石泉大壩安全監測警戒值研究

饒志歡

（大唐石泉水力發電廠，陜西 安康 725200）

1 問題的提出

石泉大壩位于漢江上游陜西省石泉縣境內城西1km 里的峽谷出口處，是以發電為主，兼有灌溉、養殖等綜合效益的水利工程，攔河壩為混凝土空腹重力壩及實體重力壩、壩頂高程416m，最大壩高65m，壩頂寬度16m，壩頂全長353m。石泉大壩從1998 年開始分階段實施大壩監測設施，以滿足大壩安全監測與分析的需要。2007 年，進一步完善了石泉大壩監測系統。

目前，該自動化監測項目包括：

（1）壩基引張線、倒垂系統（即壩基水平位移）；

（2）壩頂引張線、倒垂系統（即壩頂水平位移）；

（3）6#、24#壩段壩體正倒垂系統（即壩體撓度）；

（4）重點部位裂縫計系統；

（5）擴機工程多點變位計系統；

（6）滲流自動化系統。

石泉大壩安全監測系統自2007 年正式投入使用以來，尚未系統地進行監測警戒值研究，監測系統中大多數測點未設置監測警戒值。這一方面加大了監測人員的工作量，必須逐一檢查和判斷；大壩運行情況依賴于大壩監測人員主觀判斷，這對于個人經驗和技能的要求較高，容易造成人為誤判、錯判和漏判；且不符合相應監測規范要求，不利于大壩安全監測的正常有序開展。

基于以上三個理由，本文擬開展石泉大壩安全監測警戒值的研究。

2 警戒值的分類和研究方法

監測警戒值是基于成果計算或類似工程經驗確定的，在大壩安全監測自動化系統中，監測警戒值體現為測點的上限值、下限值和日變幅限值。

目前，石泉大壩監測系統中監測測點可大致分為變形、滲流兩大類。其中變形測點大多與溫度相關，又根據其具體測量項目的不同而略有差異，如壩體變形除溫度外，還受水壓影響，呈年周期變化；部分邊坡測點因安設時間較短還未收斂，變幅逐年增大；除少量測點有閉合趨勢外，裂縫大多相對穩定。滲流則大多受上、下游水位的影響，溫度影響較小，無明顯趨勢和周期變化。

因此，本文擬采用的監測警戒值確定方法如下：

（1）對于沒有趨勢變化的測點，可考慮從其特征值入手，以其實測資料的極值為監測警戒值（此處為初步刪除異常值后，經調整的極值）；對于有趨勢變化的測點，則除了考慮從其特征值入手外，還需要謹慎考慮其多年后趨勢發展的影響，此類測點警戒值確定時需要非常嚴謹，必要時還需做實地調查和物理試驗，決策過程也相對復雜，本文只采用回歸分析等方法做初步的探討。

（2）對于具有相關性的測點，也可考慮參考其相關點的監測警戒值，依據數學模型計算出其相關關系，從而輾轉計算出警戒值。如幕前揚壓力與上游水位變化密切相關，揚壓力折減系數多在0.1~0.3 之間，而上游水位的變化范圍十分明確（393m~410.2m），可用于計算壩基揚壓力的警戒值。

（3）也可以從觀測項目的物理特性入手，如水準觀測，混凝土壩段可簡化為砼懸臂梁，熱膨脹系數是8~12×E-6/℃（取 10×E-6/℃），年溫度變幅 30℃左右，該壩段壩高65m，可簡化計算該壩段沉陷最大年變幅不超過19.5mm，這種方法相對粗糙，未考慮水溫影響，砼結構也不是單一等溫結構，但可用于現場初步判定變幅范圍。

（4）考慮到測點極值本身可能為異常值，單純采用極值未必合理。根據實際工程監測經驗，大多數正常運行的測點其異常值多為偶然誤差，占正常數的比例一般在2%以下，極大值也不會超過3%，也可參考統計分析方法中的第97 百分位數、95%置信空間等方法來判斷。

（5）對于監測規范和設計資料中提及的設計值、允許值或警戒值，也可用于參考，并用于石泉大壩監測警戒值中。如空腹壩段幕后孔揚壓力折減系數設計值為0.2，可用于計算幕后孔的揚壓力警戒值。

（6）對于變化速率的監測警戒值（變幅差），可先用實測序列求取每日的增量，就增量序列采取上文中的某些方法來計算監測警戒值。

（7）對于同一測點采取以上方法確定出的多個警戒值，宜采取綜合審慎的原則和使用便捷的要求，綜合取一個相對保守的值作為最終的監測警戒值。

（8）至于劉家峽大壩實際應用中的混合模型加若干倍標準差、有限元分析、物理模型及試驗、專家調研、同類工程類比等方法，因操作較為繁瑣且不適用于本工程的具體情況，暫且不表。

3 高邊坡自動化測點監測警戒值示例

3.1 測值警戒值探索

石泉大壩左岸在擴機工程施工中，進水口（以下簡稱2#進水口）416.0m 高程以上、開關站以上及擴機工程新建主廠房（以下簡稱2#主廠房）以上山體形成3：1～8：1 的永久性高邊坡，為增強高邊坡的穩定性，對高邊坡采取了預應力錨索、錨桿及表面掛網混凝土噴護等綜合加固措施。為了掌握高邊坡的位移變化規律，共布置6 個測點，在2#進水口及2#主廠房后高邊坡各布置監測點3 個。

