大坝安全保障关键技术

水库大坝安全保障关键技术研究与应用张建云二〇一四年十月天津中国水利学会2014年学术年会汇报提纲一项目背景二主要技术成果与意义三突出创新点与科学发现四学术产出与评价五成果应用与综合效益六结语一项目背景一项目背景—重要性水库多、病险多，水库大坝工程安全问题突出我国现有各类水库大坝98002座，不可避免存在工程质量问题多建于上世纪50-70年代，技术限制、年久失修，病险率高新中国成立以来，我国已溃决大坝3525座，给人民生命财产带来巨大损失一项目背景—重要性大坝安全管理相对薄弱：水库大坝信息管理体系尚不完善大坝病险规律与溃坝机理认识不深大坝安全监测、评估与预警亟需加强大坝风险评估和风险管理相对薄弱病险水库除险加固决策和方案有待优化一项目背景—重要性科技部、水利部作为“十一五”国家科技支撑计划重大项目立项开展协同攻关研究一项目背景—研究内容风险管理战略层降低风险关键措施层支持技术层课题7：水库大坝风险标准和风险管理研究课题4：病险水库除险加固关键技术研究课题5：水库大坝风险控制非工程措施研究课题6：水库大坝安全信息监测及预测预警技术研究课题1：病险水库和溃坝数据库基础平台课题2：溃坝试验和模拟技术研究课题3：基于风险的大坝安全评价方法体系研究溃坝与洪水大坝风险除险决策应急对策项目牵头单位：南京水利科学研究院项目参加单位：中国水利水电科学研究院河海大学长江科学院黄河水利科学研究院长江勘测规划设计研究院南京大学中国人民解放军理工大学华北水利水电学院武汉大学江苏南大先腾信息产业有限公司江苏省溧阳市沙河水库管理处杭州市青山水库管理处一项目背景—成果完成单位二主要技术成果与意义1.建立了全国水库大坝基础数据以及病险与除险加固、溃坝数据全系列全要素数据库，为大坝病险研究和大坝安全管理奠定了坚实的资料基础水库大坝基础数据(8.6万余座)病险水库数据(7000余座)除险加固数据(6240座)水库溃坝记录(3525座)成果一：水库大坝病险与溃坝规律研究四大类、全系列、全要素数据库数据种类最全、数据系列最长的大坝数据库2.建立和规范了水库大坝信息采集与信息管理体制机制，为水库大坝信息化管理奠定了坚实基础水库大坝信息管理体系责任主体业主政府公众数据采集数据更新数据管理系统创建系统运行系统维护管理制度安全措施保密对策工程基础数据库信息源数据采集信息系统信息服务数据分析信息技术法规标准体制机制机构人员职责数据采集信息管理行政法规法规性文件国家法律部门规章规范性文件技术标准体制层机制层保障层《水库大坝安全管理条例》《生产安全事故报告和调查处理条例》等《水库大坝注册登记办法》“病险水库除险加固信息报送制度”等《水利工程基础信息代码编制规定》待编的“水库大坝基础数据库标准”等《水法》《防洪法》等立法编制了《水利工程建设与管理数据库表结构及标识符》，即将颁布实施成果一：水库大坝病险与溃坝规律研究3.系统挖掘了病险水库成因及演变机理，建立了大坝老化评估模型和评价指标体系，为病险水库处置方案制定提供科学基础大坝工程性态经济保障需求技术可维护性大坝工程性态技术经济特性适应期(潜在老化阶段)稳定期(初步老化阶段)老化期(典型老化阶段)报废期(严重老化阶段)常态大坝(未见老化)老化大坝(轻度老化)病态大坝(中度老化)险态大坝(严重老化)大坝老化技术经济关系模型病险水库分布规律大坝病害特征和成因大坝老化评估指标体系大坝老化度模型大坝老化技术经济关系模型（4个阶段）成果一：水库大坝病险与溃坝规律研究4.深入剖析和揭示了水库溃坝机理和发展过程，构建了溃坝特征统计模型溃坝统计特征：成果一：水库大坝病险与溃坝规律研究溃口深度与坝高关系图坝高hd溃口深度hb溃口洪峰流量与坝高关系图溃口洪峰流量LOG(Qp)坝高hd溃口形状、溃坝水深、溃坝历时、溃口深度、溃口宽度溃口深度、溃口宽度、溃口流量与坝高统计模型溃坝特征参数统计模型：1.