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水工建筑物安全监测论文
土石坝渗流破坏及其控制措施
序号：
57
姓名：
黄睿
学号：
20093661
班级：
水工09级
水库防汛管理和兴利应用
摘要：
本文主要介绍了水库。
关键词：
冻胀土；冻胀力；抗冻措施。
1水库的防洪调度
1.1水库调度的意义
水库的作用是调节径流，兴利除害。
但水库在运用中存在很多矛盾，如防洪与兴利的矛盾，各兴利部门之间在用水上的矛盾等。
要发挥水库最的的综合效益，必须解决这些矛盾。
解决这些矛盾的基本原则是在确保水库安全的前提下，根据河川径流的特点和用水部门的需要，充分利用水库的调蓄能力，正确处理好防洪与兴利，蓄水与泄水，以及各用水部门之间的关系。
而根据径流预报和用水计划，结合工程的实际能力和上下游防洪要求，制定合理的水库运用方案的过程称为水库调度。
水库调度分为防洪调度和兴利调度。
防洪调度的任务是在确保工程本身及上下游防洪安全的前提下，对水库的调洪库容和兴利库容进行合理安排，以充分发挥水库的综合效益。
兴利调度的任务是充分利用水库的调蓄能力对河川径流在时空上进行重新分配，来满足用水的需要。
1.2水库的洪水调节计算
1.2.1洪水调节计算的基本方程
水库的洪水调节计算是根据预报的入库洪水过程线Q（t）推求水库的泄洪过程线q（t）、相应的调洪库容V和水库水位变化过程Z（t）。
水库在△t时段内的水量平衡可用下列方程表示：
（1）
式中
—计算时段，从时刻t1到时刻t2，即△t=t2-t1
Q1、Q2—分别为计算段初和计算时段末的入库流量（m3/s）
q1、q2—分别为计算时段和计算时段末的出库流量（m3/s）
V1、V2—分别为计算时段和计算时段末水库的容积（m3）
公式
（1）也可写成下列形式：
（2）
式中
—计算时段初和计算时段末的平均入库流量，即
。
1.2.1洪水调节计算方法
洪水调节计算的方法有解析法（列表法）、图解法、半图解法、概化图解法等。
其中半图解法是计算方便精度也较高实际运用广泛的一种方法，计算基本原理如下。
计算前首先需要绘制水位~库容关系曲线
和水位~泄流量关系曲线
如图1所示，然后假定不同的水位Z，即可以通过
上查得相应的V和q，将V除以计算时段
，即求得相应的
，并列表形成表1。
根据表1即可绘制辅助曲线
，如图2所示。
再按照表2进行调节计算。
水位z
水位z
泄水流量q
库容V
图1水位~库容关系曲线
和水位~泄流量关系曲线
q
图2辅助曲线
表1辅助曲线
计算表
水位Z
（m）
库容V
（m3）
（m3/s）
下泄流量q
（m3/s）
（m3/s）
（m3/s）
表2洪水调节计算表
时间
日、时
时段
（s）
时段平均入库流量
（m3/s）
（m3/s）
下泄流量q
（m3/s）
水库水位Z（m）
（1）
（2）
（3）
（4）
（5）
（6）
（7）
洪水调节计算的过程如下：
将洪水过程划分时段，根据起调水位可以得到第1时段初的水位Z1、泄流量q1、
，以及时段内的平均入库流量
，将以上数据分别填入表2相应位置。
将表2中时段初的
、q1、
相加，即得到第1时段末的
值，分别填入相应位置。
根据图2曲线
查得q2（第1时段末和第2时段初的泄流量）填入表2中相应位置。
依次类推，即可求出各时段水库的泄流量q，从而绘出水库的泄流量过程线。
