（水利工程专业论文）山东大型水库工程老化程度分析研究.pdf

山东大型水库工程老化程度分析研究 摘要 建国以来，我国已建成各类水库9 0 0 0 0 余座，其中挡水建筑物为土石坝占到 水库总数的9 0 以上。这些工程在国民经济中发挥了巨大的作用，产生了十分显 著的效益，但由于大多数水库工程兴建于上个世纪六七十年代，受当时技术和经 济等条件制约，设计、施工等程序都不尽合理，再加上长时间的运行，大多水库 工程逐渐产生老化病害，导致建筑物的安全性、实用性和耐久性下降，功能得不 到正常发挥。以山东为例，在已建的5 0 8 4 余座水库中，病险水库2 4 0 0 余座，占 总数的4 5 以上。大量水库老化病害的进一步发展，将影响水库的安全运行，不 仅不能充分发挥效益，危及坝体安全，还将对下游人民生命财产产生威胁，因此 对水库工程老化病害的研究评价具有重要意义。 水库老化病害最主要的方面是水库挡水建筑物的老化病害和泥沙淤积，山东 省3 2 座大型水库挡水建筑物皆为土石坝，本文从土石坝的病害成因、病害检查 和水库淤积入手，在系统总结和分析的基础上，利用多层次、多目标的模糊评价 理论，提出了山东大型水库老化程度分析研究指标体系，并研究相应的水库老化 病害防治措施及对策。以日照水库为例进行分析验证，主要完成了以下研究内容： 综合分析了我国水库发展概况及运行现状，结合国内和山东省水库工程 运行现状，论述了对水库工程老化程度进行研究的必要性。 分析了水库工程老化与病害成因及机理，研究了冻融、渗漏、裂缝、高 速挟沙水流冲刷、介质侵蚀、泥沙淤积等环境因素对水库工程耐久性的影响规律； 探讨了水库裂缝、渗漏、滑坡、护坡破坏、动物破坏、泥沙淤积特征及产生的原 因，为水库病害检查和判断提供了基础。 提出了对水库裂缝、渗漏、滑坡、护坡破坏、动物破坏、泥沙淤积进行 观测检查的内容及其方法，以及危险性病害的判断方法，为水库病害评价提供了 依据。 依据检测、设计资料和有关规范建立了水库裂缝、渗漏、滑坡、护坡破 坏和泥沙淤积的评价指标，采用多阶段、多目标、多层次的模糊识别理论，建立 了对水库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本文所建 立的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水库评 价中的应用前景。 根据分析结果与工程实际状态相比较，验证评价指标体系的可靠性、合 理性。 研究了适于水库工程老化与病害防治的工程措施与非工程措施。 本文提出的水库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， 为准确地评价水库老化程度，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：大型水库；土石坝；泥沙淤积：老化程度；分析研究 r e s e a r c ho nt h ep r o j e c ta g i n gd e g r e eo fl a r g er e s e r v o i r s i ns h a n d o n gp r o v i n c e a b s t r a c t a r e rt h ef o u n d i n go ft h ep e o p l e sr e p u b l i co fc h i n a ，c h i n ah a sb u i l tm o r et h a n 9 0 ，0 0 0r e s e r v o i r s a n dm o r et h a n9 0p e r c e n to ft h e ma d o p te a r t h - r o c kd a ma sa b r e a k w a t e rs t r u c t u r e t h e s ep r o j e c t sp l a y e da ni m p o r t a n tr o l ei nt h en a t i o n a le c o n o m y a n db r o u g h ts i g n i f i c a n tb e n e f i t s h o w e v e r , s i n c et h em a j o d t yo ft h er e s e r v o i rp r o j e c tw e r e b u i l ti nt h es i x t i e sa n ds e v e n t i e so fl a s tc e n t u r y , w h i c hs u b j e c tt ot e c h n i c a la n de c o n o m i c c o n d i t i o n s t h ed e s i g n ，c o n s t r u c t i o na n do t h e rp r o c e d u r e sa r en o tr e a s o n a b l e a n dw i t h t h el o n gt i m er u n n i n g ，m o s to fr e s e r v o i r se m e r g e da g i n gd i s e a s e s i tl e a d st ot h ed e c l i n e o fb u i l d i n gs a f e t y , p r a c t i c a l i t ya n dd u r a b i l i t y , a n dt h er e s e r v o i r sc a nn o tp l a yt h en o r m a l f u n c t i o n t a k es h a n d o n gp r o v i n c ef o re x a m p l e ，d u r i n gt h e5 0 8 4r e s e r v o i r s ，m o r et h a n 2 4 0 0r e s e r v o i r sa r ed a n g e r o u s ，a c c o u n t i n gf o rm o r et h a n4 5 o ft h et o t a ln u m b e r t h e e x i s t e n c eo fd a m a g ei nr e s e r v o i r si 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 s t h es a f e t yo fp e o p l e 。