趙 琳

（1.大連理工大學(xué)，遼寧 大連 116024；2.遼寧省水利廳，遼寧 沈陽 110003）

1 項(xiàng)目背景及意義

水庫工程在抗御洪旱災(zāi)害、調(diào)蓄利用水資源、提供清潔能源等促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展方面發(fā)揮著巨大的作用。我國是世界第一筑壩大國，到2009年末已建成各類水庫87151座，其中土石壩數(shù)量占95%以上。但水庫大壩安全整體狀況十分嚴(yán)峻，究其原因，除水庫工程老化失修原因外，更為嚴(yán)重的是沒有建立完善的大壩安全監(jiān)測(cè)分析評(píng)價(jià)系統(tǒng)和預(yù)報(bào)預(yù)警機(jī)制，無法實(shí)現(xiàn)對(duì)大壩的實(shí)時(shí)監(jiān)控，無法及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理大壩的隱患。經(jīng)分析論證，開展土石壩安全監(jiān)測(cè)分析評(píng)價(jià)技術(shù)研究與工程應(yīng)用是解決上述問題的重要途徑。綜合分析國內(nèi)外土石壩安全監(jiān)測(cè)分析評(píng)價(jià)技術(shù)研究現(xiàn)狀，面臨的主要問題如下：

1）大壩健康安全變化的機(jī)理負(fù)責(zé)、規(guī)律研究理論尚未成熟；

2）安全監(jiān)測(cè)分析評(píng)價(jià)手段落后，絕大多數(shù)水庫仍以人工觀測(cè)分析為主，安全管理技術(shù)力量薄弱，無法及時(shí)發(fā)現(xiàn)、處理隱患；

3）安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)尚不成熟，在線分析評(píng)價(jià)相關(guān)技術(shù)不規(guī)范；

4）監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)施和運(yùn)行保障關(guān)鍵技術(shù)體系尤為不足。

為此，遼寧省科技廳將本項(xiàng)目列為重大科技攻關(guān)項(xiàng)目，并得到水利部的大力支持。目前，成果已被列入水利部《重大科技成果推廣指導(dǎo)目錄》，進(jìn)入推廣應(yīng)用階段。

2 主要研究?jī)?nèi)容與技術(shù)路線

開展的主要研究工作和科研內(nèi)容如下：

1）創(chuàng)新性提出壩體健康監(jiān)測(cè)理念（相當(dāng)于人體體檢），從能夠反映和表現(xiàn)壩體健康狀態(tài)與發(fā)展趨勢(shì)的特性指標(biāo)體系入手，對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)的發(fā)展變化規(guī)律和壩體健康的影響機(jī)理開展系統(tǒng)的基礎(chǔ)性研究工作。

2）在深入揭示壩體安全變化規(guī)律的基礎(chǔ)上，提出壩體安全的超前預(yù)警機(jī)制，系統(tǒng)研究了以氣象預(yù)報(bào)、水文預(yù)報(bào)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)壩體安全超前預(yù)報(bào)的技術(shù)理論和實(shí)用方法。

3）在成功開展上述核心理論研究成果的支撐下，利用近5年的工程實(shí)踐反饋，對(duì)壩體評(píng)價(jià)指標(biāo)的在線監(jiān)測(cè)、通訊、野外運(yùn)行保障等關(guān)鍵應(yīng)用技術(shù)進(jìn)行實(shí)踐研究。

4）通過構(gòu)建新系統(tǒng)、建立新機(jī)制、研發(fā)新工藝等途徑，針對(duì)各種類型和特點(diǎn)的大壩，研究提出先進(jìn)、實(shí)用的安全監(jiān)測(cè)與分析評(píng)價(jià)系統(tǒng)解決方案，為成果推廣的設(shè)計(jì)、開發(fā)、建設(shè)和運(yùn)行管理提供全面技術(shù)支撐。

3 主要研究成果

按照“基礎(chǔ)理論→應(yīng)用技術(shù)→實(shí)踐反饋”的總體思路，課題組開展了大量的研究與實(shí)際工作。在基礎(chǔ)理論方面，采用調(diào)研分析、模型試驗(yàn)、模擬仿真和影響因子分析等方法，開展了壩體健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的研究。運(yùn)用灰色理論、模糊綜合評(píng)價(jià)模型和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型開發(fā)了壩體健康趨勢(shì)在線評(píng)價(jià)模型庫，成功研發(fā)了壩體健康趨勢(shì)在線評(píng)價(jià)模型系統(tǒng)。針對(duì)不同級(jí)別水庫調(diào)度運(yùn)用特點(diǎn)，充分運(yùn)用氣象預(yù)報(bào)成果，分別針對(duì)大中小型水庫特點(diǎn)建立洪水預(yù)報(bào)模型，實(shí)現(xiàn)水庫中短期降水、庫水位變化的預(yù)報(bào)，以此為邊界條件結(jié)合壩體安全評(píng)價(jià)模型實(shí)現(xiàn)了壩體安全的超前預(yù)警機(jī)制。在應(yīng)用技術(shù)方面，充分運(yùn)用傳感器、信息、通訊等現(xiàn)代技術(shù)手段結(jié)合該研究的核心理論成果，成功研發(fā)了安全監(jiān)測(cè)分析評(píng)價(jià)系統(tǒng)，并通過幾十項(xiàng)工程實(shí)踐反饋，攻克了多項(xiàng)困擾大壩安全監(jiān)測(cè)實(shí)施和野外惡劣環(huán)境長期穩(wěn)定運(yùn)行保障的多項(xiàng)技術(shù)難題。主要研究成果如下：

