，全面保障了水库安全。 1 2 2 国内研究概况 中国己建成近8 5 万座水库，数量居世界首位，其中小型水库8 1 万座，占 水库总数的9 6 2 ，全国除大型水库有通讯设施外，还有1 1 3 座中型水库、7 0 7 6 6 座小型水库没有通讯设施或不完善，分别占中、小型水库总数的4 和8 8 。由 于历史原因，这些水库大部分防洪标准偏低，且大都存在不同程度的质量问题“。 一些水库大坝的病险情况较为严重，影响了水库综合效益的发挥，也严重威胁着 人民生命财产安全。为了确保水库大坝的安全运行，充分发挥水利工程的预期效 益，对水库大坝实施安全监测和科学管理，已成为中国各级水行政主管部门所面 临的一个迫切需要解决的重大问题。加快病险水库除险加固，确保水库安全，充 分发挥防洪和兴利效益，对促进国民经济发展和人民生活水平的提高，具有重要 意义。 2 0 世纪6 0 年代，赵人俊等在分析制作中国南方湿润地区的降雨径流相关图 时发现：影响这些地区径流量的因素中最主要的因素是降雨量、初始流域蓄水量 和雨期流域蒸发量，而与降雨强度几乎无关；当降雨量较小时，降雨径流关系为 曲线，表明径流系数是变化的，且小于1 ；当降雨量较大时，降雨径流关系为直 线，径流系数保持为常数，且为1 ；降雨径流关系的曲线部分的点据比较散乱， 且多偏于径流量大的方向，而在直线部分点据分布趋势则和线比较吻合。同时提 出了流域蓄水曲线的概念和按雨量站控制面积进行产流计算的方法。这样就进一 步完善蓄满产流计算方法，提高了蓄满产流的计算精度“”。 1 9 7 9 年开展了水库诱发地震研究，最早从事这项工作的研究人员有夏其发、 汪雍熙和孔庆征等，进行了大型工程区域稳定性研究、断层现代活动性研究、地 震危险性概率分析和水库地震监测等领域的研究工作。先后对三峡、二滩、锦屏、 龙羊峡、乌溪江、乌江渡、百色以及隔河岩等二十余座大型工程的水库诱发地震 研究预测工作，并承担了锦屏、冶勒、阿尔及利亚布库尔丹水库等七个工程的地 震危险性分析和地震动参数选取工作。 2 0 世纪8 0 年代以来，我国加强了大坝安全管理和病险大坝的补强加固，对 第一章绪论 大坝定期检查或鉴定，不少病险大坝安全得到改进。然而，由于这些工程先天不 足，并随着运行时间的增长，仍然需要对他们的病变和安全机理进行分析研究， 以便进一步采取措施，提高其安全性和使用寿命。同时，为在建和规划设计中的 大坝提供借鉴。1 9 9 7 年，中加合作的“中国大坝安全监测和管理工程”正式启 动，该项目的实施已取得了明显成效。 国家防汛抗旱总指挥部办公室自1 9 9 8 年以来，组织有关院校、科研单位以 及有关部门研究开发出水库洪水调度系统标准化“开发模板”，并进行了现代水 库( 群) 洪水调度系统建设与开发试点。经过1 9 9 8 年、1 9 9 9 年两个汛期的运行 发现，该系统运行稳定，功能齐全，操作简单，使用方便，预报精度优良，调度 方案合理，并在实际使用中取得了显著的经济效益。 2 0 0 3 年水利部部长汪恕诚指出影响防洪安全的诸多因素中，最为严重的是 病险水库，防洪标准低、安全隐患多、管理不严、预测预报和通讯预警设施差等 安全问题非常突出，难以在短期内得到彻底解决，一大批水库仍将带病运行，遇 暴雨洪水特别是短时强降雨，如准备不充分、措施不到位、抢险不及时，就很可 能垮坝失事。 2 0 0 3 年8 月1 日，为加强水库大坝( 以下简称大坝) 安全管理，规范大坝安 全鉴定工作，保障大坝安全运行，根据中华人民共和国水法、中华人民共和 国防洪法和水库大坝安全管理条例的有关规定，制定了水库大坝安全管理 办法，适用于坝高1 5 m 以上或库容1 0 0 万m a 以上水库的大坝。