基于反演分析的大壩安全監測

［瑞士］M.巴奇 等

自20 世紀70 年代以來，科學技術及結構計算能力取得了長足進步。高速計算機的發展有助于建立龐大的復雜空間數值模型。例如在水電站大壩領域，材料特性(土壤、巖石及混凝土)以及地震時程的非線性模擬已經成為可能。

這種新潛力為進行一系列具有高度詳細及眾多可能組合的精細而復雜的計算創造了條件。然而，詳細程度更高并不一定產生更有意義的結果。由于有大量的有效數據，所以輸出結果愈是詳細，則愈難以解釋。而且，為敏感性分析假定的變化與參數越多，則耗費時間與精力越多。因而在評估參數的相關性方面，敏感性分析變得越來越重要。

大壩性能模擬中的決定性參數眾所周知。例如，水荷載引起的變形主要取決于楊氏模量。而溫差引起的變形則主要由溫度系數決定。這意味著主要可測參數的數據必須保持精確而且相互一致。否則數值模型難以很好校準，從而損害數值計算結果的重要性及有效性。

1 瑞士大壩監測策略

瑞士聯邦能源辦公室(SFOE)為瑞士大壩安全監管機構。該機構為大壩安全各個方面(包括監控)制定標準及要求。對大壩基本情況及工作性態定期進行分析并形成文件納入年度報告。大壩專家對大壩可見條件進行檢查并對該年度測量結果進行研究。記錄大壩異常工作性態并對下一步工作給予建議或進行測量。此外，每隔5 a 進行一次專家評估，對大壩的長期工作性態進行分析并對整體安全進行檢查。

除正常監測任務外，知識現狀的任何改變也會促使SFOE 要求對現有大壩進行安全性檢查。近年來在極端和異常事件方面，尤其在地震學領域都發生了重要變化。SFOE 新方針要求必須對現有的所有大壩在極端地震事件期間的安全性加以驗證。按計劃預計到2012 年底實現對所有主要大壩的反演分析。

AF－Colenco 公司(現為AF－Consult)對位于伯爾尼州的奧布拉(Oberaar)壩進行了反演分析。奧布拉壩是一座空心重力壩。利用擺錘對6 個壩段的變形進行測量。在不同高度的3 個壩塊安裝了溫度計，還測量了水溫及氣溫，并用測壓計測量壩基揚壓力。由此得出的資料信息成為數值模型的基礎。其他測量儀器，如裂縫和接縫檢測儀、水準測量儀、測地儀則給出附加資料，以有助于對結果進行驗證。能建立令人滿意的模型要歸功于成組的儀器設備及大壩業主良好的文獻資料管理。

目前已經成功完成了部分大壩的反演分析及地震安全確認工作。其結果在許多方面都有差異，即使參照新標準，這些大壩總體上均具有足夠的安全度，至于其他一些大壩，其安全結論仍懸而未決。在某些情況下，大壩業主會利用電站更新改造的機會對大壩地震安全問題采取必要的補救措施。

結合反演分析對大壩整體安全進行檢查意義深遠。瑞士許多水電站建于20 世紀50、60 年代，不久的將來即需要得到政府的重新特許方能運行。在考慮電站可能擴建升級的同時，現代化方案也值得去深謀遠慮。在進行這些大的改造的背景下，全面了解現有大壩工作性態則顯得至關重要。

除了業主或當局要求作出的改變外，面對環境改變導致大壩工作性態異常時進行反演分析也必不可少。目前面臨的情況是，開挖隧洞引起地下的壓力已成主要問題，因其誘發沉降從而導致地面變形。這種情形對有些大型拱壩產生不利影響，例如羅伊(Rawyl)隧道與祖茲爾(Zeuzier)拱壩，圣哥達(St.Gotthard)隧道與圣瑪利亞(Santa Maria)拱壩。為了對容許壩基發生這種移動的現有大壩的工作性態作出預測并對其結構承載能力作出結論，要求反演分析能對發生這種事件時的適當行動作出評價。

位于瓦萊斯州的埃莫森大壩是一座高180 m 的拱型壩，現因在其附近要修一座抽水蓄能電站而需進行隧洞開挖。德朗斯(Nant de Drance)抽水蓄能電站的交通隧洞需從大壩附近的湖底穿過，因橫切主斷層而具有影響地下水位的高滲漏風險。因此，作為監管機構的SFOE 要求對現有大壩在河谷變形條件下的可接受結構性承載能力加以計算。

