郑州大学-水利科技发展趋势

null水利科技发展趋势水利科技发展趋势李 宗 坤 教授/博导郑州大学 水利与环境学院主要内容主要内容第一部分：水工建筑新技术 第二部分：防洪减灾 第三部分：农村水利 第一部分 水工建筑新技术第一部分 水工建筑新技术主要内容 引言 水工结构的发展历程 碾压砼坝 砼面板堆石坝 堤防工程 水工结构研究的热点问题1.1 前言1.1 前言 20世纪70年代开始，国家科委和水利电力部把水利水电工程建设的关键技术难题列为国家科研计划项目。此后经过“五五”、“六五”、“七五”、“八五”、“九五”5次科技攻关，我国筑坝技术取得了很大发展；尤其在碾压砼坝、面板堆石坝、高拱坝、抽水蓄能电站建设技术等方面取得了重大进展。 1.1 前言1.1 前言“五五”期间 主要针对葛洲坝建设中出现的技术难题，组织科研力量，建立了北京、武汉、南京、宜昌等科研基地，进行了大量的实用技术和超前储备技术的研究，完成了大批高水平的科研成果，为葛洲坝工程的顺利建设及三峡工程的科学决策提供了依据。 1.1 前言1.1 前言“六五”、“七五”期间（1986－1990） 把高土石坝的关键技术、深厚覆盖层基础上的建筑技术，大型地下洞室快速技术与围岩稳定和支护技术，复杂地基的勘探与基础处理的设计，施工技术，高土坝原型观测和土工离心模型试验技术等方面列为国家科技攻关项目，研究工作结合天生桥一级水电站（坝高178m）和鲁布革水电站（坝高101m）两堆石坝的设计和施工进行，取得一批高水平的成果，为坝高160m的黄河小浪底斜墙堆石坝和坝高186m的瀑布沟水电站心墙堆石坝的设计提供了依据。 1.1 前言1.1 前言“八五”期间 在高砼拱坝的设计新理论和计算方法，包括高强度，大体积砼材料及其力学性能方面，结合当时兴建的二滩水电站拱坝（坝高240m）和李家峡水电站拱坝（坝高165m）的设计工作，取得了可喜成果。 1.1 前言1.1 前言进入21世纪后 全世纪面临着水问题的空前挑战。我国作为和平崛起的大国，正处于全面建设小康社会的关键时期，然而，受人类活动与气候变化的影响，我国面临着水资源短缺、水环境恶化、水灾害频繁、水土流失加剧等问题，已经成为全社会的共识，应对水危机的严峻挑战，必然要遵循科学治水的原则，需要科学技术的强大支持。因此，加速发展水利科技不仅是水利建设的需要，也是我国经济社会发展的需要。 水问题涉及很广，下面仅介绍水工结构工程的发展。1.2 水工结构的发展历程1.2 水工结构的发展历程水工结构是研究各种水工建筑物型式、强度和稳定性以及重要性评价的一门综合性工程学科，涉及面极为广泛，就水工建筑物本身而言，也是种类繁多，各有特色。这里仅选择具有“水工”特色的“坝”作为代表给予介绍。 从材料与结构的角度看，无论何种水工建筑物，最终总可以划规砼结构或土石结构。 主要内容 综述 大体积砼的温度应力及其控制1.2.1 综述1.2.1 综述(1) 水工建筑物的发展历程 古代： 公元前2900年，古埃及在尼罗河上建造了一座15m，长240m的挡水坝。 春秋战国时期，中国就在黄河下游沿岸修建堤防，经历代整修加固，形成了长约1500km的黄河大坝。 公元前256～251年，兴建并沿用至今的岷江都江堰工程，利用鱼嘴分水，飞河堰泄洪、排沙，宝瓶水饮水，充分发挥了调节与控制水流的作用，工程布置之巧妙、合理，堪称是一件科学与艺术结合的精品。 1.2.1 综述1.2.1 综述(1) 水工建筑物的发展历程 20世纪： 坝工建设的高峰期 最大坝高已达335m（前苏联、罗拱坝） 西方发达国家大型水利水电工程建设已基本结束，水电能源的开发已接近饱和，如法国、瑞士水力资源的开发程度（已开发量/可开发量）已近100％，德国、瑞典、挪威、意大利、日本已分别达到80％～90％，美国和加拿大已接近70％～80％。 我国的开发率按电量算至今仍不够20％。1.2.1 综述1.2.1 综述(1) 水工建筑物的发展历程 21世纪： 建设高峰在中国 三峡水利枢纽 坝高181m，坝全长2309m，总库重393亿m3，总装机1820万kw，年发电量847亿kw.h，双线五级船闸。我国自己设计、自己施工。nullnullnullnullnull1.2.1 综述1.2.1 综述二滩发电站 位于四川雅砻江上，双曲拱坝，坝高240m，是目前我国已建成的最高拱坝，世界第三高双曲拱坝，装机6×55万kw，地下厂房。 我国设计、中外联合施工。null二滩水利枢纽null二滩水利枢纽1.2.1 综述1.2.1 综述小浪底水利枢纽 土坝高154m，全长1667m，坝基为砂砾石覆盖层，厚30～40m，最高处达80m左右。