sl i v e sa n dp r o p e r t i e s s os t u d y i n go nt h er e s e r v o i r se n g i n e e r i n g a g i n gh a sag r e a ts i g n i f i c a n c e t h em o s tt w oi m p o r t a n ta s p e c t so fr e s e r v o i r sa g i n g p r o b l e ma r ea g i n gd i s e a s eo fr e s e r v o i rb r e a k w a t e rs t r u c t u r ea n ds e d i m e n ta c c u m u l a t i o n i ns h a n d o n gp r o v i n c e ，3 2l a r g er e s e r v o i rb r e a k w a t e rs t r u c t u r e sa r ee a r t h r o c kd a m t h e a r t i c l es t a r t sw i t ht h ec a u s eo ft h ee a r t h - r o c kd a md a m a g e ，d i s e a s ee x a m i n a t i o na n d r e s e r v o i r ss i l t b a s e do ns y s t e m a t i c a ls u m m a r ya n da n a l y s i s i tu s e st h em u l t i - l e v e la n d m u l t i - o b j e c t i v ee v a l u a t i o no ft h ef u z z yt h e o r ya n dp r o p o s e dt h ei n d e xs y s t e mo fa g i n g d e g r e eo fl a r g er e s e r v o i r si ns h a n d o n gp r o v i n c e t a k i n gr i z h a or e s e r v o i ra s a ne x a m p l e ， t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t sa r ea sf o i l o w s 。 s y n t h e t i c a l l ya n a l y z e dt h ed e v e l o p m e n ta n do p e r a t i o no fc h i n e s er e s e r v o i rs t a t u s 。 c o m b i n e dw i t hd o m e s t i ca n ds h a n d o n gp r o v i n c e so p e r a t i o ns t a t u so ft h er e s e r v o i k p r o p o s e dt h en e c e s s i t yo ft h er e s e a r c ho ft h er e s e r v o i r sa g i n g 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 g d a m a g ea r et h o r o u g h l yi n v e s t i g a t e d 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 o o na r ep r o p o s e d 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 e san e wa p p r o a c h n a m e da sm 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 d c l a s s i f i c a t i o no fe a r t h - r o c kd a md a m a g e b a s e do nt h ec o m p a n s o no ft h er e s u l t so ft h ea n a l y s i sa n de n g i n e e r i n g 。