水利水電工程壽命的影響因素及其診斷技術(shù)論文
水利水電工程主要被用作防洪、灌溉和發(fā)電，為我國(guó)社會(huì)安定和經(jīng)濟(jì)繁榮提供了重要保障。但據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)顯示，在全國(guó) 3100 多座大中型水庫(kù)大壩和 80000 多座小型水庫(kù)大壩中，各有約 30% 和 40% 的工程存在著不同程度的安全隱患問(wèn)題[1].可見(jiàn)，對(duì)水利水電工程壽命進(jìn)行診斷具有多么重要的意義。
1 影響水利水電工程壽命的因素 - - - 以都江堰為例
1. 1 設(shè)計(jì)的科學(xué)性
都江堰主要由渠首、附屬工程、灌溉渠系工程三部分構(gòu)成，以魚(yú)嘴、飛沙堰、寶瓶口作為渠首，其工程結(jié)構(gòu)合理，各部分配合巧妙，已有 2200多年的歷史。在歷史的長(zhǎng)河中，其魚(yú)嘴和飛沙堰的位置都因岷江河道水勢(shì)的變遷歷經(jīng)多次變動(dòng)和調(diào)整，但仍然保持著其整體功能的完整性，且運(yùn)轉(zhuǎn)維護(hù)費(fèi)用低，具有巨大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值、社會(huì)價(jià)值和生態(tài)價(jià)值，雖然也有諸如地質(zhì)復(fù)雜、對(duì)罐區(qū)水量控制要求嚴(yán)格、泥沙問(wèn)題嚴(yán)重、防洪要求高等諸多問(wèn)題存在，但還是可見(jiàn)其設(shè)計(jì)的科學(xué)性，畢竟科學(xué)的設(shè)計(jì)才是延長(zhǎng)工程壽命的基礎(chǔ)保證。
1. 2 與生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展
只注重經(jīng)濟(jì)效益，不注重與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的水利水電工程，必然不能長(zhǎng)久的存在下去[2].比如三門(mén)峽工程，雖然水庫(kù)為黃河下游的防洪、灌溉和發(fā)電帶來(lái)了明顯的社會(huì)效益，但由于其在建造時(shí)對(duì)泥沙問(wèn)題的忽視，使得泥沙問(wèn)題日益加重。而成都平原的生態(tài)環(huán)境在都江堰建成的 2200 多年中，一直不斷的得到改善，灌溉效益明顯，工程規(guī)模宏大、布局巧妙、景色壯麗，與自然和諧共處，正是由于都江堰與生態(tài)環(huán)境的和諧共建，才使其健康持續(xù)存在兩千多年。
1. 3 工程的修與保護(hù)
每過(guò)數(shù)載便要對(duì)都江堰樞紐主體---竹籠和砌石進(jìn)行修繕或更換，可見(jiàn)工程壽命并不完全取決于建筑材料的耐久性，因?yàn)榭梢酝ㄟ^(guò)對(duì)材料的修補(bǔ)，新材料、新技術(shù)的應(yīng)用來(lái)對(duì)工程進(jìn)行維護(hù)，延長(zhǎng)其使用壽命。
2 確定水電工程壽命的原則
任何事物都有自己的生命周期，水利水電工程的壽命不僅涉及到工程技術(shù)問(wèn)題，還涉及到社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、政治問(wèn)題，對(duì)其壽命的確定應(yīng)以"社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益最大化，對(duì)生態(tài)環(huán)境負(fù)面影響最小"為總的指導(dǎo)原則，具體細(xì)節(jié)上要滿足強(qiáng)度、耐久性等對(duì)安全的要求； 實(shí)現(xiàn)防洪、灌溉、發(fā)電等功能效益的發(fā)揮； 遵循"以人為本，人與自然和諧共處"的原則。
3 水利水電工程壽命診斷理論和方法
3. 1 安全性層面
對(duì)水利水電工程壽命的診斷，應(yīng)針對(duì)工程的'結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、使用的穩(wěn)定性和耐久性?xún)煞矫孢M(jìn)行考量，在滿足現(xiàn)行規(guī)范要求的同時(shí)，還要定期對(duì)大壩進(jìn)行檢查和分析，了解老化、病變機(jī)理，明確其對(duì)大壩安全產(chǎn)生的影響。
（1） 強(qiáng)度分析理論與方法。水利水電工程的設(shè)計(jì)規(guī)范中規(guī)定以控制部位的拉應(yīng)力、壓應(yīng)力是否滿足允許應(yīng)力來(lái)判斷，即保證最大拉、壓應(yīng)力小于需要用的拉壓應(yīng)力[3].在宏觀上利用固體力學(xué)和彈性力學(xué)對(duì)其塑性大變形的可能性進(jìn)行研究，并應(yīng)用有限元軟件實(shí)現(xiàn)仿真模擬優(yōu)化； 在細(xì)觀上應(yīng)用彈性基體加離散位錯(cuò)對(duì)行為進(jìn)行描述； 在納觀上結(jié)合原子鑲嵌模型和分子動(dòng)力學(xué)理論，對(duì)裂紋尖端附近區(qū)域的行為進(jìn)行模擬。
（2） 穩(wěn)定分析理論與方法。水利水電工程的設(shè)計(jì)規(guī)范中規(guī)定荷載作用力下，當(dāng)沿著滑動(dòng)面的安全系數(shù)大于等于規(guī)范值的時(shí)候，證明其具有穩(wěn)定性，反之則處于失穩(wěn)狀態(tài)。有限元法是近年來(lái)解決工程力學(xué)問(wèn)題的主要方法，但其不足也隨著工程應(yīng)用范圍的擴(kuò)展逐漸顯露出來(lái)，出現(xiàn)一些諸如 DDA、NMM 等新的理論和方法。