左岸砂页岩体内形成洞群、塔群，地质条件复杂，技术难度大，堪称世界之最 该工程中美联合设计、中外联营体施工。null1.2.1 综述1.2.1 综述(2) 坝工建设的发展趋势 A: 坝型选择方面 随着大型施工机械的发展，碾压混凝土坝和面板堆石坝有着明显的优势，可以缩短工期、提前发挥效益。 我国已建50m以上的碾压混凝土坝28座，全世界已建的碾压混凝土坝209座，我国占19.1％位居第一，日本占17.2％位居第二。我省有石漫滩。 1.2.1 综述1.2.1 综述(2) 坝工建设的发展趋势 A: 坝型选择方面 混凝土面板堆石坝是20世纪60年代末重新崛起的坝型，我国已建成的有70多座，坝高100m以上的有30多座。河南盘石头105m，规划中的河口村水电站，砼面板坝高180m。 1.2.1 综述1.2.1 综述(2) 坝工建设的发展趋势 B: 建坝高度 越来越高，趋向200～300m级，如在建的和设计中的高坝有小湾（292m）、拉西瓦（250m）、西洛渡（273m）、锦屏一级（303m）、白鹤滩（275m）、虎跳峡（278m）。1.2.2 大体积砼的温度应力及其控制1.2.2 大体积砼的温度应力及其控制(1) 大体积砼裂缝的成因及防裂措施 大体积砼裂缝是常见的，难以避免的，“无坝不裂”。 A: 裂缝种类（按其深度不同分） 贯穿裂缝：破坏结构的整体性和稳定性，危害大； 深层裂缝：部分地切断结构面，有一定危害性； 表面裂缝：危害性小，但会发展成深层或贯穿裂缝。 1.2.2 大体积砼的温度应力及其控制1.2.2 大体积砼的温度应力及其控制(1) 大体积砼裂缝的成因及防裂措施 B: 成因—温度应力 由于水泥水化热的作用，砼内部温度急剧上升，此时砼弹性模量小，徐变度大，升温引起的压应力不大；在后期砼逐步冷却，温度降低时，弹性模量比较大，徐变小，在一定约束下会产生较大的拉应力。如：三峡，岩基上的闸墩。 砼抗拉强度一般仅为抗压强的1/10。1.2.2 大体积砼的温度应力及其控制1.2.2 大体积砼的温度应力及其控制(1) 大体积砼裂缝的成因及防裂措施 C: 防裂技术 砼结构内出现大的裂缝，通过修补很难恢复结构的整体性，主要是预防为主。 ①结构形式： 浇筑分缝分块尺寸控制在15m×15m；约束越强，分缝间距应越小。 1.2.2 大体积砼的温度应力及其控制1.2.2 大体积砼的温度应力及其控制(1) 大体积砼裂缝的成因及防裂措施 C: 防裂技术 ②材料配合比设计： 选择极限拉应力变大，水化热低，收缩变形小的配合比。 加添加剂（如Mgo微膨胀砼），用在大坝的强约束部位，微膨胀会在一定程度上补偿温度收缩，达到温控防裂目的。1.2.2 大体积砼的温度应力及其控制1.2.2 大体积砼的温度应力及其控制(1) 大体积砼裂缝的成因及防裂措施 C: 防裂技术 ③温度控制： 控制三个温差（基础温差、内外温差、上下层温差）。这三个温差都与砼内部的最高温度有关； 控制砼内部温度:入仓温度、冷却； 减小内外温差：表面保温（外贴保温板、喷涂泡沫保温材料等）。 1.2.2 大体积砼的温度应力及其控制1.2.2 大体积砼的温度应力及其控制(2)温度场和温度应力的仿真分析 仿真计算----系指用数值算法（通常为有限元法）模拟砼坝分块分层的浇筑过程及竣工后几十乃至数百年的运行过程，计算坝内温度场，应力坝的时空分布与变化。计算1.2.2 大体积砼的温度应力及其控制1.2.2 大体积砼的温度应力及其控制要考虑的因素： 环境要素：气温、水温、水位、风速、云量、日照 施工进度：各块各层的浇筑日期，浇筑层厚 温控措施：砼浇筑温度、水管冷却、表面保温、层面洒水、喷雾、养护 坝体结构：分缝分块、孔洞 材料特性：材料分区、各种热学参数与力学参数1.2.2 大体积砼的温度应力及其控制1.2.2 大体积砼的温度应力及其控制(3) 今后的研究课题 砼坝的实际温度场、应力场的时空变化极其复杂，尽管工程中采取严格控制措施，裂缝仍然难以避免，仿真分析还局限于假定条件之下的预测分析，难以反映实际施工时的真实情况。 因此，进一步研究与改进计算方法，开发能对实际施工过程进行跟踪，反馈与实时仿真分析软件系统，以指导施工和调整施工措施，确保工程质量，是温度应力和温度控制领域今后研究的课题。 1.3 碾压砼坝1.3 碾压砼坝发展概况 碾压砼坝的特点 碾压砼的施工特点 高碾压砼重力坝的层面抗滑稳定 尚待解决的问题null1.3.1 发展趋势1.3.1 发展趋势20世纪20年代末，碾压砼经常用于高速公路路 基和机场路面，当时被称为贫砼，干贫砼。 