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内容介绍 |
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水电自动化——水电站大坝监测系统
大坝安全监测综述
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。据国际大坝会议“关于水坝和水库恶化”小组委员会记录的1 100座大坝失事实例,从1950年至1975年大坝失事的概率和成因分析中得出大坝失事的频率和成因分别为: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(开裂、侵蚀和风化)以及施工质量等原因;12%是不同的特有原因所致。
通过上面的数值可以作如下分析:大坝失事的原因很多、涉及范围也很广,但大致可以分成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了的,如设计洪水位偏低、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。就目前而言,大坝安全监测主要是针对后两种情况。大坝安全监测范围应根据坝址、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。
系统架购
系统是多目标监控技术与信息技术的优化结合.由现场测控网络、计算机局域网和互联网三级网络连接现场测控层、工程管理层和管理中心.
系统实时监测
大坝分类
装机容量大于或等于1200MW、水库库容大于或等于10亿m3为大(1)型水电站;装机容量300~1200MW、水库库容为10~1.0亿m3为大(2)型水电站;装机容量50~300MW、水库库容为1.0~0.10亿m3的为中型水电站。
装机容量小于50MW、水库库容小于0.10亿m3的为小型水电站
级别与安全注册管理
1、级别划分:正常坝、病坝、险坝三级
正常坝:
设计标准符合现行规范要求;
坝基良好,或者虽然存在局部缺陷但不构成对水电站大坝整体安全的威胁;
坝体稳定性和结构安全度符合现行规范要求;
水电站大坝运行性态总体正常;
近坝库区、库岸和边坡稳定或者基本稳定;
病坝:
设计标准不符合现行规范要求,并已限制水电站大坝运行条件;
…《详见注册规定》
险坝
…《详见注册规定》
2、安全注册
注册流程:注册条件审核、评级、注册结论
《 详见注册规定》
大坝定检
定检周期
定期检查的频次一般为五年一次,这是根据我国水电站大坝的结构特性和首轮定期检查的实践,并参照国外水电站大坝定期检查的经验提出的。俄罗斯和美国规定每5年对大坝进行一次全面检查;加拿大规定5~10年进行一次全面检查;法国规定每年小查一次,10年全面检查一次;日本是多地震国家,规定每3年进行一次全面检查。1997年原电力部颁布的《水电站大坝安全管理办法》第十八条规定,定期检查频次一般为五年一次,对没有潜在危险、结构完整、运行性态良好的大坝,报经主管部门批准,可以减少检查频次,但间隔时间不得超过10年。
不同类型的大坝定检的主要参量
1、坝基检查
大坝基础检查的重点是稳定、渗漏、管涌和变形等。其主要检查项目如下:
(一)两岸坝肩区:绕渗;溶蚀、管涌;开裂、滑坡、沉陷。
(二)下游坝趾:集中渗漏、渗漏量变化、渗漏水水质、管涌、沉陷、坝基冲刷、淘刷。
(三)坝体与岸坡交接处:坝体与岩体接合处错动、脱离、渗流、稳定。
(四)灌浆及基础排水廊道:排水是否通畅、排水量变化、浑浊度、水质、析出物、扬压力变化、结构裂缝、渗漏、伸缩缝错动、基础岩石挤压、松动、鼓出、错动。
(五)其它异常现象。
2、混凝土坝检查
混凝土坝检查的重点是坝体的变形、坝体结构的完整性以及渗漏状况。其主要检查项目如下:
(一)坝顶:坝面及防浪墙裂缝、错动、相邻两坝段间的错动、伸缩缝开合情况、止水破坏或失效、门机轨道错动等。
(二)上游面:裂缝;剥蚀;膨胀、伸缩缝开合。
(三)下游面:疏松;脱落、剥蚀;裂缝、露筋;渗漏、杂草生长、膨胀、溶蚀、钙质离析、冻融破坏、溢流面冲蚀、磨损、空蚀。
