城西水庫大壩安全監測分析與評價系統研究

闞乃立 陳新建

城西水庫大壩安全監測分析與評價系統研究

闞乃立 陳新建

一、概述

城西水庫位于安徽省滁州市清流河支流小沙河上游，緊靠滁城和津浦鐵路。水庫控制流域面積168km2,總庫容7112萬m3，是一座集防洪、城市供水、灌溉、抽水蓄能及水產養殖等綜合利用的重點中型水庫。工程于1958年動工興建，1965年8月完成最初設計標準，1976年對水庫進行除險加固，達到現有規模。水庫于2004年又結合一次除險完成了大壩滲流自動化監測采集系統建設，主要監測項目分如下3部分：

（1）1個庫區水位點和1個壩區降水觀測點，實現于水庫水情自動化采集系統中，采集數據可自動入庫；

（2）55只壩體內部滲流觀測孔隙水壓力計，所有點采集可自動入庫；

（3）壩體表面變形監測點包括水平位移與豎向位移監測，人工觀測，手工入庫。

由于施工過程和儀器本身性能不穩定，在系統整體投入運行前，部分滲流觀測儀器已損壞或者不能正常采集現場數據。2008年4月，結合水利部科技成果重點推廣計劃項目“土石壩安全監測分析評價系統”，更換0+700關鍵斷面部分已損壞儀器，同時添加2處下游水位監測點，以滿足系統分析評價的硬件需求，并結合水庫原有自動化采集系統建設成果，實現水庫大壩安全監測在線分析與系統評價。

二、系統功能描述

安徽省大中型水庫的數據庫系統都是依據具體硬件環境建立起來的，所使用的數據庫系統差異較大，考慮到軟件系統的兼容性，此次“土石壩安全監測分析評價系統”具有獨立的數據處理系統，以適應安徽省水庫大壩具體數據處理環境。該軟件的功能包括：

（1）能自動定時轉儲現地單元傳送的數據，也能人工隨時轉儲現地單元存儲的定時采集數據；

（2）具有獨立的數據轉儲程序，該程序可以集成在主程序中，也可以單獨運行，可以根據使用者實際要求定制；

（3）系統采用B/S與C/S相結合模式開發，實現了專業性與易操作性的統一，也實現數據庫服務器與客戶端的分離；

（4）具有獨立的數據采集、處理、數據查詢、用戶管理、數據分析、安全評價、資料整編功能；

（5）支持大壩監測資料規范化整編與智能化綜合評價，實現了實用性與先進性的統一；

（6）通過分析成果信息網絡發布，實現了系統的開放性；

（7）有人工采集數據輸入接口，可以對人工采集的表面變形、測壓管等數據進行分析處理，最終納入到系統數據庫中，參與整個系統的分析、評價和數據管理；

（8）開發基于模糊綜合評價技術、灰色關聯度技術與神經網絡技術的智能型壩體綜合評價技術；

（9）可為不同類型閘壩提供安全監測自動化解決方案，尤其對除險加固閘壩進行自動化監測改造具有繼承性和發展性的特點；

（10）對通過自動化采集到的表面變形數據和水文數據留有數據接口，最終對自動化采集到的表面變形數據和水文數據進行更進一步的分析和處理；

（11）運用軟件技術解決數據采集系統長期運行效率的問題,一臺計算機即滿足數據采集、分析與發布的要求。

三、系統數據流程

軟件系統將采集到的數據進行處理后，分別保存在相應的數據庫中，這些數據由大壩安全監測數據管理信息子系統管理，并最終形成完整的安全監測數據庫。軟件系統數據流程見圖1。

大壩安全監測分析評價子系統對在安全監測數據庫中的數據進行分析和系統評價，最終形成分析曲線、分析報告、整編資料、報表、存檔數據和安全評價報告等。

四、安全監測系統軟件模型、參數和分析方法

1.外部變形模型、參數和分析方法

對于已建閘壩，外部變形觀測主要是表面變形，包括表面豎向位移和水平橫向位移，主要包括以下模型、參數和分析方法：（1）豎向位移模型；（2）漏測豎向位移量估算；（3）豎向位移率與速率分析；（4）裂縫風險分析；（5）水平位移因子影響分析。