根据泄流量q，查曲线
，即可得相应的库水位Z，填入表2的相应位置。
根据表2中数据即可绘制水库水位过程线。
从该过程线上可求得水库最高调洪水位Zmax，根据Zmax查图1曲线
，即可得相应于最高洪水位时的调洪库容Vmax。
1.3水库防洪调度方案的编制
1.3.1防洪调度方案编制的依据
水库的防洪调度方案是水库防洪调度的总计划和总安排，应根据水库的实际情况每隔若干年重新编制一次。
编制防洪调度方案的主要依据是：
国家有关方针政策和各用水部门的要求，上级部门对防汛的要求，水库的防洪任务，水库枢纽的各设计参数，各建筑物的操作和管理规程，建筑物历年运用情况，工程质量及存在问题，水库有关的特性曲线，有关水文气象预报，水库的设计洪水和上下游有关的设计洪水资料，上下游防护对象的基本情况等。
1.3.2防洪调度方案的主要内容
防洪调度方案的内容主要取决于各水库的具体情况，通常包括：
1.防洪调度方案编制的目的、原则及基本依据。
2.工程概况，如坝型、坝高、放水设备情况、泄洪设备情况、水库库容、水电站容量、正常高水位、设计洪水位、校核洪水位及各水位相应的库容。
3.水库运用的原则。
水库的防洪能力及防洪标准、水库上下游的防洪标准及水库下泄流量的要求、防洪调度的原则等。
4.有关的防洪指标。
各种频率洪水的最高调洪水位和经水库调节后的下泄流量，各种频率洪水的允许下泄量，考虑下游区间洪水时由错峰的规定。
5.在保证水库本身及下游防洪安全，充分发挥水库综合效益的前提下，制定水库的防洪调度规则，并使判别方式简单易行。
6.本年度的防洪调度图，并附有水库的泄流方式、允许泄量、调洪库容及水库水位消落方式等的说明。
1.3.3水库的调洪参数
水库的调洪参数主要包括防洪限制水位及相应于各种防洪标准的最高调洪水位和调洪库容，应根据水文气象条件、工程的运用情况和水库所承担的任务，通过调洪计算和分析论证来确定。
水库的放洪限制水位是指洪水来临前水库允许的蓄水位，在调洪计算时从这一水位开始进行调洪计算，又称起调水位。
为了发挥水库的综合效应，将汛期划分为前汛期和后汛期，根据各时段的设计洪水位分期进行洪水调节计算，分别确定所需的防洪库容，逐步抬高防洪限制水位，进行分期蓄水，以便既能满足汛期的防汛要求，在汛末又能有较大的兴利库容。
1.3.4水库的调节方式
水库的调洪方式就是水库的防洪调度方式，取决于水库所承担的防洪任务、洪水的特性和各种其他影响因素。
调洪方式主要有：
（1）自由泄流方式。
对于溢洪道不设闸门的水库，当水库水位超过溢洪道堰顶高程时，水库中水即从溢洪自由泄流。
对于溢洪道设置闸门的水库，当入库洪水超过水库的设计洪水位时，为保证水库安全，将溢洪道闸门全部开启，采取自由泄流。
在自由泄流的情况下，水库的防洪调度比较简单，水库的泄流量决定于入库洪水的大小和水库设备的泄流能力。
（2）固定泄流方式。
水库在调洪过程中根据下游防洪保护区的重要性，水库和下游防洪设施的防洪能力，按某一个或几个固定流量用闸门控制泄流时，即为固定泄流方式。
这种泄流方式适用在对下游承担防洪任务，水库距下游防洪保护区很近，区间集水面积较小的情况。
采用固定泄流方式必须规定明确的判别条件，以便按此条件条件洪水。
（3）变动泄流方式。
对于调节性能好，用闸门控制泄流的水库，通常采用变动泄量的泄流方式。