(四)廊道裂缝、渗漏、剥蚀、伸缩缝开合情况。
(五)坝身排水系统及扬压力:排水不畅或堵塞、排水量变化、渗水中的析出物、坝身扬压力变化。
(六)监测系统仪器设备、工作状况。
(七)其它异常现象。
3、土石坝检查
土石坝检查的重点是坝坡稳定、过量渗流、固体材料与可溶性物质的流失和坝坡冲刷等。主要检查项目如下:
(一)坝顶:沉陷;裂缝。
(二)上游面:护面破坏;滑坡、裂缝、鼓胀或者凹凸、沉陷、冲刷、堆积、植物生长、动物洞穴。
(三)下游面及坝趾区:滑坡、裂缝;泉水、渗水坑、出水点、湿斑、下陷区;渗水颜色、浑浊度、管涌、植物异常生长、动物洞穴。
(四)下游排水反滤系统:堵塞或者排水不畅;化学沉淀物、水质情况、排水、渗水量变化、测压管水位变化。
(五)土石坝与混凝土结构物或者其他建筑物的接头、界面工作状况与缺陷。
(六)监测系统的仪器设备、工作状况。
(七)其它异常现象。
4、面板堆石坝检查
面板堆石坝的检查重点是坝坡滑坡、面板及止水的完整性、过量渗流、流失物质和坝坡冲刷。主要检查项目如下:
(一)坝顶:沉陷、裂缝。
(二)上游防渗面板:混凝土(或沥青混凝土)面板隆起、塌陷、剥落、掉块、疏松、裂缝、挤压、错动、冻融、渗漏、止水断裂、剥落、老化等。
(三)下游坝面:滑坡、开裂;塌陷、隆起;渗水点、湿斑、管涌;植物生长、动物洞穴等。
(四)坝趾及周边:出水点、湿斑、集中渗漏、植物异常生长、冲刷情况。
(五)下游排水反滤系统:排水是否畅通、排水量变化情况、水质情况、坝身测压管水位等。
(六)监测系统的仪器设备、工作状况。
(七)其它异常现象。
5、泄洪设施检查
溢洪设施检查,应着重于泄洪能力和运行情况,应当对进水口、闸门及启闭设备、过流部位和下游消能设施等分项进行检查。其主要检查项目如下:
(一)开敞式溢洪道
(1)进水渠:进口附近岩体塌方、滑坡;漂浮物、堆积物、水草生长、渠道边坡稳定、护坡混凝土衬砌裂缝、沉陷、边坡及附近渗水坑、冒泡、管涌、流态不良或恶化。
(2)闸室:混凝土空蚀、磨损、冲刷、裂缝、漏水、通气孔淤沙、边墙不稳定、流态不良或恶化。
(3)泄槽:空蚀(尤其是接缝处与弯道后)、冲蚀、裂缝、剥落、渗水。
(4)消能设施(包括消力池、鼻坎、护坦):堆积物、裂缝、接缝破坏、冲刷、磨损、鼻坎或者消力戽振动空蚀、下游基础淘蚀、流态不良或恶化。
(5)下游河床及岸坡:冲刷、变形;危及坝基的淘刷。
(6)其它异常现象。
(二)泄洪隧洞或者管道
(1)进水口:漂浮物、堆积物、流态不良或恶化、闸门振动、通气孔(槽)通气不畅、混凝土空蚀、裂缝。
(2)隧洞、竖井:混凝土衬砌剥落、裂缝、漏水、空蚀;冲蚀、围岩崩塌、掉块、淤积、排水孔堵塞、流态不良或恶化。
(3)混凝土管道:裂缝、鼓胀、扭变、漏水及混凝土破坏。
(4)消能设施:冲蚀、空蚀、对下游建筑物或岸坡的冲淘破坏。
(5)其它异常现象。
(三)闸门及启闭设备
(1)闸门、阀门:变形、裂纹、螺(铆)钉松动、焊缝开裂、锈蚀、钢丝绳锈蚀、磨损、断裂、止水损坏、老化、漏水、闸门振动、空蚀。
(2)启闭设备:变形、裂纹、螺(铆)钉松动、焊缝开裂、锈蚀、润滑不良、磨损、控制系统和保护系统故障、操作运行情况。
(3)备用电源:容量、可靠性;防火、排气及保卫措施、自动化系统故障。
(4)其他异常现象。
6、道路交通检查
道路交通系指坝区为检查、监测大坝和事故处理所必需的交通干道。其主要检查项目如下:
(一)公路:路面情况、路基及上方边坡稳定情况、排水沟是否堵塞。
(二)桥梁:地基情况、支承结构总的情况、桥墩冲刷、混凝土破坏、桥面情况。
(三)其它异常情况。
7、水库检查
水库检查应注意水库渗漏、塌方、库边冲刷、断层活动等情况,特别应注意近坝库区的情况。水库检查的主要项目如下:
(一)水库:渗漏、地下水位波动值、冒泡现象、库水流失、新的泉水、库面漂浮物情况、来源及程度。
(二)库区:附近地区渗水坑、地槽;库周水土保持和围垦情况、公路及建筑物的沉陷、矿山资源及地下水开采情况、与大坝在同一地质构造上的其它建筑物的反应。
(三)库盆(有条件时,在水库低水位时检查):表面塌陷、渗水坑、原地面剥蚀、淤积。
