关于水库大坝的论文

1895年4月，法国Bouzey重力坝失事。事后分析，失事的原因是该坝设计时未考虑作用于坝基上的扬压力。20世纪初建造的许多重力坝多未考虑扬压力，如印度的Khadakwasla等坝(Kulkarni,1994)，均因不够稳定而采取加固。1959年法国Malpasset坝失事是拱坝第一次溃坝记录，经检查，坝的设计符合规范，施工质量良好。直到1987年，通过一次以溃坝为主题的国际研讨会，才有了初步结论：左坝肩地基中过大的水压力使坝基岩块沿F1断层滑动而溃坝。1976年，当时世界上最高的土坝，美国Teton坝发生溃坝，经反复查证，确认坝基岩石节理发育，库水流经岩石裂隙使心墙齿槽土体发生管涌而最终遭致溃坝。 1985年，美国Bath County抽水蓄能电站高压钢管中的一条出现了屈曲破坏。尽管设计在钢管区域精心布置了排水幕，但由于砂岩的层状构造的特点，排水幕并未起到预期的作用。水电站高压钢管在外水压作用下屈曲破坏的事故国内外均屡有发生。高压水工隧洞产生水力劈裂也不乏实例。水工隧洞及其它隧道工程塌方事故频繁，多为岩石裂隙水的不利作用所引发。 滑坡是多发性的自然灾害。较大的天然滑坡大多是岩体中的滑坡。1963年意大利Vajont拱坝近坝左岸库区岩体大滑坡体积达5亿m3，在当时是有记载滑坡中规模、滑速及造成的灾害均是最大的。19世纪60年代，岩石力学，特别是岩石水力学尚处于萌芽状态，没有估计到滑坡会造成数千人死亡的重大灾害，因而未能采取有效的处理及预报措施。2000年4月，西藏易巩藏布江左岸花岗岩山体发生约3亿m3大滑坡。据分析，这次滑坡是山体积雪融化，水渗入山体而触发的。在水电站工地、公路、铁路沿线都有因人工开挖而出现岩石高边坡问题。不少人工岩石边坡因受降雨、施工用水、生活用水的影响而产生滑坡，造成程度不同的损失。许多工程因采取了以排水为主的综合处理措施而有效地防止了滑坡。 综上所述，许多工程事故都与岩石水力学有关。本文仅以几个重大工程事故的实例来说明研究、学习与掌握岩石水力学的重要性和迫切性。2 法国Malpasset拱坝溃决1 Malpasset拱坝简介 Malpasset双曲拱坝位于法国南部Rayran河上，坝高66m，水库总库容5100万m3。坝顶高程55m，顶部弧长223m。坝的厚度由顶部5m渐变到中央底部76m，属双曲薄拱坝。左岸有带翼墙的重力推力墩，长22m，厚50m，到地基面的混凝土的最大高度为11m，开挖深度5m。在坝顶中部设无闸门控制的溢洪道。坝基为片麻岩，片理倾角在30°～50°之间，倾向下游偏右岸。较大的片理中部充填糜棱岩。坝址范围内有两条主要断层。一条为近东西向的F1断层，倾角45°，倾向上游。断层带内充填含粘土的角砾岩，宽度80cm。另一条为近南北向的F2，倾向左岸，倾角70°～80°(图1)。图1 Malpasset拱坝主要地质构造 图2 Malpasset拱坝水库蓄水过程线2 拱坝溃坝过程 Malpasset拱坝于1954年末建成并蓄水。库水位上升缓慢。历经5年至1959年11月中旬，库水位才达到2m。这时的坝址下游20m，高程80m处有水自岩石中流出。因下了一场大雨，到12月2日晨，库水位猛增到100m(图2)。当日下午，工程师们到大坝视察，研究如何防止渗水的不利作用。因未发现大坝有任何异常，决定下午6点开闸放水，降低库水位。开闸后未发现任何振动现象。管理人员晚间对大坝进行了反复巡视，亦未见任何异常现象，于近21点离开大坝。21点20分，大坝突然溃决，当时库水位为12m。据坝下游5km对这一灾难少数目击者描述，他们首先感到大坝剧烈颤动，随之听到类似动物吼叫的突发巨响，然后感到强烈的空气波。最终他们看到巨大的水墙顺河谷奔腾，同一时间电力供应中断。洪水出峡谷后流速仍达20km/h，下游12km处Frejus城镇部分被毁，死亡421人，财产损失达300亿法郎。次日清晨发现大坝已被冲走，仅右岸靠基础部分有残留拱坝，一些坝块被冲到下游5km处，左岸坝基岩体被冲出深槽。