坝高小于1 5 m 或 库容在1 0 万m 3 1 0 0 万m 3 之间的小型水库的大坝也可参照执行。 理正软件设计研究院开发出水工结构有限元分析系统，是针对我国水利行业 的要求而设计的，可对土坝、堤防、涵洞、水闸等水工建筑物进行详细的分析计 算，内部采用有限元技术和先进计算方法，技术水平领先，行业特点明显。边坡 稳定分析部分符合堤防工程设计规范( g b5 0 2 8 6 9 8 ) ， 碾压式土石坝设 计规范( g b5 0 2 8 6 - 9 8 ) 和一般土工计算公式，包括瑞典条分法、简化毕肖普法 以及推力传递法。该软件可以考虑砂性土的非线性，自动进行水上、水下强度指 标的取值；可进行施工期计算( 总应力法和有效应力法) ，也可以进行有效应力 法计算( 运行期) 和水位降落期计算；可计算指定滑面的安全系数，系列滑动面 的安全系数分布图，全局最危险滑动面；可以考虑园弧滑动面也可以考虑非园弧 滑动面；可以按水工抗震设计规范考虑7 9 度地震；可以考虑地面超载；方便的 第一章绪论 数据文件的输出输入功能等。 2 0 0 4 年4 月1 6 日，国家防汛抗早总指挥部办公室和水利部水利水电规划设 计总院在北京共同组织的“水库汛限水位设计与运用基础理论”、“国内外水库 设计洪水理论和防洪调度方法评价”等研究项目通过验收。并结合我国水库汛限 水位设计与运用的实际情况，针对大坝防洪设计标准、防洪安全风险分析、洪水 预报技术以及水库调度方法的最新研究状况和发展趋势，提出了关于我国开展水 库汛限水位设计与运用的理论研究方向，以及需要进一步开展相关工作的具体建 议。国内许多学者也陆续开展了这方面的研究“”吖。 随着科学技术的飞速发展和投入力度的不断加大，进入新世纪来，我国在大 坝安全监测技术方面得到了迅速的发展，主要表现在安全监测仪器产品质量的提 高和新产品、新技术的不断出现；数据采集和数据传输技术已经接近世界先进水 平；观测资料分析已经进入软件化阶段，直接服务于大坝安全；建立在大坝安全 监测自动化系统之上的各种信息系统也已出现。 1 3 水库非安全性因素及机理概述 我国是世界筑坝大国，5 0 年代未至7 0 年代修建的水库大坝约8 万座，由 于历史原因，相当一部分大坝是边勘测、边设计、边施工的，加之管理不善，不 少大坝成为病险水库大坝，少数大坝甚至溃坝失事。据不完全统计，在3 1 0 0 多 座大中型水库大坝中，病险大坝约占2 0 ，小型水库大坝中约有4 0 也是病险的 i 朝 1 3 1 水库大坝的不安全因素及其成因机理 水库大坝的不安全因素主要有以下几个方面： 一、防洪设计标准偏低。2 0 世纪7 0 年代以前，设计标准主要采取原苏联的 设计规范，没有考虑中国的洪水特点，加之水文资料不足，相当一部分大坝的洪 水设计标准偏低。如1 9 9 6 年水电站大坝的第一轮定期检查中，发现有3 8 座存在 洪水设计标准偏低的问题，约占总数的3 9 6 。 第一章绪论 二、坝基及库岸地质问题。由于当时地质勘测水平的限制和人为因素等方面 的影响，对坝基和库岸地质勘测不足，甚至未发现危及大坝安全的地质构造包 括断层破碎带、软弱夹层和库区滑坡等，影响了大坝的安全运行。 三、设计问题。以往设计，通常用稳定和强度控制，而对耐久性往往不够重 视。在相当一部分大坝运行中发现，混凝土结构物普遍存在溶出型溶蚀、碳化和 环境腐蚀等损伤，土工建筑物存在管涌和流失，岩土边坡存在流变性破坏，等等。 根据国内外有关资料，般混凝土结构物在超过5 0 年以后逐渐老化，并随时间 的增加，老化程度加快。土工建筑物随时间的增长，固结逐渐完成，强度和稳定 性增加。然而，我国有的大坝，在运行3 0 年，甚至更短的时间，普遍存在裂缝， 下游面碳化加剧，白色的碳酸钙( 即白浆) 在廊道中普遍存在，扬压力增大，漏水 普遍，防渗帷幕部分失效等。 