1）綜合型土石壩安全監(jiān)測(cè)分析評(píng)價(jià)系統(tǒng)。包含了集數(shù)據(jù)采集、通訊控制、數(shù)據(jù)庫、標(biāo)準(zhǔn)化整編、分析評(píng)價(jià)、預(yù)報(bào)預(yù)警等多項(xiàng)功能。實(shí)現(xiàn)大壩位移變形、滲流、揚(yáng)壓力等10余項(xiàng)指標(biāo)的綜合采集與管理，開發(fā)了大壩裂縫風(fēng)險(xiǎn)、滲流安全、綜合評(píng)價(jià)預(yù)報(bào)預(yù)警等40余項(xiàng)分析評(píng)價(jià)功能。

2）構(gòu)建了大壩在線安全綜合評(píng)價(jià)體系。結(jié)合壩體安全監(jiān)測(cè)項(xiàng)目建立在線監(jiān)測(cè)指標(biāo)體系，開發(fā)綜合評(píng)價(jià)模型庫，實(shí)現(xiàn)評(píng)價(jià)體系的管理、可進(jìn)行大壩安全發(fā)展趨勢(shì)的實(shí)時(shí)分析和綜合評(píng)價(jià)支持等功能。分別基于安全評(píng)價(jià)導(dǎo)則和安全監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，構(gòu)建了在線評(píng)價(jià)和綜合評(píng)價(jià)2套指標(biāo)體系，并開發(fā)了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等評(píng)價(jià)支持模型6項(xiàng)：評(píng)價(jià)體系數(shù)據(jù)庫管理模型；

AHP權(quán)重計(jì)算模型；專家打分支持模型；BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評(píng)價(jià)模型；模糊綜合評(píng)價(jià)模型；灰色關(guān)聯(lián)度評(píng)價(jià)模型。

3）建立了大壩安全超前預(yù)報(bào)預(yù)警機(jī)制。此次研究首次將水庫洪水預(yù)報(bào)與壩體在線安全評(píng)價(jià)相結(jié)合，建立了大壩安全超前預(yù)報(bào)預(yù)警機(jī)制，開發(fā)了可能最高水位預(yù)報(bào)模型和壩體安全綜合預(yù)警模型，實(shí)現(xiàn)了壩體安全的超前預(yù)警。解決了安全監(jiān)測(cè)工作無法預(yù)警的難題，為水庫排險(xiǎn)避險(xiǎn)贏得了寶貴時(shí)間，顯著提高了大壩安全管理工作的主動(dòng)性。

4）研發(fā)了大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行效率保障技術(shù)。融合數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲(chǔ)、觸發(fā)器、交叉表和視圖技術(shù)，成功研發(fā)出運(yùn)行效率保障技術(shù)模型，徹底解決了長期以來監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)海量數(shù)據(jù)管理與系統(tǒng)運(yùn)行效率之間的突出矛盾。

5）研發(fā)了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)施新技術(shù)與新工藝。創(chuàng)新性發(fā)明了測(cè)壓管的精確封堵技術(shù)和施工工藝，擺脫了只能在筑壩過程中埋設(shè)設(shè)備的傳統(tǒng)施工模式，彌補(bǔ)了測(cè)壓管施工工藝的不足，解決了土石壩內(nèi)部監(jiān)測(cè)設(shè)備埋設(shè)的問題，在除險(xiǎn)加固水庫中得到廣泛應(yīng)用。在壩體外部變形監(jiān)測(cè)方面，發(fā)明了一套垂向引測(cè)技術(shù)及新裝置，解決垂直控制網(wǎng)大高差數(shù)字化精確引測(cè)難題。

6）研發(fā)了大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)野外運(yùn)行防護(hù)體系。大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要在野外惡劣環(huán)境下的長期穩(wěn)定運(yùn)行，由于系統(tǒng)的實(shí)施與運(yùn)行保障技術(shù)不成熟，導(dǎo)致多數(shù)系統(tǒng)在運(yùn)行短短幾年后即陷入癱瘓。針對(duì)上述難題，研發(fā)一套大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)野外防護(hù)體系，獲得了現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備保護(hù)儀表箱、設(shè)備防護(hù)密碼井蓋、綜合防避雷等多項(xiàng)專利技術(shù)，解決野外無人看護(hù)的大壩監(jiān)測(cè)系統(tǒng)防盜、防破壞、防雷等極端惡劣環(huán)境運(yùn)行保障技術(shù)。

4 結(jié)語

目前，成果已獲遼寧省科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)，并被列入水利部《重大科技成果推廣指導(dǎo)目錄》，成為國家首批“水利部科技成果重點(diǎn)推廣計(jì)劃”項(xiàng)目。項(xiàng)目組在國內(nèi)外開展了廣泛的技術(shù)交流與推廣工作，已在遼寧、安徽、河北、吉林、黑龍江、云南等地區(qū)60余座水庫和電站推廣應(yīng)用。該成果的推廣應(yīng)用使水庫的大壩安全管理水平顯著提高，保證了水庫防洪與興利功能的充分發(fā)揮，產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益、生態(tài)環(huán)境效益巨大。

［1］張進(jìn)平.大壩安全監(jiān)測(cè)資料分析方法及信息處理技術(shù)的若干進(jìn)展［J］.大壩與安全，2003（6）：19-23.

［2］彭虹.大壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化的演進(jìn)與拓展［J］.大壩與安全，2003（6）：13-18.

［3］酈能惠.土石壩安全監(jiān)測(cè)分析評(píng)價(jià)預(yù)報(bào)系統(tǒng)[M].北京：中國水利水電出版社，2002.