防灾减灾科学与工程 课件 第12章-大坝工程安全与病害防治

目录第12章大坝工程安全与病害防治目录12.1大坝的分类12.2重力坝12.3高拱坝12.4土石坝第12章（1）掌握各类堤坝工程的主要分类和特征（2）了解重力坝的安全与维护，包括坝体稳定性与泄洪设施的维护（3）掌握高拱坝的安全与环境考虑，包括地质勘测与基础处理的重要性（4）熟悉土石坝的常见病害，理解漫坝、裂缝、渗漏、坝体滑坡的内在机理知识目标能力目标本章学习目标大坝工程安全与病害防治

(1）掌握重力坝施工与监测的关键技术，保障施工过程的高质量和安全性（2）掌握水文学与水动力学分析的关键知识，进行堤防工程设计与风险评估（3）具备进行堤坝工程风险评估，识别潜在的病害风险和薄弱环节第12章大坝工程安全与病害防治堤坝工程作为国民经济建设的关键基础项目，承担着水资源科学配置、洪涝灾害防御等多重使命，对于促进社会繁荣和改善生活质量具有重要作用。然而，随着时间的推移和自然环境的变化，堤坝工程面临着来自多种病害的威胁，包括管涌、散浸、漏洞、漫溢、脱坡、跌窝、溃口等。这些险情不仅对工程结构构成潜在威胁，还可能升级洪水灾害，给周边地区带来严重影响中国是世界上河流最多的国家之一，江河密布，水灾频发，促使中国人大修水利，使中国成为全球大型水利设施最为发达的国家。目前，中国已有水库大坝近10万座，是世界上拥有水库大坝最多的国家目录12.1大坝的分类12.2重力坝12.3高拱坝12.4土石坝第12章大坝工程安全与病害防治12.1

大坝的分类重力坝重力坝是用混凝土或石料等材料修筑，在水压力及其他荷载作用下，主要依靠坝体自重产生的抗滑力来保持稳定，同时依靠坝体自重产生的压应力来抵消水压力所引起的拉应力的大坝重力坝按其结构型式，可分为实体重力坝、宽缝重力坝和空腹重力坝；按是否溢流，可分为溢流重力坝和非溢流重力坝；按筑坝材料，可分为混凝土重力坝和浆砌石重力坝第12章大坝工程安全与病害防治12.1

大坝的分类重力坝优点：重力坝断面尺寸大，抵抗渗漏、漫顶破坏的能力强；对地形地质条件适应性强，通常，任何形状的河谷都可以修建重力坝；相对于拱坝和土石坝，重力坝泄流问题容易解决；体积大，便于机械化施工，运行维护简单；结构作用明确，构造简单缺点：体积大，材料强度不能充分利用；坝基面面积大，扬压力大，减弱了自重的作用，不利于坝体稳定；坝体体积大，水泥用量大，水化热高，内外温差大，散热差，温控要求高第12章大坝工程安全与病害防治拱坝拱坝是固接于基岩的空间壳体结构，在平面上呈凸向上游的拱形，其拱冠剖面呈竖直的或向上游凸出的曲线形。坝体结构既有拱作用又有梁作用，其承受的荷载一部分通过拱的作用压向两岸，另一部分通过竖直梁的作用传到坝底基岩按拱坝的厚高比分类可以分为薄拱坝、中厚拱坝、厚拱坝；按拱坝曲率分类可以分为单曲拱坝和双曲拱坝，单曲拱坝：水平剖面呈弧形；双曲拱坝：拱坝垂直剖面也是弧形的12.1

大坝的分类第12章大坝工程安全与病害防治拱坝稳定性特点：坝体的稳定主要依靠两岸拱端的反力作用，不像重力坝那样依靠自重来维持稳定。因此拱坝对坝址的地形、地质条件要求较高，对地基处理的要求也较严格结构性特点：拱坝属于高次超静定结构，超载能力强，安全度高，当外荷载增大或坝的某一部位发生局部开裂时，坝体的拱和梁作用将会自行调整，使坝体应力重新分配12.1

大坝的分类第12章大坝工程安全与病害防治土石坝是指由土、石料等当地材料填筑而成的坝按施工方法可以分为碾压式土石坝、水力充填坝、水坠坝等，按坝体材料和防渗结构可以分为均质坝、土石心墙坝和斜墙坝土石坝12.1

大坝的分类第12章大坝工程安全与病害防治土石坝是历史最为悠久的一种坝型，是世界坝工建设中应用最为广泛和发展最快的一种坝型：可以就地、就近取材，节省大量水泥、木材和钢材，减少工地的外线运输量能适应各种不同的地形、地质和气候条件大容量、多功能、高效率施工机械的发展，提升施工效率，促进了高土石坝建设的发展由于岩土力学理论、试验手段和计算技术的发展，提高了分析计算的水平和设计进度高边坡、地下工程结构、高速水流消能防冲等土石坝配套工程设计和施工技术的综合发展，对加速土石坝的建设和推广也起到了重要的促进作用土石坝12.1