四、施工质量。在2 0 世纪5 0 年代末至7 0 年代末，大坝的施工质量是令人 担忧的。主要表现在坝体混凝土的水泥质量，混凝土浇筑、温控和养护，土石坝 填筑材料和碾压，基础的处理，等等。因为没有较好地按施工规程进行施工，所 以使一些大坝在施工期就已出现较多裂缝，运行初期出现大量漏水等。 五、管理问题。在2 0 世纪8 0 年代前，普遍存在“重建轻管”、“重电轻机 不管水”等现象，大坝的监测设施也很不完善，对监测资料又不进行及时分析， 使大坝运行过程中出现的不安全征兆得不到及时发现，即使发现了也不能及时处 理，结果不安全因素逐渐发展甚至导致恶果。在8 0 年代后，管理水平虽不断提 高，但是对管好水库大坝来说还是任重道远的。 1 3 2 水库大坝的若干病变机理分析 一、土石坝大坝裂缝的机理分析 大坝存在裂缝现象十分普遍，可以讲有坝就有缝。据水电站大坝第一次定检 的9 6 座大坝中，有7 0 多座大坝存在不同程度的裂缝问题，因此对大坝的裂缝机 理分析，是水库大坝安全评价和加固的主要问题之一。 1 、不均匀沉陷引起的裂缝。土石坝为散粒体组成的挡水建筑物，防渗体用 黏土心墙或斜墙、钢筋混筋土面板等，由于建基面的地形不规则、地质不均匀、 碾压质量不同干容重的差别等，使断面间的沉陷包括固体沉陷不同，引起水平向 第一章绪论 包括垂直河向与顺河向的拉应力，从而引起接近垂直坝轴向和平行坝轴线方向的 裂缝或面板止水的开裂。 2 、后期变形不均匀引起的裂缝。以往土石坝设计时，以强度、稳定和施工 期、蓄水初期变形作为控制，其中施工期和蓄水期变形往往占总变形的6 0 7 0 ， 而忽略后期变形的影响。由土石坝原型观测资料分析表明，后期变形对土石坝的 防渗体的强度、稳定和裂缝有显著影响。因此，研究后期变形对强度、稳定和裂 缝的影响是今后的一个重要课题。 3 、生物的影响。主要包括老鼠等动物和树木等植物造成的土体洞穴，引起 的渗透破坏。 二、环境的破坏机理 l 、溶出型水的溶蚀破坏机理。库水或地下水在环境影响下，如库区的工厂 排污等，库水逐渐变为酸性( ph 7 0 ) 或者原为酸性水，且含有侵蚀性c 0 。，这 些水质的水流经大坝和坝基的渗流或沿裂缝、裂隙的渗漏，对坝体混凝土及坝基 防渗帷幕和固结灌浆等将产生下列主要化学反应： c a ( o h ) ：+ c a ( h c 0 3 ) ：一2 c a c o 。+ 2 h 2 0( 1 1 ) c a c o 。十h z 0 一c 矿+ h c 如一+ o h 一( 卜2 ) c a 。+ c 0 2 + o ，c a ( h c 0 3 ) 。 ( 1 3 ) 显然坝体混凝土或帷幕和固结灌浆中的c a ( o h ) 。被析出，受c 0 ：的作用，变 成碳酸钙白色沉淀物，这就是廊道或下游面常见的“自浆”。长期作用下，混凝 土或帷幕中的水泥或骨料等被析出，这种溶蚀性破坏使混凝士和固结灌浆的强度 降低，帷幕防渗效应下降。溶出型水质当然还起到其他的腐蚀破坏作用，如对金 属结构的腐蚀破坏作用。 2 、大气污染的破坏机理。大气污染，使空气的c 仉增加，在降雨时，作用在 下游面和坝顶，并使库水也逐渐变成酸性，从而也产生上述的化学反应，使混凝 土和帷幕中的水泥或骨料产生溶蚀，从而降低强度和防渗效应。 1 4 本文的主要内容 本文主要采用国内外水库防洪标准及安全性计算分析的方法，对蓟县刘吉素 水库进行防洪标准及坝体安全稳定性进行计算，通过计算并对照国家颁布的有关 第一章绪论 包括垂直河向与顺河向的拉应力，从而引起接近垂直坝轴向和平行坝轴线方向的 裂缝或面板止水的开裂。 2 、后期变形不均匀引起的裂缝。以往土石坝设计时，姒强度、稳定和施工 期、蓄水初期变形作为控制，其中施工期和蓄水期变形往往占总变形的6 0 7 0 ， 而忽略后期变形的影响。