在洪峰进入水库前，水库泄量逐渐增大，在洪峰进入水库时，水库的泄量加大到相应频率洪水的最大泄量，然后用变动泄量的方式逐渐减小泄量，使水库水位缓慢下降，或者是关闭泄水道闸门，通过发电来消落水位。
（4）错峰调节方式。
错峰调节是水库在进行洪水调节时，使水库最大泄水流量与下游水库或下游区间的洪峰流量在时间上错开，以减轻下游水库或下游河道的防洪负担，这是承担下游防洪任务的一种调节方式。
错峰调节一般有两种方式，即前错峰调节和后错峰调节。
1.3.5水库的防洪调度图
根据调洪库容与库容结合的情况，可以分为下列3种。
（1）调洪库容与兴利库容完全结合。
（2）调洪库容与兴利库容部分结合。
（3）调洪库容与兴利库容不结合。
2水库群的防洪调度
水库群是指在同一河流的干流和支流上各个水库所组成的水库群体。
水库群的防洪调度就是指水库群为了保证各水库及其区间的防洪安全而进行的防洪调度。
2.1梯级水库的防洪标准
在梯级水库中，上下游水库之间存在着直接的水文水力联系，共同对下游河道起着防洪保障作用，如果上游水库失事，则将危及下游水库和河道的安全。
因此梯级水库的防洪标准应该全面考虑，除各水库自身的防洪标准外，还应考虑梯级水库的整体防洪标准。
在确定梯级水库防洪标准时，除根据水库本身的规模、重要性、防洪任务和等级按有关规定选取相应的防洪标准、以保证各水库自身安全外，还应从梯级水库的整体防洪出发，全面考虑各水库相互的影响和对下游所承担的防洪任务，进行统筹安排和必要的调整。
2.2梯级水库的设计洪水
梯级水库的设计洪水，应根据梯级内水库的具体情况来确定。
对于上游为大水库，下游为小水库，两水库间的区间面积不大的梯级水库，主要是确定上游水库的设计洪水和下游各级区间的洪水，而下游各级水库的设计洪水，则等于下游各级水库防洪标准相应的上游水库设计频率的泄水量加区间相应频率的洪水。
对于区间面积较小，自然地理特征和暴雨洪水特性与本流或相邻流域基本相似的情况，可将本流域或相邻流域的洪水按面积比值放大或缩小，作为区间洪水。
对于区间面积较大的情况，无论大水库是在上游还是下游，或者两个都是大水库，均应分别确定上下水库和区间的设计洪水，并考虑几种可能的组合，然后确定其中或几种控制性的组合，作为梯级的设计洪水。
2.3梯级水库防洪库容的分配
梯级水库的防洪库容除要满足各水库防洪安全的要求外，还必须满足下游保护对象对梯级水库的防洪要求。
前一部分库容可以根据梯级中各水库本身的防洪标准、设计洪水、库容大小、泄流能力和兴利要求等因素来推求。
后一部分库容则应根据下游保护对象的防洪安全对梯级水库总库容的要求，结合各水库库容的大小、泄流能力、防洪标准、设计洪水和兴利要求等因素综合考虑进行分配，确定各水库所应分担的库容。
此时根据梯级中上、下游水库库容的大小，有以下几种分配原则：
（1）当下游水库库容很小，调节能力有限时，上游水库既要保证本身防洪安全，又要保证下游水库和下游保护对象的防洪安全，因此全部防洪库容都将安排在上游水库，下游水库主要是依靠本身的泄流能力来保护水库的安全。
下游水库泄流能力的大小取决于上游水库的泄流量和区间洪水的大小。
（2）当下游河道无重要保护对象，防洪要求不高时，下游各级水库的能力可当适当加大，以减小上游水库的防洪库容，降低水库的投资。
2.4梯级水库的防洪调度原则
梯级水库的防洪调度原则一般是：
位于上游的水库在保证自身安全的前提下尽量拦蓄洪水，采取先蓄后泄的调节方式，如遇大洪水，则应根据预报提前腾出库容来拦蓄洪水。