大坝的分类目录12.1大坝的分类12.2重力坝12.3高拱坝12.4土石坝第12章大坝工程安全与病害防治12.2重力坝重力坝特点重力坝是由砼或浆砌石修筑的大体积挡水建筑物，其基本剖面是直角三角形，整体是由若干坝段组成。重力坝在水压力及其他荷载作用下，主要依靠坝体自重产生的抗滑力来满足稳定要求，同时依靠坝体自重产生的压力来抵消由于水压力所引起的拉应力以满足强度要求。在平面上，坝轴线通常为直线，有时为了适应地形、地质条件，或为了枢纽布置上的要求，也可布置成折线或曲率不大的拱向上游的拱形重力坝常见病害由于重力坝具有如下的缺点：①坝体应力较低，材料强度不能充分发挥②坝体体积大，耗用水泥多③施工期混凝土温度应力和收缩应力大，对温度控制要求高第12章大坝工程安全与病害防治重力坝常见病害—裂缝当水电站重力坝混凝土出现裂缝时，水库中的水就会渗透到重力坝的混凝土结构中，如果严重时可能增加重力坝的内部压力，减弱重力坝的抗滑能力（a）实体重力坝（b）宽缝重力坝

（c）空腹重力坝12.2重力坝第12章大坝工程安全与病害防治重力坝常见病害—裂缝混凝土坝根据裂缝形成的原因可以分为变形裂缝及荷载裂缝变形裂缝可分为地质沉降裂缝、干缩裂缝、碱-骨料反应裂缝、超载裂缝、温度裂缝等。荷载裂缝则是坝体承受水压力、地震荷载等外力产生的裂缝。大体积混凝土根据裂缝出现的深度不同分为表面裂缝、深层裂缝和贯穿裂缝三种：表面裂缝主要由水泥水化热引起的温度变化导致，当坝体内外温差过大时，形成的拉应力超过混凝土的抗拉强度，从而导致开裂，但其危害通常较小深层裂缝多由表面裂缝扩展而成，部分地切断了结构的断面，对坝体结构的耐久性具有一定危害贯穿裂缝是指深层裂缝继续扩展形成的，指裂缝深度大于两个浇筑块，或者是水平、竖向裂缝穿透全仓，再或是侧面的裂缝长度大于8m或大于坝块宽度的1/3，贯穿缝对坝体稳定性危害非常大12.2重力坝第12章大坝工程安全与病害防治重力坝常见病害—裂缝（a）分离裂缝模型（b）

弥散裂缝模型12.2重力坝第12章大坝工程安全与病害防治重力坝常见病害—裂缝针对温度裂缝，重力坝混凝土结构由于温度变化发生热胀冷缩，当约束变形时就会出现裂缝，约束越强，裂缝越宽，控制混凝土变形的措施是设置伸缩缝应分区、分层浇筑混凝土以保持良好散热，减少约束力，并在大体积混凝土内部设置冷却道，利用冷水或冷气降低内外温差；浇筑后，及时覆盖湿润遮盖材料并进行洒水养护；如气温较低，需对混凝土两面进行保温防护，以避免寒潮侵袭12.2重力坝第12章大坝工程安全与病害防治重力坝常见病害—渗漏设计原因：将水库蓄水后，坝体下游面、坝后基础岩和坝头结合部的润湿水分可能导致渗水，如果漏水现象进一步发展，就可能形成水流或喷涌，对坝体造成较大危害施工原因：漏水的另一个主要原因是施工质量不合格。在水库地基施工时，如果没有彻底清除底部的淤泥、杂物等，就可能导致浆砌石坝整体结构不稳固。高水位下坝体和坝基结合处的水压力很大，因此施工质量对这一区域的要求极高环境原因：地质条件和自然环境也会影响浆砌石坝的密封性。脆弱的地质土层，如灰岩地层，可能导致坝体基础岩层的破碎裂缝。恶劣的天气条件，如低温和多雨，可能导致坝体受到冻融、冲蚀、溶蚀和潜蚀的作用，增加渗漏的风险12.2重力坝第12章大坝工程安全与病害防治重力坝常见病害—表面剥蚀在泄流或机组发电时，其水流为高速紊流，当局部区域的压力突然下降至该区域液体温度相应的气化压力以下时，部分液体开始汽化，溶于液体中的气体逸出，形成液流中的气泡，这一过程称为空化如果液流中不断形成、长大的空泡在固定的金属或混凝土壁面附近频频溃灭，壁面就会受到频繁反复的冲击，从而引起壁面材料的疲劳破坏甚至表面剥蚀，这就简称空蚀对于遭受空蚀破坏的混凝土，其发展历程为表面水泥浆到细骨料再到粗骨料，各种组成成分之间表现为脆性剥离，通过提高混凝土各成分间的粘结强度可有效保证混凝土抗空蚀性能12.2重力坝第12章大坝工程安全与病害防治重力坝病害机理分析因重力坝多为混凝土表面无装饰保护的初露工程，其结构、体型复杂，长期受水流、雨水、昼夜温差、寒暑等自然环境侵蚀，其主要缺陷大多始发于或显露于结构外表，常见病害主要有混凝土碳化、混凝土空蚀冲蚀破坏、混凝土裂缝、渗漏、泄洪水流水毁冲刷破坏、建筑物基础缺陷等混凝土碳化碳化是导致钢筋混凝土结构老化的严重病害，混凝土碳化严重影响结构的耐久性，表现为混凝土中性化，钢筋表面的钝化保护膜被破坏，导致在内外环境的共同作用下，钢筋发生锈蚀，截面积减小，易于产生脆化。同时，锈蚀的钢筋体积膨胀，导致混凝土出现胀裂和崩落，最终影响整体结构的安全性和适用性。12.2重力坝第12章大坝工程安全与病害防治混凝土碳化倒悬模板碳化尾水平台混凝土防护栏装饰层脱落某电站混凝土重力坝表面碳化图12.2重力坝第12章大坝工程安全与病害防治泄洪溢流面混凝土空蚀破坏冲蚀在泄流或机组发电时，其水流为高速紊流，当局部区域的压力突然下降至该区域液体温度相应的汽化压力以下时，部分液体开始汽化，溶于液体中的气体逸出，形成液流中的气泡，这一过程称为空化。