1941年首次建议将碾压砼用于大坝施工。 1960～1961年碾压砼首次用于围堰施工，台湾石门大坝。 1961～1980 理论上不断发展，大量室内试验对碾压砼材料进行了全面研究。1.3.1 发展趋势1.3.1 发展趋势20世纪80年代开始，进入正式筑坝阶段 1981年，日本建成89m高的 岛地川RCD重力坝 1982年，美国建成52m高的全碾压的RCC重力坝――柳溪坝 我国第一座RCC坝：1986年建成的福建坑口水电站坝，H=56.8m。 1.3.1 发展趋势1.3.1 发展趋势 世界总数：250余座 其中我国45座（50m以上28座），居世界第一，日本第二。目前建设情况：最高坝：拱坝129m （中国） 重力坝192m （龙滩RCC坝 ，中国）1.3.2 碾压砼坝的特点1.3.2 碾压砼坝的特点优点： 施工速度块（对高坝，每周可实现垂直上升2.5m～3.0m，低坝的速度更快），采用碾压方法。 设备利用率高，如卡车，推出机，震动碾等。 施工费用低（造价低）。 不设纵缝，减少了模板用量，提高了安全性。 砼中水泥用量少，60～90㎏/m3，可降低温度应力。null施工机械－－自卸汽车null推土机履带式推土机null小型挖机履带式液压挖掘机null震动碾1.3.2 碾压砼坝的特点1.3.2 碾压砼坝的特点缺点： 抗裂能力低，坝体降温速度慢（粉煤灰使水化热散发推迟）。 沿层面抗剪性能低，抗渗性能差，层面扬压力大，高RCC坝的抗滑稳定不满足要求。 由大量试验和计算分析得知，当坝高不超过82m，层面抗滑稳定安全系数K≥3.00，满足要求；当H＞100m时，层面抗滑稳定可能成为设计控制因素。1.3.3 碾压砼的施工特点1.3.3 碾压砼的施工特点(1)RCC配合比 ： A.低水泥（60~90㎏/m3） B.高粉煤灰掺量（90~110㎏/m3） 由于掺粉煤灰致使砼早期强度降低，设计一般采用90d强度作为标准；而对耐久性的影响，尚需进一步研究。 1.3.3 碾压砼的施工特点1.3.3 碾压砼的施工特点(2)运输 运输速度快，要求连续性，自卸汽车和皮带运输较为常用，自卸汽车进入仓面前要求对轮胎进行清洗。 (3)碾压 每层厚30cm左右 初凝前铺一层砼（提高层间抗剪强度） 层间间歇时间<200℃·h 1.3.3 碾压砼的施工特点1.3.3 碾压砼的施工特点(4)变态砼的采用 靠近模板处20～100cm采用变态砼（加水泥或粉煤灰使干硬性砼变成坍落度为4cm±1cm的流态砼，用手持振捣棒振捣密实），以提高浇筑质量。1.3.4 高碾压砼重力坝的层面抗滑稳定1.3.4 高碾压砼重力坝的层面抗滑稳定(1)坝越高、安全系数K越小 建基面由f’(层面抗剪断强度，一般f’=1.0)和C’(C’=1.0MPa)产生的总抗力与坝高（水头h）为近似线性关系，而大坝受到的总的水推力H与h2成正比。对一个典型的三角形重力坝进行各层面抗滑稳定计算得h与K的关系见下表：1.3.4 高碾压砼重力坝的层面抗滑稳定1.3.4 高碾压砼重力坝的层面抗滑稳定由上页表见，当坝高不超过82m，层面抗滑稳定安全系数k≥3.00，满足规范要求。实际重力坝比三角形坝多以部分坝顶砼，故可近似认为，RCC重力坝坝高超过100m时，层面抗滑稳定可能成为实际控制因素1.3.4 高碾压砼重力坝的层面抗滑稳定1.3.4 高碾压砼重力坝的层面抗滑稳定(2)层面抗滑增稳措施 A. 常规砼底座 在RCC重力坝的底部，用常规砼垫底。但不宜太厚，一般为2~3m。 B. 加大断面 国外一些高坝采用过加大断面的增稳措施，这使RCC坝工程量显著增大，但在坝下部适当改变上游坝面坡比，尚不失为可选对策。1.3.4 高碾压砼重力坝的层面抗滑稳定1.3.4 高碾压砼重力坝的层面抗滑稳定(2)层面抗滑增稳措施 C．提高RCC层面抗剪强度 优化配合比和改进施工工艺可提高RCC层面的C’值。当坝高高达200m，要满足K=3时，C’应为2.5MPa 但此时要求RCC胶凝材料用量大于180kg/m3，且层面需进行处理，这对大面积施工的RCC难度相当大。 D． 减少层面上的杨压力 在一定高程以下，上下游面附近各做一排排水孔幕。1.3.4 高碾压砼重力坝的层面抗滑稳定1.3.4 高碾压砼重力坝的层面抗滑稳定(3)上游面防渗措施 A. “金包银”结构 在上下游面设一层深度厚2~3m的常规砼，以减少渗流量，减少层面扬压力，增加层面综合抗剪强度。 但施工麻烦，面层砼易出现裂缝。 B．沥青砂浆防渗层 适宜气候温暖的南方 C. 钢筋砼面板 D. 上游面采用二级配富胶结材料，并在层面加铺厚1~1.5cm水泥粉煤灰浆。