位于下游的水库，应根据上游水库和区间的可能来水，保持较大的防洪库容。
如果梯级中的几个水库都是大水库，则可根据各水库的蓄水能力自上而下采用间隔蓄水迎汛的方法，一个水库满蓄，一个水库不满蓄，也能消减洪峰和洪量。
2.5梯级水库的洪水调节方式
梯级水库调节计算方法与单一水库基本相同，但此时上游水库的入库洪水是上游水库控制流域内的洪水，而下游水库的入库洪水则是上游水库下泄的洪水和区间洪水。
但区间洪水很小时，下游水库的入库洪水就等于上游水库的下泄洪水。
由于梯级各水库之间存在着直接的水文水力联系，所以梯级水库采用联合运用，错峰调节的方式。
对于大水库在上游，小水库在下游的情况，可采用后错峰的方式，即先用大水库的防洪库容拦洪库容拦蓄开始阶段洪水，等区间洪峰过去后再宣泄上游水库的洪水。
当区间面积较大，洪水过程长时，也可采用后错峰的方式，此时上游水库先不拦蓄洪水或加大泄量，当区间洪峰将进入下游水库时，上游水库减小下泄流量或停止泄水。
对于有两个以上大水库的梯级，洪水调节的基本方式仍是错峰调节。
3水库的防汛抢险
水库的防汛抢险是指水库在汛期要做好防洪调度工作，随时掌握水情变化和建筑物的工作状态，发现险情及时进行抢护，以确保水库的安全。
3.1水库的防汛工作
水库的防汛工作包括防汛的准备工作，掌握水情和建筑物状态，已经大坝险情巡查等三方面。
根据水利工程分级管理的原则，各级水利管理单位都应成立防汛指挥机构，统计指挥防汛工作。
汛前，根据水情和工程情况的分析研究，制定防汛计划，水库调度计划和各种抢险措施。
对建筑物和工程设备进行检查和维修，清除缺陷，保证闸门能及时灵活启闭，建筑物能安全渡汛。
同时还应根据工程的规模、可能发生的险情及其抢护方法，做好防汛物资和器材的组织工作。
为了保证防汛期间的通讯联系，应根据具体情况与各雨量站、水文站和估计可出现险情的地段建立通讯网络，以便及时掌握雨情、水情和险情。
在汛期，应成立防汛抢险队伍，分区负责巡逻、联络和抢护工作。
特别是在洪水时期要随时注意工程的运用情况，检查时要做到“四到”、“五时”、“三清三快”。
所谓“四到”是指手到、脚到、眼到和耳到。
手到是指用于触摸来进行检查，脚到是指借助脚走的实际感觉来判断险情，眼到是通过眼睛观察来查明险情，耳到是利用听感来判别隐蔽的漏水声和土石崩落声。
“五时”是指在吃饭时、换班时、黄昏时、黎明时和刮风下雨时要集中注意力，防止遗漏险情。
“三清三快”是指对险情要查清、信号要认清、报告要说清，险情发现快、报告快、处理快。
3.2防止大坝漫顶的措施
3.2.1增大水库的泄洪能力
增加现有泄水建筑物的泄水能力：
1.加宽或加深溢洪道。
在有条件的情况下可加宽现有溢洪道的断面，或者将溢洪道断面挖深，降低溢洪道堰顶高程，以增大溢洪道的泄水能力。
2.增大放水洞的输水能力。
对于小型水库，常设有多级进水口的卧管式放水建筑物，用以放水灌溉，但其泄水能力有限，对防洪的作用不大。
为了能利用放水洞来宣泄部分洪水，可在卧管下的水平管道首部设置闸门，在涵管的出口处设置消力池，在遇大洪水时，将闸门开启宣泄洪水，但闸门开度以保持管内呈无压状态为限。
赠设非常溢洪道：
如果水库泄洪能力不能满足特大洪水时的泄洪要求，可在大坝一侧的适当地点设置非常溢洪道。
非常溢洪道的位置应选择在离大坝有一定距离的地方，底槛高程可与主溢洪道的底槛高程相同或略高，然后在底槛上修建子埝，平时利用子埝挡水，非常情况下将子埝破坏，即可利用非常溢洪道泄洪。
