羅倫春

瀘州市水利電力勘測建筑設計院

土石壩變形監(jiān)測資料分析評價方法研究

羅倫春

瀘州市水利電力勘測建筑設計院

我國已建土石壩大多有安全監(jiān)測設施，并已有多年的觀測資料。除少數(shù)有條件的水庫實現(xiàn)了用微機進行監(jiān)測資料的整編工作外，不少水庫還在采用工作量大、耗時長的人工整編方法，且質量、標準化和規(guī)范化均難以保證，還往往缺乏對監(jiān)測資料進行分析。

土石壩；安全監(jiān)測；評價

我國已建多座水庫中，絕大多數(shù)是20世紀中葉興建的，由于種種原因，許多水庫存在設計水平低、施工質量差等問題，有的已成為病險庫甚至發(fā)生垮壩事故，對社會生產、人民生活、生態(tài)環(huán)境帶來較大安全隱患或損失。國家在除險加固的同時，十分重視水庫安全管理，將安全監(jiān)測自動化工作作為重要任務來抓，努力通過自動化手段提高水庫管理水平，確保水庫社會經(jīng)濟效益的實現(xiàn)。該系統(tǒng)克服了以往土石壩安全監(jiān)測分析軟件的缺點，集規(guī)范性、專業(yè)性、通用性于一體，總體上達到國際先進水平，在基于專家評判的綜合分析方面達到國際領先水平。

1 土石壩安全監(jiān)測技術研究進展

1.1 初期的土石壩安全監(jiān)測

我國土石壩的原型監(jiān)測起步于20世紀50年代，80年代末實現(xiàn)了自動化監(jiān)測，之后發(fā)展迅速，但對觀測儀器的要求仍以簡單可靠、能取得滿足精度要求的觀測成果為主。90年代后大壩安全監(jiān)測技術飛速發(fā)展，許多大壩完成了自動化監(jiān)測系統(tǒng)的更新改造，新建土石壩具有了功能較齊全的監(jiān)測系統(tǒng)。目前土石壩安全監(jiān)測實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)管理、在線分析、成果預警的計算機自動化監(jiān)控。

1.2 系統(tǒng)目標

依據(jù)我國《土石壩安全監(jiān)測技術規(guī)范》(SL60-94)、《土石壩安全監(jiān)測資料整編規(guī)程》(SL169-96)及《水庫大壩安全管理條例》等規(guī)范、規(guī)程、條例，結合我國大壩安全管理的現(xiàn)狀，確定土石壩安全監(jiān)測分析評價預報系統(tǒng)研制開發(fā)的總體目標是：在借鑒國內外大壩安全監(jiān)測成熟經(jīng)驗的基礎上，提煉、完善、總結出安全監(jiān)測的技術關鍵問題和核心內容，充分利用計算機最新軟硬件技術，開發(fā)出一套具有先進性、可靠性、通用性和可擴充性的土石壩安全監(jiān)測分析評價預報系統(tǒng)。實現(xiàn)對大壩的自動監(jiān)測、自動分析和人工干預反饋，準確地描述大壩的整體性態(tài)，確保大壩安全，提高水利工程運行效益。

1.3 主要研究內容與技術路線

開展的主要研究工作和科研內容如下：

1)創(chuàng)新性提出壩體健康監(jiān)測理念(相當于人體體檢)從能夠反映和表現(xiàn)壩體健康狀態(tài)與發(fā)展趨勢的特性指標體系入手，對各項指標的發(fā)展變化規(guī)律和壩體健康的影響機理開展系統(tǒng)的基礎性研究工作。

2)在深入揭示壩體安全變化規(guī)律的基礎上，提出壩體安全的超前預警機制，系統(tǒng)研究了以氣象預報、水文預報為基礎，實現(xiàn)壩體安全超前預報的技術理論和實用方法。