塌方与滑坡:库区滑坡体规模、方位及对水库的影响和发展情况;坝区及上坝公路附近的塌方、滑坡体。水库上游流域开发情况及库容情况。
大坝安全检查
主要分为:日常巡查、年度详查、定期检查、特种检查
1、日常巡查
日常巡查由水电站运行单位负责,水电站运行单位应当组织专业技术人员对水电站大坝进行经常性的巡视检查,对巡视检查中发现的安全问题,应当立即处理;不能处理的,应当及时报告本单位有关负责人。巡视检查及处理情况应当以文字、图表的方式记载保存。
2、年度详查
年度详查由水电站运行单位负责,水电站运行单位应当在每年汛前、讯后或者枯水期、冰冻期组织专业技术人员对水电站大坝进行详细检查,提出水电站大坝安全年度详查报告,报大坝中心备案。
年度详查应当包括下列内容:
(一)对监测资料进行年度整编分析;
(二)对运行、检查、维护记录等资料进行审阅;
(三)对与水电站大坝安全有关的设施进行全面检查或者专项检查。
3、定期检查
定期检查由大坝中心负责,大坝中心可以委托水电站大坝主管单位组织实施定期检查。定期检查一般每五年进行一次,检查时间一般不超过一年。
新建工程的第一次定期检查,在工程竣工安全鉴定完成五年后进行,已运行40年以上的大坝,大坝主管单位应当结合定期检查进行全面复核鉴定;对有潜在危险的重要大坝,大坝主管单位应当根据现行技术规程规范,及时进行安全评价。
大坝中心组织定期检查,应当组成专家组。专家组根据水电站大坝的具体情况,确定专项检查项目和内容。水电站运行单位组织具有相应资质的单位进行专项检查,并向大坝中心提交有关专项检查情况的专题报告。大坝中心对专题报告进行审查,并根据水电站大坝实际运行情况,对水电站大坝的结构性态和安全状况进行综合分析,评定水电站大坝安全等级,提出定期检查报告,形成定期检查审查意见报电监会备案。
大坝中心委托水电站大坝主管单位组织实施的定期检查,由水电站大坝主管单位提出专家组名单。大坝中心审查专家组的组成,审查专家组确定的专项检查项目和内容,并派人参加定期检查。专家组向水电站大坝主管单位提出定期检查报告。大坝中心审查专家组提出的定期检查报告,必要时对有关的专题报告复审,评定水电站大坝安全等级,形成定期检查审查意见报电监会备案。
4、特种检查
特种检查由水电站运行单位提出,大坝中心组织实施。
发生特大洪水、强烈地震或者发现可能影响水电站大坝安全的异常情况,水电站运行单位应当向大坝中心提出特种检查申请。大坝中心接到申请后,应当及时组织专家组确定检查项目和内容。对需要进行专项检查的项目,由水电站运行单位组织具有相应资质的单位进行专项检查,并向大坝中心提交有关专项检查情况的专题报告。大坝中心综合检查情况,提出特种检查报告。水电站运行单位应当根据特种检查报告进行整改。
大坝监测内容分析
1.温度及温度应力分析方面
碾压混凝土坝的筑坝材料、施工工艺与常规混凝土坝不同, 坝体温度的变化规律也不相同。坝体在温度荷载作用下产生的变形包括弹性变形和徐变变形。混凝土的徐变变形在总变形中占有较大比重, 对结构应力有显著影响;经过实践检验对于碾压混凝土坝, 比较满意的计算方法常采用初应变法分析温度应力。
2.渗流分析方面
碾压混凝土坝的渗透性是由碾压混凝土本体和层面的渗透性决定, 具有明显的各向异性, 对一般坝工而言, 可视碾压混凝土本体是一种均质各向同性体介质, 其渗流特性可用简单的达西渗透定律来表示, 层面渗流行为为缝隙水流, 与层面的水力隙宽、粗糙度、连通率、层面应力应变行为以及加载历史有关;目前用于分析碾压混凝土坝渗流问题的计算模型可归纳为: 等效连续介质模型、离散裂隙网络模型和双重介质模型。
土石坝渗流分析
库水位、降雨是影响大坝渗流的重要因素,而且库水位、降雨对大坝渗流具有一定的滞后效应。渗流滞后的机理较复杂,以测压孔水位为例,测压孔孔水位主要受库水位、降雨、温度以及时效等因素的影响,测压孔水位的变化往往要滞后于库水位的变化,孔水位出现峰谷值的时刻要比库水位达到峰谷值的时刻来得晚。鉴于渗流滞后机理的复杂性,通常难以用数学模型方法求得各渗流观测量的滞后时间,一般是根据渗流观测量(如渗流量、测压孔孔水位等)的过程线,与库水位变化过程线进行图形类比确定,即两个过程线从稳定状态发生变化的时间之差或两过程线出现峰谷的时间之差作为滞后时间。水位滞后影响函数,就是由渗流实测资料优化分析得出前期水位对渗流的滞后天数和影响天数,由此建立较为合理的大坝渗流安全监控分析模型。
