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1、我国大坝安全监测工作的现状和发展* REVIEW AND DEVELOPMENT OF DAM SAFETY MONITORING WORK IN CHINA 牛运光* Niu Yunguang 【 摘 要】 回顾我国水利方面大坝安全监测工作情况。 具体介绍了观测设施、 编制规范、 资料分析、观测自动化等方面的成绩和经验,指出了问题并提出建议。 【 关键词】 大坝安全监测 现状 发展 1 概述 *到稿时间: 1995- 09- 22 *水利部技术委员会委员, 教授级高级工程师 建国以来, 截止 1993 年底, 全国共修建各 类水库 84 614 座, 其中大型水库 374 座, 中型 水库
2、2 562座, 小型水库 81 678座, 90% 以上 是土石坝。这些工程在防洪、灌溉、发电、城 镇供水和水产养殖等方面都发挥了巨大效益。 由于这些工程多是在 “ 大跃进”和中 兴建起来的,不少工程防洪标准低、施工质量 差、管理不善, 存在各种隐患。1975 年 8 月河 南大水, 板桥、 石漫滩两座大型水库垮坝后, 引 起各级主管部门的重视, 采取了各种措施, 加 快了处理险库的进度。但是由于过去遗留问题 较多, 目前水库中存在安全问题比重仍然较大。 大型水库仍占 23%, 中型水库达 24%, 小型水 库高达 42% 。为了充分发挥工程效益, 确保安 全运行, 加强大坝安全监测工作尤为重
3、要。 我国大坝观测工作, 大中型水库混凝土坝 变形、渗流量、基础扬压力、应力和温度等观 测项目比较齐全, 土石坝相对来说较差。据 80 年代末统计分析,大型水库安装观测设施较全 的占总座数 30% ;仅有基本观测设施的占 30%; 基本观测设施不全的占 30%; 没有观测 设施或已有观测设施全部破坏的占 10% 。 中型 水库据不完全统计, 仅有 20% 有基本观测设 施。 至于小型水库, 不论混凝土坝或土石坝, 一 般均无观测设施。当然各省发展也不平衡,有 多有少,不完全一致。具有观测设备的大中型 水库, 能坚持正常观测, 及时进行资料分析, 能 起到安全监测作用的仍然是少数。如果进行了 认
4、真观测, 在观测点位和观测时间发现异常现 象,又及时进行资料分析, 则能起到很好地监 视大坝安全的作用。 2 成绩和经验 2. 1 大中型水库观测设施得到进一步完善 从全国来看, 有的省比较重视水库观测工 作,观测设施就得到了进一步完善。如浙江省 14 座大型水库大坝均安装了观测设施, 79 座中 型水库中有观测设施的 73 座, 占 92% 。四川、 湖南、河南、河北等省,观测设施的安装也比 较好。黑龙江省电子式自动巡测仪在 6 座大中 型水库应用,均收到了较好的效果。其他省的 观测工作也取得了不同程度的进展。 潘家口、 三 门峡和丹江口工程也已加强和完善原有观测 系统。 2. 2 大坝观测
5、设施得到了补充和加强 在除险加固的重点险库中, 为安全监测大 坝的需要, 补充和加强了原有观测设施。例如 河南省灵宝县窄口水库, 大坝高 77 m, 施工中 填筑质量差,心墙裂缝多, 坝坡稳定安全系数 偏低, 两岸坝基岩石破碎及坝基断层漏水,原 观测设施布置较少,难以较好地监测大坝的运 行状态。为此, 在除险加固中, 对大坝观测设 3 1996 年 8 月 大 坝 观 测 与 土 工 测 试 第 20 卷 第 4 期 备进行增补和加强, 初步形成了大坝安全监测 系统,这为已建高土石坝的安全观测仪器的增 补, 积累了可贵的经验。又如陕西省羊毛湾水 库, 大坝存在裂缝和坝基渗漏问题,经过增补 观测
