水工建筑物安全监测与健康诊断(ebook).pdf

课程编号课程编号：S205C196 水工建筑物安全监测与健康诊断 水工建筑物安全监测与健康诊断 学时学时：24， 学分学分：1.5 授课单位授课单位：建工学院 任课教师任课教师：徐国宾 参考教材：参考教材： 吴中如.水工建筑物安全监控理论及其应用.高等教育出版社,2003 主要参考书：主要参考书： 1. *赵志仁.大坝安全监测的原理与应用.天津科学技术出版社,1992 2. 王德厚.大坝安全监测与监控.中国水利水电出版社,2004 3. 郦能惠.土石坝安全监测分析评价预报系统.中国水利水电出版社,2003 4. 吴中如,顾冲时.大坝安全综合评价专家系统.北京科学技术出版社,1997 绪 论 §0-1 大坝安全监测与健康诊断必要性 大坝安全监测与健康诊断就是收集大坝观测数据和解释这些数据 在水利界， “大坝”一词，有时也具有“水库” 、 “水利枢纽” 、 “拦河坝”等综合性含义所以大坝安全监测与健康诊断，实际上也可以理解为以大坝为中心的各种水工建筑物的安全监测与健康诊断 我国目前已建成 8.5 万多座大坝，由于历史原因和当时的经济、技术条件，一些大坝的安全度较低或者设计标准偏低等，以及多年运行，年久失修，约有33%的大坝存在较多的隐患和老化病害，尤其是中小型水库病坝更为严重，影响着这些工程效益的发挥，甚至威胁下游人民的生命财产安全。

另外，随着水能资源的深入开发，一些新建或待建的大坝坝址的地质条件越来越复杂，大坝的规模也越来越大，增加了大坝出事的风险因素如近些年来我国已建坝高在 150m 以上的工程，有二滩、龙羊峡、乌江渡、白山、三峡等，正在建设和准备建设的如小湾、拉西瓦、锦屏一级、溪洛渡等高拱坝均为 300m 级的超高坝因此，大坝的安全已引起人们的普遍关注 1水工建筑物的特点，不仅表现在投资大、效益大，设计施工复杂，也表现在其失事后果严重 大坝建成后， 随着结构老化以及其它随机性的原因， 出现事故，也难于完全避免但是可以采取措施减免事故发生，或将事故发生所造成的损失减至最小，特别是减少人员伤亡还是能够做到的可以采取的措施包括可以采取的措施包括：①改进大坝设计方法；②加强大坝安全监测；⑧重视工程的规划和勘探，特别是水文分析和地质、地基工作；④严格大坝运行管理、除险加固 大坝的寿命可分为运行初期、正常运行期和老化期三个阶段大坝的寿命可分为运行初期、正常运行期和老化期三个阶段大坝运行初期和老化期，最容易出现问题大坝运行初期和老化期，最容易出现问题见图 1-1 大坝失事概率 坝龄 运行初期 正常运行期老化期 图 1-1 大坝各龄期失事概率示意图 1-1 大坝各龄期失事概率示意 根据世界大坝的统计资料，几乎 60％左右的大坝失事，都是在水库蓄水后头几年内发生的。

在大、中型水电工程中，常常提出“提前发电”的要求，即在主体工程尚未全部竣工之前，水电站便开始投入运行，大坝便开始工作此刻水库尚未形成，工作条件可能比设计情况更恶劣，最容易出现问题所以，在运行初期，要加强监测及时排除故障 大坝在正常工作的龄期内，产生洪水漫顶导致垮坝的，属随机事故这类事故在失事坝中的比重，各国统计数字均占首位，在我国占 51.5％漫顶失事的概率密度与大坝寿命和质量关系不大， 主要随遭遇洪水而定， 表现为随机失效特点漫坝失事主要是土石坝漫顶，主要是入库流量超标，溢洪道故障，闸门操作失灵等原因持续漫顶，会增加失事致灾的可能 大坝由于材料老化，混凝土受冷热交替、气候变化影响，地下水浸蚀，泥沙作用，逐步丧失强度和稳定，同时附属设施等也会出现老化现象在老化期，容易出现问题目前对大坝老化有如下几点认识： 1) 土石坝与混凝土坝、砌石坝相比，其老化速率较慢，但洪水漫顶是土石坝的致命危险 22) 筑坝技术对堤坝老化和事故影响很大，随着筑坝技术的发展，坝的技术性能在不断提高，其老化和破坏率也随之减小 3) 随着坝龄增加，坝坝遭受各种外力作用及意外考验的概率增高，使坝坝老化加剧也就是说除了坝自身外，水库蓄泄的频次和幅度以及地震、洪水、异常气候、生物侵害等不利影响均随坝龄增长而增大，这就是坝坝老化的外因。