1.3.5 尚待解决的问题1.3.5 尚待解决的问题A. 温控 虽然RCC水泥含量少，水化热低，但因其施工速度快，散热慢。 据分析，龙滩（H=192m，RCC＝339万m3，砼总量532万m3）自然冷却到常温需要50年时间。普定拱坝（H=75m）完工5年后裂缝仍在生成和发展。 施工期的温控和温度应力分析研究的是RCC高坝尚待解决的关键问题。1.3.5 尚待解决的问题1.3.5 尚待解决的问题B. 改进材料的配合比 水泥用量少，强度高，尤其层间接缝的粘结强度的提高。 C. 研究坝体温度应力仿真计算方法，控制坝体裂缝的产生和发展。 D. 开发新的监控仪器，改进施工质量监控方法。 E. 改进坝体的构造设计，便于碾压施工。1.4 砼面板堆石坝1.4 砼面板堆石坝主要内容 发展趋势 面板堆石坝的优点 坝体结构 关键技术问题null西北口面板堆石坝，坝高95m1.4.1 发展趋势1.4.1 发展趋势第一阶段：（1985~1940年）为期90年 特点： 堆石采用抛填式施工，块石抛落高度高达50m，利用落石动力获得一定的堆石密实度。 防渗体为刚性：砼、刚面板、木板。 堆石区与面板之间设干砌石过渡区（3～5m） 高度：25m发展到100m 堆石体密度小，后期变形大，面板裂缝现象普遍。1.4.1 发展趋势1.4.1 发展趋势第二阶段：（1940～1960年） 土力学理论发展（太沙基理论） 特点： 土料作为防渗体 适应堆石体变形的能力好 如：A:因兰德（Inland）斜墙堆石坝 B:斯蒂文斯（stevens）心墙堆石坝1.4.1 发展趋势1.4.1 发展趋势缺点： 坝址附近必须有优质量大的粘性土 坝坡较缓，坝体工程量大 粘性土的填筑碾压受气候影响大 1.4.1 发展趋势1.4.1 发展趋势第三节阶段：（1960年以后）振动碾的问世 特点： ①堆石体的密实度和变形模量大大增加 ②裂缝、漏水现象减少 ③应力应变非线性有限元分析方法创立 ④面板浇注中滑模技术采用 ⑤该坝型发展迅速 ⑥工程量减少，工期短，造价低1.4.1 发展趋势1.4.1 发展趋势如： 1966年美国建成的新埃克斯奇格（new exchegner）坝，H=100m 1971年澳大利亚建成的塞萨纳（Cechana）坝 1980年巴西建成的阿利亚河口坝（H=160m） 1981年中国建成湖北西北口坝（H＝95m）1.4.2 面板堆石坝的优点1.4.2 面板堆石坝的优点A. 抗滑稳定性好 水荷载→面板→坝体，整个堆石坝重量及面板上部分水重抵抗水压；分层碾压的堆石密实度高，抗剪强度大。 坝坡1:1.3或1:1.4，对应坡角37.6°或35.5°，接近松散抛填堆石的自然休止角，大大低于碾压堆石的内摩擦角（大于45°），故大多数堆石坝不做稳定分析。1.4.2 面板堆石坝的优点1.4.2 面板堆石坝的优点坝坡陡，断面小，枢纽布置紧凑。 透水性好，抗震性能强。 排水性好，处于无水状态，地震时不会产生孔隙水压力，不会液化或坝坡失稳。 施工导流方便，坝体可过水。 施工受雨季影响小，可分期施工。null坝面碾压1.4.3 坝体结构1.4.3 坝体结构混凝土面板堆石坝主要由堆石体和防渗系统组成1.4.3 坝体结构1.4.3 坝体结构1、堆石体 垫层区 过渡区 主堆石区 次堆石区1.4.3 坝体结构1.4.3 坝体结构nullnull1.4.3 坝体结构1.4.3 坝体结构2、防渗系统 由钢筋砼面板、趾板、趾板地基的灌浆帷幕、周边缝和面板间的接缝止水组成。 1.4.3 坝体结构1.4.3 坝体结构2、防渗系统 A:面板 位于堆石坝体上游面起防渗作用的混凝土结构 。 应根据坝体变形及施工条件进行面板分缝分块。垂直缝的间距可为12～18m。1.4.3 坝体结构1.4.3 坝体结构2、防渗系统 A:面板 在两坝肩附近的面板应设张性垂直缝（A缝）其余部分的面板设压性垂直缝（B缝）。张性垂直缝的数量可根据地形地质条件参照工程经验或有限元计算确定。两岸垂直缝在距周边缝法线方向约0.6～1.0m范围内，应垂直于周边缝布置成折线形式。 null施工机械－－振动碾nullnullnull1.4.3 坝体结构1.4.3 坝体结构2、防渗系统 B:趾板： 连接地基防渗体与面板的混凝土板。保证面板与河床及岸坡间的不透水连接，同时是基础帷幕的盖板和滑模施工的起始工作面 。 岩基上趾板厚度可小于与其连接的面板厚度，最小设计厚度应不小于0.3m。高坝底部趾板厚度应不小于0.5m，可按高程分段采用不同厚A度。 1.4.3 坝体结构1.4.3 坝体结构2、防渗系统 B:趾板： 趾板下游面垂直于面板底面的高度应不小于0.9m。 