v e r i f yt h e r e l i a b i l i t ya n dr a t i o n a l i t yo ft h ee v o l u t i o ni n d e x m e a s u r e so fp r e v e n t i n ga n dr e p a i n 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 e p r o v i d e d ，w h i c ha r eu s e dt oj u d g et h ed e g r e eo fa g i n gd a m a g ea n df u r t h e r m o r et o d 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 su 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 de f f e c t i v e n e s so ft h ep r o p o s e d m e t h o di nt h i sp a p e ra r ev e n f i e di nt h ep r a c t i c a le n g i n e e n n ga p p l i c a t i o n k e yw o r d s ：l a r g er e s e r v o i r s ；e a r t h r o c kd a m ；s e d i m e n ta c c u m u l a t i o n ；d e g r e eo fa g i n g ； a n a l y t i cs t u d y 独创声明 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及取得的 研究成果。据我所知，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，也不包含未获得 l 逵! 麴遗直基丝壶蔓缱墨9 直明的：莶拦卫窒或其他教育机构的学位或证书使 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 确的说明并表示谢意。 一基名荔泛期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人 授权学校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，可以采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后 适用本授权书) 一躲荔三，菽 字： 兰嚣一箕彬7 山东大型水库工程老化程度分析研究 1 前言 1 1 我国水库发展概况及运行现状 建国以来，我国已建成各类水库9 0 0 0 0 余座，库容达到近5 6 0 0 亿m 3 【n 。这 些工程在国民经济中发挥了巨大的作用，产生了十分显著的效益。但由于大多数 水库工程兴建于上个世纪六七十年代，受当时技术和经济等条件制约，设计、施 工等程序都不尽合理，再加上长时间的运行，大多水库工程逐渐产生老化病害， 导致建筑物的安全性、实用性和耐久性下降，功能得不到正常发挥。以山东为例， 在已建的5 6 0 0 余座水库中，病险水库2 6 0 0 余座，占总数的4 5 以上【2 】。大量水 库老化病害的进一步发展，将影响水库的安全运行，不仅不能充分发挥效益，危 及坝体安全，还将对下游人民生命财产产生威胁，因此对水库工程老化病害的研 究评价具有重要意义。 l 、水库老化的定义 水库老化与工程界一般讲的老化( 单纯的材料老化) 不是一个概念，其定义可 以概括为：水库建成后，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，叫水库老化。作为重要的大型水利工程，水库处于 复杂的开放系统中，长期遭受高压渗流、溶蚀、冲刷、冻融、冻胀等恶劣的自然 和运行环境的影响，还可能遭遇超标准洪水和大地震的破坏。随着时间的推移， 水库的几何学、物理力学、水力学、热力学、化学等综合特性向水库功能和安全 性不利方向的变化，即随着运行年龄的增加，水库逐渐会发生老化。大量工程实 践表明，水库的综合特性是随水库运行年龄而变化的，其在整个水库寿命周期之 内的变化过程大致可分为适应期、稳定期和老化期三个阶段【3 j 【4 1 。 适应期：水库运行的早期，在时间上包括水库开始蓄水到第一次蓄满水以后 的3 5 年时间。水库投入运行初期，出现的病态问题较多，失效率也较高，安全 性较低。这主要是因为设计、勘测和施工等方面的各种不足因素( 设计缺陷、勘 测不周，施工质量低等) 造成的。但是，随着坝龄的增加，水库开始逐渐适应蓄 水后的应力、水和化学等环境的巨大变化，水库综合特性向水库安全有利的方向 发展，可靠性增加，失效率递减而进入稳定期。所以，水库运行的这个早期阶段 山东大型水库工程老化程度分析研究 又可称为调整期或锻炼期。一般来说，通过改进和优化设计，进行仔细的勘测， 提高施工质量，在很大程度上就可以避免或消除水库在该阶段出现的病态问题和 事故。 稳定期：水库通过早期阶段的调整后，对运行环境己经适应，水库的变形和 渗漏量等基本趋于稳定。这一时期除了超标准的洪水、地震和管理不当等意外因 素所引起的问题之外，水库在规定条件下能正常运行，安全性较高，失效率较低， 是水库运行的最佳时期。 老化期：水库服役晚期，通过多年的运行，坝体和坝基材料成分、结构等均 发生老化，强度下降，渗透性加大，水库及其附属建筑物功能开始退化，水库淤 积问题严重，水库综合特性随坝龄的增长逐渐恶化，水库的安全性降低，失效率 上升。这一阶段出现问题的主要原因是水库的老化，可以通过及时的修补防止水 库老化程度的进一步发展，提高水库安全性，延长水库的寿命。 综上所述，在不同的运行年龄阶段，水库综合特性变化规律和发展趋势、水 库出现的病态问题及其原因、失效过程及其机理等均有所不同。在老化阶段，水 库功能开始退化，出现的病态问题增多，安全性降低，失效率升高，水库综合性 能逐渐向恶化方向发展，是水库整个“生命周期中 最不利的时期。 