开展了56组室内溃坝模型试验，获得了土石坝溃决的基本现象和规律，为现场实体溃坝试验方案确定和实施提供了坚实基础成果二：溃坝试验和模拟技术研究非粘性材料土坝漫顶溃决粘性材料土坝漫顶溃决不同粒径不同坝坡坡度不同溃口位置不同压实度不同含水量……2.创建了国内外试验坝高最高的实体溃坝试验场，开展了5组漫顶溃坝和2组管涌溃坝实体试验，真实地反演了土石坝溃决的全息过程最大坝高9.7m坝体材料C值范围6.5～39.5kPa最大坝高6m坝体材料C值范围0.9～4.9kPa最大坝高：9.7m总库容：10万m3坝长：120m顶宽：3.0mC值范围：6.5~39.5kPa成果二：溃坝试验和模拟技术研究本项目试验坝：欧盟IMPACT项目：3.研发了实体溃坝试验多要素、大尺度溃坝动态测量系统，攻克了记录高流速下水下坝体变形监测的技术难题溃口流速：ADV+雷达测速仪库水位下降：水位压力传感器洪水演进：高分辨率CCD+水尺溃口纵向下切：自主发明监测传感器溃口横向扩展：CCD图像分析技术测桥及ADV、CCD埋入式现场溃坝试验计时仪溃坝测试系统大尺度现场溃坝试验变形传感器示意图钢针铅锤记时器铅锤轨道弹簧弹射杆触发按钮成果二：溃坝试验和模拟技术研究溃坝动态测试系统4.实体溃坝试验发现了一些在实验室试验中未能发现的现象，得到了一些重要的与原有溃坝理论不同的新认识，这些重要科学发现，完善和丰富了溃坝理论和模拟方法二级跌坎漫顶水舌跌落，形成冲坑，切应力剧增（并在该处消能）一级跌坎冲坑内的水流切应力剧增跌坎在水流剪切、剥蚀作用下增大、合并，向上游推进冲坑下游水流继续加速，大于起动流速跌坎合并示意图成果二：溃坝试验和模拟技术研究（1）提出坝体冲刷形成两级陡坎、陡坎合并和陡坎刷深的“剪剥式”冲蚀过程的新认识（2）揭示了坝顶双螺旋流淘刷机理当水流漫顶形成冲蚀溃口后，溃口水流具有强三维特征，溃口两侧形成双螺旋流，加剧了溃口横向扩展成果二：溃坝试验和模拟技术研究（3）发现了溃口边坡间歇性失稳坍塌规律粘粒含量较大的土坝溃口边坡将发生倾倒破坏，而粘粒含量较小的土坝溃口边坡将发生剪切破坏倾倒破坏示意图剪切破坏示意图F3倾倒破坏F2剪切破坏成果二：溃坝试验和模拟技术研究5.基于坝体材料综合抗冲能力分析，提出了“陡坎”移动速率公式，建立了坝体下切速率与“陡坎”移动速率预测模型“陡坎”移动速率预测公式坝体纵向下切速率预测公式该公式模拟精度明显高于国内外已见土石坝漫顶溃口预测模型成果二：溃坝试验和模拟技术研究6.首次从漫顶溃坝机理出发，获得了土石坝漫顶溃坝过程的两个重要模型相似准则，为溃坝模型试验规范制定提供科学依据溃口流量过程实测与模型预测对比图堤坝漫顶溃决时间比尺“跌坎”移动速率相似比尺成果二：溃坝试验和模拟技术研究01020304050020406080t（min）Q（m3/s）模型流量过程原型流量过程基于实时监控信息的大坝运行风险评价体系挠度倾斜大坝运行风险度坝体坝基近坝区变形渗流强度稳定渗流变形稳定析出物地质缺陷稳定渗流变形地下水老化水平位移垂直位移接缝裂缝巡查扬压力渗流量绕坝渗流巡查水平位移垂直位移地下水位水平位移垂直位移巡查应力应变温度巡查沉降巡查正垂线倒垂线引张线裂缝错动伸缩缝破损溶蚀渗水测点测点1…巡查n成果三：基于风险的大坝安全评价技术溃坝模式起始原因中间发展过程（路径）导致结果漫顶洪水闸门操作正常→坝顶高程不足→不能及时加高坝顶漫顶→冲刷坝体→干预无效→溃坝洪水+持续降雨无溢洪道→近坝库岸滑塌→浪涌漫顶→冲刷坝体→干预无效→溃坝地震基础液化→坝体滑动→坝顶高程降低漫顶→冲刷坝体→干预无效→溃坝………………结构破坏洪水下游坡滑坡→坝顶高程降低→坝顶高程不足漫顶→冲刷坝体→干预无效→溃坝洪水洪水不能安全下泄→溢洪道冲毁→冲淘溢洪道基础→库水无控制下泄溃口扩大或上下游坝坡滑坡→溃坝………………渗透破坏洪水坝体集中渗流管涌→干预无效→溃坝洪水坝下埋管发生接触冲刷破坏干预无效→溃坝………………1.提出了基于模糊贴近度的溃坝模式识别方法和溃坝路径挖掘层次分析方法，建立了基于实时大坝安全监控信息的大坝运行风险分析模型2.