根据溢洪道在使用时子埝的溃决方式，非常溢洪道可分为漫顶自溃式、引冲自溃式和爆破溃决式三种。
炸副坝泄洪：
在无条件修建非常溢洪道时，可选择地基为坚实的岩基，坝高不超过10m的副坝进行爆破，作为临时的非常溢洪道措施。
所爆破的副坝最好位于天然山坳里，与主坝有山头相隔，以防副坝溃决时危及主坝的安全。
3.2.2增加大坝挡水高度
洪水时期，当水库泄水建筑物全部泄水，而水库水位仍迅速上升，上坝有出现漫顶危险时，可在坝顶临时抢筑子堤或将防浪墙加后饯的方法，增加大坝的挡水高度，渡过危险时刻。
（1）坝顶推筑子堤。
子堤通常用土料、土袋、木板和埽梱等材料堆筑。
（2）防浪墙加后饯。
当坝顶设有防浪墙时，可在防浪墙的背水面用土和砂袋加饯做成子堤。
（3）减少入库洪水。
如果水库上游河道两侧有洼地时，可选择适当地点修建分洪工程，当水库遇到特大洪水，超过水库的防洪能力时，可在上游临时分洪，以减小入库洪水。
3.3水库的险情抢护
防风冲击的措施：
1.草袋放浪。
用草袋或麻袋装土（或砂）约七成满，然后将袋口缝紧，成鱼鳞状叠放在坝坡受风浪冲击的部位。
2.浮排放浪。
将长约3~5m，稍径为5~15cm的圆木，按间距为0.5~1.0m排列，用铅丝、绳索绑扎或用螺栓紧固，做成木排，然后根据风浪大小将一块或数块木排连接起来，用锚索固定在距坝坡10~40m的水面上，同时在坝顶或背水坡上楔入小木桩，用绳索将木排拉住。
管涌的处理：
1.围井滤水。
如果管涌范围不大，可在管涌所形成的沙环外围，用土袋筑成一个不高的围井，在井内按顺序用洁净的粗砂、砾石或碎石、块石铺填成反滤层，每层厚度约0.2~0.3m，使渗水通过滤层渗入井内，然后通过埋没在围井上部的管子引出井外。
2.蓄水减渗。
如若管涌面积较大，可在管涌部位四周填筑一定高度的土埂，围成水池，利用池内的水位减小渗透水流的水头，以控制管涌的发展。
3.塘内减渗。
如果产生管涌的部位是在坝后低洼的坑塘内，可先在塘内抛填15~30cm厚的粗砂或砾石层，然后再砂层上铺填卵石或块石，做成透水的压渗台，既可防止管涌扩大，又可将渗水排出。
漏洞处理：
如若管涌严重，坝体或坝基内，已形成渗透通道，此时在渗漏洞入口尚未到前，为避免险情恶化，可先在下游漏洞出口处采用围井滤水的方法先行处理，在进行抢护的同时探测漏洞入口位置。
如若入口处洞口较小，周围土质较硬，可用大于洞的不透水器皿将洞口罩住，或用草梱等物将洞口堵塞，并在其上覆盖土袋；如若入口处洞口较多，土质已经软化，则可先用棉絮顺坡铺盖，再在上面铺压土袋，并用透水性小的松散土顺坡推下，以减小渗透。
3.4塌坑处理
如若坝体内存在孔洞、松软土层等隐患，则在渗流作用下坝土因湿润常会出现塌坑。
塌坑的抢护通常采用上堵下排的方法。
如若塌坑发生在上游坝坡，下游坝坡面出现集中渗漏，则可用泥土或土袋堵塌坑及漏水进口，而在漏水出口处采用围井渗水的方法处理。
如若塌坑发生在下游坝坡，则应先用滤料填充塌坑，再在其上修建贴坡排水或开挖导流沟。
3.5闸坝效能工破坏的抢护
当闸坝下游的消力池、消力槛、护坦、海漫等效能工被洪水冲坏时，可采用下列方法进行临时抢护：
（1）断流抢护。
如果有条件，可暂时关闭或临时封堵闸孔，然后用速凝沙浆砌块石将损坏部位修复，或用石笼临时填补被冲坏的部位；如果流速较高冲刷严重，可采用先抛一层碎石垫层，再用柳石枕、铅丝笼、竹笼铺砌，进行临时防护