4) 加强管理、维修工作，保持堤坝承载能力，可延缓堤坝的老化过程 大坝最严重的失事就是垮坝水库垮坝是一种特殊的灾种，一旦发生，后果十分严重例如：1975 年河南板桥、石漫滩两座大型水库、两座中型水库和 58座小型水库垮坝，致使 29 个县市 1100 万亩农田遭受毁灭性灾害，冲毁铁路102km，直接经济损失 100 亿元，死亡人数达 9 万人这次垮坝堪称是世界最大垮坝惨剧；1963 年海河大水，5 座中型水库垮坝，死亡达 1000 多人；1993 年青海沟后小(一)型水库垮坝，死亡 320 余人随着经济与社会发展，城市化、人口与财产高度集中，垮坝所造成的后果也会越来越严重 水库垮坝悲剧，如同阴影，伴随着人类自进入“工业革命”时代以来的水库兴建史，一再重演下面为国外部分水库垮坝事故一览：1864 年，英国戴尔戴克水库在蓄水中发生裂缝垮坝，死亡 250 人，800 所房屋被毁 1889 年，美国约翰斯敦水库洪水漫顶垮坝，死亡 4000－10000 人 1959 年，西班牙佛台特拉水库发生沉陷垮坝，死亡 144 人 1959 年，法国玛尔帕塞水库因地质问题发生垮坝，死亡 421 人 1960 年，巴西奥罗斯水库在施工期间被洪水冲垮，死亡 1000 人。

1961 年，苏联巴比亚水库洪水漫顶垮坝，死亡 145 人 1963 年，意大利瓦伊昂拱坝水库失事，死亡 2600 人 1967 年，印度柯依那水库诱发地震，坝体震裂，死亡 180 人 1979 年，印度曼朱二号水库垮坝，死亡 5000－10000 人 大坝失事的原因虽然多种多样，但在大多数情况下，总与不能及时掌握建筑物及其基础的实际运行状状有关事实上，绝大多数建筑物的破坏过程都不是突然发生的，一般都有一个缓慢的从量变到质变的发生过程即使建筑物存在一定的缺陷，或在设计理论和施工技术上有一些未确定因素，运行中有一定的风险，3但只要在建筑物施工和运行中通过认真仔细的检查、监测、分析，就能了解和掌握建筑物及相关岩体的性状变化和出现的异常症状，及时发现事故前兆，防患于未然 大坝安全监测最初是为验证设计，由设计部门提出的然而，一系列重大水工事故使人们认识到，大坝监测工作对于监视大坝安全来说是必不可少的这是因为人类对客观规律的认识有局限性，水工建设中的地质勘探、设计施工难以做到完美无缺、万无一失况且近几年在地质条件复杂的条件下兴建的大库高坝越来越多，使水工建设中的各个环节包含着一定的风险因素，虽然人们可以精心设计、精心施工，提高大坝的安全度，把失事的概率减低到最小程度，但监视大坝性状变化仍是不可缺少的。

因此，对任何施工、蓄水和运行中的水库大坝及其它水工建筑物都应布设监测系统，量测坝体及基础的变形(位移)、渗压渗流、应力应变状态等，以了解大坝和基础性状的演变趋势，发现危及安全的异常因素事实上很多失事的坝在事前的监测资料中都可找到前兆反映，但是，监测仪器的布设和量测频度，很难做到空间与时间上的连续性从目前的监测水平来看，监测系统反映出来的各效应量的变化，只是一些分散的不连续的现象一些重要的异常迹象可能被遗漏，在某些出事的部位又恰好没有布置监测仪器，或者虽然布置了仪器，但因仪器本身有缺陷或老化，输出的是错误的信息，这些都影响了监测系统的可信赖性 §0-2 大坝安全监测与健康诊断系统概况 一、大坝安全监测系统一、大坝安全监测系统 大坝安全监测是指直接或借用专门的仪器设备， 对建筑物本身及相关岩体，从施工之前开始包括对施工、蓄水、运行整个过程，对其性状变化所进行的量测与分析这一过程包括三个基本环节：数据量测、数据采集和数据分析一个完整的大坝安全监测系统也应该由这三部分组成 1．数据量测：数据量测的目的是通过量测手段从监测仪器取得实测数据即在选定的建筑物若干部位，根据监测设计的要求，在土建施工中预先埋设或安装监测仪器或设施，按照规定的观测频率进行量测，获取反映建筑物及相关岩体性状变化的数据和资料。