构建了溃坝综合评估模型及综合评估系统人口信息经济信息洪水特征环境信息洪水特性格网人口、经济空间分布溃坝损失计算格网网格放大空间叠加格网单元GIS空间信息格网模型成果三：基于风险的大坝安全评价技术1.基于优先排序决策方法和灰色关联决策理论，创建了水库除险加固“优先排序－关联决策－方案优化－量化评价”全过程的决策方法和评价模型,在病险水库除险加固工程规划和实施中发挥了重要指导作用成果四：病险水库除险加固关键技术群坝除险加固优先排序决策方法除险加固技术方案的灰色关联决策模型基于风险的除险加固方案优化方法基于加速遗传算子的除险加固效果量化评价模型015100.38-100.08-3.80.19-50.14-1.90.88-2.30.19-0.50.18-0.880.04-0.190.09-2.50.02-0.950.05-1.250.01An正常荷载Au不可能荷载Pn正常荷载Pu不可能荷载Pnd证实困难Pnq快速证实不实际Pud证实困难Puq快速证实不实际Anl正常荷载Aul不可能荷载Pnl正常荷载Pul不可能荷载预计能证实正常运用正常运用正常运用正常运用正常运用非常运用非常运用非常运用非常运用非常运用预计难证实实际缺陷实际缺陷潜在缺陷潜在缺陷大坝缺陷（大坝性态）基础设施缺陷（OMS）缺陷（安全管理系统）浮式拱围堰示意图2.研发了水库除险加固新技术新方法，在除险加固中得到较好的应用。气动抛投散粒料示意图大坝上游面10978坝段坝段-剖面新型材料试验场全貌浮式拱围堰干场施工综合方案气动抛投散粒体地洞堵水技术寒区坝面保温与防渗新型材料浮式拱围堰示意图大坝上游面10978坝段坝段-剖面成果四：病险水库除险加固关键技术1.提出了水库突发事件应急预案有效性评价方法，建立了突发事件应急组织体系与应急预案运行机制，推动国家水库大坝的应急管理成果五：水库大坝风险控制非工程措施应急预案有效性评价方法流程图大坝下游高程数据居民点数据应急预案车速、步速道路数据洪水淹没范围受灾点计算模型撤离的安置点各路段的通过时间道路数据集最佳撤离路线计算最佳路线图撤离时间t1比较t1与t0IFt1≤t0，应急预案有效IFt1＞t0，应急预案非有效提出改进应急预案有效性的措施预案中规定的撤离时间t0淹没范围计算模型空间分析路权计算模型网络分析2.建立了水库应急调度模型，开发了应急调度决策支持系统系统功能风险区概况特征断面历史洪水水库河道特性曲线溃坝洪水计算二维洪水演进淹没区域选择图层控制大断面水位过程水面线计算淹没范围淹没水深淹没损失应急调度考虑因素：成果五：水库大坝风险控制非工程措施上游水情、工程险情、下游风险及承受能力等洪水预报调度、大坝安全实时评估、下游洪灾风险分析、调度方案评价与优化、应急会商决策、信息服务应急调度决策支持系统功能：参数设置区域概况水流计算风险分析灾情信息3.构建了水库降等与报废决策指标体系，提出了水库降等与报废判别准则，编制颁布了《水库降等与报废标准》，已在广西卡马等水库处置中应用，强化了水库大坝的科学管理我国水库降等和报废的空间分布主要河流各省降等报废数量0-100100-200200-400400-600600成果五：水库大坝风险控制非工程措施4.分析了拆坝生态环境影响及其时空关系，建立了拆坝生态环境影响与修复评价指标体系与网络层次分析模型,推动了我国拆坝生态环境的保护工作触发事件水库报废初始影响水文影响泥沙影响次生影响地貌、洪水、水质湿地、水生生境、植被社会影响经济影响最终效应水库报废影响的层次分析示意图成果五：水库大坝风险控制非工程措施1.改进了电阻率成像仪和地层地温测量仪的数据解析方法，提出了多种异常体的高密度电法典型图谱，提高了隐患探测的可靠性成果六：大坝安全监测与预警技术不考虑首蓄因子的水平位移预测模型2.改进了大坝安全监控预测模型，研发了基于人工智能技术的大坝安全综合分析推理系统改进模型考虑因素：