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丹江口大坝下游冲刷坑成因和后期演化分析
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基于混凝土大坝的泄洪建筑物风险指标体系及泄洪风险研究.pdf-建筑设计规划-在线文档投稿赚钱网 64页
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澎甥哆Zz土事
硕士学位论文
基于混凝土大坝的泄洪建筑物风险指标体系
及泄洪风险研究
学科名称：
水力学及河流动力学
学科门类：
指导教师：
申请日期：
论文题目：基于混凝土大坝的泄洪建筑物风险指标体系及泄洪风险研究
学科：水力学及河流动力学
研究生：李亮
指导教师：陈刚教授
蓄水安全鉴定是大型水利水电建设工程蓄水验收的必要依据，然而，目前的鉴定结论
主要是建立在定性分析的基础之上，要把大坝安全管理水平提升到一个新的高度，确保水
电站大坝的运行安全，就要加强以定量评判为主的大坝风险分析研究。风险分析研究的基
础就是建立合理的指标体系，而目前指标体系的研究主要是建立在模糊理论和大量监测资
料的基础上，研究对象也以土石坝为主，实际应用起来有很多局限性。因此，本文就如何
在监测资料缺乏的情况下建立混凝士大坝的风险指标体系进行了探讨，重点对泄洪系统中
的水力风险进行了研究。
首先，本文回顾和总结了国内外大坝失事的原因及常见水力事故的原因，对风险因素
进行了分类。经过对目前大坝指标体系的比较分析，参考相关规范，初步建立了基于可靠
度思想的混凝土大坝的风险指标体系，所建立的指标体系侧重于泄洪建筑物的研究。
其次，对所建立的风险指标的度量和赋权方法进行了探讨。重点介绍了定量指标的度
量方法，给出了主要水力风险的数学描述即极限状态方程。运用层次分析法中的一般算法，
对洪江水电站的泄洪风险指标进行了权重分析，并对层次分析法在大坝中的应用进行了探
然后，本文对混凝土大坝泄洪建筑物的泄洪风险计算方法进行了详细研究。针对随机
该算法。以洪江水电站为例，考虑到变量的物理意义，采用了基于结尾分布的JC法进行
了泄洪风险计算，用蒙特卡罗模拟法进行了验证。结果表明两种方法的差别约为3．09％，
但蒙特卡罗模拟法耗时约6小时，而采用基于结尾分布的Jc法只需要20多分钟，其计算
速度远远好于蒙特卡罗方法，且精度也满足要求，因此用Jc法来计算泄洪风险是可行的。
洪江水电站风险计算结果还表明：(1)当考虑水力风险时，系统的泄洪风险增加了。
性还是不能忽略的，这也说明，在施工中精度的保证是有意义的。(3)综合前面的分析，
对洪江水电站泄洪能力指标做了定量分析，根据所建立的评价等级，洪江水电站的泄洪能
力是安全的。
关键词：风险指标体系；泄洪风险；泄洪能力； 可靠度；
洪江水电站
ONINDEXESSYSTEMOFRISK
TITLE：STUDY
ANANLYISOF
DISCHARGESTRUCTURESANDFLOOD
CALCULATIONBASEDONCONCRETEDAM
Major：Hydraulics
Name：Liliang
Signature：
正在加载中，请稍后...第38卷第9期2007年9月；????文章编号:07)；人??民??长??江Yangtze??River；丹江口大坝下游冲刷坑成因和后期演化分析；黄振伟??林仕祥??黄海蛟??许光明；(1.长江水利委员会长江岩土工程总公司,湖北武汉；关??键??词:河床冲刷;公式计算;模型试验;后；以上(未包括8号坝段的1、2孔,因其自1980年；1