趾板一般可不作稳定分析。厚度超过2m时，需进行稳定和应力分析。趾板稳定分析用刚体极限平衡法。计算中不计趾板锚筋作用及面板与趾板之间的传力。堆石压力只能考虑堆石的主动压力，或考虑面板下的堆石在面板承受水库压力后产生的侧向压力。null1.4.3 坝体结构1.4.3 坝体结构C：接缝止水 周边缝应设置止水。底部止水铜片应选为最基本的防渗线，中部Pvc或橡胶止水片及顶部止水视情况选用。顶部止水系统一般由柔性填料、粉细砂(或粉煤灰)等材料构成，可以是其中的一种止水材料，也可以是柔性填料和无粘性材料两种止水材料。低坝和50m以下中坝可以只采用一道底部止水。中坝及100m以下高坝宜设置底、顶部两道止水。100m以上的高坝宜选用底、顶部两道止水，或底、中、顶部三道止水。 null1.4.3 坝体结构1.4.3 坝体结构注意事项： 面板水平施工缝须用钢筋穿过，应不设止水。 趾板伸缩缝可采用铜片、PVC或橡胶片止水，并应与周边缝止水构成封闭系统。 防浪墙与面板的水平接缝，宜设置底、顶部两道止水。 1.4.3 坝体结构1.4.3 坝体结构注意事项： 中间与顶部止水均应与相接缝的底部止水连接形成封闭结构；周边缝PVC止水带宜用夹具与垂直缝处的底部止水连接；周边缝柔性止水可用柔性填料塞与垂直缝的底部止水连接。止水面膜宜粘结或压结，固定在面板上。 寒冷地区在水位变动区不应采用角钢、膨胀螺栓作为柔性填料面膜的止水固定件，宜采用粘结材料，以避免遭到冻胀的破坏而失去其固定作用。 混凝土防渗墙与连接板之间的接缝止水，应按周边缝止水设计。null1.4.4 关键技术问题1.4.4 关键技术问题(1)后期变形----流变与湿化变形 A. 流变的危害及原因 原因： 在荷载作用下随时间持续，块石软化而发生破碎、接触点的破损、颗粒的重新排列等原因引起变形。 危害：堆石料变形对砼面板危害大，可导致周边缝止水破坏和产生裂缝。1.4.4 关键技术问题1.4.4 关键技术问题(1)后期变形----流变与湿化变形 B． 湿化变形 堆石料在初次蓄水时会由于浸水而发生附加变形，会导致坝体的沉降和向下游的水平位移增加，有时会引起严重后果。 如：墨西哥的英菲尔尼罗心墙堆石坝高148m，首次快速蓄水时上游堆石突然湿陷，坝面形成长90m，宽40~60m的纵向裂缝。1.4.4 关键技术问题1.4.4 关键技术问题(2)面板堆石坝中的接触面问题 面板与垫层是两种不同的材料，容易形成位移的不连续，致使接触发生较大的变形和应力集中，成为薄弱环节。1.4.4 关键技术问题1.4.4 关键技术问题(3)深覆盖层上的砼面板堆石坝 我国西部地区有许多河流有深层覆盖层，将面板堆石坝趾板建置于覆盖层上，以连接板将坝基砼防渗墙与砼面板连接起来，形成完整的防渗体，是一种安全而又经济的解决。 这种坝型的关键是查清覆盖层的组成和结构，有没有软土或易液化的夹层。1.5 堤防工程1.5 堤防工程主要内容 概述 堤防防渗与稳定 堤防工程的加固技术 堤防工程安全性评价1.5.1 堤防工程概述1.5.1 堤防工程概述堤防是河流中下游地区防洪的主要设施。我国筑堤防洪已有千余年历史，历代修筑的各级堤防长达27万km，其中长江堤防总长达3万km，中下游主干堤防3600km。 堤防质量参差不齐，地基条件复杂，河岸多为二元结构，即上部为相对不透水的粉土和粘性土层，下部为透水的砂层或砂砾层。高洪水位下，背水一面堤后地基极易发生渗透破坏，堤身渗漏和散浸也时有发生。 1.5.2 堤防防渗与稳定1.5.2 堤防防渗与稳定对土坡的稳定、变形、渗透及其引起的破坏问题国内外学者已经进行了长期系统的研究，但多集中于天然土坡和土石坝，尽管它们对于堤防工程有重要的参考价值，但针对堤防工程的特殊性和复杂性的研究相对薄弱。 1.5.3 堤防工程的加固技术1.5.3 堤防工程的加固技术(1) 垂直防渗设施 深层搅拌水泥防渗墙技术，将地基土作为墙体的主要材料，使垂直防渗墙造价大大降低 等水法、拉槽法修建房壁砼墙技术，提高工作效率。 (2)减压井技术 减压井造价低，又不影响地下水环境，是防止管涌的有效措施，但淤堵问题长期以来一直影响着这一技术的推广。 近年新型产品问世解决这一问题，可拆卸，冲洗和更换。 1.5.4 堤防工程安全性评价1.5.4 堤防工程安全性评价堤防工程安全性评价最近几年才引起重视，堤防工程的技术分析、风险评估和安全性评价已成为今后堤防工程科学管理的发展方向。 (1)评价指标体系 包括堤防及地基土层的地质特点，外力条件和受灾历史、工程措施和非工程措施等。 