3 溃坝后的调查及分析 1959年Malpasset拱坝溃坝并造成的重大灾难震惊了工程界，也因在此之前尚未有拱坝溃坝的先例。事故发生在坝工建设方面，尤其是在拱坝建设方面为世界最先进的国家；该坝是由最负盛名的设计大师Andce Coyne设计的；它是当时溃坝记录中最高的坝；溃坝毁灭了Frejus市，在最富的地中海区造成重大灾害；这次事故表明任何型式的包括被认为最安全的拱坝都会遭到破坏(Serafim，1987)。Malpasset拱坝的失事，说明了当时对岩体内水的流动规律知之甚少。这一惨痛的教训大大促进了岩石力学，特别是岩石水力学的发展。本文将摘引已发表的文献，从岩石水力学观点分析其失事的机理。1 溃坝原因的官方分析 Malpasset拱坝所有者法国农业部于12月5日组建了一个调查委员会。几个月后提交了一个临时报告。1960年8月提出代表官方的最终报告，1962年夏报告对外公布(Laeger,1963)。该报告正文只有55页，因有40个附件，共形成三厚本报告。委员会委托法国电力公司(EDF)对大坝应力作了复核，最大压应力为1MPa，混凝土抗压安全系数为3。拱冠局部有1MPa拉应力。EDF还对拱的独立工作工况进行了校核。对左岸重力墩也进行了复核，在拱圈单独作用下重力墩是安全的。冲走的附有基岩的大量混凝土块均未发现混凝土与岩石接触面有破坏迹象。混凝土质量良好，其抗压强度为3MPa～3MPa。由此判断，坝失事是由坝基岩石引发的。委员会认为，水的渗流在坝下形成的压力引发了第一阶段的破坏(Jaeger,1979，391页)。2 坝工界对溃坝原因的讨论 法国官方最终报告公开后，引起了坝工界广泛重视。Coyne and Bellier公司对Malpsset拱坝地基片麻岩进行渗透试验(Bellier and Londe,1976)，得出了渗透性与应力明显关系。就这一关系对拱坝失事原因给出了明确的解释，并由Londe(1985，1987)在工程地基国际会议及大坝失事国际研讨会上作了报告。这一期间，还发表了一些重要论文');">论文和专著，主要有Jaeger(1963，1979)、Habib(1987)、Post和Bonazzi(1987)、Serafim(1981，1982，1987)、Wittke和Leonards(1987)及汝乃华和姜忠胜(1995)等。Malpasset拱坝失事至今已40多年，对其失事的原因至今尚未取得完全一致的认识。但绝大多数专家都认为坝基内过大的孔隙水压力是造成失事的主要原因。3 Londe(1987)的分析 片麻岩有片理构造。试验研究表明，当窄条形荷载与片理垂直时，应力向岩体深部传布呈扩散状，而当荷载与片理平行时，受片理影响，应力分布呈条带状传至岩体深部而不能扩散(图3)。Malpasset拱坝由于其与片麻岩片理空间相对关系，左坝肩拱推力与片理平行，右坝肩拱推力则与片理垂直。左右两坝肩岩体承载后的应力分布有很大差异。由于坝左有F1断层，在左坝肩从拱座到F1断层形成高应力岩体条带。Bernaix在Malpasset拱坝溃坝后对地基片麻岩体进行过室内渗透性与应力关系的试验，发现片麻岩的渗透性与应力关系十分明显。将这一关系用指标S表示：图3 荷载垂直片理与平行处理应力分布S=k-1/k50 (1)式中：k-1为拉应力为1MPa时岩块的渗透系数，k50为压应力为5MPa时岩块的渗透系数。 试验表明，S指标最大值可达200。按岩石渗透性与应力关系的试验结果，在拱坝推力作用下左坝肩拱座到F1断层实际上形成了条状防渗帷幕，相当于一个地下大坝。该区域的渗透系数仅为周围岩石的渗透系数的1/100或更小。由于条带内与条带外渗透系数相差100倍，绕坝渗流水头全消耗在防渗条带内。因而，在防渗条带上游就作用有相应于全水头的压力。左坝基岩体在全水头压力作用下沿F1断层滑动致使拱坝溃决(图4)。4 Wittke和Leonards的分析 西德Aachen大学Wittke教授在1984年秋考察了Malpasset拱坝遗址后，随即开展了对该坝失事原因的研究。