�。�3） 耐久性分析理論與方法。證明耐久性的指標(biāo)既包括抗凍、抗沖擊、抗?jié)B等常用指標(biāo)，還應(yīng)把現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)和監(jiān)測(cè)應(yīng)力應(yīng)變、滲漏量、裂縫等隱患缺陷等包括在內(nèi)，建立時(shí)變模型，并通過(guò)定量對(duì)耐久性的演變過(guò)程進(jìn)行分析。
�。�4） 安全監(jiān)測(cè)技術(shù)。由于水利水電工程地理環(huán)境大都比較偏遠(yuǎn)，不可控因素多，因此利用納米監(jiān)測(cè)技術(shù)和 4S 檢測(cè)技術(shù)（GIS - 地理信息系統(tǒng)、RS - 遙感技術(shù)、GPS - 全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)、ES - 專(zhuān)家系統(tǒng)） 對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)安全監(jiān)測(cè)，并定期檢測(cè)，同時(shí)進(jìn)行安全分析評(píng)價(jià)也十分必要�？衫酶哽`敏度的納米傳感器對(duì)大壩的滲流、變形等進(jìn)行監(jiān)測(cè)，采集數(shù)據(jù)、對(duì)比分析，為工程壽命診斷結(jié)果的客觀性及準(zhǔn)確性提供依據(jù)； 或者通過(guò)微觀診斷技術(shù)對(duì)工件內(nèi)物質(zhì)的損壞情況進(jìn)行診斷。
3. 2 工程效益層面
由于水利水電工程自身功能特性，應(yīng)將水利水電工程壽命分為使用壽命和存在壽命，使用壽命才是其存在的價(jià)值所在[4].因?yàn)楹馁M(fèi)那么多人力、物力、財(cái)力修建水利水電工程的目的就是為了防洪、發(fā)電、灌溉等，當(dāng)水利水電工程的這些功能不再正常運(yùn)轉(zhuǎn)，出現(xiàn)工程效益無(wú)法發(fā)揮或效益受損降低且無(wú)法修復(fù)，或經(jīng)綜合分析后修繕加固的費(fèi)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出工程效益，亦或有引起下游嚴(yán)重災(zāi)害的失事風(fēng)險(xiǎn)，即失去了使用價(jià)值時(shí)，應(yīng)予以拆除或不再投入使用。
3. 3 生態(tài)影響層面
任何的發(fā)展都是需要付出代價(jià)的，一方面水利水電工程具有防洪、灌溉、發(fā)電等社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，一方面又給生態(tài)環(huán)境帶來(lái)了一定的負(fù)面影響，但這些影響是能夠加以控制的。因此，我們?cè)趯?duì)水利水電工程壽命進(jìn)行診斷、評(píng)估時(shí)，其與生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展也應(yīng)包含在內(nèi)。
（1） 耕地占用。水利水電工程規(guī)模巨大，占地面積廣，修建時(shí)往往需要將選址地的居民全部遷移，因此，應(yīng)當(dāng)保證將其遷移至可以重新發(fā)展生產(chǎn)的地方。
�。�2） 是否會(huì)引起地質(zhì)災(zāi)害。大型水庫(kù)修建完成之后，地殼會(huì)因大體積水體的沖擊力導(dǎo)致地應(yīng)力增大，可誘發(fā)高地應(yīng)力、地震多發(fā)區(qū)和活動(dòng)地質(zhì)構(gòu)造處發(fā)生地震。
�。�3） 泥沙淤積問(wèn)題。上流水位提高和河流寬度增大會(huì)導(dǎo)致水流速度變緩，降低其攜帶沙子的能力，當(dāng)泥沙積累到一定程度就會(huì)出現(xiàn)河流淤積，清水下泄，降低排洪能力，對(duì)下游河床和防洪堤產(chǎn)生沖刷的作用力，就像三門(mén)峽水庫(kù)對(duì)渭河產(chǎn)生影響一樣。因此對(duì)工程壽命進(jìn)行診斷評(píng)估時(shí)要對(duì)損失進(jìn)行分析或改變運(yùn)行方式，盡量將災(zāi)害最小化。
�。�4） 破壞水生動(dòng)植物生存環(huán)境。修建水庫(kù)會(huì)對(duì)藻類(lèi)的生長(zhǎng)環(huán)境造成破壞，影響水的自?xún)裟芰Γ?水庫(kù)蓄水，一則引起水溫結(jié)構(gòu)變化，對(duì)生物的繁衍生息造成影響，一則減小下游水量，甚至引起斷流，破壞下游生物生存環(huán)境。
圍繞工程效益和生態(tài)環(huán)境評(píng)估，我們可以采用四層生存診斷模型和退役評(píng)估理論對(duì)水利水電工程壽命進(jìn)行綜合評(píng)估。
4 結(jié)束語(yǔ)
水利水電工程對(duì)于國(guó)民生活安定和國(guó)家的經(jīng)濟(jì)繁榮具有重要作用，國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展后也逐漸加大對(duì)水利水電工程建設(shè)和修繕加固的投入力度，但因?yàn)槠渚哂泄こ塘看�、施工�?fù)雜、建設(shè)周期長(zhǎng)、成本高、對(duì)生態(tài)環(huán)境有影響等特點(diǎn)，必須重視起工程壽命問(wèn)題，加強(qiáng)對(duì)水利水電工程壽命診斷理論和方法進(jìn)行深入探索和研究。
參考文獻(xiàn)：
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