第38卷第9期2007年9月????文章编号:07)09-0034-04人??民??长??江Yangtze??RiverVol.38,No.9Sep.,??2007丹江口大坝下游冲刷坑成因和后期演化分析黄振伟??林仕祥??黄海蛟??许光明1112(1.长江水利委员会长江岩土工程总公司,湖北武汉430010;??2.长江水利委员会设计院,湖北武汉430010)摘要:丹江口大坝下游河床岩体为变质辉长辉绿岩及变质闪长岩,岩性坚硬,但地质构造复杂,断裂较多,裂隙密集。初期工程1973年建成后投入使用。目前,为有利于南水北调工程调水,丹江口水库大坝正在进行加高工程。初期工程完工后,对泄流建筑物的运用及其下游河床的冲刷情况的观测为计算大坝加高后下游河床冲刷坑深度提供了有利条件。综合考虑岩体结构、泄流特征等因素,根据简易估算、模型试验成果对后期大坝加高后坝下河床冲刷坑的发展演化进行分析。关??键??词:河床冲刷;公式计算;模型试验;后期发展演化;下游河床;丹江口大坝中图分类号:TV147+.5??????文献标识码:A以上(未包括8号坝段的1、2孔,因其自1980年以后未再运用过),其中4孔1孔历时由9孔的5090h逐渐降至12孔的2600h。表孔泄洪次数不多,历时短,从14号坝段右孔的1610h逐渐减至15号坝段左孔的1280h,15号坝段左孔以左各孔均在860h以下。1??工程概况丹江口水利枢纽是综合开发汉江的大型水利工程,由混凝土坝、两岸土石坝、电站厂房、升船机和引水渠首等建筑物组成,分两期开发,即初期和后期大坝加高两阶段。初期工程泄洪建筑物由泄洪深孔及溢流表孔两部分组成:泄洪深孔布置于8~13号坝段,共12孔,孔底高程113.0m,每坝段2个深孔,其中8号坝段右侧1号孔已改建成自备防汛电厂的进水口,现存11孔;溢流表孔布置于14~17、19~24号坝段,共20孔,表孔堰顶高程138.0m,每坝段2个表孔。18号坝段与原下游纵向围堰联成隔水墙将溢流表孔分为左右两区,右区14~17号坝段8个溢流表孔及深孔为常用泄洪建筑物,运用次序先深孔后表孔,左区19~24号坝段12个溢流表孔在初期当遇到大于100a一遇洪水时才开启运用,后期提高至大于1000a一遇洪水时才运用。此外,深孔坝段和表孔14~17号坝段下游,为防止初期导流水流冲刷坝脚,在坝后设置了长44m的防冲板,板顶高程91.0~86.0m。2??泄洪及下游河床冲刷情况丹江口枢纽1959年截流,1967年下闸蓄水深孔开始运用,1972年蓄水水位达150.73m,1973年初期工程完建,历时13a。1973年汛后进行下游冲刷坑水下地形测量时,发现坑深达20余米,经修筑围堰,抽水检查发现10~14号坝段下游已淘刷至高程65.0~66.0m,冲坑上游坡已局部淘刷至护坦板下(图1)。为此进行填塘处理,用混凝土填塞冲刷板下淘空部分,对冲坑上游坡断裂及岩石软弱破碎部位浇筑混凝土衬护,共填筑混凝土6800m3。闸孔泄洪调度贯彻了先开深孔,后开表孔的原则。年,深孔9~11号坝段的3~8孔泄洪历时最长,在7300h收稿日期:作者简介:黄振伟,男,长江水利委员会长江岩土工程总公司地质公司,工程师。图1??丹江口大坝泄洪溢流坝段下游河床冲刷坑地质编录每年汛后均对下游河床冲刷进行测量,实测深孔坝段及表孔的14~17号坝段冲刷情况见图2~5和表1~2。由上述图、表可知:(1)1985年,深孔8号坝段2号孔下游冲刷坑底高程最低达74m,坑深为24m;12号坝段9号孔下游冲刷坑底高程最低55.2m,坑深34.3m;13坝段12号孔下游冲刷坑底高程最低第9期黄振伟等:丹江口大坝下游冲刷坑成因和后期演化分析3555.0m,坑深30.0m。表孔14号坝段右孔下游冲刷为全区最低点,坑底高程48.3m,坑深40.7m。????