2 、我国水库存在的主要老化问题及其危害 根据2 0 0 0 年年底中国在国际水库委员会登记注册的统计资料，坝高大于3 0 m 的4 4 2 1 座水库平均运行年龄为2 2 8 7 年，其中6 5 以上的水库运行年龄现己超 过2 0 年，2 i 以上的水库运行年龄现已超过3 0 年，许多水库随着运行年龄的增 长出现了不同程度老化现象。其主要表现在以下几个方面1 3 j ： ( 1 ) 我国在上世纪5 0 年代末至7 0 年代修建的水库占已建水库总数的6 0 以上，而这些水库都普遍存在设计标准、施工规程及管理制度等在时间意义上的 “老化”问题，已经不能满足现在的水库安全运行要求。在设计方面，以往的设 计通常用稳定和强度控制，而对耐久性往往不够重视，而且由于没有充分考虑我 国洪水的特点加之水文资料的不足，相当一部分水库防洪标准也偏低；在施工方 面，由于当时建坝技术和施工方法的限制，加上因为没有较好地按施工规程进行 施工，许多水库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 筑材料的选择和碾压、基础的处理等方面存在质量问题，给以后的水库安全留下 山东大型水库工程老化程度分析研究 了隐患；在管理方面，由于“重建轻管 现象的普遍存在，水库的运行管理制度 很不完善，对水库设施的维护、监测资料的收集分析又不够重视，使水库运行过 程中出现的老化征兆得不到及时发现，即使发现了也不能及时处理，结果老化问 题逐渐发展甚至导致恶果。 ( 2 ) 由于长期遭受高压渗流、溶蚀、冲刷、冻融、冻胀、等恶劣的自然和 运行环境的影响，许多水库随着运行年龄的增长出现了坝体和坝基的严重老化。 过去认为人工材料坝老化时间很长，而当地材料坝没什么老化问题，事实证明并 非如此。土石坝和堆石坝也出现了坝体和坝基过量的沉降和位移、坝体上游面的 冲刷、渗透变形、填筑材料强度的下降、防渗墙的内部侵蚀、土工合成材料的老 化、孔隙水压力和基础扬压力的升高、漏水量的增加、坝体坍塌和滑动等问题。 ( 3 ) 随着水库的蓄水，水库上游和下游区河流水力特性以及库岸地下水流 态均发生较大的变化，我国河流含沙量高，库区泥沙淤积问题十分突出，主要为 库区泥沙淤积、水库下部出水口被淤积泥沙掩埋，导致水库综合效益降低，水库 寿命缩短。据统计，我国9 万多座水库，总库容约5 6 0 0 亿n 1 3 ，由于泥沙的淤积， 库容减少了近4 0 ，比较典型的是黄河三门峡水库，水库运用仅一年，库内淤积 泥沙1 5 3 亿t ，憧关高程抬高4 3 1 m ，运用第二年库内淤泥己达5 0 亿t 【3 】。 ( 4 ) 水库的溢洪道、引水洞、水电站等附属建筑物以及闸门、电机设备、 监测仪器等金属结构老化令人注目。大多数老坝都存在溢洪道和引水洞的气蚀破 坏、闸门等金属构件的锈蚀和变形、被水带进来的固体颗粒物对水电站电机设备 的损害、监测仪器的失灵等一系列问题。 原水利电力部水利管理司于1 9 8 1 年分析了水库损伤病害1 0 0 0 例，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，水库各类病害类型的百分 比见表1 1 。从表中可以看出，由于许多坝体存在许多病害，使工程不能发挥应 有的效益为了防止溃坝失事，不得不限制在低水位运行。另据山东省统计，山东 省己建成大中型水库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15 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1 5 】。其主要病害类型见表1 2 。 山东大型水库工程老化程度分析研究 表1 - 1 水库各类病害类型 病害类型 比例( )病害类型 类型比例( ) 库区淤积 1 0 0 出口淤积3 2 水库裂缝 1 2 9 水库滑坡 5 3 裂缝水库铺盖裂缝 1 1滑坡 水库塌坑 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 坝体渗漏 7 o 冲刷破坏1 1 2 坝头绕渗 3 1 其他气蚀破坏3 o 渗漏 其他渗漏 9 6破坏 闸门启闭失灵 4 8 白蚁打洞及其他破 管涌 5 36 6 坏 表1 - 2山东省大型水库各类病害类型统计表 病害类型 数量 水库淤积 1 0 0 滑坡 17 裂缝 1 8 渗漏 2 2 护坡破坏 1 2 泄洪设施和输水洞问题 2 6 水库老化问题的大量存在，使水库工程效益下降，许多水库蓄不上水或需要 限制运行水位，由此造成兴利库容减少约1 2 0 亿m 3 ，防洪库容减少约1 5 0 亿m 3 ， 供水能力减少约1 7 0 亿m 3 ，灌溉面积减少约3 0 0 0 万亩，严重影响水库的防洪、 供水、灌溉和发电等综合效益的发挥。水库工程效益大大降低，影响防洪和蓄水 兴利。 水库老化问题的大量存在，使水库的安全性下降，同时给其下游安全带来威 胁。据初步统计，全国影响县城以上城市的大中型病险水库共4 2 1 座( 大型水库 的水库1 1 5 座，中型水库的3 0 6 座) ，大型水库病险水库影响城市7 0 座、县城9 2 4 山东大型水库工程老化程度分析研究 座；重要中型水库病险水库影响城市1 0 9 座、县城1 9 3 座。位于城市、交通干线 和工矿区上游的水库，一旦失事会造成毁灭性的灾害，给社会局部稳定或国民经 济全局带来重大负而影响，严重的会导致社会、政治动荡。据2 0 0 0 年的统计， 建国以来我国垮坝总数达3 4 8 4 座，垮坝率高达3 9 。其中大型水库垮坝2 座， 占垮坝总数的0 0 6 ；中型水库垮坝1 2 1 座，占垮坝总数的3 4 8 ；小型水库垮 坝3 1 1 9 座，占垮坝总数的9 6 4 6 。 大量水库老化问题，使工程维修和更新所需要的投入资金大大增加。从1 9 8 6 年到2 0 0 0 年底，中央历年安排投资累计约4 5 6 2 亿元，共安排了2 2 2 座大中型 水库病险水库的除险加固。