（2）潜坝缓冲。
首先在被冲部位抛石防护，然后再护坦或海漫末端设柳石枕潜坝或其他材料的潜坝，以增加水深，缓和冲刷。
（3）筑导水墙导流。
如果溢洪道的效能工被冲，而溢洪道距土坝又较近时，除按上述方法抢护外，还应用砂袋或块石抢筑导水墙，将尾水导离坝脚。
4水库的兴利控制运用
4.1水库来水量估计
根据预报的降水量估计月径流量
1.降雨径流相关法。
根据预报的各月降雨量b，由月降雨径流相关图查得月径流深度h，可按下式计算各月来水量：
（3）
式中
-月来水量（万m3）；
-月径流深度（mm）；
-水库集水面积（km3）。
2.月径流系数法。
根据预报的各月降雨量b和各月的径流系数a，按下式计算各月来水量：
（4）
式中
-预报的月降雨量（mm）；
-径流系数；
其他符号的意义同上。
4.2水库供水量估计
灌溉用水量的计算
1.逐月耗水定额法：
（5）
式中
-各月灌溉用水量（万m3）；
-作物月耗水定额（m3/亩）；
-灌溉面积（万亩）；
-降雨的田间有效利用系数；
-田间月降雨量（mm）；
-渠系水有效利用系数；
.667-降雨量由mm变成m3/亩的单位换算系数。
2.固定灌溉用水量法。
对于北方地区的旱作物，各年灌溉用水量差别不大，各年同一月份的灌溉用水量可以采用为一常量。
发电用水量和保证出力的计算：
（6）
（7）
式中
-水电站供水器的调节流量（m3/s）；
-供水期天然来水量（m3）；
-水库兴利库容（m3）；
-水库的损失（渗漏、蒸发）水量（m3）；
-由于其他用途（灌溉、航运）引走的水量（m3）；
-供水期（s）；
-水电量在供水期的保证出力；
-水电量在供水期的平均水头；
-出力系数，根据机组类型及其传动方式来确定，对于一般小型水电站
。
4.3水库损失水量估算
水库蒸发损失水量
（8）
式中
-水库月蒸发损失量（m3）；
-月水面蒸发水层深度（mm）；
-原来陆面蒸发水层深度（mm）；
-水库月平均水面面积（km2）；
-建库前库区原有水面面积（km2）。
4.4水库的兴利调节计算
水库兴利调节计算的基本原理是某时段的入库水量与出库水量（包括各部门的用水量，汛期的弃水量和损失水量）之差，应等于该时段水库增蓄之水量，即
（9）
式中
-某计算时段水库的来水量（m3）；
-同一时段的出库水量（包括各部门用水量和汛期弃水量）（m3）；
-同一时段水库的损失水量（m3）；
-同一时段水库蓄水量的变化（m3），其中“+”号表示蓄水量增加，“-”号表示蓄水量减少。
4.5综合利用水库的调度原则
对于以灌溉为主的水库，应该在满足灌溉用水的前提下，增加发电效益，以获得季节性电能。
对于以发电为主的水库，如果是从坝下游引水灌溉，则可按单一发电的水库进行调度；如果是从库内引水灌溉，而灌溉用水的比重较小时，可扣除灌溉用水后按单一发电的水库进行调度。
对于灌溉设计保证率以内年份，在满足灌溉、发电正常供水的前提增加发电效益；对于灌溉、发电两个设计保证率之间的年份，发电按正常供水，灌溉则降低供水；对于枯水年份，即在发电保证率以外的年份，灌溉和发电均降低供水。
参考文献
1王英华、陈晓东、叶兴《大坝事故与安全·土石坝》，北京水利水电出版社2000.9
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