(3)1985年前,10~14号坝段1974年汛前填塘混凝土护坡部分基本无冲刷,表明工程处理延缓了向上游的冲刷,取得了一定的防冲效果。(4)据2002年3月测量,下游河床冲刷在深度上已趋稳定,并产生淤积,向下游方向的冲刷亦已稳定,但往上游、东侧两方向仍有发展,其中往上游侧已抵防冲板并破坏了1974年汛前填塘混凝土护坡,其中尤以14号坝段往上游方向冲刷最为严重。图2??8~17号坝段下游冲刷地段横剖面示意图5??1984年汛后坝下冲刷坑地形及主要断层分布示意图3??12号坝段历年下游河床冲刷剖面示意3??下游河床冲刷坑成因的地质分析下游河床冲刷坑的形成除了水流因素影响外,更主要的是受河床地层岩性、岩体完整程度、各种结构面(包括断裂、裂隙及其它软弱结构面)发育程度及其组合特征控制。下面从河床地质条件角度分析冲刷坑的成因。1973年汛后修筑围堰对8~14号坝段下游河床部位进行了实测地质编录(图1)。该区域内河床岩体为变质岩浆岩,主要为变质辉长辉绿岩及变质闪长岩,抗冲刷性能好。但该地段地质构造复杂、断裂较多、裂隙密集,除分布有表3中所示的几条主要断裂以外,在冲刷区周缘还发育百余条小断裂。图4??14号坝段下游河床冲刷剖面示意(2)深孔8至表孔16右孔下游冲刷自1980年以来逐渐趋于稳定,冲刷深度和范围增幅不大,局部甚至出现淤积现象。裂隙以走向NNE、倾向NWW,走向SEE、倾向SSW两组高倾角裂隙为主,F16东侧走向NWW、倾向NNE和走向NE、倾向SE的缓倾角裂隙也较发育,绝大多数裂隙为软弱糜棱岩充填。表1??初期工程深孔年下游河床冲刷观测成果坝深段孔编编号号813456789101112??上游水库平均水位H上??m154......64154.64下游河道平均水位H下??m上下游水位差H??m62.62.62.62.下游原始河床高程H床??m.5898888下游水深hW??m-10-4-1.6-3-3-冲刷坑最低点高程H底??m.7.358.555水面下冲刷坑最大水垫厚度tk??m..733.537河床面下冲刷坑最大深度T??m16.1.729.533累计运行时间t??h13..334..冲刷速度v??(cm??h-1)0.260.400.350.190.180.140.220.410.670.750.851.26冲刷坑最低点至坝下游垂直面平均水平距离L ??m冲刷坑上游平均坡度i1??4.001??4.361??4.761??5.331??7.161??8.181??6.951??4.001??3.501??3.791??4.071??4.00注:实测深孔单孔泄流量约690m3??s。36??????人??民??长??江表2??初期工程表孔年下游河床冲刷观测成果2007年坝段编表孔编上游水库平均水位mH上??154....02154.02下游河道平均水位mH下??92.92.92.7992.79上下游水位差H??m61.61.61.2361.23下游原始下游河床高程水深mH床??8987mhW??3.793.792.792.792.793.793.795.79冲刷坑最低点高程H底??m48.353.857.3.6水面下冲刷坑最大水垫厚度tk??m44.31.7.799.19河床面下冲刷坑最大深度T??m40.735.232..4累计运行时间t??h.31.90.6冲刷速度v??(cm??h-1)2.522.312.452.273.615.200.470.87冲刷坑最低点至坝下游垂直面平均水平距离L ??m冲刷坑上游平均坡度i1??3.241??3.751??3.741??4.551??5.001??7.371??35.01??19.1号号1414右14左1515右15左1616右16左1717右17左??