据专家估计，我国现有的3 0 3 8 1 座二类坝和2 7 2 8 5 座 一类坝要全部达到一类坝标准，分别需要5 3 9 亿元和4 7 7 亿元，需要的总投资约 1 0 1 6 亿元。 基于上述我国水库老化问题严重、病险水库数量众多、分布面广、事故较多 的特点，1 9 9 1 年3 月国务院发布了水库安全管理条例，1 9 9 5 年3 月水利部颁 布了水库安全鉴定办法，委托水利部水库安全管理中心于2 0 0 1 年3 月编制完 成了水库安全评价导则作为配套的技术标准，完善了我国水库安全管理和安 全鉴定制度，推动了安全鉴定工作的开展，为加强水库安全管理，保证水库安全 运行起到了重要作用，也为除险加固前期工作打下了基础。1 9 9 8 年以来，水利 部建设与管理司开展了多次全国病险水库普查工作，组织编制病险水库除险加固 专项规划，基本摸清了我国病险水库数量、安全状况、存在的主要问题和除险加 固进展情况，并积极争取资金加大了对病险水库除险加固的投入，为病险水库除 险加固工作的顺利进行提供了良好的政策和资金保障。从1 9 8 6 年到2 0 0 0 年底， 中央分两批共安排了2 2 2 座大中型水库病险水库的除险加固，目前其中2 1 5 座已 完成了除险加固仟务。 由于水库存在不同程度的病险，对水库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病险进行了处理和加固，但水库的病险加 固不是一劳永逸的，是一个长期的动态的过程，这就需要及时准确地对水库进行 监测和评判，及时做出加固处理决策，以确保人民生命和财产的安全。 山东大型水库工程老化程度分析研究 1 2 水库老化病害评价研究的目的和意义 1 2 1 水库老化病害评价研究的目的 在我国已修建9 万余座水库中，土石坝占9 0 以上，这些水库的安全面临许 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，干早地区、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，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， 我国己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、企业转制事关大局，直接影响管理效 率，影响防洪事业的开展。在这种形势下，如何保证水库安全性意义更大。 ( 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 多座。据统计，影响城市防洪安全的水库5 0 0 多座。保护 城镇安全是水库的重要任务，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，水库保护城市安全任务加重；另 一方面，热岛效应、温室效应等直接或间接影响城市上空气候变化，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 7 0 年代， 至今约3 0 5 0 年不等。老化、失修严重，重重问题、症状都表现出来。水库老化 有淤积老化和坝体及附属建筑物老化。库容老化是指库内淤积、排水设施淤积堵 塞等现象。坝体老化是指滑坡、裂缝、渗漏、护坡破坏、动物洞穴等隐患。淤积 老化现象容易发现。而坝体老化隐患不露痕迹、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，造成水库事故隐患，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。 6 山东大型水库工程老化程度分析研究 本文的目的在于建立准确、及时地诊断水库的隐患和病害的方法，着重研究 水库老化的成因和机理，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，以便准确地评价水库老化程度，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，防止工程的老化，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，确保水库安全，并对水库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厄待解决的一项重要课题。 1 2 2 水库老化病害评价研究的意义 通过本课题的研究，对水库老化病害评价、加固具有十分重要的意义： ( 1 ) 对水库老化病害评价是管理领导者进行决策的重要依据 水库病害是一个渐进的过程，不论是裂缝、渗漏、滑坡、动物破坏还是水库 淤积，都是一个由量变到质变的过程，因此对水库老化病害评价是一个动态的过 程，内容包括：水库病害到什么程度，是否对水库稳定产生影响，需要不需要加 固处理，如何预防等等。水库老化病害程度评价可为决策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 ) 对水库老化病害评价有利于提高设计水平 对水库老化病害评价是系统地对水库病害产生的成因、病害机理进行综合分 析，总结水库在设计、施工、质量、管理、运行等诸方面存在的问题，这可为水 库加固设计和新建水库设计提供经验，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 ) 对水库老化病害评价有利于提高管理水平 我国的水库绝大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 当大的一部分水库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。