作为Aachen大学访问学者，作者曾部分地参予了该项研究工作。Wittke从岩体渗流的增量荷载理论，用有限元方法分析坝与坝基在水压力、自重及渗流荷载作用下的变形和应力。结果表明，拱坝坝踵处岩体在垂直片理方向产生拉应力，该处片理产生张裂缝。库水进入裂缝并将裂缝劈开至下部断层处，在裂缝内形成全水头压力，使左坝肩至F�1断层的岩块失稳(图5)，大坝溃决。图4 Londe对Malpasset拱坝溃坝原因的解释 图5 Wittke对Malpasset拱坝溃坝原因的解释图4及图5对Malpasset拱坝破坏分析形式上一致，但出发点不相同。岩体中有节理、裂隙、片理、层面及断层等各种构造面，水流主要顺这些构造而运动。对多数岩石，岩块的渗透性常可忽略不计。从这个观点，Wittke提出的Malpasset拱坝溃坝原因的分析是比较最实际的。Serafim与Wittke的观点基本一致。4 小结 Malpasset拱坝溃坝造成了灾害。对这一事故的分析研究加深了工程界对岩石力学的认识，并促进了岩石水力学的发展，目前已成为岩石力学的一个重要的学科分支。显然，岩石水力学的形成无论对科学的发展或对工程的安全都有重大意义。1987年在Purdue大学召开的以大坝失事为主题的国际研讨会上GALeonards主席总结发言中有一段评论：“……Malpasset坝的溃决是推动初步形成的岩石力学成为一个茁壮成长的岩石工程学科的 主要动力，这一学科可以广泛应用于土木工程，包括大坝、隧道、大型地下洞室、自然岩石边坡及人工岩石边坡的稳定性各类问题上。……”

三峡景色变化知多少(多图)(2003-06-02 09:41:34) 2003年水库蓄水达到135米后,宜昌三斗坪至丰都近400公里的水面上将形成峡谷型三峡水库,最大水深比现在增加六十多米,这对于高达数百米乃至大多数千米以上的悬崖峭壁来说,三峡两岸陡崖对峙、峡谷锦绣的景色依然存在,其所固有的雄、秀、险、奇、幽特色不会发生变化。 瞿塘峡水位将升高9米▲6月15日后,瞿塘峡水位(洪水位)将升高9米,巫峡水位将升高16米,西陵峡水位升高46米,峡谷两岸山峰顶端高约1000—1500米,因此,峡谷的壮观景象将不受任何影响。夔门雄姿丝毫不减,巫峡十二峰依然亭亭玉立。 张飞庙▲丰都名山鬼城大门的高度位155米,山顶阎王殿高度位288米,2003年,丰都水位基本没有抬高,丰都游览丝毫不受影响。 石宝寨不受影响▲石宝寨寨门高度位173．5米,2003年,石宝寨当地水位基本没有变化,石宝寨游览不受影响。 白帝城将变成水中孤岛（电脑合成图）▲2003年,白帝城水位升高10米,白帝城游览不受影响,相反,游船码头离停车场更近。同时,整个白地山将变成三面环水的半岛,站在白帝城山头,眺望烟波浩淼的白帝湖以及雄伟的夔门,将是别有一番全新的景象。 马渡河上的小小三峡将景色更幽▲大宁河小三峡龙门峡水位将升高18—20米,小三峡水位升高后,峡感虽小有影响,但峡内的小小三峡却可以常年游览。 水位上升16米对“除却巫山不是云”的景观不会有影响，“神女”更是连鞋底都不会湿。 ▲神农溪水位将升高34米—35米,受回水的影响,神农溪漂流河段将向纵深发展。而且神农溪漂流的经典项目——纤夫裸体拉纤有望得到恢复和保留。

丹江口工程不仅是汉江流域上的一座最大的水利工程，而且也是新中国成立以来兴建的“五利俱全”的大型水利枢纽工程，伴随着共和国的脚步，从1958年开始建设到世纪之末，已走过了41年的风雨路程，经受了一次又一次的严峻考验，发挥了一次又一次的巨大作用。这种作用，是其他水利工程不可替代的。今天，站在世纪之交看丹江，重新认识丹江口工程，对丹江口工程进行再评价，对我们运用好这个工程，发挥好它的作用，具有十分重要的战略意义。 汉江是长江上最大的支流之一，位于长江以北，全长1577公里，流域面积9万平方公里，多年平均入江水量554亿立方米。流域内年平均降水量800～1100毫米，5～10月降水量约占全年的75%。