大壩安全監測數據分析方法研究

摘 要：大壩監測數據分析理論和方法的研究與應用已經取得了相當的進展，為保證大壩安全運行發揮了巨大的作用，本文基于筆者多年從事大壩安全分析的相關工作經驗，以大壩安全監測數據分析為研究對象，探討了安全監測數據分析的意義和內容，給出了安全監測數據分析方法，全文是筆者長期工作實踐基礎上的理論升華，相信對從事相關工作的同行能有所裨益。

關鍵詞：大壩 安全監測 數據 分析

中圖分類號：P2 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2012）12（b）-0053-02

1 大壩安全監測的意義

大壩所具有的潛在安全問題既是一個復雜的技術問題，也是一個日益突出的公共安全問題，因此，我國對大壩安全越來越重視。隨著壩工理論和技術的不斷發展與完善，為了更好地實現水資源的進一步開發利用，我國的大壩建設正向著更高更大方向發展，如三峽重力壩、小灣拱壩（最大壩高294.5 m）、拉西瓦拱壩（最大壩高250 m）、溪洛渡拱壩（最大壩高285.5 m）等，這些工程的建設將為我國的經濟發展做出巨大貢獻，也將推動我國的壩工理論和技術水平上升到一個新的高度。但是，這些工程一旦失事，將是不可想象的毀滅性災難，因此，大壩安全問題就顯得日益突出和重要。保證大壩安全的措施可分為工程措施和非工程措施兩種，兩者相互依存，缺一不可。

回顧大壩安全監測的發展歷史，最早可追溯到19世紀90年代，1891年德國的挨施巴赫重力壩開展了大壩位移觀測，隨后于1903年美國新澤西州Boont。n重力壩開展了溫度觀測，1908年澳大利亞新南威爾士州巴倫杰克溪薄拱壩開展了變形觀測，1925年美國愛達荷州亞美尼加一佛爾茲壩開展了揚壓力觀測，1826年美國墾務局在Stevenson一creek試驗拱壩上開展了應力及應變觀測，這是最早開展安全監測的幾個實例。我國從20世紀50年代開始進行安全監測工作，大壩安全監測的作用是逐漸被人們認識的，趙志仁將大壩安全監測的發展歷程劃分為以下3個階段。

（1）1891年至1964年，原型觀測階段，原型觀測的主要目的是研究大壩設計計算方法，檢驗設計，改進壩工理論。（2）1964年至1985年，由原型觀測向安全監測的過度階段，接連發生的大壩失事，讓人們逐漸認識到大壩安全的重要性，逐步把保證大壩安全運行作為主要目的。（3）1985年至今，安全監測階段，此階段，大壩安全監測已經成為人們的共識，隨著監測儀器、監測技術和資料分析方法的不斷進步、發展與完善，將逐步實現大壩的安全監控。

2 大壩安全監測數據分析概述

大壩安全監測取得的大量數據為評價大壩運行狀態提供了基礎，但是，原始觀測數據往往不能直觀清晰地展示大壩性態，需要對觀測數據進行分辨、解析、提煉和概括，從繁多的觀測資料中找出關鍵問題，深刻地揭示規律并作出判斷，這就需要進行監測數據分析。

2.1 監測數據分析的意義

大壩監測數據分析可以從原始數據中提取包含的信息，為大壩的建設和運行管理提供有價值的科學依據。大量工程實踐表明：大壩監測數據中蘊藏了豐富的反映壩體結構性態的信息，做好觀測資料分析工作既有工程應用價值又有科學研究意義。大壩安全監測數據分析的意義表現在如下幾方面：（1）原始觀測數據本身既包含著大壩實際運行狀態的信息，又帶有觀測誤差及外界隨機因素所造成的干擾。必須經過誤差分析及干擾辨析，才能揭示出真實的信息。（2）觀測值是影響壩體狀態的多種內外因素交織在一起的綜合效應，也必須對測值作分解和剖析，將影響因素加以分解，找出主要因素及各個因素的影響程度。（3）只有將多測點的多測次的多種觀測量放在一起綜合考察，相互補充和驗證，才能全面了解測值在空間分布上和時間發展上的相互聯系，了解大壩的變化過程和發展趨勢，發現變動特殊的部位和薄弱環節。（4）為了對大壩監測數據作出合理的物理解釋，為了預測大壩未來的變化趨勢，也都離不開監測數據分析工作。因此，大壩監測資料分析是實現大壩安全監測最終目的的一個重要環節。

2.2 監測數據分析的內容

監測資料分析的內容通常包括：認識規律、查找問題、預測變化、判斷安全。

（1）認識規律：分析測值的發展過程以了解其隨時間而變化的情況，如周期性、趨勢、變化類型、發展速度、變動幅度等；分析測值的空間分布以了解它在不同部位的特點和差異，掌握它的分布特點及代表性測點的位置；分析測值的影響因素以了解各種外界條件及內部因素對所測物理量的作用程度、主次關系。通過這些分析，掌握壩的運行狀況，認識壩的各個部位上各種測值的變化規律。（2）查找問題：對監測變量在發展過程和分布關系上發現的特殊或突出測值，聯系荷載條件及結構因素進行考查，了解其是否符合正常變化規律或是否在正常變化范圍之內，分析原因，找出問題。（3）預測變化：根據所掌握的規律，預測未來一定條件下測值的變化范圍或取值；對于發現的問題，估計其發展趨勢、變化速度和可能后果。（4）判斷安全：基于對測值的分析，判斷過去一段時期內壩的運行狀態是否安全并對今后可能出現的最不利條件組合下壩的安全作出預先判斷。