划分为四级：优（安全性高），良（安全性较高），中（安全性较低），差（安全性低）1.5.4 堤防工程安全性评价1.5.4 堤防工程安全性评价(2)评价方法 确定社会能接受的安全性标准———堤防工程的风险分析 测试和评价结构物强度的方法———单项工程的安全评价 确定和评价水力边界（荷载）的方法 堤防工程的安全性综合评价1.6 水工结构研究的热点问题1.6 水工结构研究的热点问题(1)大体积砼结构 应力与开裂 温度应力与控制措施 高砼坝的抗震 水工新材料水工结构的科学计算 1.6 水工结构研究的热点问题1.6 水工结构研究的热点问题2、土石结构 土的本构模型 非线性（复杂应力状态河加载序列） 非饱和土 高土石坝的抗震分析 土石坝的数值分析： 本构模型 渗流第一部分完第二部分 防洪减灾第二部分 防洪减灾主要内容 现状 国内外防洪减灾领域发展的总趋势 重大突发性洪水灾害的应急管理2. 1 防洪减灾现状2. 1 防洪减灾现状 提到“防洪减灾”大家并不陌生，回顾过去50年，我国大规模兴建水库、修筑提防、政治河道、开辟蓄洪区等，形成了前所未有的防洪除涝工程体系，为20世纪人类社会的繁荣和发展发挥了重要的支撑和保障作用。2. 1 防洪减灾现状2. 1 防洪减灾现状这一时期，围绕着防洪工程的大规模建设，主要研究大型防洪枢纽工程的规划理论、设计规范、计算方法、建造技术、洪水预报调度的理论与技术等，治水理念主要是如何“控制洪水”。支撑水利科技发展的基础学科以自然科学中的理、工科为主。2. 1 防洪减灾现状2. 1 防洪减灾现状到了21世纪，全社会强调以人为本、可持续发展、人与自然和谐等，人们对防洪工程体系合理布局、科学调度运用、更可靠的风险分担模式等要求大为提高，治水理念也由“控制洪水”转向“洪水管理”，逐步规范人类自身调控洪水的行为，并且努力增强自身适应及承担洪水风险的能力。 2. 2 国内外防洪减灾领域发展总趋势2. 2 国内外防洪减灾领域发展总趋势在历史时期，我国的防洪与世界各国一样，多是依靠建设单一的防洪工程，或堵或疏，以保护局部重要的地区。 近代，随着水利科学工程技术的发展，人类开始以河流整体为对象，规划建设由大坝、堤防、蓄滞洪区、控导工程等构成的流域防洪工程体系，同时又逐步建立了水情测报、洪水预报、防洪调度、防洪指挥等非工程系统，为战胜历年的洪水灾害发挥了重要作用。2. 2 国内外防洪减灾领域发展总趋势2. 2 国内外防洪减灾领域发展总趋势然而，随着全球人口的快速增长，人水争地想象加剧，以往天然调蓄洪水的洪泛区土地被广泛开发利用，洪泛区中人口、资源密度急速加大，使及全球的水灾依然呈现上升趋势。2. 2 国内外防洪减灾领域发展总趋势2. 2 国内外防洪减灾领域发展总趋势今天，在防洪减灾领域，人们思考的问题与追求的目标，已经不在局限于局部地区如何保障防洪安全，减少生命财产损失，维护社会安定与经济的平稳发展，而是深入探讨如何更为合理地处理区域之间、人与自然之间基于洪水风险的厉害关系，争取整体与长远的更大利益，在保障生命安全、减轻财产损失的前提下，通过承受适度分险与洪水资源化等途径来保障供水安全、粮食安全与水生态环境安全，促进经济、社会、环境的协调和可持续发展。2. 2 国内外防洪减灾领域发展总趋势2. 2 国内外防洪减灾领域发展总趋势展望新世纪的发展要求，国内外防洪减灾发展的总趋势为： (1)从“人定胜天”到“追求人与自然的和谐” 在20世纪中，凭借不断增强的工程技术手段，人类曾以“人定胜天”的豪迈气魄去征服自然，让“山山水水听安排”。2. 2 国内外防洪减灾领域发展总趋势2. 2 国内外防洪减灾领域发展总趋势(1)从“人定胜天”到“追求人与自然的和谐” 然而，“洪水灾害是不可避免的”，“根治洪水”或“消除洪水”是不可能的，也是没有必要的。因为洪水“虽然有为害的一面”，但也有补给两岸地下水和湖泊洼地的水源、塑造河床、稀释污水等作用。 从长远发展考虑，既要适当控制洪水、改造自然，又要适应洪水、与自然和谐共处。 2. 2 国内外防洪减灾领域发展总趋势2. 2 国内外防洪减灾领域发展总趋势(2)从“工程防洪”到“工程与非工程措施有机结合” 以往兴建防洪工程体系，主要是为了防御控制河道洪水。实践表明，单靠工程措施防洪，人与自然之间难免陷入恶性互动的关系。 因此，只有更为理性地规范人类调控洪水的行为，并且努力增强自身适应及承受洪水风险的能力，才能实现人与自然和谐共处。 从"控制洪水”转向“洪水管理”已成为当代防洪战略转移的重要标志和必然趋向。2. 2 国内外防洪减灾领域发展总趋势2. 