2.內部滲流模型、參數和分析方法

建立內部滲流觀測數據分析評價模型，包括以下模型、參數和分析方法：（1）滲流數據項的選用方法；（2）滯后時間推算；（3）相關分析；（4）位勢分析；（5）水力學浸潤線分析；（6）流網法滲流場分析（7）滲流量分析；（8）滲透系數反演分析；（9）滲流安全綜合分析。

3.壩體安全綜合評價模型、參數和分析方法

建立壩體安全綜合評價模型，主要包括以下模型、參數和分析方法：（1）評價體系構建；（2）評價準則的確定；（3）專家打分支持；（4）指標權重層次分析；（5）模糊綜合評價模型；（6）灰色關聯度評價模型；（7）人工神經網絡模型；（8）壩體健康趨勢分析；（9）壩體安全級別評價；（10）在線實時評價。

五、軟件模塊

根據建立的軟件模型、參數和分析方法，開發的軟件模塊包括：自動化數據采集模塊、硬件驅動模塊、人工錄入模塊、數據管理模塊、自動化接口模塊、外部變形分析模塊、內部滲流分析模塊、圖表繪制與資料整編模塊、安全綜合分析評價模塊等。

六、數據分析原理

1.數據分析功能

數據分析的功能包括：（1）對現場采集數據進行定量分析，如實現查詢分析、位勢分析、過程線分析、分布圖分析、相關分析、回歸分析、反演分析、相關性檢驗等定量分析；（2）顯示和打印查詢結果、位勢、過程線、分布圖、相關系數、相關方程、回歸方程、反演結果和相關性檢驗結果等；（3）為資料整編提供數據和圖形，并生成整編資料和整編報告；（4）為安全綜合評價提供基礎數據，如位勢、相關性及相關檢驗結果等；（5）直接為有經驗的閘壩安全監測人員提供安全綜合評價判斷依據。

2.數據分析模型原理

數據分析模型原理主要以最小二乘法、相關系數和一元線性回歸方程為數學依據。

七、安全綜合評價原理

1.安全綜合評價系統功能

（1）根據大壩安全評價導則建立評價體系，評價指標的量化，實現定期人工綜合評價；

（2）完全針對閘壩監測數據構建評價體系和準則，根據當前監測數據，實現在線實時安全分析和評價，并生成指標評價報告。

2.安全綜合評價系統模型原理

根據評價功能目標需求，本系統采用模糊綜合評價方法和灰色關聯度分析方法實現不同的評價分析功能。

八、系統分析與評價界面

系統開發采用面向對象可視化方式進行，界面設計中以操作簡便、交互友好、尊重操作人員習慣為指導原則，實現專業性與易操作性的統一。盡量采用直觀的圖形用戶界面技術，信息的表達形象、直觀、簡潔。系統操作以菜單欄與工具欄相結合的方式表現，充分利用菜單、圖形、圖標等形象化的界面元素為基礎。系統界面主要包括：（1）數據維護；（2）數據查詢；（3）壩體平面；（4）斷面綜合；（5）斷面分析；（6）表面沉降；（7）沉降分析；（8）過程線分析；（9）位勢分析；（10） 水位變化過程線分析；（11）水位相關過程線分析；（12）水位相關分析；（13）水位變化相關分析；（14）綜合評價；（15）數據報表。系統的0+450斷面分析界面如圖2所示。

九、結束語

本文系統地闡述了城西水庫大壩安全監測的分析與評價方法，很大程度上提高了水庫的日常觀測和數據處理效率，也是水庫管理自動化的基礎。從工程應用效果看，該系統運行穩定，分析和評價能直觀反映水庫大壩實際運行情況，效果良好。同時根據我國水庫大壩的實際觀測情況，提出如下建議：

（1）最能發現水庫安全隱患的是現場巡視和監測數據分析，因此，在日常水庫管理工作中，應加強現場巡視和監測數據分析；（2）目前，隨著自動化、電子技術、水工、壩工理論技術、計算機信息管理技術的發展，國內外水庫大壩安全評價的方法更傾向于用水庫大壩的安全預警來代替水庫大壩的安全評價，因為安全預警更實用且能迅速有效地反映大壩具體斷面的實際情況

安徽省滁州市城西水庫管理處 239000 安徽省水利科學研究院 233000）