3)在成功開展上述核心理論研究成果的支撐下，利用近5年的工程實踐反饋，對壩體評價指標的在線監(jiān)測、通訊、野外運行保障等關鍵應用技術進行實踐研究。

4)通過構建新系統(tǒng)、建立新機制、研發(fā)新工藝等途徑，針對各種類型和特點的大壩，研究提出先進、實用的安全監(jiān)測與分析評價系統(tǒng)解決方案，為成果推廣的設計、開發(fā)、建設和運行管理提供全面技術支撐。

2 安全監(jiān)測資料分析評價功能

(1)資料管理

對監(jiān)測資料進行日常維護，包括資料的錄入、修改、刪除、查詢、異常數(shù)據(jù)處理和資料備份。

(2)資料整編

按照現(xiàn)行行業(yè)標準《土石壩安全監(jiān)測資料整編規(guī)程》SL169-96及其它技術規(guī)范的內容和要求對監(jiān)測資料進行整編，主要有打印各觀測項目的考證表和統(tǒng)計表，繪制測壓管水位等監(jiān)測項目的過程線、相關線、位勢過程線、浸潤線、沉降等值線等。

(3)沉降分析

包括沉降統(tǒng)計模型建立、漏測沉降推算、沉降和裂縫分析。用一元線性回歸分析法建立時間單因子最優(yōu)沉降統(tǒng)計模型，根據(jù)該模型相關系數(shù)和剩余標準差，對模型回歸效果作出定性結論。如模型回歸效果良好，漏測時間不長，可用該模型來推算漏測沉降。沉降分析為計算沉降率(每米沉降量)和沉降速率(每年、每米沉降量)。根據(jù)最大沉降率和判別標準，應用模糊數(shù)學理論判斷土石壩壩體發(fā)生裂縫的可能性；當沉降速率小于標準值(根據(jù)大壩長期觀測系列來合理選定)，則測點處沉降已基本穩(wěn)定。裂縫分析為計算縱向傾度和縱向拉應變。如縱向傾度超過臨界傾度，則給出可能存在剪切裂縫的報警；臨界傾度和極限拉應變根據(jù)壩體材料的土梁撓曲試驗獲得。如無實驗資料，則選用臨界傾度和極限拉應變值。

(4)水平位移分析

用逐步回歸分析法建立水平位移統(tǒng)計模型，并根據(jù)模型的復相關系數(shù)就回歸效果給出定性結論。該模型考慮了上游水位H1、時間t、上游水位升降速率和日均氣溫T等4個因子，最高冪次為3次。

(5)測壓管水位分析

包括測壓管水位滯后時間分析、相關性分析、建立統(tǒng)計模型、位勢分析和浸潤線分析。通過測壓管水位與上游水位H1、下游水位H2、降水量P和滲流量Q等影響因子的相關性分析，確定測壓管水位的主要影響因子和影響程度，來判斷測壓管的好壞，監(jiān)測資料是否可靠，測點處的滲流狀況。同樣用逐步回歸法建立的測壓管水位統(tǒng)計模型包括上游水位H1、下游水位H2、降水量P、日均氣溫T等4個因子，最高冪次可達3次。根據(jù)模型的復相關系數(shù)和回歸效果，給出定性結論和測壓管水位監(jiān)測資料的可靠性。位勢分析則是建立測點滲流位勢隨時間變化的一元線性模型，根據(jù)斜率，判斷滲流發(fā)展趨勢；浸潤線分析是對實際浸潤線和設計浸潤線，以及對各個不同時期的浸潤線進行比較，判斷壩體滲流狀態(tài)、滲流發(fā)展方向和大壩整體穩(wěn)定性是否需要重新核算。

該系統(tǒng)研究開發(fā)中以土石壩、安全監(jiān)測資料作為系統(tǒng)調試的數(shù)據(jù)，其后又在近十座工程中試用，不斷完善，目前已形成了較為成熟并可以根據(jù)各水庫的具體特點和使用要求提供相應層次的系統(tǒng)，具有較強的實用性。

[1] 姜景山. 土石壩安全監(jiān)測資料分析評價方法研究[D]. 鄭州大學，2005.

[2] 滿紅飛. 土石壩滲流安全性態(tài)分析研究及工程應用[D]. 南京水利科學研究院，2009.