3.位移分析方面
即通过绘制位移过程线和算出特征值来分析大坝的运行状态。一系列的研究工作, 在常规混凝土坝中开展比较深入, 并取得了大量的研究成果, 但在碾压混凝土坝中研究较少, 且不少地方为研究空白。
大坝水平位移监控指标
影响大坝水平位移的主要因素是水压、温度和时效;其中,水压荷载一般采用设计考虑的工况。为了确定温度荷载工况"首先根据水库运行的各种特征水位,用有限元计算相应特征水位下的水压分量,利用水平位移的实测资料建立水平位移的混合模型。
有关计算:
1.水压分量极值QRS计算
根据水库运行的各种特征水位,例如正常蓄水位、设计洪水位、校核洪水位等,应用有限元分析方法可以求出相应特征水位下的水压分量与水位关系曲线。
2.时效分量极值QUS计算
时效分量通常根据最近分析时段所建立的混合模型的时效计算公式进行计算。
3.水平位移监控指标QS
对以上计算的水压分量、温度分量及时效分量进行综合分析组合,即为水平位移监控指标拟定的混合法。
4.资料反分析方面
资料反分析是根据原型观测资料, 引入适当数学模型, 求出正分析中的计算参数和计算模型等。由确定性模型或统计模型并结合有限元计算成果, 反演大坝的综合弹性模量、混凝土导温系数、温度线膨胀系数、断裂韧度、纵缝等价摩擦系数、拱坝温度荷载、徐变度等; 这些研究工作, 目前主要在常规混凝土坝内进行, 而对于碾压混凝土坝则处于起步阶段。
5.渗流场与应力场耦合分析方面
坝基渗流场与应力场相互作用是垮坝的主要原因。拱坝受载后坝基裂隙岩体产生应力集中, 改变了裂隙岩体的渗流场, 使渗压增加, 并相互作用, 从而导致拱坝失稳。在碾压混凝土坝方面, 渗流场与应力场耦合分析研究尚在起步阶段, 这方面研究成果较少。
6.变形监控指标研究方面
变形监控指标是监控大坝安全的重要指标,影响大坝变形的因素很多, 如地形、地质、坝型、筑坝材料、施工质量和运行时间等,
混凝土坝的变形监控指标
根据大坝安全细则和监测规范, 大坝的安全状态一般分正常、异常、险情三大类, 与此同时, 根据大坝的结构性态可分为弹性、弹塑性和失稳破坏三个工作阶段, 因此, 监控指标相应地分为一、二、三级。在拟定变形监控指标的过程中, 主要根据大坝的强度、稳定和抗裂等作为约束条件;
一级监控指标是大坝处于弹性工作阶段, 即坝体内任一点应力均未超过比例极限强度, 重力坝坝踵未出现拉应力, 拱坝坝踵拉应力未超过比例极限强度, 大坝在不超过设计洪水位时所能达到的最大监测效应量。
二级监控指标是指大坝随着荷载的增加或材料参数的变化, 坝体部分区域出现压剪屈服或压碎破坏, 拱坝的裂缝区扩展, 结构的变形有较大的增加,位移与荷载的关系呈非线性关系, 大坝处于弹塑性状态时的最大监测效应量。
随着荷载的继续增加, 以及随时间推移大坝开始老化, 大坝变形急剧增加, 裂缝区、屈服区、压碎区也急剧扩展, 大坝呈大变形状态。最后大坝完全破坏, 丧失继续承载的能力。当大坝处于弹塑性大变形破坏前临界状态时, 即处于三级监控状态, 这在实际工作中绝不允许出现。
混凝土大坝的抗震
由于混凝土大坝在强震中的震害主要表现为受拉出现裂缝,发生应力重分布,使大坝的承载能力降低。因此,混凝土的容许抗拉强度成为大坝抗震安全检验的十分重要的指标。
7.稳定分析方面
在稳定分析方法方面, 经典的基于力学机理的分析方法已趋于成熟, 即通过确定最危险的滑裂面, 获得滑裂面的各种参数, 再经计算得到安全系数。
大坝检查报表
1.大坝安全现场检查表
2.水库设计运行原则和运行操作程序检查表
3.安全辅助设施检查
4.混凝土坝坝体检查表
5.土石坝坝体检查表
6.面板堆石坝坝体检查表
7.坝基检查表
8.溢洪表孔检查表
9.坝身泄水孔检查表
10.岸边溢洪道检查表
11.泄洪洞检查表
12.发电建筑物检查表
13.通航过木建筑物检查表
14.水库检查表
15.道路交通检查表
16.地质检查表
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