监测仪器应重点布置在工程地质条件或结构形式相对薄弱的部位，或对工程安全评价比较敏感的部位，区分为三种：关键监测部位或断4面、重要部位或断面、一般部位或断面按监测物理量类型可分为两大类、环境(原因)量和效应量环境量主要包括：气温、水温、降水量等，效应量监测项目分为常规监测、专项监测和日常目试检查三大类常规监测主要有变形监测、渗流渗压监测、应力应变和坝体温度监测；专项监测是指为常规监测提供必要的控制数据、基准数据、环境参数及其他一些辅助|生监测项目，例如：坝区变形控制网、 地应力监测、 水力学监测、 振动爆破监测等； 另一类监测是指对大坝坝体、廊道、坝肩、泄水设施、发电设施、通航建筑物、高陡边坡等通过目视检查和一些辅助手段进行的日常或定期检查 2．数据采集：数据采集(包括传输)是指定时或定期把量测得到的数据或资料通过数据自动采集装置或人工手段或半自动半人工的方式采集起来作短时存放，或使用互联网、线或专用电缆集中传送到近坝区或远方的监测中心 3．数据分析：数据分析(包括数据管理、分析解释、安全评价和辅助决策)的主要功能是对传输来的各类监测数据和资料进行有序管理， 建立数据库、 图库、分析方法库、数学模型库和相关知识库等，并应用一系列数据分析软件，通过对测点监测数据的时序分析、相关分析，对建筑物及相关岩体的性状变化和安全状态作出评价。

在出现可能危及建筑物安全的异常状况时，及时作出预报，进行分类分级报警，并提出应对措施的建议，为主管部门决策提供依据 二、二、监测方法方法 通过现场观测及数据处理得到大坝性态(如实测渗水量、位移、应力)的实测值，以其与监监测模型模型求得的预测值进行比较，若两者之差小于容许值，属正常，否则，属：①大坝性态异常；②荷载或结构条件变化；⑧观测系统不正常此刻都需要采取措施或找出原因这个过程的实现需要建立一整套观测与分析系统这个系统能够在计算机辅助下， 实现大坝观测数据自动采集、 处理、 分析与计算，能对大坝性态正常与否作出初步判断和分级报警的观测 这种自动化的观测系统是保证大坝安全的重要手段，和人工观测系统相比，具有：①快速、及时、多样、反复比较；②可靠性大；⑧费用低等特点 三、监三、监测模型模型 对大坝安全进行定量评估， 在于建立安全评价的数学模型和大坝观测的数据库在我国，一般应用分析软件包对原始观测数据库进行处理和计算 51．数学模型．数学模型 大坝安全监测能够采集到大量的实测资料， 但如何对大坝工作状态和对大坝安全性进行定量评价，关键是建立安全评价的数学模型用这些数学模型计算出理论参考值，再与实测资料进行比较，对大坝的工作状态和大坝安全性作出合理评价。

目前我国多采用：统计模型、确定性模型统计模型、确定性模型和综合二者建立起来的混合模型混合模型计算理论参考值 (1) 统计模型：统计模型：根据正常运行状态下某一效应量(也是因变量，如位移)的实测数据，通过统计分析建立起效应量与原因量(也是自变量，如水位、温度)之间相互关系的数学模型只要原因量在运行变化范围内，则可预测今后相应关系的效应量回归分析是建立统计数学模型的一种主要方法统计模型建立后，将模型计算值与实测值进行比较，即可对大坝工作状态和大坝安全性进行评价 (2) 确定性模型（确定性模型（决定论模型） ：是以水工结构分析的方法为基础，建立起来的原因量与效应量之间的因果关系式 对坝的结构分析计算一般采用强度理论或三维有限元法 当在同种条件下某一效应量的实测值与模型预报值之差， 处于容许的范围之内时，则认为该部位处于正常状态，否则为不正常 (3) 混合模型：混合模型：在考虑原因量与效应量之间的因果关系时，一部分采用力学计算方法，另一部分采用统计分析方法 统计模型、确定性模型和混合模型各有其适用范围，选用何种模型应根据效应。