气泡随液流进入较高压力的区域时，失去存在的条件而突然溃灭，原空泡周围的液体运动使局部区域的压力陡增。如果液流中不断形成、长大的空泡在固定的金属或混凝土壁面附近频频溃灭，壁面就会受到频繁反复的冲击，从而引起壁面材料的疲劳破坏甚至表面剥蚀从空蚀形貌及蚀损面积看，空蚀过程发展可分为以下阶段，表面出现小蚀坑且不断扩大、多处蚀坑连通加速破坏、成片空蚀区域稳定扩展某电站左底孔鼻坎麻面某电站中孔溢流面裂纹浅槽12.2重力坝第12章大坝工程安全与病害防治机组尾水椎管衬砌混凝土冲蚀破坏钢结构空蚀脱空常发生在衬砌混凝土与钢结构之间，主要是蜗壳钢衬处和压力钢管处。紊乱水流经压力钢管至电站尾水锥管时，会发生空化空蚀现象，在钢结构以及混凝土壁面传导产生持续频繁的脉冲荷载，造成过流面空蚀破坏，加之局部气泡溃灭高温化学作用和温差形成的电偶作用，令钢结构及混凝土里衬受到不同程度的撕裂破坏和气蚀锥管里衬混凝土破碎脱开机组锥管钢衬撕裂

某电站混凝土重力坝混凝土冲蚀破坏图12.2重力坝第12章大坝工程安全与病害防治混凝土裂缝在混凝土结构中，裂缝是常见的老化现象，对于评价混凝土结构的老化程度具有重要意义。在混凝土硬化过程中，由于骨料、水泥石的收缩性质和热膨胀性质的不一致，微观裂缝会形成，而在结构投入使用后，各种荷载的作用下，微观裂缝逐渐扩展并相互串联形成宏观裂缝产生原因：涉及施工变形、地基沉陷、温度、干缩、钢筋锈蚀、碱骨料反应、超荷载等危害：裂缝的发展可能导致混凝土结构的漏水、水化学侵蚀等问题，危害大坝的整体性和稳定性，降低工程耐久性按形态分为表层裂缝、深层裂缝、贯穿裂缝，其中贯穿性裂缝是坝体渗漏的主要诱因12.2重力坝第12章大坝工程安全与病害防治渗漏渗漏是混凝土结构中常见的问题，可能引起较大的扬压力，危及结构的稳定和安全。渗漏还可能导致混凝土中的化合物析出，引发混凝土内部的酥松，导致强度降低、保护层老化剥落和钢筋锈蚀。水工建筑物发生渗漏时，渗漏水将混凝土中Ca+2、CaO等物质溶解析出，与空气中的CO2等发生反应生成CaCO3析出物结构缝和贯穿性裂缝是渗漏的主要原因；设计、施工、材料等引起的变形结构缝止水结构失效，是产生接缝渗漏的直接原因；混凝土密实度低也会引起水工建筑物渗漏按渗漏水逸出的形态规模又可分：点渗（集中渗漏）、线渗（裂缝渗漏）、面渗（混凝土大面积架空渗漏）某电站水平施工缝渗水12.2重力坝第12章大坝工程安全与病害防治水工建筑物基础缺陷基础缺陷来源于多种因素，包括基础岩石的节理发育、坝基扬压力过高导致渗漏，可能引发溶蚀和管涌，影响地基防渗稳定性；同时，存在软弱夹层、软弱面或坝两岸不稳定围岩，可能导致滑坡和崩岸等问题，影响水工建筑物的整体稳定性；地震和地下水的软化作用也可能引起基础液化，导致地基和建筑物的不均匀沉降和形变；这些基础缺陷对水工建筑物的结构安全造成很大影响坝体和坝基的渗透、渗流也是重要的考虑因素。渗流引起的漏水和渗透压力可能影响坝体的应力状态，甚至对坝体和坝基造成破坏，危及坝的安全性。12.2重力坝第12章大坝工程安全与病害防治重力坝监测针对于重力坝工程的监测工作，主要涵盖了裂缝监测、变形监测以及渗漏监测等方面乌江渡水电站拦河大坝为混凝土拱形重力坝，坝体分为20个坝段，设有横缝和4道纵缝，纵缝及高程708.00m以下的横缝进行了灌浆并埋设了79支测缝计，监测缝隙的开合情况。监测部位包括纵缝、与相邻坝段连接的横缝、混凝土与基岩的接合面、厂房坝段分缝面、右岸防渗墙和右泄洪洞悬挂体的结构缝等高程680m拱圈接缝变形监测仪器平面布置图:单位：m乌江渡水电站1983-2013年间的坝体接缝变形监测数据分析表明：坝体纵、横缝变形测值均随坝址气温呈现明显的年周期性变化，变形值逐年和多年变幅较小且趋于稳定，能够反映混凝土拱形重力坝接缝变形的发展规律12.2重力坝第12章大坝工程安全与病害防治变形监测观音阁水库地处岩溶地区，地质构造复杂，岩溶发育，为监测其变化规律，保障工程安全运行，设计了以河床坝段为重点的大坝安全监测体系。监测项目包括大坝水平位移、坝体挠度、坝体倾斜、基岩变形以及坝基、坝顶和近坝区沉陷水平位移观测：通过三条引张线、五条倒垂线、四条正垂线和一条视准线组成大坝水平位移观测系统，覆盖全坝，特别是河床坝段、坝基、坝体中部及坝顶水平位移坝体挠度观测：在坝体选择三个坝段布设正垂线，采用多点观测站法进行观测坝基、坝顶和近坝沉陷观测：坝基沉陷测点布设在灌浆廊道上游壁和排水廊道下游壁，每个坝段均有测点。坝顶沉陷测点设置在坝顶下游侧。近坝沉陷观测采用一等水准环线全长4km监测项目频次水平位移2次/月垂直位移2次/月挠度1次/月各监测项目的监测频次表12.2重力坝第12章大坝工程安全与病害防治渗漏监测金安桥水电站坝体上游面防渗层布置图金安桥水电站作为160m级高碾压混凝土重力坝，完成帷幕灌浆后，为确保施工质量，进行了压水试验。