一般來講，大壩監測資料分析可分為正分析和反演分析兩個方面。正分析是指由實測資料建立原型物理觀測量的數學模型，并應用這些模型監控大壩的運行。反演分析是仿效系統識別的思想，以正分析成果為依據，通過相應的理論分析，反求大壩材料的物理力學參數和項源（如壩體混凝土溫度、拱壩實際梁荷載等）。吳中如院士提到通過大壩監測資料分析可以實現反饋設計，即“綜合原型觀測資料正分析和反演分析的成果，通過理論分析計算或歸納總結，從中尋找某些規律和信息，及時反饋到設計、施工和運行中去，從而達到優化設計、施工和運行的目的，并補充和完善現行水工設計和施工規范”。綜上所述，大壩監測資料正分析中數學模型的研究與應用是實現大壩安全監測及資料分析的目的和意義的基礎與根本。

3 監測數據分析方法

大壩安全監測數據分析涉及到多學科交叉的許多方法和理論，目前，常用的大壩監測數據分析方法主要有如下幾種：多元回歸分析、時間序列分析、灰色理論分析、頻譜分析、Kalman濾波法、有限元法、人工神經網絡法、小波分析法、系統論方法等等。（圖1）

3.1 多元回歸分析

多元回歸分析方法是大壩監測數據分析中應用最為廣泛的方法之一，最常用的方法就是逐步回歸分析方法，基于該方法的回歸統計模型廣泛應用于各類監測變量的分析建模工作。以大壩變形監測的分析為例，取變形（如各種位移值）為因變量（又稱效應量），取環境量（如水壓、溫度等）為自變量（又稱影響因子），根據數理統計理論建立多元線性回歸模型，用逐步回歸分析方法就可以得到效應量與環境量之間的函數模型，然后就可以進行變形的物理解釋和預報。由于它是一種統計分析方法，需要因變量和自變量具有較長且一致性較好的觀測值序列。如果回歸模型的環境變量之間存在多重共線性，可能會引起回歸模型參數估計的不正確；如果觀測數據序列長度不足且數據中所含隨機噪聲偏大，則可能會引起回歸模型的過擬合現象，而破壞模型的穩健性。

在回歸分析法中，當環境量之間相關性較大時，可采用主成分分析或嶺回歸分析，為了解決和改善回歸模型中因子多重相關性和欠擬合問題，則可采用偏回歸模型，該模型具有多元線性回歸、相關分析和主成分分析的性能，在某些情況下甚至優于常用的逐步線性回歸模型，例如王小軍、楊杰、鄧念武等在應用偏回歸模型進行大壩監測數據分析時，還采用遺傳算法進行模型的參數估計，取得了較好的效果。

3.2 時間序列分析

大壩安全監測過程中，各監測變量的實測數據自然組成了一個離散隨機時間序列，因此，可以用時間序列分析理論與方法建立模型。一般認為時間序列分析方法是一種動態數據的參數化時域分析方法，它通過對動態數據進行模型階次和參數估計建立相應的數學模型，以了解這些數據的內在結構和特性，從而對數據變化趨勢做出判斷和預測，具有良好的短期預測效果。進行時間序列分析時一般要求數據為平穩隨機過程，否則，需要進行協整分析，對數據進行差分處理，或者采用誤差修正模型。例如，徐培亮利用時間序列分析方法，對大壩變形觀測資料進行分析建模得到一個AR（2）模型，并對大壩變形進行了預報，結果表明具有良好的預測精度。涂克楠、張利、鄭簫等也利用時間序列對大壩監測數據進行分析，有效地提高了模型對實測數據的擬合能力和預測能力。

3.3 灰色理論分析

當觀測數據的樣本數不多時，不能滿足時間序列分析或者回歸分析模型對于數據長度的要求，此時，可采用灰色系統理論建模。該理論于20世紀80年代由鄧聚龍首次提出，該方法通過將原始數列利用累加生成法變換為生成數列，從而減弱數據序列的隨機性，增強規律性。例如，在大壩變形監測數據分析時，也可以大壩變形的灰微分方程來提取趨勢項后建立組合模型。一般時間序列分析都是針對單測點的數據序列，如果考慮各測點之間的相關性而進行多測點的關聯分析，有可能會取得更好的效果。1991年，熊支榮等人詳述了灰色系統理論在水工觀測資料分析中的應用情況，并對其應用時的檢驗標準等問題進行了探討。同年，劉觀標利用灰色系統模型對某重力壩的實測應力分析證明了灰色模型具有理論合理、嚴謹、成果精度較高的特點。

3.4 頻譜分析

大壩監測數據的處理和分析主要在時域內進行，利用Fourier變換將監測數據序列由時域信號轉換為頻域信號進行分析，通過計算各諧波頻率的振幅，最大振幅所對應的主頻可以揭示監測量的變化周期，這樣，有時在時域內看不清的數據信息在頻域內可以很容易看清楚。例如，將測點的變形量作為輸出，相關的環境因子作為輸入，通過估計相干函數、頻率響應函數和響應譜函數，就可以通過分析輸入輸出之間的相關性進行變形的物理解釋，確定輸入的貢獻和影響變形的主要因子。將大壩監測數據由時域信號轉換到頻域信號進行分析的研究應用并不多，主要是由于該方法在應用時要求樣本數量要足夠多，而且要求數據是平穩的，系統是線性的，頻譜分析從整個頻域上對信號進行考慮，局部化性能差。

參考文獻

[1]趙玉芹，賈忠清，黃九權，等.平原水庫大壩安全監測[J].水科學與工程技術，2010（5）.

[2]李暉，張向紅.高勒罕水庫土壩表面位移分析[J].科技資訊，2010（5）.