重大水利工程大坝深水检测及突发事件监测预警与应急处置研究及应用

中国高坝建设水平世界领先,但安全运行保障水平相对滞后,应对洪水、强震、地质灾害、异常干旱或低温、恐怖破坏等极端事件的应急保障能力相对薄弱,安全风险不容忽视。从基础与应用基础、应用技术研发、集成示范与推广3个层面进行综述,包括:非常规条件下大坝性能演化与灾变机理、极端条件下大坝安全诊断和风险控制、大坝失事早期预警标准与应急响应机制等基础理论研究;大坝深水检测载人潜水器、大坝深水渗漏探测、深孔泄水建筑物疏堵与闸门修复、大坝突发事件应急监测与隐患快速探测、深水环境大坝缺陷修补、极端条件下大坝应急抢险与损毁快速修复等关键技术研发;100 m级深水环境大坝安全检测技术集成示范,极端条件下大坝溃决早期预警与应急处置技术推广应用。对最新研究进行了综述和总结,并对今后的主要发展方向提出了建议。

自动化技术在水库大坝安全管理中的应用研究

当前,在我国的经济发展中,水利工程的建设对经济发展有着重要的作用,而在水利工程建设中,水库大坝是其中的重点。为此在水库大坝的工程中,借助自动化技术,加强对其安全管理对于保障水库大坝的安全稳定运行有着重要的作用。从水库大坝自动化安全管理、水库大坝自动化安全管理的原则以及自动化技术在水库大坝安全管理中的应用等方面进行简要的分析和研究,进一步为水库大坝的安全管理提供参考性的意见和建议,提高水库大坝的安全管理水平和效率,推动水利事业的发展和进步。

大坝安全与管理领域的一些最新研究成果

我国有8．6万座各类水库，其中40％左右的水库大坝存在不同程度的病险，成为我国经济社会发展中的巨大威胁。21世纪以来，在“以人为本”执政理念指导下，大坝安全已经成为各级政府关心的焦点问题之一，国家投入巨资进行全国规模的水库大坝除险加固。同时在大坝安全与管理领域的科研工作也取得了长足的发展。本文将结合我们的研究工作，介绍近年来在大坝安全管理方面的一些最新研究成果。

冻结作用下土石坝护坡土石混合体水分迁移试验研究

土石坝护坡冻胀破坏主要由护坡砂砾料垫层、坝体填土自身冻胀和水分迁移共同作用引起。针对寒区土石坝护坡普遍存在的隆起、错位、坍塌等冻胀破坏问题,以寒区某土石坝护坡工程砂砾料垫层、坝体填土为研究对象,采用自研的土石混合体水分迁移冻结模型试验装置系统,开展了补水条件下单向冻结模型试验研究,研究了温度、含石量、水分迁移对土石坝护坡土石混合体冻胀特性的影响。研究结果表明:温度、含石量对土石混合体的冻胀特性影响显著;水分迁移受土石含量、温度和含水率影响,护坡砂砾料垫层和坝体填土含水率越大,冻结过程中水分迁移量越大,水分相变成冰的条件越充分;土、石分层对黏土温度变化影响较大,黏土和砾石分层可有效减小水分迁移量和冻胀量,对土石坝护坡防冻胀是有利的;土石混合体内部孔隙水相变成冰并在试样内部形成分凝冰是冻胀量增加的主要原因,土石混合体原位冻胀以及冻结过程中分凝冰的生长使冻胀量不断增加,且补水量越大,试样冻胀量就越大;不同温度、含石量下试样的冻胀量均随补水量的增加而基本呈线性增大,且含石量对冻胀量增加速率影响较小,温度对冻胀量增加速率影响较显著。研究成果可为寒区土石坝护坡设计和运行管理提供科学依据和技术支撑,补充了碾压式土石坝设计规范中的护坡设计。

