大坝安全监测的几点认识

[摘 要]对运行中大坝的结构性态和安全状况做出准确评价,是十分复杂的问题,大坝安全监测资料是完善评价体系的基石。笔者通过辽宁省内个别水库列为病险库事例,从分析影响大坝安全的各种因素入手,对大坝安全监测的若干问题谈几点认识。

[关键词]大坝 安全 监测 运行

作者简介:姜凤海,1963年出生,男,辽宁铁岭,现从事水库供水管理,工程师。

前言 大坝特殊性主要表现在:①投资及效益的巨大和失事后造成灾难的严重性;②结构、边界条件及运行环境的复杂性;③设计、施工、运行维护的经验性、不确定性和涉及内容的广泛性

大坝安全监测是人们了解大坝运行性态和安全状况的有效手段,也是对大坝的结构性态和安全状况做出准确评价的基础。随着科学技术的发展、管理水平的提高及人们观念的转变,大坝安全监测的内涵也进一步加深。

一、影响大坝安全的因素

影响大坝安全的因素很多,有关资料表明:30%是由于设计洪水位偏低和泄洪设备失灵引起洪水漫顶而失事;27%是由于地质条件复杂,基础失稳和意外结构事故;20%是由于地下渗漏引起扬压力过高、渗流量增大、渗透坡降过大引起;11%是由于大坝老化、建筑材料变质以及施工质量等原因;12%是不同的特有原因所致。

大坝失事的原因大致可以分成3类。第一类是由设计、施工和自然因素引起,它没有一个从量变到质变的过程,而是一旦大坝建成就已确定,如地质勘测、水文资料有误、设计洪水位偏低、混凝土标号过低、未考虑地震荷载等;第二类是在运行、管理过程中逐步形成的,有一个从量变到质变的发展过程,如冲刷、浸蚀、混凝土的老化、金属结构的锈蚀等;第三类是上述两种混合情况,即设计、施工中的不完善在运行中得不到改正,或者说随着时间的推移和运行管理的不力使设计、施工中的隐患发展为破坏,如参窝水库属于第三类情况。目前,大坝安全监测主要是针对后两种情况。下面将从设计、施工、运行维护3个阶段来讨论,着重强调目前大坝安全监测容易忽视的一些方面。

(一)设计阶段。在设计阶段,坝址的确定决定了地形、地质、地震发生频率及水文条件等;枢纽的总体布置、坝型及结构、材料选择和分区、水文资料的收集及洪水演算、地质勘探等都将影响大坝的安全。如喀什一级大坝位于高地震烈度区,在1985年大地震时,迎水面滑落库中,其原因是坝体结构设计不合理。大坝的许多安全隐患是由设计阶段留下的,特别是水文计算及地质勘探和处理两个方面,如柴河水库、参窝水库,前期勘探、设计工作不够是造成后期工程除险加固的重要原因之一。

(二)施工阶段。施工阶段能否贯彻设计意图、确保施工质量,特别是有效解决施工中发现的新问题是确保大坝安全的关键因素之一,如混凝土坝的温控措施、土石坝的碾压及防渗排水结构的施工、有关泄洪建筑物的机电安装等都将直接影响大坝的安全。参窝水库大坝在施工中,其坝体碾压没有达到工程质量要求,至使后期工程加固维修。如清河水库大坝迎、背水坡工程施工时,所用石料来自开挖溢洪道的碴石,抗风化能力极低,后期对大坝护坡进行更新改造。

(三)运行阶段。运行管理涉及水库调度、大坝及附属机电设施检查、监测手段及资料分析方法、大坝安全状况评价等,其中每一环节都事关大坝的安全。如清河水库运行五十年来出现的防浪墙裂缝、测压管70%堵塞、监测系统滞后、出口闸门设备老化等安全问题。

二、大坝安全监测的新内涵

通过以上分析可知,影响大坝安全的因素很多,并且时间跨度大(从设计施工到运行管理)。大坝安全监测的目的是为了在确保工程安全的前提下,更好地发挥工程效益。

(一)监测范围和内容。大坝安全监测范围和内容包括:“坝体、坝基、坝肩,以及对大坝安全有重大影响的近坝区岸坡和其它与大坝安全有直接关系的建筑物和设备”。可见关系大坝安全的因素存在的范围大,包括的内容多,如泄洪设备及电源的可靠性、梯级水库的运行及大坝安全状况、下游冲刷及上游淤积、周边范围内大的施工特别是地下施工爆破等。 大坝安全监测的范围应根据坝址、枢纽布置、坝高、库容、投资及失事后果等进行确定,根据具体情况由坝体、坝基推广到库区及梯级水库大坝,大坝安全监测的时间应从设计时开始直至运行管理,大坝安全监测的内容不仅是坝体结构及地质状况,还应包括辅助机电设备及泄洪消能建筑物等。

(二)大坝安全监测的针对性。大坝安全监测是针对具体大坝的具体时期做出的,一定要有鲜明的针对性。a)时间上的针对性。由于大坝施工期、初次蓄水期和大坝老化期是大坝安全容易出现问题的时期,因此在前一个阶段监测的重点应是设计参数的复核和施工质量的检验,而后者则应是针对材料老化和设计复核进行。b]空间结构上的针对性。针对具体的坝址、坝型和结构有针对性地加强监测,如针对面板堆石坝面板与趾板之间的防渗、碾压混凝土坝的层间结构、高强震地区均质土坝的液化、薄拱坝坝肩的稳定、破碎地基及深覆盖层上筑坝的基础处理及防渗、多泥沙河流的泥沙淤积、库岸高边坡的稳定等。

大坝监测应和大坝设计、施工和运行管理互相补充,大坝安全监测理应成为检验设计、施工及运行效果的必要手段,从而为采取必要的工程措施以确保大坝安全创造条件。

(三)监测手段和方法。大坝安全监测包括巡视检查和仪器监测,前者也要尽可能的利用当今的先进仪器和技术对大坝特别是隐患进行检查,以便作到早发现早处理,如借用高密度电阻率法、中间梯度法、瞬态面波法等进行检查,从而完成对其定位及严重程度的判定。大坝边界条件和工作环境较为复杂,同时,由于材料的非线性(特别是土石坝),从而使监测的难度增大。另一方面,目前仪器监测还只能作到“点(小范围)监测”,如测缝计只能发现通过测点的裂(接)缝开度的变化,而不能发现测点以外裂(接)缝开度的变化;变形(渗流)测点监测到的是坝体(基)综合反应,因而难以进行具体情况的原因分析。

监测手段和方法必须多样化,将定性和定量监测结合起来,如将传统的变形、渗流、应力应变及温度监测同面波法、彩色电视、超声波、CT、水质分析等结合起来。

笔者认为一种费用低、安装调试简单、易维护、可以进行大范围监测、实时性高的系统才是发展方向。

三、结语

分析可知,大坝安全监测实际上是一种管理,其根本目的是为了工程效益。综合起来可以得出如下几点认识: (一)大坝安全监测范围空间上、时间上应从设计开始。大坝安全监测内容应包括与大坝安全有关的泄洪及机电设备; (二)大坝安全监测应与气象、水情、洪水预报及水库调度结合起来,使之成为水库运行调度决策支持系统的一部分,真正为工程效益的最大化服务;(三)大坝安全监测应充分利用科技进步,走向即时化、智能化、网络化。