注:实测表孔单孔泄流量约632m3??s。表3??坝下河床冲刷坑主要断裂带特征产状编号F16走向倾向倾角??(!)67~69破碎带破碎带物质特征宽度??m1.5~6.0??F16-1N15!WSWW653.0~4.0F77N10!WNWW803.0~5.0F100N60!WSSW781.0~6.0以糜棱岩为主,沿断裂面分布有0.2~0.4m厚的海泡石岩,破碎带软弱,纵贯全区以糜棱岩为主,次为角砾状糜棱岩,胶结较差,纵贯全区以糜棱岩为主,次为角砾状糜棱岩,胶结紧密,纵贯全区以糜棱岩及角砾状糜棱岩为主,次为角砾岩、块状破碎岩,胶结较差,横贯全区由两个破裂面组成,破裂面之间为宽3.0~5.0m的影响带F204N10!ENWW75~881.0~3.0以糜棱岩为主,次为角砾状糜棱岩及角砾岩,胶结紧密,较坚硬,纵贯全区断裂影响带宽4.0~6.0m为F16断裂带的分支断裂影响带宽4.0~6.0m说明式中i为冲刷坑上游平均坡度;T为河床面下冲刷坑最大深度,m;L 为冲刷坑最低点至坝下游垂直面水平距离,m,L 用抛射体公式计算;根据?混凝土重力坝设计规范%(DL),T可用下式估算[2]。T=k&q0.5&H0.25-hw水位差,m;hw为下游水深,m。式(2)中q、H、hw各参数均为设计数据,而k值是与基岩软硬程度、结构完整性等因素有关的参数,一般根据经验在0.6~2.0范围内确定。对丹江口枢纽工程而言,可根据初期工程泄流建筑物的运用及其下游河床的冲刷情况,通过反演计算,得出基岩冲刷系数k,并据此类比取值来计算大坝加高后下游河床冲刷坑深度,具体按以下3步进行。(1)冲刷部位岩体分段(类)。以实测地质图1、图2为基础,根据岩体结构、块度和断层破碎带空间分布及其性质,将下游河床冲刷部位岩体分为3段(类):?性质较差的断层破碎带地段,如断层F16、F16-1、F100,以糜棱岩和角砾岩为主,性质软弱,胶结较差;#性质较好的断层破碎带地段,如断层F77、F204,以糜棱岩为主,次为角砾岩,性质较硬,胶结较好;?一般地段,除上述主要断层以外的其余地段,岩体块度一般为20~50cm。(2)根据初期工程下游河床冲刷观测成果(表1、2),选取代表性孔段(冲刷坑已稳定),反演?、?段(类)基岩冲刷系数k(表4)。?段k=1.76~1.85,平均值1.80;?段k=1.48~1.53,平均值1.51;#段介于?、?段之间,k值可在1.50~1.80(平均值1.65)范围内选取。表4??初期工程冲刷坑基岩冲刷系数k反演计算成果坝段编号111289101311坝下游垂直面至挑流水水舌进孔舌外缘进入下游水面与入河床号河床面交点的水平距离面的宽L??m.5实测单孔泄流量Q??进入河床面的单宽流量q??上下游水面下冲基岩水位差刷坑最大冲刷H??水垫厚度系数m62.62.64tk??m.5k1.85?段(类)1.76?段(类)1.53?段(类)1.48?段(类)说明N10!WNEE(2)式中k为基岩冲刷系数;q为单宽流量,m3??(s??m);H为上下游通过分析得知:?河床冲刷的强烈程度与断裂破碎带密切相关(见图2、图5),以上几条较大断裂中,F16、F16-1、F100等3条断裂破碎带物质胶结程度较差,冲刷也较强烈,而F77、F204两条断裂破碎带物质胶结较好,冲刷程度较轻微;#缓倾角裂隙的发育不利于河床岩体的抗冲刷能力,在12、14号坝段下游河床岩体相对缓倾角裂隙比较发育,并在陡倾角岩体裂隙的切割下,岩体由较小的岩块组成,整体性变差,降低了抗冲性能,同时由于缓倾角裂隙面处产生脉动水压力,从而加剧了水流对岩体的冲刷[1]。4??