受东南季风影响，7～9月份经常发生暴雨，容易形成峰高量大的洪水。汉江中下游是湖北省的重要粮棉基地之一，但洪灾频繁。据资料记载，从1822年至1955年，干堤或主要支堤溃口的有68年，约为2年一溃。防洪减灾是治理汉江的首要任务，而丹江口水利枢纽是治理开发汉江的首要工程。 丹江口大坝位于汉江上中游交界处，控制汉江流域面积60%，多年平均入库水量389亿立方米，占汉江水量的70%。按流域规划及1958年批准的建设规模是：坝顶高程175米，水库正常蓄水位170米，相应库容5亿立方米，防洪库容80～110亿立方米，可解除汉江中下游相当于1935年百年一遇的洪水灾害。1966年经国务院批准，大坝工程采取分批建设方式，完成了第一期工程。初期规模坝顶高程162米，正常蓄水位157米，相应库容5亿立方米，防洪库容56亿～78亿立方米，与原批准的建设规模相比，水库调蓄能力降低，中下游防洪标准只能达到20年一遇，对防御特大洪水仍存在缺陷和不足。因此水库防洪调度中明确规定：6月21日至8月20日汛限水位为149米，9月1日至9月30日汛限水位为5米，10月1日起允许逐步蓄至157米。 从大坝1967年下闸蓄水至1998年这32年的运行来看，丹江口工程在防洪、发电、灌溉、通航、养殖等五大效益中，都发挥了显著的作用。防洪：拦蓄洪峰流量10000立方米每秒以上的洪水67次，累计减少淹没耕地5万公顷，匡算减免损失达75亿元人民币。发电：累计发电量1028亿千瓦时，创发电产值2亿元人民币。灌溉：引水总量129亿立方米，累计灌溉面积185万公顷。航运：累计过坝次数3084次。养殖：库区年捕鱼量已达1000万公斤以上。在五大效益中，以防洪效益最为显著，从这一点来说，丹江口工程的公益性是第一位的，社会效益是首位的。 1998年夏天，长江流域发生了自1954年大水之后的又一次流域性大水。作为主要支流的汉江，7月4日至16日，上游平均降雨量3毫米，致使7月11日入库洪峰流量达到14300立方米每秒，总洪量46亿立方米，经丹江口水库拦蓄，削峰率87%。8月份，丹江口以上流域平均降雨量7毫米，为多年平均值的91倍，入库总水量7亿立方米，为多年平均值的3倍。月内，丹江口入库洪峰流量大于10000立方米每秒的洪水共计3次，最大洪峰流量18300立方米每秒，经丹江口水库拦蓄，削峰60%～93%，最大下泄流量仅1780～5710立方米每秒，甚至有60小时减为1000立方米每秒。8月中旬，汉江全流域普降大到暴雨，16日丹江口入库流量18300立方米每秒，丹江口至钟样区间又发生洪峰流量8000立方米每秒的大洪水。此时，长江第六次洪峰来临，武汉关水位已高达9米，汉水入江受阻而宣泄不畅，造成下游水位上涨，防洪形势非常紧张，丹江口水库调度运用也处于艰难状况，按照规程调度应加大下泄量，以腾出库量拦蓄第三次洪峰，但为减轻下游防洪压力，汉江集团公司积极与湖北省防汛指挥部协调配合，勇担风险，紧锁闸门长达96个小时，成功地实现了汉水第三次洪峰与长江第六次洪峰的错峰。丹江口水库于8月15日奉命关闸停止泄洪，致使库水位于19日达到65米，超汛限水位65米，超蓄洪水27亿立方米，有效库容只剩下17亿立方米，这是丹江口水库首次在汛期大幅度超高蓄水，承担了大坝在高水位运行下的巨大压力。当时中下游控制点皇庄流量是9280立方米每秒，仙桃以下洪峰流量为5320立方米每秒，而位于汉江中下游杜家台民垸的部分群众已经转移，做好了分洪的准备，但由于丹江口水库的有效调节，避免了杜家台的分洪，保证了下游干堤的安全，仅此一次的直接经济效益就达到43亿元。 如果没有丹江口水库拦蓄，8月份洪水在中下旬全部通过汉江河槽宣泄，加上丹江口至皇庄区间约8000立方米每秒的洪水泄入，皇庄自然流量将有可能达到25000立方米每秒，按汉江防洪规划，皇庄河段流量超过21000立方米每秒时，就需用民垸分蓄洪，至少小江湖、邓家民垸要配合分洪，仅此一次，分洪损失即约3亿元(按1990年水平)。