2 用有限元法進行反演分析

現代工程實踐中，大型壩的反演分析通常基于有限元方法(FEM)進行數值計算。許多商品化的有限元計算程序可在市場上買到，其計算能力或多或少類似。大壩水庫系統運行復雜，尤其是其長期工作性態。與更簡單的模型(如拱壩剛體分析模型或梁格(girder－grid))相比，模型有限元分析允許建一個幾何形狀限定的大壩實體模型。如此便能對大壩應力分布及變形性態進行詳細計算，特別在涉及幾何形狀復雜的結構方面，包括大壩及壩基3D模型與復雜的材料性質。

下面介紹了實施有限元反演分析的步驟。

2.1 數據搜集

在假設條件較少的情況下，有關大壩及壩基在修建、蓄水及長期運行中搜集的基本資料越多，則模型越接近真實。搜集這些基本資料的費時程度主要取決于相關責任人(運營商、設計師及監督機構)數據管理系統的質量。

所需基本資料包括:幾何形狀、建筑經歷、水文學、地質學、完成的現場調查、混凝土性能、實驗室試驗結果、所有監控數據及有關大壩工作性態的其他可用數據。如果沒有找到這些參數的相關資料，應當重新搜集。此過程會付出時間與代價。有些參數可以進行假設或從相似工程中獲得。但每個額外的假設都會使敏感性分析中需要檢查的參數數量增加。

2.2 建 模

基于現有資料，可以在相應的有限元程序中為大壩及壩基建一個虛擬模型。可以采用不同類型單元及材料參數。有限元模型包含各種簡化，并且僅僅是一種接近于真實的模型(盡管與更簡單的模型相比通常是一個更接近的模型)。涉及下列情形更需要簡化:數值離散，幾何形狀(諸如地形條件的簡化是將河谷模擬成V 型)，材料性能(線性彈性性能、整體結構性能)及外施荷載(線性隆起情形，地震中分布的揚壓力呈線性分布，水為不可壓縮的)。

與壩基性能不同，大壩自身材料性能會隨時間改變。混凝土抗拉和抗壓強度及楊氏模量會隨混凝土硬化而增大。在確定數值模型中的參數時必須考慮這些變化。

2.3 校 準

需要對FE 數值模型進行校準來檢驗模型簡化的數量級。通過比較實測的物理性狀，如變形及溫度分布，對FE 模型假定參數進行驗證，必要時須加以調整，從而補償數值模型精度缺失。該過程中，通過比對實測變形與計算結果，導熱系數及壩基與混凝土的楊氏模量都可以在適當范圍內得到優化。

2.4 初始應力計算

大壩在正常運行條件下自重與水荷載產生的應力是解釋其他異常荷載產生的附加應力的初始基礎。因此，確定初始應力分布成為評估大壩未來工作性態以前的關鍵問題，應認真進行計算，并考慮施工階段及混凝土溫度分布。必須特別關注大壩變形性狀的前期校準及材料參數確定，如楊氏模量與熱膨脹系數。

2.5 附加應力計算

前面幾個步驟的主要目的是盡可能精確復制大壩的實際工作性狀，在此基礎上，才可能可靠地推算得出大壩未來在環境條件、運行要求及地震荷載改變的情況下的工作性狀。

2.6 結果解釋

如上所述，計算的應力及變形性狀是以材料性能、施工細節及壩基條件等的某些假設為基礎的。盡管這些假設已采用數值模型校準的辦法加以檢驗，但仍要求認真解釋結果。除了敏感性分析外，還須借鑒類似工程中獲得的經驗及在真實自然災害(如地震)中獲取的實踐知識，這都有助于責任工程師對所獲結果進行充分解釋。

3 校準所需參數

與輸入的幾何參數相反，材料參數需要校準以對數值模型進行驗證，從而能根據反演分析得出可靠結論。因此，監測有關大壩工作性態的數據對于數值模型校準以及比較模擬工作性態與真實性態來說不可或缺。就大壩及其基礎的長期變形與熱力性能，并針對某些特定場合(如初期蓄水、地震等)，監控數據應當有效。相關數據越有效，則數值模型校準得越精確。大壩正常運行狀態下數值模型校準的監控數據包括:大壩變形、壩基及壩肩變形、壩基的測壓管壓力、水庫水位、壩肩及水庫水溫以及大壩及壩基溫度。

上列數據可能還不夠全面，視大壩或反演分析的特定要求，尚需適當補充。

有些較陳舊或中等高度大壩尚缺乏作為可靠數值模型基礎所必需的基本儀器(如擺錘)。在此種情形下，若有大地測量數據可用，則應單獨根據大地測量數據來分析大壩工作性態。

除了搜集這些數據外，還應作統計評估，識別作用在大壩上的一些荷載的影響，如水荷載、熱荷載及徐變效應。否則，有關整個結構變形的數據的重要性就不會很明顯。為能校準數值模型，必須根據變形對不同荷載的百分比加以確定。只有如此，相應材料參數，如楊氏模量及溫度系數，才能充分校準。