冲刷坑后期发展演化后期大坝加高工程设计正常蓄水位170m,比初期工程设计正常蓄水位157m增加了13m的水头,泄洪建筑物布置与初期工程基本相同,即对初期已有的深孔和表孔进行改造和改建。因初期工程深孔体型按后期水位条件设计,故后期大坝加高工程深孔体型不变,仅运行水位发生变化,其中1号深孔已于1990年改为自备防汛电厂的进水口,现实际可运用深孔11个,溢流坝段表孔堰顶高程将由138m增至152m。因此,大坝加高后,深孔和表孔泄洪水力条件将发生改变,泄洪能量将加大,下游河床冲刷将出现一些新的变化。下面分别以经验公式计算和水工模型试验为基础,对下游冲刷的后期发展进行分析。3-13-1度B??m(m??s)(m??(s.m))38.055.065.065.0????(3)根据反算的基岩冲刷系数k值,计算大坝加高后冲刷坑最大深度T冲刷坑上游平均坡度(表5)。从表5看,在校核条件下最深冲刷坑上游平均坡度i=1(3.60~1(5.98,设计条件下i=1(3.38~1(5.10,均小于临界坡度1(3,满足规范要求。4.1??经验公式计算冲刷坑上游平均坡度是判断冲刷坑对坝体安全的影响标准,可按下式计算。i=T??L (1)4.2??水工模型试验坝基下游岩体冲刷坑公式计算是建立在工程经验的基础上,对大、中型或重要水利枢纽还需经过模型试验作出综合判第9期断。黄振伟等:丹江口大坝下游冲刷坑成因和后期演化分析37加深,仅深孔部分地段冲刷坑加深,其对坝体安全产生的影响有限;?大坝加高后,水流挑距加大,可能在下游侧产生严重冲刷,并且冲刷坑最低点向下游侧移动。对丹江口大坝加高后下游河床冲刷,水工上采用1(120整体模型和1(60表孔断面模型进行试验。试验结果表明:大坝加高后,由于正常蓄水位抬升,泄洪落差加大,下游河床冲刷加剧;随着下泄流量加大,冲坑最低点至鼻坎距离愈远,冲刷深度愈深;在10000a一遇校核洪水47400m3??s泄量下,冲坑最低点高程28.6m,冲刷深度57.4m;在1000a一遇设计洪水22300m3??s泄量下,冲坑最低点高程43m,冲刷深度43m;各级泄量冲刷坑上游平均坡度i为1(3.1~1(5.6,均小于临界坡度1(3,满足规范要求。表5??大坝加高后挑流消能冲刷坑计算成果校核条件(H上=174.35m,部位3H下=102.2m,Q=47400m??s)L ??m深孔表孔192187L??m129120T??m32.1051.85i1(5.981(3.60设计条件(H上=172.2m、H下=97.6m、Q=22300m??s)L ??m182177L??m130122T??m35.6452.39i1(5.101(3.3835??结语坝基下游地质条件是影响岩体抗冲刷稳定性的基本因素。在相同挑流作用下,岩体最大冲刷坑位置、规模、形状、深度与发育方向等,主要受其软弱结构面(带、体)所控制。根据丹江口大坝初期工程泄流建筑物的运用及其下游河床的冲刷情况,通过反演分析得出基岩冲刷系数,为计算大坝加高后下游河床冲刷坑深度提供了有利条件。坝基下游岩体冲刷坑评价,需综合分析岩体结构、泄流特征、模型试验、简易估算作出判断。影响因素十分复杂,评价时应注意留有余地。因此对丹江口大坝下游河床冲刷部位建议:?对已部分冲毁的防冲板和1974年汛前填塘混凝土护坡进行恢复,阻止可能向上游侧的进一步冲刷;#继续对下游河床冲刷情况进行监测,以便能及时了解下游河床冲刷坑的动态;?对11~17号坝段,特别是14号坝段下游河床采取有效的抗冲、防冲措施;)优化泄洪调度。4.3??冲刷坑后期发展演化分析大坝加高后,深孔和表孔泄洪水力条件将发生改变,泄洪能量将加大,挑距将由目前的100m增加至130m左右,经验公式冲刷计算和水工模型试验成果基本一致。据此结合岩体结构、泄流特征等因素分析大坝下游河床各坝段冲刷可能向以下几方面发展演化:?