2 国内外防洪减灾领域发展总趋势(3)从“万无一失”到“风险抉择” 以往为了减轻水灾损失，以工程手段防御既往最大洪水；或者限制洪泛区的经济发展，减少其中的人口和资产，即使淹了也没多大损失。2. 2 国内外防洪减灾领域发展总趋势2. 2 国内外防洪减灾领域发展总趋势(3)从“万无一失”到“风险抉择” 洪水风险管理是介于这两个极端之间的抉择，是考虑如何将受淹范围，几率，水深与淹没持续时间控制在可承受的限度之间，并进一步减少水灾的损失。2. 2 国内外防洪减灾领域发展总趋势2. 2 国内外防洪减灾领域发展总趋势(3)从“万无一失”到“风险抉择” 另外，洪水风险管理区分了固有风险与附加风险，要求以立法的形式建立相应的风险分担和风险补偿机制。如：城市防洪建设标准高，安全保障范围不断扩大，周边农村的洪水风险必然加大，容易形成城乡对立的矛盾。洪水的风险管理要求城市本身也要消化有限的风险，同时对于风险加大了的周边农村建立其公平的补偿机制。2. 2 国内外防洪减灾领域发展总趋势2. 2 国内外防洪减灾领域发展总趋势(4)从河道防洪到流域综合治理 即从河道控制工程的“点”与河流堤岸的“线”的管理模式，转向制定整个流域（包括洪泛区）的防洪减灾规划和洪水风险图，以指导整个流域的建设。 (5) 从“大灾之后才有大治”到“建立稳定的投入机制” 保障规划的科学性和实施计划的合理性。2. 2 国内外防洪减灾领域发展总趋势2. 2 国内外防洪减灾领域发展总趋势(6) 提高防洪减灾手段的科技含量 防汛指挥决策科学化水平与应急反应能力的提高，对于洪水仿真模拟、情景分析、遥感、地理信息系统、全球定位系统、数据库、计算机网络、现代化通讯等新技术的运用提出了更高的要求。如：洪水监测、预报、预警、调度与灾情评估，防洪工程体系的隐患监测、安全评价、除险加固以及风险分析，情景分析与决策支持等方面都是高新技术的运用。 2. 3 重大突发性洪水灾害的应急管理2. 3 重大突发性洪水灾害的应急管理目前，对于流域性超标准特大洪水的调控能力明显不足，仍会对社会造成冲击性的影响。 对与稀遇特大洪水，应该看作是不确定事件，对其进行概率统计型的风险分析，意义已经不大。应急管理和风险管理有明显的不同，如下表:2. 3 重大突发性洪水灾害的应急管理2. 3 重大突发性洪水灾害的应急管理应急管理与风险管理2. 3 重大突发性洪水灾害的应急管理2. 3 重大突发性洪水灾害的应急管理应急管理的重点是： (1)流域性超标准特大洪灾——应急管理研究（应急预案、减灾对象） (2)恶性水库溃坝事件——溃坝减灾防护技术研究（溃坝洪水风险分析模型、安全监测新技术、大坝安全评价方法、溃坝应急管理机制） (3)暴雨山洪灾害与台风风暴灾害风险评价、灾害的监测、预报、预警系统。 2. 3 重大突发性洪水灾害的应急管理2. 3 重大突发性洪水灾害的应急管理总之，在防洪减灾领域，人们思考的问题与追求的目标，已经不再局限于局部地区如何保障防洪安全，减少生命财产损失，维护社会安定和经济的平稳发展，而是深入探讨如何更为合理地处理区域之间、人与自然之间基于洪水风险的厉利害关系争，取整体与长远的更大利益，在保障生命安全、减轻财产损失的前提下，通过承受适度风险与洪水资源化等途径来保障洪水安全、粮食安全和水生态环境安全，促进经济、社会、环境的协调和可持续发展。第三部分 农村水利第三部分 农村水利 农田水利（服务于农田灌溉事业）—— ——农村水利（服务于农田灌溉事业、牧区灌溉、农村生活及生产供水和农村生态环境保护与建设。） 主要内容 农业节水 灌区管理现代化3.1 农业节水3.1 农业节水(1) 发达国家农业节水的几个发展阶段： 第一阶段：建立完善的输水系统，提高输水效率，减小水量损失； 第二阶段：采用先进的灌水技术（喷灌、微灌、地面灌溉），改进农业栽培、耕作等农艺节水技术，提高作物的水分利用效率。 第三阶段：利用生物节水（选育水分利用效率高的作物品种），作物耗量控制灌溉，达到节水系统的科学管理。3.1 农业节水3.1 农业节水(2)农业节水的4个基本环节： A. 减少渠系（管道）输水过程中的水量蒸发和渗漏损失，提高灌溉水的输水效率。 B. 减少田间灌溉过程中水分的深层渗漏和地表流失，提高灌溉水的利用率，减少单位灌溉面积的用水量。3.1 农业节水3.1 农业节水(2)农业节水的4个基本环节： C. 蓄水保滴，减少农田土壤的水分蒸发损失，最大限度地利用天然降水和灌溉水资源。 D. 提高作物水分利用率，减少作物的水分奢侈性蒸腾消耗，获得较高的作物产量和用水效益。 发达国家在生产实践中，将B、D作为重点。