石泉大壩左岸邊坡測點中的監測值，因暫未收斂，帶有一定趨勢性，不能簡單地使用實測序列的歷史極值作為監測限值，此類測點應重點把控，必要時由專家或者進行現場試驗的方法確定監控警戒值。本文考慮采用回歸分析的策略，對實測序列進行分析，從而擬定用于監測系統中的警戒值。

警戒值極大值的求法擬采取最簡單的線性回歸方法，對此前趨勢進行一個量化，求取平均值，利用最近一年的實測最大值加上3 倍的趨勢平均值，從而給出五年后的最大值預估，并以此作為監控極值。計算公式如下：

警戒值極小值的求取則采用近一年的實測序列最小值為準。

通過以上方法求取的警戒值上限和下限，如表1所示。

表1 石泉大壩高邊坡自動化測點上、下限警戒值

3.2 變幅警戒值探索

變幅警戒值限值在此處采用了歷史變幅最大值、歷史變幅95%置信空間和第95 百分位數等三種方法。

3.2.1 實測變幅最大值為變幅警戒值

3.2.2 采用歷史變幅的95%置信空間的測值為變幅警戒值

假設變幅的分部服從：

其中 μ 和 σ 已知。

利用監測系統的實測序列，樣本的大小為n，求取近十年變幅的平均值：

根據大數定律和中心極限定律，M 服從：

因此，可計算出以μ 為中心，面積為0.95 的區間，即：

3.2.3 采用歷史變幅的95 百分位為變幅警戒值

將實測的變幅按照從小到大排序，并計算位于實測序列總數累計第95%的位置，則這一百分位所對應數據的值就稱為這一百分位的百分位數，即第95 百分位數。

通過以上方法求取的警戒值變幅如表2 所示。

表2 石泉大壩高邊坡自動化測點變幅警戒值

針對變幅警戒值利用三種方法求出的結果，擬用審慎的原則，采用偏保守的數值作為實際中應用的變幅警戒值，通過以上方法，可陸續制定其他觀測項目的技術警戒值。

4 大壩繞滲自動化測點監測警戒值

同理，可以采用以上的方法對繞滲警戒值進行分析處理。

大壩繞滲測值基本與溫度關聯不大，也沒有趨勢性變化，主要受上、下游水位影響。其中，部分繞滲點由于地質裂縫或引水隧洞滲漏點影響，水位波動極大，其余測點水位相對平穩，多年變幅不大；同時，因繞滲自動化測點損壞以及測值跳動等，測值跳動較大，即使初步篩除后，仍然會影響到監測警戒值的取選。故此處考慮極小值和第3 百分位數、極大值和第97 百分位數的對比，綜合考慮后比選。計算結果見表3。

表3 繞滲自動化測點監測上、下限及變幅警戒值

若實測序列極值明顯大于第97 百分位數，則認為該極值極可能是異常值但未能處理，監測警戒值則取百分位數并作適當調整，若相同或接近，則取極值為準。

5 廠房壩段裂縫自動化測點監測警戒值

裂縫計監測序列相對平穩，基本隨著溫度變化呈現周期性變化，J1 和J3 均有一定閉合趨勢，近三年雖然相對平穩，但仍需要加強注意，取其最小值作為警戒值，并預留一定的監測余量。最大值方向，取最大值即可。裂縫變幅警戒值，同樣取第97 百分位數即可。

另外，在《混凝土結構設計規范》（GB 50010-2010）中，曾對結構構件的裂縫控制登記及最大裂縫寬度的限制作出了相對具體的要求，廠房壩段裂縫雖不是結構部件，仍可以參考其裂縫控制限制，但其中最大的裂縫控制寬度為0.3mm，目前廠房壩段變幅遠大于此，用此標準顯然不太合適；且該裂縫為閉合傾向而非劣化趨勢，可以適當放大該監測警戒值。

2016 年以前 J3 測點、2018 年 J4 測點均有較大幅度變動，應及時清理異常值后方可確認。

由以上要求確認的監測警戒值見表4。

表4 石泉大壩裂縫計算監測警戒值

6 結束語

對大壩而言，監測警戒值是水工建筑物安全運行重要的監測指標，本文通過集中方法求取了可用于監測日常工作和安全監測自動化系統中的監測警戒值，為水庫的安全管理提供了一定的依據，大幅度減少了監測人員的日常管理的工作時間，避免了因個人經驗和能力的影響，導致判斷失誤等問題的出現，其實用性和安全意義不容忽視。

然而，任何事情是不斷發展和變化的，本文擬定的警戒值是在 2010 年 1 月 1 日至 2020 年 9 月 30 日之間的數據序列，通過各類渠道取得的。對于有趨勢性的測點，應加強注意，不應該未超過本次擬定的警戒值就放松警惕，而要結合現場檢查情況綜合判斷。部分警戒值受以往異常值和儀器變動的影響，也會導致警戒值明顯偏大或者偏小，也需要不斷地研究和修改，而非一勞永逸的工作。

本文涉及的監測警戒值的分析方法也有進一步改進的空間：原監測警戒值為一固定測值，未考慮測值周期性，應考慮臨近測點或者類似結構測點的測值變動情況綜合分析，或參考水庫調度圖設置監測警戒圖等，從而實現警戒值的動態更新，進一步精確判斷大壩監測異常值；也可以從物理學或者材料學角度分析，強化監測警戒值的科學合理性，從而真正起到監測警戒的作用。