基于多指标融合的土石坝渗流性态监控与分级预警研究

渗流是反映土石坝运行安全的重要效应量。为服务某土石坝渗流安全监控和预警需求,基于大坝渗压原型监测资料,分别采用置信区间法和典型小概率法拟定大坝渗压水位数学模型监控指标;采用地勘和反演方法确定渗透系数,建立大坝典型断面有限元模型并开展渗流分析计算,拟定大坝渗压水位结构分析监控指标;在此基础上,融合数学模型和结构分析法渗压水位监控指标并进行验证对比,探究并构建了“数据-机理”驱动的大坝渗流性态监控与分级预警方法。经实例分析,验证了提出方法的有效性,以期为大坝渗流监控和工程安全服役提供有效支撑。

水库大坝的社会与环境风险标准研究

对水库大坝进行风险评价时,涉及生命风险、经济风险及社会与环境风险标准。目前国际上关于社会与环境风险标准仍为空白。本文对社会与环境影响要素进行量化,再综合成社会与环境影响指数,并结合我国国情,借用FN线法初步确定了我国的社会与环境风险标准。沙河集等6座水库的初步应用结果表明,该风险标准及其确定方法基本合理可行,可用于水库大坝风险评价。

水库大坝安全诊断与智慧管理关键技术与应用

中国水库大坝建设水平世界领先,但管理水平相对滞后,突出表现在管理手段落后、信息化应用程度低,出险甚至溃坝事故仍时有发生,亟待加强传统水利与现代信息技术融合,充分应用大数据、人工智能、机器学习等现代信息技术,实现水库大坝安全智能诊断和智慧管理。“十三五”国家重点研发计划项目“水库大坝安全诊断与智慧管理关键技术与应用(2018YFC0407100)”以澜沧江流域代表性水电工程等为依托,以水资源高效利用为目标,以确保水库大坝安全为宗旨,以工程防灾减灾为突破点,通过近四年的联合攻关,在大型复杂水工结构性能演化测试装备与智能诊断技术、大坝结构与服役环境互馈仿真及智能监控关键技术、基于大数据的大坝安全诊断与预警关键技术等方面取得系列创新成果,为进一步健全中国大坝安全保障体系和强化预报、预警、预演、预案“四预”措施提供科技支撑,全面保障水库大坝安全运行和综合效能发挥,具有极高的科学价值和广阔的推广应用前景,社会效益、经济效益和生态环境效益极其显著。

大坝溃决导致的生命损失估算方法研究现状

简要介绍国内外已溃坝的生命损失概况,总结了在大坝溃决中影响生命损失的4个重要因素,即风险人口、洪水严重程度、警报时间和公众对溃坝事件严重性的理解程度。较为详细地介绍了目前国外估算溃坝生命损失的常用方法:Dekay&McClelland法、Graham法、RESCDAM法(简化Graham法)、Assaf法和Utah州立大学法,并初步评价了它们的发展过程和方向。在此基础上提出了我国生命损失估算方法的两个研究方向,建议我国溃坝生命损失估算方法研究应从调查已溃坝的生命损失入手,研究估算溃坝生命损失的经验公式,继而研究溃坝生命损失的可靠度分析方法。

大坝性态危险程度判别模型研究

通过分析大坝性态与大坝危险性间的关系,建立了基于lo-gistic生长曲线的大坝危险程度评价模型,提出了基于大坝性态的各监测分析项目变权重确定方法,给出了一种依据大坝实时安全监测和分析结果综合评价大坝危险性程度的定量评价线性加权和技术,最后给出了一个大坝危险性定量分析案例,结果表明,本文方法具有可行性。