3.1 农业节水3.1 农业节水 (3)农业节水发展趋势 重点已经由输水过程节水和田间灌水过程节水转移到生物节水，作物耗量控制用水以及节水系统的科学管理，并重视节水与生态环境保护的密切结合。3.2 灌区管理现代化3.2 灌区管理现代化我国年灌溉用水约3800亿立方米，占我国年总用量5600亿立方米的2/3左右，是水资源利用的最大用户。然而，用水效率目前还非常低，灌溉水利用系数平均只有0.4左右，因此，提高灌区用水效率是实现水资源可持续利用的有效途径，用现代化的手段挺高灌管理水就是提高灌区用水效率的重要措施之一。 3.2 灌区管理现代化3.2 灌区管理现代化(1)灌区现代化管理的现状 A: 灌区管理的热点及影响因素 从世界各国情况来看，无论是发达国家还是发展中国家，大规模开发和建设灌排设施的时代已经过去，灌区管理，成为各国关注的焦点。 目前灌区管理方面的热点问题之一是灌区#管理#改革，二是以信息化为核心的灌区现代化建设。3.2 灌区管理现代化3.2 灌区管理现代化(1)灌区现代化管理的现状 A: 灌区管理的热点及影响因素 纵观国内为灌区管理现代化的发展历程，主要受到两方面因素的影响：一是科学技术的发展水平，而是社会经济的发展水平。3.2 灌区管理现代化3.2 灌区管理现代化B: 发展历史 20世纪70年代微机出现以前，灌区管理主要依赖于手工观测和操作，发达国家也是依靠电话进行遥控管理。到90年代，随着计算机、互联网和遥感遥测技术的迅猛发展，灌区的管理现代化程度越来越高，可以将灌区的各种空间信息如作物种植情况、水源分布情况、工程情况、降雨情况、土壤情况以及用水量等通过遥感影像等手段获取并通过地理信息系统进行监控管理，同时采用喷、滴灌等现代灌溉技术和自动控制技术，使灌溉水平均利用率提高到90%。3.2 灌区管理现代化3.2 灌区管理现代化(1)灌区现代化管理的现状 C: 受社会经济发展水平的限制，各国发展的不平衡 发达国家如美国、以色列、日本等采用现代化管理和现代淘汰技术，使淘汰水利用率达80%以上，而发展中国家只有(40~50)% ，尤其我国的灌区管理现代化还处在初期阶段，多以电话遥控管理。3.2 灌区管理现代化3.2 灌区管理现代化(2)灌区现代化管理的发展趋势 A: 现代化管理的内容 信息采集：如灌区地形、土壤、植被、耕地、行政区划、人口、居民区、淘汰面积、农作物分布、土壤墒情、水源及水利工程分布、气象、水雨情、工情等。 信息的传输和处理： 决策和控制3.2 灌区管理现代化3.2 灌区管理现代化(2)灌区现代化管理的发展趋势 B: 总的发展趋势 将相关个环节的新技术进行集成和应用，实现数字化、网络化、智能化、可视化和自动化。3.2 灌区管理现代化3.2 灌区管理现代化(3)灌区现代化管理的重大科技问题： 灌区管理体制的研究：水价体系、经营管理体制。 量水设施及设备的研制：适合各种渠道坡度、含沙量的高精度、低成本、使用简便的技术产品。 数字灌区关键技术的研究：农作物分布、土壤墒情等各类空间信息的获取技术。 工程监测管理系统的研究：以GIS为平台，开发灌区工程设施的动态监测体系及时提出灌区工程维护和更新改造的方案。 3.3 牧区水利3.3 牧区水利我国牧区面积约有442.36万km2,占国土面积的46.1%，其中草地面积2.71亿km2,为世界第二牧业大国。 近年来，随着牧业生产水平提高和牧区经济社会的发展，牧业供水和饲草料不足等生产问题日益突出，因此加强牧区水利建设，发展草地灌溉和人畜饮水工程，保护草地生态环境迫在眉睫。3.3 牧区水利3.3 牧区水利(1)水文水资源与水环境研究不够深入 干旱地区的气候特点，水资源特征： 降水量小，蒸发量大 生态脆弱，易于破坏，恢复难度大 水资源短缺，受气候变化影响显著 我国牧区大部分处于干旱半干旱地区，但水文水资源的理论是将湿润地区的水文学原理直接用于这些地区。3.3 牧区水利3.3 牧区水利(2)草地节水灌溉 随着全球性水资源供需矛盾日益紧张，人们不仅研究农作物节水灌溉技术，而且开始研究牧草地节水灌溉理论，如草地水、热、气交换规律，水肥耦合效应，节水灌溉技术和新能源（风能，太阳能，畜力等）供水设备等，但仍处于初级阶段。3.3 牧区水利3.3 牧区水利(3)草地水土保持与生态保护 国外已将土壤侵蚀预报与土地生产力结合起来，预测土壤侵蚀与粮食生产发展趋势，并运用遥感，计算机技术建立水土流失及资源动态监测网络。 我国起步较晚，手段和方法落后。水利科技发展趋势水利科技发展趋势谢谢!水利科技发展趋势水利科技发展趋势李 宗 坤郑州大学 环境与水利学院