往上游方向的冲刷程度可能得到减缓,但仍有冲刷破坏的可能,特别是14号坝段,对坝体有一定的威胁;#深度方向的冲刷目前已稳定,并产生了淤积,大坝加高后,虽泄洪能量加大,但泄洪时间相对较短,估计表孔段冲刷不会进一步(上接第33页)参考文献:[1]??李立武,吕安庆,周天福等.水利水电工程地质手册.北京:水利电力出版社,1985.[2]??王从兵,陈志康.丹江口水利枢纽大坝加高工程初步设计报告(修订本,中册).武汉:长江水利委员会,2004.(编辑:常汉生)大桥岸线长851m,属易再造岸坡,汉江公路大桥?耿家垭子巷岸线长1507m,属较易再造岸坡,建议对其进行防护治理,以有效利用城市空间、保护沿江大道、汉江公路大桥及其它工业与民用建筑物的安全。对其余各段易、较易再造的库岸可进行防护或搬迁,对较难再造的库岸建议进行观测,对难再造的库岸一般不予处理。岸建议进行观测,掌握其变形规律,及时预报,部分地质条件简单的岸坡,也可采用较小的工程量予以保护;对难再造的库岸一般不予处理。表4??相对坡角??分级??等级很大较大较小膨胀土?105~100~5红层、红层夹砾岩?(!)砾岩、砾岩夹红层?5??结语丹江口水库库周特别是4大盆地广泛分布白垩系至下第三系紫红色碎屑岩及第四系阶地堆积土,塌岸是主要工程地质问题之一,将对库岸高程170m以上的县城、集镇、农村居民点和重要交通干线的正常使用产生较大影响。因此,对库岸再造进行预测具有十分重要的工程与环境意义。塌岸是岸坡为适应外界条件而产生的内在变化,并最终实现新的稳定平衡状态。这一过程十分复杂,并受各种因素影响,偶发因素亦不可预知,塌岸持续时间难以估计。因此本文的再造范围仅代表其总体趋势,在时间、空间、规模上难以做到全面准确的预测,在水库运行过程中,还需加强监测,根据反馈信息及时调整地质决策。根据影响塌岸的主要因素划分库岸再造难易程度,依照程度等级的不同,可以按轻重缓急的原则,分阶段、有计划地对塌岸范围内的对象采取针对性、经济安全的处理措施,这是控制塌岸预测风险的有益尝试。????在丹江口水库10段重点勘察库岸中,郧县城区是最重要的城镇库岸。郧县城区岸段岸线总长度为17996m,主要为+1、,1、,23种结构类型岸坡。根据类比图解法预测如下:易再造岸坡长2602m,占总长度的14.5%,其中+1、,1、,2类岸坡各长、817m,最终再造宽度分别为30~90、48~82、20~65m,主要分布于实验中学、汉江大桥下游、凌云巷?纸板厂、汽车改装厂招待所、工业用油公司、汉江大桥上游一带。较易再造岸坡长1691m,占总长度的9.4%,其中,1、,2类岸坡各长544、1147m,最终再造宽度分别为20~50、20~42m,主要分布于城关镇二中北侧、汽车改装厂招待所、汉江公路大桥?耿家垭子巷等处。较难再造岸坡长1528m,占总长度的8.5%。难再造(D)岸坡长12175m,占总长度的67.6%。城区武阳砖厂南至东岭街西侧土沟段山脊上密集分布有大量工业与民用建筑物,县城通过沿江大道、汉江公路大桥与209国道相接,是对外交通咽喉要道。其中食用油公司?汉江公路参考文献:[1]??刘特洪.工程建设中的膨胀土问题.北京:中国建筑出版社,1997.[2]??戚筱俊.工程地质及水文地质.北京:水利电力出版社,1985.(编辑:刘忠清)三亿文库包含各类专业文献、高等教育、专业论文、外语学习资料、幼儿教育、小学教育、生活休闲娱乐、丹江口大坝下游冲刷坑成因和后期演化分析09等内容。　
　丹江口大坝今年 9 月试蓄水 雨中的丹江口大坝巍然矗立,大坝加高部分清晰可见。 丹江口水库大坝加高的高度为 14.6 米,工程建成蓄水后库 容可以增加到约 290.52...