每一坝段的检查孔采用单点法分段压水试验。结果显示各孔各段的透水率均小于1.0Lu，满足帷幕灌浆的质量要求。尽管7、8和9号坝段出现局部涌水，但涌水量仅4.00L/min左右，且涌水量随孔深的增加没有明显突变12.2重力坝第12章大坝工程安全与病害防治防治与应急加固措施—针对混凝土碳化的处理方法对于碳化和钢筋锈蚀破坏的混凝土，可采取以下措施：涂刷涂层进行防护，减少混凝土中的氧和水分含量，阻止钢筋锈蚀的条件。采用保护层回填材料（如环氧砂浆、聚酯砂浆、预缩水泥砂浆、聚合物水泥砂浆等）进行凿旧补新处理，必要时进行钢筋防锈处理防治与应急加固措施—针对混凝土冲蚀空蚀的处理方法混凝土的抗空蚀性能的提高需增大骨料间的粘接强度，同时保证混凝土浇筑面的密实度和平顺度。可从以下方面考虑：①修改过流面体形，改善水流流态，使未受扰动水流空化数小于或等于该边界条件的初生空化数，阻止空蚀发生。②控制和处理不平整度，不允许有垂直升坎和跌坎，不允许存在蜂窝、麻面、残留砂浆块和挂帘。如仍不能满足性能要求或处理费用较高时，则需考虑设置通气设施，掺气减蚀。③合理利用泄洪闸门，改进泄流运行方式。④采用高强抗空蚀材料护面12.2重力坝第12章大坝工程安全与病害防治混凝土裂缝修补的处理方法主要有表面喷涂、表面贴补、填充（嵌缝）、灌浆处理、结构加固、混凝土置换等方法。(a)位于混凝土表面的裂缝，其有防渗、耐磨抗冲、防风化等要求的，宜进行表面处理（喷涂法、粘贴法、充填法）；(b)对造成钢筋锈蚀、削弱结构整体性、强度和防渗性能的裂缝，宜进行灌浆处理；如裂缝危及建筑物安全运行的，除了采取灌浆措施外，必要时应采取结构加固措施；(c)对温度反应敏感的裂缝，为保证修补效果，应在裂缝张开最大时段进行施工，一般在冬季施工；(d)对荷载反应敏感的裂缝，一般应在减小荷载后处理；(e)活动裂缝宜采用粘接性能较好的柔性材料填充处理水工建筑物的地基一般要满足承载能力、刚度、抗滑稳定性、抗渗性能等要求。混凝土重力坝一般修建在坚硬完整的基岩面上。岩石地基处理除改善岩基整体的强度，刚度和防渗性能，还应加固岩体局部软弱部位，常用的方法有：化学水泥灌浆、混凝土塞（键）、预应力锚固、锚杆、局部开挖置换等。对于软基加固也可用夯实固结、灌浆挤密、排水固结、振冲挤密等方法针对水工建筑物基础缺陷处理方法12.2重力坝第12章大坝工程安全与病害防治常用渗漏修补方法直接堵塞法：适用于水压小于2m、漏水孔洞较小的点状渗漏。以漏水点为圆心剔直径1～3cm、深2～5cm的槽（槽壁与基面垂直），配制水泥胶浆（水泥：促凝剂=1：0.6）并将胶浆捻成与槽直径近似一致的锥形体，当胶浆开始凝固时，用力将其堵塞于槽内，并向四周挤压严实；擦干水迹并无渗水后，抹水泥砂浆恢复平整，并根据需要加设防水层下管堵漏法：适用于水压2～4m、漏水孔洞较大的点渗漏。彻底清除漏水空鼓的面层（严重时可剔至基层下的垫层处），剔成孔洞，在洞底鋪碎石并在碎石上盖一层与洞面积相同的带孔铁皮，胶皮管插入孔中将渗水导出，再用促凝剂水泥胶浆把孔洞一次灌满压实灌浆堵漏法：适用于水压、孔洞和漏水量均较大的点状渗漏，混凝土浇筑质量差内部蜂窝孔隙较大的渗漏，以及伸缩性裂缝渗水等处理与回填，主要使用氰凝和水溶性聚氨酯类灌浆材料。12.2重力坝第12章大坝工程安全与病害防治常用渗漏修补方法表面（喷）涂刷：为封闭缝隙和孔洞，在裂缝或混凝土表面涂刷一层防水材料。防水材料主要有两类，一类为无机类水泥基渗透结晶型防水材料；另一类为高分子化学材料表面粘贴：在大面积缺陷（如表面龟裂、散渗等）混凝土表面粘贴冷施工的橡胶防水卷材和热施工的SBS防水卷材等片状防水材料，以起到面层阻渗防渗的作用表面嵌填：采用沿裂缝凿槽，后嵌填止水密封材料封闭裂缝，以达到防渗和补强目的。防渗为主时，采用弹塑性止水材料能较好适应接缝变形；结构补强为主或非变形缝处理时，采用综合性能较好的聚合物水泥砂浆表面涂抹覆盖法：选用适宜的材料封闭混凝土表面渗水区域，依据修补材料对施工环境的适应性、与混凝土面的黏结强度，选用有机或无机防水涂膜材料、聚合物水泥砂浆、钢丝网喷浆等筑防渗层：防渗层适用于大面积散渗的情况，一般做在混凝土坝中迎水面。防渗结构一般有水泥喷浆、混凝土或钢筋混凝土护面和刚性防渗层。刚性防渗层即水泥浆及砂浆防水层12.2重力坝目录12.1大坝的分类12.2重力坝12.3高拱坝12.4土石坝第12章大坝工程安全与病害防治高拱坝拱坝是一种在峡谷中建筑的拦水坝，其特点是呈水平拱形，凸边面向上游，两端紧贴峡谷壁拱坝属于空间壳体结构，其平面上呈曲线形，能够将水平荷载传递给两岸的挡水建筑当拱坝的高度超过70米时，被归类为高拱坝。