旱涝急转下斜墙坝险情孕育及灾变过程离心模型试验研究

长历时、高强度干旱后遭遇极端暴雨诱发旱涝急转工况,为探究旱涝急转工况对上游黏土防渗体土石坝的致灾机理,首先基于土样试验,研究了影响黏土干缩裂缝扩展的关键因素,分析了干缩裂缝萌生、扩展演化过程;随后通过离心模型试验,明晰了旱涝急转下黏土防渗体缺陷产生至诱发工程失事的演进行为。研究结果显示,土体高初始含水率虽能限制干缩裂缝的产生,但也会在裂缝出现后造成土体内部出现高水势梯度,从而加快裂缝发育。离心模型试验中旱涝急转第一阶段的干旱过程使得黏土防渗体土体基质渗透性明显降低,但干旱引起的干缩裂缝减小了黏土防渗体有效渗径,削弱了黏土防渗体防渗性能;第二阶段的极端降雨造成库水位快速增长,导致含裂缝黏土防渗体发生了水力劈裂,裂缝贯穿防渗体使其完全丧失防渗性能。研究成果厘清了黏土斜墙坝材料性能改变-裂缝孕育险情-降雨触发灾变的旱涝急转工况致灾路径。

洪水管理研究进展

介绍了洪水管理理念在国际上的萌芽和发展过程,详细分析了洪水管理在我国的发展历程,指出国内外洪水管理研究的不同之处,并对洪水管理研究在我国的未来发展进行了展望。

基于病害指数的大坝溃决可能性评价研究

较全面地总结了国内外大坝老化与病害评价研究成果,在此基础上,提出了以病害指数衡量大坝病害程度,给出了病害指数的计算方法,并根据病害指数值,将大坝病害程度及病险状况划分为相应的5个等级。建立了基于病害指数的大坝溃决可能性评价模型,提出了以溃决指数衡量水库大坝溃决可能性,并根据溃决指数值,将水库大坝溃决可能性划分为相应的5个等级。应用大坝溃决可能性评价模型评价了沙河集水库大坝溃决可能性,评价结果表明,根据溃决指数判定大坝溃决可能性具有较好的适用性。大坝溃决可能性评价模型可为病险水库大坝溃决可能性评价提供参考;建议推广应用该评价模型,并深化研究大坝病害演变规律及其与大坝溃决可能性的关联关系。

我国水库大坝安全管理发展趋势和挑战

水库大坝的安全管理应从目前的政府管理向业主管理发展,从计划型管理向市场型管理转化,各级政府水行政主管部门所要做的是制订法规、制度和进行监督、检查;单一粗放的管理必定逐步向社会化技术型管理转变;以工程安全控制为目的的安全管理模式将逐步转化为以工程风险控制为目的的管理模式。为实现上述转化,我国的法规建设正在加速与世界接轨。

大坝风险水平与政府决策关系评价模型研究

为了认清并评价大坝风险水平与政府决策互相关系,构建了政府决策对大坝风险水平的影响评价模型和大坝风险水平对政府决策的影响评价模型。基于我国社会经济发展水平和大坝安全管理实际状况,考虑了政府主导、公众参与、大坝风险咨询单位论证和媒体监督的现状,在这两个模型中提出了采用政府决策对大坝风险水平的影响指数和大坝风险水平对政府决策的影响指数,分别反映政府决策对大坝风险水平的影响程度和大坝风险水平对政府决策的影响程度。应用层次分析法得出了两个指数计算公式中各个指标的权重系数。根据两个指数值,制定了相应的控制标准评判大坝风险水平与政府决策相互关系程度。应用这两个模型评价了沙河集水库大坝风险水平与政府决策相互关系程度,评价结果表明模型具有较好的适用性。

考虑地震动力响应的复杂地基碾压混凝土重力坝分缝优化研究

为了探究高碾压混凝土重力坝横缝切割对坝体抗震性能的影响,以高地震烈度、砂泥岩互层地基的巴基斯坦玛尔水电站碾压混凝土重力坝工程为研究对象,通过建立三维整体有限元模型,并引入自编黏弹性动力边界程序,分别计算了设计地震、最大可信地震(Maximum Credible Earthquake,MCE)作用下,输入规范波、场地波、Koyna波时坝体的动力响应及差异;通过模拟横缝切割1/3高度、2/3高度和全分缝3个对比方案,并以承载能力极限状态设计式定义的比值为依据,综合评价了碾压混凝土重力坝抗震安全状态。结果表明:当输入波为规范波时,在MCE作用下,横缝切割1/3高度和2/3高度方案坝基面的抗力效应比系数(η)均大于1,全分缝方案下ηmin=0.91,且总计6次在0.6 s时长内η值均小于1,经综合考虑,横缝切割2/3高度可作为施工推荐方案。研究成果可为高地震烈度、复杂地质条件下的碾压混凝土重力坝工程优化布置提供参考。