由土石坝原型观测资料分析表明，后期变形对土石坝的 防渗体的强度、稳定和裂缝有显著影响。园此，研究后期变形对强度、稳定和裂 缝的影响是今后的一个重要课题。 3 、生物的影响。主要包括老鼠等动物和树木等植物造成的土体洞穴，引起 的渗透破坏。 二、环境的破坏机理 l 、溶出型水的溶蚀破坏机理。库水或地下水在环境影响下，如库区的工厂 排污等，库水逐渐变为酸性( pt t 7 0 ) 或者原为酸性水，且含有侵蚀性c 也，这 些水质的水流经大坝和坝基的渗流或沿裂缝、裂隙的渗漏，对坝体混凝土及坝基 防渗帷幕和固结灌浆等将产生下列主要化学反应： c a ( 0 h ) ：+ c a ( i c o 。) 。一2 c a c o ，+ 2 t 1 7 0 ( 1 一 ) c a c o 。+ 心0 一c a ”+ h c 0 3 + 0 h ( 卜2 ) c a c o ，+ c 0 2 + h 如一c a ( h c o 。) 。 ( 1 3 ) 显然坝体混凝土或帷幕和固结灌浆中的c a ( 0 h ) ：被析出，受c 0 2 的作用，变 成碳酸钙白色沉淀物，这就是廊道或下游面常见的“白浆”。长期作用下，混凝 土或帷幕中的水泥或骨料等被析出，这种溶蚀性破坏使混凝土和固结灌浆的强度 降低，帷幕防渗效应r f 降。溶出型水质当然还起到其他的腐蚀破坏作用，如对会 属结构的腐蚀破坏作用。 2 、大气污染的破坏机理。大气污染，使空气的c 0 ：增加，在降雨时，作用在 下游面和坝顶，并使库水也逐渐变成酸性，从而也产生上述的化学反应，使混凝 土和帷幕中的水泥或骨料产生溶蚀，从而降低强度和防渗效应。 1 4 本文的主要内容 本文主要采用国内外水库防洪标准及安全性计算分析的方法，对蓟县刘吉素 水库进行防洪标准及坝体安全稳定性进行计算，通过计算并对照国家颁布的有关 水库进行防洪标准及坝体安全稳定性进行计算，通过计算并对照国家颁布的有关 第一章绪论 规范分析出，刘吉素水库的防洪标准是否符合防洪要求，以及水库大坝的安全性 是否满足稳定性和变形的要求等。本文主要工作如下： 1 、对水库防洪标准的确定方法进行了归纳总结，并在此基础上论述了水库 防洪标准分析的基本过程，给出设计洪水的计算方法、设计洪水计算的推理公式、 中小型水库调洪演算的辅助曲线法、以及坝顶高程计算的基本方法。建立了水库 防洪标准复核计算的基本过程。 2 、对土坝安全稳定性分析的基本原理进行了归纳总结，并在此基础上综述 了坝体部分安全稳定性分析的基本过程，给出了坝体抗滑稳定性计算的瑞典圆弧 法，泄水洞的抗压、抗剪强度计算方法，以及坝体护坡计算的基本方法。建立了 水库安全稳定性复核计算的基本过程。 3 、结台刘吉素水库的基本情况，对其防洪标准进行复核分析计算，确定水 库现有防洪安全程度。 4 、对土坝的安全稳定性进行了分析，确定了坝体抗滑稳定性程度，并对泄 水洞的抗压、抗剪强度以及护坡进行了分析，为水库的安全鉴定提供了科学依据。 第二章水库防洪标准复核的基本方法 第二章水库防洪标准复核的基本方法 2 1 防洪标准分析的基本原理 2 1 1 防洪标准的确定 要制定水库的防御洪水方案，首先要确定以防御多大的洪水为目标，即确定 防洪标准。防洪标准的确定应当考虑水库建设的经济条件、工程等级、水库的坝 高及坝型，以及水库失事后对下游危害的大小等诸多因素，我国以水库规模和经 济效益指标为主，选定水库工程等级和建筑物级别，以此规定相应的洪水标准， 再考虑坝型、坝高以及水库失事后对下游危害等因素选定洪水标准是否提高一级 或降低一级，以确定水库防洪标准的。为保证水利水电工程及其下游人民生命财 产的安全和工程效益的正常发挥，根据社会经济发展水平，我国制定了水利水 电工程等级划分及洪水标准( s l 2 5 2 2 0 0 0 ) 。