高拱坝适用于坝址河谷狭窄、地形地质条件基本对称，坝基坝肩岩体坚硬完整的情况下，具有超载能力强、抗震能力好、坝身泄量大、施工和运行对地下厂房干扰小、坝体混凝土工程较省等特点，因此成为超高坝中具有竞争力的坝型12.3高拱坝第12章大坝工程安全与病害防治高拱坝病害—裂缝混凝土拱坝裂缝，按成因可分为以下几种类型：荷载裂缝：由施工和运行阶段的静荷载和动荷载引起的裂缝变形裂缝：大坝施工和运行过程中，温度和湿度的变化、基础的不均匀沉降等都可能拱坝或基础产生变形裂缝施工裂缝：由大坝混凝土的浇筑、脱模、养护、堆放、运输等施工操作引起的裂缝，此类裂缝可通过加强施工管理予以减少碱骨料反应裂缝：混凝土细微孔隙中碱性物质与骨料中某些的矿物元素发生化学反应，产生吸水极易膨胀的化合物，引起混凝土胀裂12.3高拱坝第12章大坝工程安全与病害防治高拱坝许多研究表明，拱坝中存在裂缝，不仅使外观变差、大坝的整体连续性遭到破坏，更使大坝的稳定性和防渗性减弱，裂缝中的静水压力会使坝顶向下游的位移增加，从而减少拱坝中梁的作用，裂缝漏水使混凝土内的钙离子析出和流失，严重的导致坝体漏水、缩短寿命，甚至影响大坝的安全。1977年建成的高200m的奥地利科恩布赖茵拱坝在1978年蓄水位离最高运行水位尚有42m时，坝踵发生了贯穿性裂缝，损坏了防渗帷幕，坝基渗流量达200L/s，基础扬压力达100%全水头压力该坝经历了近10年的修补加固过程，其中1983年再次发生新的贯穿性裂缝,温控不当形成的温度裂缝奥地利科恩布赖茵（Klnbrein）

拱坝12.3高拱坝第12章大坝工程安全与病害防治高拱坝——国内外高拱坝开裂损坏情况国内外高拱坝开裂损坏情况表坝名最大坝高坝顶长度/m正常蓄水位/m蓄水年份主要开裂原因开裂时间泽乌齐尔15625617771957基础沉陷蓄水后科恩布莱恩10062619021978地基刚度过大蓄水前、蓄水后弗雷尔坝729040101958地震蓄水后施皮塔尔拉姆11425819091930施工质量控制不严蓄水前、蓄水后桑本坝13729410401935混凝土膨胀蓄水后萨扬舒申斯克24210665401990温度变化蓄水前、蓄水后玛尔帕塞66222.798.51954地基和设计蓄水后卡勃里尔132292/1954临时改变设计蓄水后12.3高拱坝第12章大坝工程安全与病害防治坝基渗漏在水电站的运行过程中，坝基会受到外界作用力的影响，出现裂缝或者断层等现象，从而使坝基存在渗漏的现象，以至于水电站不能够正常地运行影响坝基结构的主要因素是坝基的地质条件，在水电站施工之前，由于工程师没有对其周边的地质条件进行全面的勘察，因此在施工过程中，这些地质就会对坝基的土层起到一定的挤压作用，通过长期的作用，就会降低坝基的稳定性12.3高拱坝第12章大坝工程安全与病害防治病害机理分析—温控措施不当引起裂缝温度变化对拱坝坝体的影响是一个重要因素。拱坝坝体相对较小，容易散热，但仍然容易受到环境温度的影响，不适当的温度控制措施可能导致坝体的温度应力过大，从而引起混凝土的开裂这种裂缝可能会影响坝体的整体稳定性和防渗性，进而影响水电站的正常运行，在设计和施工中，需要仔细考虑坝体的温度响应，并采取合适的温度控制措施，以减少温度变化对坝体的不良影响12.3高拱坝第12章大坝工程安全与病害防治病害机理分析—基础处理不当引起裂缝拱坝的坝基是整个水电站的基础，其稳定性直接关系到水电站的安全运行。如果对坝基的地质条件了解不足，或者在设计和施工中未能采取适当的基础处理措施，就可能导致坝基的裂缝问题。这些裂缝可能是由于地质构造、断层、软弱夹层等因素引起的。在勘测、设计和施工阶段，需要通过综合的地质勘探和合理的基础处理方案来确保坝基的稳定性。对于已经存在的问题，及时地监测和维护也是至关重要的12.3高拱坝第12章大坝工程安全与病害防治设计时对拱坝基岩的刚度引起后果认识不够。因地基刚度过大，在坝踵和坝趾附近引起较大的垂直拉应力，导致坝踵和坝趾附近的坝体或基岩出现裂缝；在渗透水压力的作用下促使裂缝随库水位变化而发展，导致灌浆帷幕被穿透破坏而严重漏水勘测、设计和施工中未能及时发现坝基内的断层或软弱破碎带，或虽发现而处理不当；水库蓄水后，由于受地地下渗水的冲蚀或受到洪水漫流冲刷导致坝座岩体坍滑破坏坝基不均匀沉陷，致使浅层岩体开裂或坝踵开裂，如Beauregard拱坝Beauregard下游坝面开裂图（红线为裂缝）12.3高拱坝病害机理分析—基础处理不当引起裂缝第12章大坝工程安全与病害防治病害机理分析—施工质量控制不严引起裂缝混凝土裂缝的原因是多方面的，但施工质量控制不严是重要原因之一混凝土浇筑不规范：如果混凝土的制作、运输、浇筑等过程不按规程、规范和设计要求进行，可能导致混凝土浇筑质量差，出现裂缝。