6、设备, 加强观测, 进行观测资料分析论证, 认为大坝虽然存在问题, 但只要认真观测, 及 时分析, 可以正常运用。通过论证,水库可以 增加蓄水量 1 800 万 m 3, 充分发挥了工程效 益。 2. 3 新建大坝埋设较齐全的观测设备 80 年代以来, 新建大型水库土石坝, 根据 大坝结构特性、坝址地形、地质条件, 埋设的 观测仪器设备比较齐全, 可以全面监测大坝安 全运行。 如湖南省岳阳县铁山水库于1982 年建 成和四川省南部县升钟水库于1984 年蓄水, 土 石坝埋设了坝面位移标点、固结管、水平位移 测斜管, 设置了坝体和坝基以及坝端的测压管、 渗压计、 孔隙水压力计、 双管式孔隙水压力
7、仪、 土压力盒及渗流量等观测项目,可以全面监控 大坝安全性态。 2. 4 编制了 土石坝安全监测技术规范 混凝土坝安全监测技术规范 于 1989 年 10 月 1 日由( 原) 能源部、水利部共同颁发试 行。为加强土石坝安全监测, 由水利部水利管 理司委托水利部大坝安全监测中心主编,于 1990 年组织有关单位开始编制,1993 年底完 成, 1994年经水利部、电力工业部共同审查批 准为水利行业标准, 其名称和编号为 土石坝 安全监测技术规范SL60- 94, 自 1994 年 10 月 1 日起施行。这是我国首次编制的包括有设 计、施工、运行各阶段监测工作较系统的技术 规范,作为土石坝安全
8、监测技术工作的依据。 2. 5 采用先进技术进行观测资料整编分析 观测资料的整编分析采用计算机, 建立数 学模型,分析大坝运行状态和安全度。例如 “ 土石坝观测资料整编通用软件包” ,它适用于 各种坝、基础、不同坝长以及不同测点与断面 的土石坝。该软件包配有PC-1500 袖珍计算机 与长城 0520C- H 微型计算机的通用程序, 可分 散采集观测数据, 集中整编, 进行数据处理、 存 贮、 分析和预报。 河南省也编制了通用软件, 在 该省 6 座大型水库大坝上应用, 效果较好。长 江水利委员会对葛洲坝二江泄水闸用确定性模 型,根据环境原因量预测施工期和蓄水初期运 行过程中效应量的变化,利用
9、这种模型可以解 释观测资料,以判断大坝安全度,取得较好的 经验。为了进一步开展观测资料整编工作,水 利部水利管理司曾于 1990 年底在河南省平顶 山市召开了大坝观测资料整编计算机应用软件 研讨会。在会上交流了经验,并演示了软件的 应用, 这些均有利于这一工作的开展。 2. 6 依据观测成果, 提出加固方案 从过去的实例中可以充分证明大坝安全观 测对确保工程安全渡汛和除险加固节约资金都 能起到重大作用。例如湖北省丹江口水利枢纽 左岸土石坝,通过观测和资料分析, 发现测压 管水位变化异常, 经挖深证明坝体填土存在软 弱夹层, 局部含水量高达 40%。为确保工程安 全运行,采用了倒挂井浇筑混凝土防
10、渗墙的防 渗措施。 工程完成后不久, 1983 年10 月丹江口 大坝上游发生秋季大洪水,库水位达到了 ? 160. 07 m, 超过千年一遇洪水位? 160 m, 确 保了水库安全渡汛。湖北省温峡口水库, 建坝 时没有做地质勘探工作,建成蓄水后,坝基漏 水严重,补设了测压管,观测到水位异常,又 补做地质勘探工作,得知大坝建在断层上。在 讨论加固方案时, 有人提出废弃此坝,在下游 附近地质条件较好处另建新坝, 需要投资达亿 元。 后来补充了大量的观测设施和试验工作, 经 过观测资料分析论证, 可通过灌浆进行加固处 理,约需 2 500 万元,节约了大量资金。 2. 7 大坝观测自动化取得初步成
11、果 自动化是大坝观测发展的方向, 可以对大 坝做到实时安全监控。国外像美国、法国、意 大利、加拿大和瑞士等,已建立大坝观测自动 化系统,有的已取得很好的效果。而我国整体 来说在这一方面还有一定差距, 尤其是土石坝。 到 80 年代末还没有一套完整的自动安全监控 系统。为了提高我国大坝观测技术水平, 确保 大坝安全和充分发挥水库效益, 90 年代初水利 4 牛运光 我国大坝安全监测工作的现状和发展 部利用最新研究成果,对一座土石坝的主要监 测项目, 用国产先进仪器设备,建立一个大坝 现场实时安全监测系统。该系统已于 1992 年 12 月在河北省东武仕水库( 大型) 安装调试成 功, 经运行 1