6 1 和防洪标准( g b 5 0 2 0 1 - - 9 4 ) “”。目前，水库防洪标准的确定可以根据水库的基本情况，对照以上标准确定水 库等级，最后对照确定水库的防洪标准( 如表2 1 、表2 - 2 ) 。 山区、丘陵区水利水电工程永久性水工建筑物的洪水标准应按表2 - 3 确定， 故山区小水库的防洪标准也可按表2 - 3 确定。 表2 - 1 水利水电工程分等指标表 防洪治涝灌溉供水发电 工程工程水库总库容 保护城镇及工灌溉 等别规模( 1 0 e m 3 1 矿企业 保护农田治涝面积 面积 供水对象 装机容量 的重要性 ( 1 旷亩)( 1 矿亩)重要性 ( 1 0 k w ) 0 0 4 亩) i 大( 1 ) 型 1 0 特别重要 5 0 02 0 01 5 0 特别重要 1 2 0 i i 太( 2 ) 型 i o 1 0重要5 0 0 1 0 02 0 0 6 01 5 0 5 0重要1 2 0 3 0 i i l 中型 10 0 1 0 中等1 0 0 3 06 0 1 5 5 0 5 中等3 0 5 i v 小( 1 ) 型 o j o o o i一般 3 0 5 1 5 35 o 5一般5 1 v 小( 2 ) 型 00 1 0 0 0 1 5铂 o 5 0 5 l m 时，则简化为： 小等 1 9 ) 式中：上。平均波长； h 一坝迎水面前水深； 其它符合意义同前。 四、折算单波系数用下式计算 11f1 1 、 一m e2 i l i + 一m tj ( 2 - 2 0 ) 式中：m 。折算单波系数； m 面马道以上坡度系数， m ，马道以下坡度系数， 五、平均波浪爬高 耻争售瓜 2 1 ) 、1 + m 2 式中：r 。平均波浪爬高，m i i n 单坡坡度系数： k 。一一斜坡的粗糙率渗透性系数，根据坡面系数查表： k 。一经验系数，由风速、坝前水深、重力加速度所组成的无量纲 ! ! 按规范查表取得。 _ g h 。 第二章水库防洪标准复核的基本方法 六、风壅水面高度 e ：k w 2 d c o s f l ( 2 2 2 ) z g 盯。 式中：e 计算点处的风壅水面高度，m ： k 综合摩阻系数； 口计算风向与坝轴线法线的夹角。 其它符合意义同前 七、安全加高值a ( 1 ) 安全加高值a 根据坝的等级和运用条件，按规范查表取得。地震区的 安全加高应包括地震涌浪高度和地震坝顶附近沉降。 ( 2 ) 地震涌浪高度可根据坝前水深和地震烈度大小，采用0 5 1 5 m ，用正 常蓄水位加安全超高校核坝顶或防浪墙的设计高程，防止地震涌浪漫顶。 ( 3 ) 从国内外的实例来看，如果坝基与坝体质量良好，在地震烈度7 、8 度 地区，地震引起的坝顶沉陷不明显，一般不过坝高的1 。 经过以上各环节计算出坝项高程的数值与现状坝顶高程进行比较，看是否符 合要求。 第三章大坝安全稳定性分析的基本原理 第三章大坝安全稳定性分析的基本原理 3 1 安全稳定性分析的目的 土石坝在土体自重、孔隙压力、外荷载的作用下，由于坝体和坝基土体的抗 剪强度不足，有可能坝体和坝体与一部分坝基发生塌滑，而丧失稳定，因此，对 土石坝进行稳定性分析的目的就是：分析土石坝在各种工作条件下，坝体和坝基 可能产生的稳定性破坏形式，分别核算其抗滑稳定性，并通过对各相关坝体建筑 物的应力计算，分析是否符合要求。“。 3 2 稳定性分析的工况条件 土石坝在施工、建设、蓄水和水库水位降落的各个时期不同荷载下，均应分 别计算其稳定性，控制稳定的有施工期、稳定渗流期、水库水位降落期和正常运 用遇地震四种工况。应计算的内容如下： 1 、施工期的上、下游