特别是在高拱坝这样的工程中，对混凝土浇筑的要求更为严格，因为坝体的稳定性和耐久性对工程的安全至关重要混凝土施工工艺不合理：不合理的混凝土施工工艺，例如水泥砂浆的使用不当、流态混凝土的处理问题等，都可能导致混凝土裂缝。合理的混凝土施工工艺是确保混凝土结构质量的基础新旧坝的结合缝质量差，承受荷载后产生开裂的：中国的寸塘口、陈村拱坝，如瑞士的图莱斯（Toules）坝等12.3高拱坝第12章大坝工程安全与病害防治病害机理分析—勘察设计不周全引起裂缝法国的玛尔帕塞坝于1954年建成，初期蓄水缓慢，历时4年尚未蓄满。坝体位移每年观测一次，1959年7月，第4次测量结果表明：坝和坝基的位移值偏大；同年12月初连降大雨，库水位迅速上升接近坝顶时大坝突然溃决失事，死亡、失踪共500人，财产损失达300亿法郎。通过长达多年的调查、勘察研究，失事主要是因为地基勘测不够，基础地质情况没有完全搞清楚，对坝座内的防渗、排水设计不当及压力过大等原因，导致左岸坝座抗滑失稳玛尔帕塞坝12.3高拱坝玛尔帕塞坝第12章大坝工程安全与病害防治病害机理分析—地震引起裂缝水工建筑物，特别是水坝在遭受强烈地震后，如一旦毁坏，不仅使工程本身蒙受重大损失，而且会引起严重的次生灾害意大利Vajont拱坝坝高261.6m，在大坝蓄水初期的3年时间内，库区监测到250余次地震，即使是修建在非地震区或弱地震区的水库，也有可能因库水诱发水库地震在地震区修建的高拱坝应认真做好抗震设计、采取必要的防震措施；建议在施工缝、横缝等人工缝中配置一定数量钢筋，可提高坝的整体性，可提高拱坝的抗震能力意大利

Vajont拱坝的废弃坝址12.3高拱坝第12章大坝工程安全与病害防治高拱坝监测—裂缝监测巡视检查：每年汛后，通过在坝后搭设脚手架进行人工检查，重点关注裂缝集中区域，对缝宽较大、缝长较长的裂缝进行测量，裂缝的编号、走向、起止点等信息都会被重新标注，检查的内容包括新增裂缝、原有裂缝长度扩展、裂缝及坝段接缝渗水情况等，检查结果编制专题报告仪器监测：在裂缝上贴有跨缝玻璃条，裂缝端点用红油漆标注。坝面裂缝的典型部位安装表面测缝计，监测裂缝的开合度和缝宽。在坝段对应部位的基础廊道和排水平洞内增设仪器钻孔，安装多点位移计和渗压计，对表面裂缝的发展进行更为精确的监测光纤传感监测：通过在裂缝处布设光纤传感网络，实时监测裂缝的状态，这项技术具备抗电磁干扰和防雷电等优越特性，有望成为大坝裂缝监测的实用技术12.3高拱坝第12章大坝工程安全与病害防治高拱坝监测—变形监测主要包括水平位移和垂直位移的监测，采用边角网法，对高拱坝的重点坝段和较低高程坝段进行观测，同时，选取坝左、坝中、坝右代表性监测点进行计算，确保全面把握坝体的变形情况基岩面应力监测：在基岩与坝体混凝土接触面埋设岩石压应力计，通过监测各坝段上游侧、中部、下游侧应力测值变化，分析混凝土和基岩的工作性态基岩渗透性监测：利用测压管监测基岩渗透性，评估防渗处理和帷幕效果，分析坝段渗透压力建立数学模型：通过建模分析实测值，分析不同影响因子，判断大坝的安全性态，应力应变监测是评价大坝初蓄期工作性态的重要组成部分高拱坝监测—内部应力状态监测12.3高拱坝第12章大坝工程安全与病害防治防治与应急加固措施坝体裂缝是坝体在运行期间影响耐久性最普遍、最重要的因素拱坝裂缝初期多为表面裂缝，但其中一部分后来发展为大裂缝，裂缝是否发展，取决于缝端应力状态拱坝应力较复杂，考虑非线性温差后，坝体表面受拉范围较大，表面裂缝容易发展成大裂缝，因此应重视拱坝的表面裂缝，必要时采取措施控制表面裂缝进一步发展裂缝削减了坝的有效断面，降低了坝的承载能力；而且还会引起混凝土溶蚀，降低坝的耐久性，缩短坝的寿命12.3高拱坝第12章大坝工程安全与病害防治坝体裂缝预防裂缝在大坝运行期间是影响耐久性的普遍而重要的因素。为确保坝体的耐久性和安全性，可以在施工期和运行期采取合理有效的措施来预防和处理裂缝施工期裂缝预防：合理、规范的施工是减少坝体裂缝产生的前提，而施工期是坝体混凝土浇筑成型后裂缝出现的高峰期，在工程施工期预防裂缝的出现可以从以下几方面入手：材料选择：选择水泥时考虑水化热和强度，使用合格的水泥，降低混凝土水泥用量。骨料应符合规定，使用中粗砂降低混凝土干缩混凝土选择：配合比设计要求低水灰比、低水泥用量、低用水量。