及时准确地建立水库病害评价指标体系，对水库老化病害程度进行准 确评价，使水库病险隐患得到监控，病险水库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、网络技术应用于 水库安全评价中去，建立起水库评价计算机系统，实现水库管理的新的革命，有 利于实现管理的科学化、现代化、制度化和规范化，促进管理水平的提高。 7 山东大型水库工程老化程度分析研究 ( 4 ) 水库评价指标体系的建立，会促进管理队伍业务素质的提高 如何评价、判断水库的安全，建立准确地评价指标体系尤为重要。水库安全 的评价，不但与发现的或潜在的病险类型和病险程度有关，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，按照已确立的评价指标体系，研究己建水库破坏标淮 及安全评价方法，运用先进的技术，对水库病害进行科学评价，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工程业务知识，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。 1 3 国内外研究现状 1 3 1 国外研究现状 水库记录资料表明，在全世界各地水库失事中为数最多的是土坝。美国水库 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，其中水库2 4 9 宗，占总数的7 1 3 。 1 9 7 3 年至1 9 8 5 年底，水库事故2 5 8 宗，其中属小型水库2 0 1 宗，占7 0 。国际 水库委员会对全世界水库事故进行了统计，按坝型统计，水库为土石坝的数量最 多，其溃坝数占溃坝总数的7 0 3 0 - 3 2 1 。 1 9 7 9 年在第十三届国际水库会议上，西班牙的工程师分析了西班牙2 0 0 年来 5 2 座水库溃坝的原因见表1 3 。1 9 8 0 年前苏联的工程师分析了7 0 0 多座水库( 包 括混凝土坝) 失事的原因，见表1 4 。 表1 - 3 西班牙水库溃坝原因 溃坝原因所占比例( ) 溃坝原因 所占比例( ) 洪水漫坝 1 4冰冻 1 1 溢洪道冲蚀 1 0 沉陷 1 0 闸门漏水破坏 6 滑动失稳 1 5 坝体坝基漏水 1 6施工错误4 2 8 山东大型水库工程老化程度分析研究 表l _ 4 前苏联水库演坝原因 溃坝原因 所占比例( ) 溃坝原因 所占比例( ) 洪水漫坝 1 2裂缝6 兽类挖洞9地震6 坝基失稳 1 5初蓄水和水位突然5 消落 坝基坝坡漏水 1 6 波浪侵蚀 2 坝体漏水 1 1 冻融 4 运行不当5 未查明原因 1 0 国际水库委员会历来对水库安全问题都极为重视，1 9 4 8 年第三届国际水库 会议安排了防止管涌的最新措施议题；1 9 5 t 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水库和库岸角度看水库安全 的议题：1 9 7 0 年第十届大会安排了水库和建筑物监测的议题；1 9 7 9 年第十三届 大会列入了水库老化和失事的议题；1 9 8 2 年第十四届大会列入了运行中水库安 全的议题，重点分析了水库失事的原因；2 0 0 2 年第7 0 届年会列入了水库安全与 风险评价议题；2 0 0 3 年第7 l 届年会列入了水库老化过程分析及其对水库安全影 响研究和防止老化的措旋，同时列入水库抗震安全评价。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 c h a ) 就开始应用统计回归方 法来定量分析水库的变形观测资料。1 9 7 7 年，f a n e l i 又提出了水库变形的确定性 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，对水库安全进行 监控。法国在资料分析方面迅速、简便，他们采用了m d v 方法监测水库，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 断水库的运行情况。在常规分析资料的基础土，苏联、日本、法国、意大利等国 家也开展了水库的监测和评价研究，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( 混凝土) 材料性质的历史数据库、水库安全信息系统以及设备运 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 9 山东大型水库工程老化程度分析研究 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，确定那些是最危险的建筑物。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。 这种方法是以美国垦务局所属的3 4 8 座水库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。多数研究侧重水库力学性能分析、水库防渗以及水库加 固理论研究，以及当出现病害时的每种功能的失效概率风险评估水库的安全性。 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，更加 重视水库安全管理。主要采取以下措施：安排相当数量的水库安全监测经费， 用于水库安全监测仪器的费用约为水库费用的1 ，每年水库安全监测费用约为 水库费用的1 。颁布有关水库安全监测的新法规。如1 9 7 0 年颁布的“法国关 于坝工观测及监控法规”中规定对运行的水库每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 的水库及库容超过15 0 0 万r i 0 3 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。强调重视做好首次水库蓄水安全监控工作，包括对库区岸坡和水库 基础监测在内。