极端气候条件对某土石坝稳定特性的影响研究

受全球气候变化和人类活动的影响,干旱、降雨等极端气候导致水库大坝产生了滑坡等灾害,同时碾压式土石坝设计规范未考虑蒸发、降雨对大坝坝坡渗流和稳定性的影响。对此,构建了某土石坝有限元计算模型,研究了蒸发、降雨和库水位作用对土石坝孔隙水压力、浸润线和坝坡抗滑稳定安全系数的影响,并结合地勘和监测资料分析了滑坡的成因机制。研究结果表明,蒸发、降雨对下游坝坡0~2 m范围土体的孔隙水压力影响较大;测压管实测水位与有限元计算浸润线差值小于0.4 m;初始阶段蒸发作用提高了坝坡稳定性,但蒸发作用导致坝体表层填土不断收缩、开裂,为降雨入渗提供了通道,随着降雨、蒸发循环次数的增加和库水位上升,裂缝不断增加,裂缝底部附近的局部滞水区相互连通形成饱和带,从而导致大坝下游浅层坝坡失稳破坏;研究结果为完善土石坝设计规范和水库大坝滑坡预警提供了科学依据。

降雨与库水位共同作用下近坝库岸边坡滑坡模型试验研究

根据云南省龙江水电站近坝库岸边坡滑坡特点,为了对降雨与库水位共同作用下近坝库岸边坡滑坡有深入的了解,进行了降雨与库水位共同作用下边坡滑坡大型模型试验研究。试验结果表明:降雨是引起近坝库岸边坡滑坡的重要因素,降雨与库水位共同作用下近坝库岸滑坡有效应力减小,研究库水位以下边坡土体的抗剪强度减小;库水位作用使得边坡产生沉降和裂缝,边坡的滑坡是由降雨和库水位共同作用引起,库水位以下边坡土体水分入渗充分,边坡内部孔隙水压力较大,边坡易产生滑坡且滑坡规模较大,近坝库岸边坡滑坡属于浅层牵引式滑坡。

基于遗传算法优化支持向量机的大坝安全性态预测模型

为提高支持向量机对大坝安全性态的预测效果,提出基于遗传算法优化的GA-SVM大坝安全性态预测模型,以k-CV验证误差最小作为优化目标,引入遗传算法对支持向量机的惩罚参数c和核函数参数g进行寻优。模型以影响因子作为输入,以效应量作为输出,采用训练样本对支持向量机进行训练,并使用训练好的模型预测效应量。根据概率统计理论中的3σ准则,建立大坝安全性态三级指标和判别准则。以某大型水库大坝为例,建立该大坝的GA-SVM模型,并与SVM模型和逐步回归模型进行了对比验证。预测结果表明,GA-SVM模型渗压预测值与实测值最接近,预测精度较SVM模型和逐步回归模型提高了约3倍。

溃坝后果严重程度评价模型研究

为了建立溃坝严重程度综合评价的定量模型,依据现行法规,采用建立数学模型的方法,分别分析并提出了决定大坝溃决后果严重性的3个主要影响因子(生命损失、经济损失和社会环境影响)的严重程度系数及其对数非线性和对数线性评价模型,构造了溃坝后果严重程度的综合评价模型。依据该模型,定量分析了5座水库大坝溃坝的严重性,给出了判别严重程度的定量指标。

我国溃坝生命损失评价模型初步研究

根据我国8座已溃决大坝的现场调查结果,结合国内外溃坝生命损失研究成果,初步研究并提出适合我国实际情况的溃坝生命损失评价模型和风险人口死亡率,应用该模型和Graham法估算了这8座水库的溃坝生命损失,与实际生命损失情况进行了比较。结果表明,模型具有一定的适用性。