使用免振自密实等高性能混凝土，具有流动性、稳定性和通过能力施工方面：①制定合理施工方案，确定浇筑量、施工缝间距、位置和构造等，分层位置应在变截面处或受力较小的部位；②控制一次浇筑长度，设在混凝土受压区，避开高温和温差大的日子；③保证施工质量，确保钢筋成型、模板安装准确12.3高拱坝第12章大坝工程安全与病害防治运行期裂缝预防运行期裂缝的预防不容忽视。实践表明，及时发现并处理裂缝可以明显提高坝体耐久性和使用寿命，一般可以从以下方面来预防裂缝的产生：1）严格控制基础温差，并对上下游坝体暴露面进行长期保温，减小拉应力的产生2）建立完善的监测预报系统，覆盖整个坝体，务必做到早发现、早上报、早处理3）对基础进行地质勘察检测，也可以预防裂缝的出现在新裂缝出现12.3高拱坝第12章大坝工程安全与病害防治坝体裂缝处理开槽法修补裂缝：适用于裂缝宽度较大的修补方法，按照一定比例配制环氧树脂砂浆，将配制好的改性环氧树脂砂浆填充到预先凿好的混凝土凿槽内。修补后，使用毛毡、麻袋等材料进行养护，以确保砂浆能够充分初凝并得到适当的强度低压注浆法修补裂缝：低压注浆法是一种适用于混凝土裂缝宽度较小的修补方法。修补工序包括裂缝清理、试漏、配制注浆液、压力注浆、二次注浆和清理表面，通过压力设备将浆材注入裂缝中，充填其空隙，浆材凝结硬化后能够起到补强加固、防渗堵漏、恢复结构整体性的作用12.3高拱坝第12章大坝工程安全与病害防治坝体裂缝处理表面覆盖法修补裂缝：表面覆盖法适用于微细裂缝的修补。首先，清理混凝土表面，将气孔充填，然后使用修补材料进行表面覆盖，修补后，需要进行适当的养护，确保修补材料能够有效附着并形成稳定的修复层仿生自愈处理：仿生自愈法是一种新型的裂缝处理方法，它模拟生物组织对创伤部位自动分泌某种物质而使创伤部位得到愈合的机能12.3高拱坝目录12.1大坝的分类12.2重力坝12.3高拱坝12.4土石坝第12章大坝工程安全与病害防治土石坝土石坝泛指由当地土料、石料或混合料，经过抛填、辗压等方法堆筑成的挡水坝当坝体材料以土和砂砾为主时，称土坝、以石渣、卵石、爆破石料为主时，称堆石坝；当两类当地材料均占相当比例时，称土石混合坝土石坝是历史最为悠久的一种坝型。近代的土石坝筑坝技术自20世纪50年以后得到发展，并促成了一批高坝的建设。土石坝是世界大坝工程建设中应用最为广泛和发展最快的一种坝型。12.4土石坝第12章大坝工程安全与病害防治土石坝病害—裂缝土石坝的裂缝按照不同种类可以分为表面裂缝、内部裂缝、横向裂缝、纵向裂缝、水平裂缝和龟纹裂缝；根据其成因可以分为沉陷裂缝、滑坡裂缝、干缩裂缝、冰冻裂缝和震动裂缝等土石坝裂缝病害坝体内如果含水量过多，加上在施工期间工序不连续，在天气炎热或者寒冷以后，表面土层的含水会因为迅速蒸发或者冻结而使坝面上产生裂壁，这种裂缝成龟裂状，分布没有规律，纵横交错内部裂缝由于事先不容易被发现，通常会贯穿上下游，形成渗漏通道。为了判断这种裂缝，必要时可以在坝体上钻孔检查，如果发现异常要及时地进行处理修补12.4土石坝第12章大坝工程安全与病害防治土石坝病害—渗漏土石坝渗漏病害按照发生部位可分为坝体渗漏、坝基渗漏、接触渗漏、绕坝渗漏等，也可以分为正常渗漏和异常渗漏，分散渗漏和集中渗漏等渗漏产生的原因通常是因为在勘察时，资料整理不全，缺少基本的物理力学数据等；或者数据齐全时没有进行试验分析；在施工上没有严格按照施工工艺进行，对质量的控制不严格，造成病害发生的隐患存在；在管理上没有对其做到足够的重视，对小的渗漏现象没有及时地处理土石坝渗漏病害12.4土石坝第12章大坝工程安全与病害防治土石坝病害—坝体滑坡土石坝在滑坡初期通常表现为纵向裂缝，这些裂缝会逐渐扩大并向坝体内部延伸，最终导致坝体上出现凸起，形成滑坡土石坝滑坡病害土石坝的型式：不当的坝体型式可能导致浸润线过高，防渗体和排水设施不当会引起积水，增大渗漏压力，导致滑坡施工质量：质量差、坝体和坝基处理不当也可能引起病害，具体表现为压实度不足、土料控制不严、施工接缝较多等坝体内孔隙水压力：压力过大，雨水渗入，地震也可能导致滑坡的发生12.4土石坝第12章大坝工程安全与病害防治土石病害机理分析—洪水漫坝失事洪水漫顶是由于汛期土石坝某些坝段高程不足、泄洪能力不足，导致坝前库水位超过坝顶高程，发生水流漫过坝顶溢流的现象，在我国的溃坝事故中，洪水漫坝占到50.2%造成洪水漫顶的原因主要有：（1）基础资料不全（2）遭遇超标准洪水（3）由于土石坝设计或施工缺陷导致大坝坝顶高程低于设计标准（4）泄洪设施设计不当和施工缺陷及老化（5）运行管理不当（6）流域地形、植被、河道和库容改变等因素也可能导致库水位超过坝顶12.4土石坝第12章大坝工程安全与病害防治失事原因—裂缝横向裂缝与坝轴的轴线垂直或者斜交，危害极大，通常是因为坝肩与河谷的中心部分的坝体有所沉降，不均匀的沉陷造成的。