下游沙洋新城河段将持续出现18400～19000立方米每秒的稳定流量，在东荆河自然分流4200立方米每秒的情况下，泽口以下河段干流流量仍有14000～15000立方米每秒，仙桃段以下仅能安全通过5000～9000立方米每秒的洪水。即使在杜家台分洪的情况下，仙桃以下干流洪峰量仍高达9000立方米每秒，而当时汉口的最高水位为43米,此时汉江汇人长江的洪水只有6300立方米每秒，如再增加3000立方米每秒的流量，通过汉江河槽下泄，将提高汉口水位3米，则汉口水位就可能接近或超过1954年最高水位73米。这里不谈对汉江干流堤防的压力和是否能保证干堤安全的重大问题，仅就由于丹江口水库所发挥的重大拦蓄削峰作用，对缓解长江中游特别是武汉河段的洪水压力这一重大贡献是难以用数字来表达的。1998年汛期，丹江口水利工程为减轻汉江中下游和武汉的防洪压力，先后拦蓄汉江7000立方米每秒以上的洪水5次，累计拦蓄洪水的总量约75亿立方米，这个数字相当于湖北省公安县分洪区进洪容量的5倍，由此可见丹江口水利工程在去年汛期所发挥的重要作用。 纵观丹江口水利枢纽工程从下闸蓄水运行以来32年的历史，笔者认为主要有三个明显的特征： 一是防洪的社会效益显著。自1973年丹江口初期工程建成后，汉江中下游形成了以丹江口水库为主体，和两岸堤防、杜家台分洪工程、中下游临时分蓄洪民垸组成的防洪体系，初步缓解了武汉市及江汉平原受洪水严重威胁的被动局面。其初期工程自1967年蓄水以来，共拦蓄入库洪峰流量大于10000立方米每秒的洪水67次，有38次削峰率在50%以上，其余洪峰也受到不同程度的削减，避免了10次民垸分洪，减少杜家台工程分洪17次。1983年，汉江流域发生了约40年一遇的洪水，经丹江口水库与杜家台分洪区部分分洪民垸联合调度运用，保证了汉江平原的安全，累计减少淹没耕地560万亩，近百万人次免遭洪灾。在确保汉江中下游和武汉市的安全中，丹江口水利工程发挥了巨大的防洪减灾作用。丹江口水利枢纽工程曾被水利专家称为综合效益最好的一座水库工程。 二是所处的地理位置重要。丹江口水利枢纽地处鄂西北汉江与丹江的汇合处，不仅是中线南水北调工程理想的水源地，也是汉江的控制性工程，对于汉江中下游的防洪乃至长江的防洪都具有举足轻重的地位。就拿它的坝顶高程162米来说，海拔水平面比华中地区高出130多米，相当于40多层楼房的高度，对汉江中下游1300万乃至武汉市的800多万人民来说，就好像悬在头顶上的一“盆”水，一旦出现险情，后果不堪设想。因此，笔者认为从防洪的角度来看，完善丹江口大坝加高工程，也是必须的。 三是发展前景广阔。丹江口水库曾被不少水利专家认为是中线南水北调理想的水源地，如果大坝加高到完建高程6米，不仅水库蓄水容量可增加到300亿立方米，多年平均可向北方调水150亿立方米，而且可以使汉江中下游的防洪标准提高到百年一遇。从长远来看，丹江口大坝加高，能实现三个有利于：一是有利于汉江防洪，二是有利于南水北调，三是有利于黄河调水。黄河流域近几年频频断流，已经向人们敲响了水资源短缺的警钟，而丹江口大坝加高，可以实现从汉江调水入黄河的愿望，提高水资源的利用率，解黄河断流之危。 按长江水利委员会可行性研究报告，丹江口大坝加高的主要工程量为土石方挖填621万立方米，混凝土浇筑120万立方米，金属结构安装6000吨。根据1992年调查资料，库区需动迁移民22万人，淹没耕地5万亩，按1995年物价水平静态投资48亿元，工期6年。完建丹江口大坝所用资金与汉江中下游堤防加固和民垸建设所用资金相差不多，若确定先完建丹江口工程，加大水库调洪作用，则汉江中下游堤防设防标准可按照1964年型洪水(20年一遇)设置。如果不再完建或较长时间后再完建丹江口工程，则汉江中下游的堤防及分蓄洪设施不仅只按1964年型洪水标准加固加高，还要按我国主要江河的防洪标准设防，这样，投入资金更多。所以，在完善汉江中下游防洪体系中，先实施丹江口大坝加高的方案是最经济、最有效的，况且丹江口大坝也是我国目前唯一一座没有完建的大型水利工程。