12、 年,于 1993 年 11 月通过部级鉴 定, 到目前一直正常。 该系统总体设计合理, 技 术先进、操作简便、运行可靠、功能齐全, 能 满足土石坝安全监控的需要, 在广西青狮滩水 库( 大型) 推广了这一经验。 综上所述, 观测工作对监视大坝安全, 是 能起到重要的作用, 但也存在一定的局限性。 按 常规观测仪器布设和定期观测,会出现在空间 和时间上的不连续性,因而不可避免地会使分 散的或突发性的险情从观测网中和定期观测之 间漏掉。在空间上不连续性和不可知性,表现 在测点的布设上,一般都按常规的办法,仅在 大坝上的某几个典型断面上的几个点, 同时设 计者对大坝及其基础是根据已了解到的情况进
13、行的,而险情出现的部位事前又是不可能预知 的。这就不可能正好将设备布设在出现险情的 部位上, 因而大坝的局部出现险情, 如渗漏、 管 涌、 塌坑等往往不一定正好发生在测点位置上, 即使是在测点位置上,观测资料也需要及时整 理分析, 否则也难以及时预测事故的发生。在 时间上的不连续性, 目前大部分观测项目的观 测时间是定期的,而不是连续自动地观测, 险 情也不一定正好发生在进行观测的时候。例如 1991 年汛期山东省松山水库( 中型) , 当库水位 很高时, 土石坝迎水坡出现塌坑, 右岸背水坡 出现大量漏水, 其位置不在测点部位, 也未在 观测时间出现, 是工程管理单位巡视检查人员 发现的, 及
14、时采取抢险措施, 未发生垮坝事故; 门楼水库( 大型) 副坝坝基严重漏水,也是巡视 检查人员发现的。国外也有很多实例, 如美国 的提堂( T eton) 坝由于一处窄断层上的突发管 涌失事, 估计破坏历时不及 6 h。就观测而言, 首先不可能预见到窄断层部位会发生突发性管 涌而安装测渗仪器; 其次,在观测时间上, 也 不可能正好遇到管涌发生的时候。又如美国巴 勒文山( Baldxin Hills) 坝, 安设了大量仪器, 监 测内容十分具体,观测次数极为频繁, 观测人 员逐日进行观测, 但由于资料整理分析任务十 分繁重, 不可能及时完成。 事故发生后检查, 由 于防渗铺盖与基础接触面间发生管涌
15、,破坏过 程的后期发展迅速, 不到 24 h, 也就不可能及 时观测出来。从以上国内外实例突出说明:1) 不能完全依靠观测系统及时测出险情; 2) 任何 高精密仪器不可能将测点范围以外与险情相关 的参数测出; 3) 观测系统对监视大坝安全是绝 对必要的, 但仅靠仪器本身是不够的。 所以, 我 国在制定 土石坝安全监测技术规范 中, 对巡 视检查和观测分别提出要求。对检查工作,作 出更详细的规定。将检查工作划分为日常巡视 检查、年度巡视检查和特别巡视检查。在日常 巡视检查中,要求由有经验的技术负责人对大 坝、基础及各项设施进行经常巡视检查; 在年 度巡视检查中, 规定每年汛前、汛后、用水期 前后
16、、冰冻期和融冰期,要求由管理单位负责 人组织领导,进行全面或专项检查, 同时结合 观测工作及有关分析资料进行; 在特别巡视检 查中, 规定在发生特大暴雨、大洪水、强热带 风暴、有感地震以及库水位骤升骤降或持续高 水位等,有可能发生比较严重的破坏现象或出 现其他危险迹象时,要求管理单位负责人及时 组织力量进行巡视检查,必要时,还要报请上 级主管部门及有关单位会同检查。国外如美、 法、加拿大及瑞士等国家都规定要有熟悉工程 情况的技术人员对大坝本身、基础、附属建筑 物以及坝的上下游附近, 经常地进行全面检查, 必要时还要由有经验的专家进行现场检查,并 结合实测资料分析,作出安全评价。根据法国 和捷克斯洛伐克统计表明, 70%的异常现象和 发生的事故,是由有经验的技术人员在现场检 查发现的, 这也充分说明检查与观测各自都有 局限性,也有不可替代性, 只有把仪器测量方 法与现场定性检查方法结合起来,才能很好起 到监视大坝安全的作用。 3 存在的问题 80 年代以来, 大坝安全监测工作虽然取得 了很大的成绩, 但与先进国家相比还有较大的 差距, 而且未能满