纵向裂缝大部分是由坝体和坝基的不均匀沉陷或者滑坡引起的失事原因—渗漏土石坝渗漏破坏是最常见的事故之一，约占土石坝失事比例的30%，按渗漏破坏机理可分为管涌、流土、接触冲刷和接触流土4种形式造成土石坝渗漏破坏的原因包含以下几个部分：（1）坝体自身土体特性（2）防渗措施（3）荷载效应（4）设计施工缺陷（5）其他：生物洞穴、塌陷、裂缝以及穿坝建筑设施等，如处理不当，可能引起渗漏破坏12.4土石坝第12章大坝工程安全与病害防治失事原因—坝体滑坡影响土石坝坝坡稳定的原因有以下几点：土体参数：坝体填土的容重γ、内摩擦角φ和粘聚力c对土石坝坝坡稳定起着很大的影响作用荷载效应：坝坡稳定计算中的荷载效应包括水压力、浪压力、自重、渗漏水压力和地震惯性力等，任何一个荷载发生变异或者超过设计值均可能引起坝坡失稳甚至溃坝设计和施工缺陷引起的滑坡：若土石坝在坝型、材料以及结构设计方面存在错误，或者施工方面存在缺陷，则可能会引起土石坝滑坡，进而造成坝坡失稳降雨：持续降水会使地下水位抬升，浸润线上移，增大渗漏水压力，降低坝坡稳定性地震影响：地震导致坝体填土液化或土体粘聚力降低，进而发生滑坡坝体缺陷隐患:若土石坝的坝体存在裂缝，则水流会浸入坝坡造成坝坡土石材料粘聚力降低，严重时会引起土石坝在运行期间发生坝坡失稳破坏12.4土石坝第12章大坝工程安全与病害防治土石坝病险机理定性判别土石坝病害风险判别应遵循科学性、系统性、全面性、预测性四项原则：科学性原则：在科学安全的理论指导下，准确确定病害因素的存在部位和形式，揭示系统的安全状态或危险程度，并预测事故发生的途径系统性原则：分辨系统及子系统之间的相关关系，全面、详细地阐述风险事件发生的可能性、可能的发生过程，分辨主要风险因素的相关危险性全面性原则：分析所有有害因素、危险因素，避免遗漏，确保“横向到边、纵向到底、不留死角”的原则，包括所有人员、活动和设施预测性原则：对有害的、危险因素以及潜在风险因素，分析其可能的触发事件，即分析潜在事故的发展模式12.4土石坝第12章大坝工程安全与病害防治常见事故风险程度划分表采用经验判别法定性分析，结合水利工程专家的知识和经验，提出了5个土石坝常见事故风险程度划分表风险程度漫顶洪水位溃口程度（m）溃口发展时间（h）土质轻度高于设计水位<0.5<0.5较坚硬中度高于校核水位0.5~20.5~5较大面积松软重度高于坝顶高程>2>5较大面积软烂漫顶事故风险严重程度判别表风险程度坝坡失稳洪水位滑坡体位移（m）滑坡体大小（h）滑弧底部渗水情况轻度低于设计水位<10<5未见中度低于校核水位10~505~20微量重度高于校核水位>50>20较多坝坡失稳事故风险严重程度判别表12.4土石坝第12章大坝工程安全与病害防治常见事故风险表风险程度渗漏洪水位渗漏出口直径（cm）渗水量（L/s）渗水浑浊度轻度低于设计水位<10<1较清澈中度低于校核水位10~301~20较浑浊重度高于校核水位>30>20浑浊风险程度漫顶洪水位涌口直径（cm）涌口位置（距坡脚m）涌水夹砂量（kg/L）轻度低于设计水位<10<50<0.1中度低于校核水位10~10010~500.1~0.5重度高于校核水位>100<10>0.5管涌事故风险严重程度判别表渗漏事故风险严重程度判别表12.4土石坝第12章大坝工程安全与病害防治常见事故风险表风险程度漫顶洪水位裂缝方向宽度（mm）长度（m）轻度低于设计水位纵向<10<3横向<5<2中度低于校核水位纵向10~203~10横向5~102~5重度高于校核水位纵向>20>10横向>10>5裂缝事故风险严重程度判别表12.4土石坝第12章大坝工程安全与病害防治土石坝变形监测传统的表面变形监测技术使用全站仪对标点进行测量，而内部变形监测则使用水管式沉降仪、引张线式水平位移计、电磁式沉降仪、活动式测斜仪等仪器表面变形监测新技术：常规的表面变形监测仪器仅能获取单个监测点的变形信息，无法解决变形监测成果“以点代面”的问题，据此对大坝变形情况评价容易出现偏差，且其精度受气候条件、观测时间、通视状况等因素的影响地基InSAR。通过向变形体发射雷达波，利用合成孔径雷达在滑轨上的往返运动，实现高空间分辨率的雷达影像，通过干涉技术实现毫米级微变形监测三维激光扫描。采用非接触方式获取被测目标的角度、距离和强度等信息，可获得高密度面状式覆盖的大坝三维点云数据12.4土石坝第12章大坝工程安全与病害防治土石坝—内部变形监测新技术在超高土石坝监测中，对于竖向布设的常规变形监测仪器如电磁式沉降环、横梁式沉降仪及