土石壩變形監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

土石壩變形監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測設施，并已有多年的觀測資料。除少數有條件的水庫實現了用微機進行監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、標準化和規范化均難以保證，還往往缺乏對監測資料進行分析。

土石壩；安全監測；評價

我國已建多座水庫中，絕大多數是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生垮壩事故，對社會生產、人民生活、生態環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，確保水庫社會經濟效益的實現。該系統克服了以往土石壩安全監測分析軟件的缺點，集規范性、專業性、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 土石壩安全監測技術研究進展

1.1 初期的土石壩安全監測

我國土石壩的原型監測起步于20世紀50年代，80年代末實現了自動化監測，之后發展迅速，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年代后大壩安全監測技術飛速發展，許多大壩完成了自動化監測系統的更新改造，新建土石壩具有了功能較齊全的監測系統。目前土石壩安全監測實現了數據采集、數據管理、在線分析、成果預警的計算機自動化監控。

1.2 系統目標

依據我國《土石壩安全監測技術規范》(SL60-94)、《土石壩安全監測資料整編規程》(SL169-96)及《水庫大壩安全管理條例》等規范、規程、條例，結合我國大壩安全管理的現狀，確定土石壩安全監測分析評價預報系統研制開發的總體目標是：在借鑒國內外大壩安全監測成熟經驗的基礎上，提煉、完善、總結出安全監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測分析評價預報系統。實現對大壩的自動監測、自動分析和人工干預反饋，準確地描述大壩的整體性態，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)創新性提出壩體健康監測理念(相當于人體體檢)從能夠反映和表現壩體健康狀態與發展趨勢的特性指標體系入手，對各項指標的發展變化規律和壩體健康的影響機理開展系統的基礎性研究工作。

2)在深入揭示壩體安全變化規律的基礎上，提出壩體安全的超前預警機制，系統研究了以氣象預報、水文預報為基礎，實現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、建立新機制、研發新工藝等途徑，針對各種類型和特點的大壩，研究提出先進、實用的安全監測與分析評價系統解決方案，為成果推廣的設計、開發、建設和運行管理提供全面技術支撐。

2 安全監測資料分析評價功能

(1)資料管理

對監測資料進行日常維護，包括資料的錄入、修改、刪除、查詢、異常數據處理和資料備份。

(2)資料整編

按照現行行業標準《土石壩安全監測資料整編規程》SL169-96及其它技術規范的內容和要求對監測資料進行整編，主要有打印各觀測項目的考證表和統計表，繪制測壓管水位等監測項目的過程線、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沉降統計模型，根據該模型相關系數和剩余標準差，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)。根據最大沉降率和判別標準，應用模糊數學理論判斷土石壩壩體發生裂縫的可能性；當沉降速率小于標準值(根據大壩長期觀測系列來合理選定)，則測點處沉降已基本穩定。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計模型，并根據模型的復相關系數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。根據模型的復相關系數和回歸效果，給出定性結論和測壓管水位監測資料的可靠性。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，根據斜率，判斷滲流發展趨勢；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、滲流發展方向和大壩整體穩定性是否需要重新核算。

該系統研究開發中以土石壩、安全監測資料作為系統調試的數據，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各水庫的具體特點和使用要求提供相應層次的系統，具有較強的實用性。

[1] 姜景山. 土石壩安全監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分析研究及工程應用[D]. 南京水利科學研究院，2009.