4 關于反演分析監測的建議

建立與校準數值模型所需數據主要可分為3組:

(1)擬建與已建大壩及附屬建筑物的布置與設計數據;

(2)大壩正常工作性態數據;

(3)如可得到，任何異常及極端事件的數據，如專門調查地震中大壩異常變形與性狀。

要獲得良好數據管理，必須考慮大壩全部的這些條件。

在大壩設計及施工期間，要做大量調查工作，而且在前期施工階段有時要對設計作出決斷或改變。故而尤其在施工結束階段應當做好資料歸檔工作。所有相關數據應當存檔、分類并有序存放。完工的幾何形狀是大壩建模最重要的資料。由設計工程師對文件資料進行更新是很重要的。施工期間設計上任何變動都需記錄在案，如由于巖基質量較低所引起的設計變動，以為后代工程師留下一份清晰連貫的檔案。

明確埃莫森拱壩實際施工順序，是在靜載下計算應力分布并進行反演分析的重要基礎。該結構在其壽命中(有時達100 a)的任何修復與更新應當用文件資料記錄，很好保存且必須包含在建模中。其他重要輸入數據集則與大壩及壩基不同材料性質有關。這些數據可能已經在大壩使用壽命期中的不同階段搜集了。壩基檢測主要在施工前完成，大壩材料樣品檢測在施工之前及施工期間完成。也可能已抽取和檢測了另外的混凝土樣品，以了解其材料特性，尤其在大壩運行若干年后發現異常性狀時。

為獲得建立進一步數值模型所需要的可靠數據庫，必須實施精確和可靠的監控。應當避免數據鏈中斷，對錯誤的測量應當立即察覺并應采取一切可能的措施避免此類錯誤發生。若有些數據丟失，則需用假定數據代替。但由于可能的一些假設具有較大的變化性，這就可能導致結果的意義下降。另外，測量程序應永遠保持相同以免造成測量人員之間的誤解。即使在設計及施工階段，監控工作也應及早結合進行。在大壩施工及運行期間應在與其工作性態相關的部位安裝觀測儀器，以便為將來進行反演分析建立數據庫。

必須特別注重觀測極端與異常荷載。即使在洪水期間，也應對溢洪道與泄水孔的水位及流量進行測量與計算。地震期間最重要的是要安裝加速計并記錄變形的自動測量數據。

瑞士的有些大型壩已安裝加速度計，由瑞士地震局進行監測。由于這些極端荷載案例非常罕見，且通常持續時間不長，故很難獲得大量資料。這就使得事先考慮要安裝何種儀器以捕捉到有用資料成為當務之急。水庫有計劃地降低排水位就是觀測大壩異常情況下工作性狀的大好時機。由于水庫水位下降相對較快(規模較小水庫)，所以壩內溫度實際上保持不變。該種情況下，應將因水位變化造成大壩變形與熱力影響加以區分。

在瑞士，大壩守護員負責觀測大壩工作性狀。他們每月定期對大壩作測量與視覺檢測。通常大壩壽命比守護員的專職期長，因此守護員把知識傳承給接任者顯得尤為重要。大壩業主則應考慮通過適當的資料歸檔和數據管理制度把這些資料分級傳承下去，并清晰標明各項任務清單及工作說明。

5 結 論

為了能根據計算的應力及變形分布得出可靠結論，必需對數值模型進行校準。虛擬模型與現實之間若缺少這種重要聯系，則會導致敏感性分析難以有準確解釋。大壩存續期間工作性狀數據越真實，反演分析則會顯得越有意義及效率。

各相關部門，包括設計師、監管機構及業主在注重水電站整體使用壽命時應采取一種從全局出發統籌考慮的妥善方法。從這方面講，監測不僅僅只用于應對目前可能發生的異常性狀或特殊事件，如有可能，還應考慮未來擴建與改造。這意味著要對所有相關資料的明晰而經過不斷更新的數據庫進行長期保存。要求各有關人員共同努力，尤其對施工末期情況予以特別關注。這項工作對于今后水電站反演分析非常有益，因而要求工作務必準確有效。當然，同樣的要求對于搜集大壩工作性狀監測數據與維護儀器設備也適用。

缺乏相應數據庫，則不可能對數值模型進行校準。同樣，合適的校準也是對現有大壩進行可靠性分析和成本有效分析的良好基礎。因此，在水電站建設與運行期間，對大壩進行持續監測始終成為關注的焦點。