对水库的蓄水计划也要求进行专门的审查，定期提出水库安全评 价报告。建立一套较完善的水库安全管理机构，其中设有一个计算中心，有较 大的数据库，储存电力公司全部水库的观测数据、基本参数和工程指标，可随时 提供研究，及时做出评价f 3 0 - 3 2 。 1 3 2 国内研究现状 我国的水工建筑物安全检查始于1 9 7 5 年，河南发生大洪水致使板桥、石漫 滩两座大型水库溃坝失事后，开始对水工建筑物特别是水库进行安全评价，并对 病险水库进行了加固处理。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，取得了一大批科研成果，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，水利工程设施得以造福社会，为 经济的发展产生了积极作用【1 睢13 1 。 目前的研究在以下几方面取得了较好的成果： l o 山东大型水库工程老化程度分析研究 一是，单体输水水工建筑物，如水闸、灌区混凝土、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。 二是，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，水库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，对目前水库运行进行分析，提出加固措施，如 劈裂灌浆防渗技术、水库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 的模糊概率分析力、“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，水库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水库实测性态安全评 价中得到了很好的应用。 国内研究存在以下问题需要解决： ( 1 ) 老化- i , 平f f r 缺乏有效的测试手段。由于测试方法不同，测试的精度、数 据存在差异，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工建筑物，而对于综合研究较少，缺 乏对整体建筑物安全性的评价。特别是对水库某个方面的病害缺陷进行研究，如 裂缝、渗漏等评价，缺乏水库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水库老化程度评价的指标体系，这就 需要在国内外己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、易于操作的水库老化指标评价体系， 用以指导水工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。 山东大型水库工程老化程度分析研究 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，由于水库具有取材方 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， 多数水库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，严重影响了工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。 我国的水库老化病害研究开始于上世纪八十年代中期，由于党和政府的高度 重视，近年来，对全国水库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水库工程进行了检查，摸清了水库工程所存在的主要 病害，在国家和地方政府的资助下，对水库工程存在的老化病害进行了研究和病 害处理加固的理论、方法、技术研究，产生了一大批成果，这些成果应用于水库 的除险加固，对水库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。水 库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，水库的老 化也会越来越深，老的病害解决了处理了，水库还会产生新的病害和新的老化问 题。因此，对水库的老化病害监控是一个长期不问断的过程，在监测的基础上， 需要管理者及时地对水库老化病害做出准确地评价，这就需要建立起水库老化病 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， 杜绝水库安全事故发生。 本研究在目前水库老化病害研究成果的基础上，立足山东省大型水库工程， 以土石坝病害和水库淤积两大水库老化的主因为研究对象，通过对水库主要病 害，如裂缝、渗漏、滑坡、护坡破坏、动物破坏等病害和水库淤积的特征、成因 机理分析，应用先进的监测手段和方法，力图建立起水库老化病害评价指标体系， 以便准确地评价水库老化病害程度，提出相应的水库老化病害防治措施，为水库 老化病害维修、加固和处理提供决策依据，同时也为水库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 ) 水库主要老化病害类型及其成因分析； ( 2 ) 水库主要病害检查； 山东大型水库工程老化程度分析研究 ( 3 ) 水库老化病害评价指标体系； ( 4 ) 水库老化病害防治措施及对策； 限于课题研究的时间和深度，本课题仅对水库坝体主要病害裂缝、渗漏、滑 坡、护坡破坏、动物破坏和水库淤积进行分析和评价，不涉及水库防洪、放水洞、 泄洪闸、地震灾害等对士石坝的破坏的研究。 通过对由东省大型水库运行情况的调查和对部分水利工程现场测试，建立水 库工程老化程度评价指标体系，对水库工程老化程度进行分析研究，确定水库工 程整体老化程