汛期大壩安全監測的數據整編方法

于小葦

(遼寧省水資源集團,沈陽 110003)

0 引 言

我國現有水庫大壩9.8萬余座,其中大中型水庫0.5萬余座,小型水庫9.3萬余座。100萬m3以下庫容的小(2)型水庫7.5萬余座。水庫在供水、防洪、發電、灌溉以及改善生態環境等方面起到十分重要的作用,也是水利基礎設施的重要組成部分。在運行管理中,大中型水庫的運行維修養護經費通常比較充裕,監測工作也能夠引起各方重視。然而,我國的小水庫大多建于20世紀50～70年代,由于缺乏資金的投入,導致工程標準和質量存在缺陷,目前已有的小水庫病險率已達到53.3%。2010年,吉林省大河水庫因金屬結構安全隱患,管理人員思想麻痹,持續暴雨,洪水漫頂潰決。2015年,湖北省崇陽縣破沖口水庫漫壩,小(2)型水庫,黏土斜墻壩,暴雨強度太大、防洪標準不足,水位快速上漲,漫壩的產生,使大壩左岸下游產生沖坑,這處沖坑深度達幾十米,寬約百米,四周有許多石塊,其中最大的一塊石頭直徑超過10m,幾乎接近大壩的頂部。2021年,小浪底西溝水庫由于金屬結構及人為隱患,在小浪底電站的一次泄洪中,出現了一次特大漫壩事故,造成6個機組先后停工的情況。這些水庫發生的事故可能是由監管存在盲區、長期失管失察、水庫長期帶病運行、監測缺失、工程運行管理制度不完善、值班人員履職不到位等因素導致的。作為水庫運行管理單位,必須重視大壩安全監測工作,堅持必不可少的年度巡視檢、特殊巡視檢和日常巡視檢查,汛期更應加強監測數據整編,形成完備的自身經驗數據。

1 安全監測目的與內容

1.1 監測目的

大壩監測,是防災減災的重要舉措,對可能性、危險性進行實時預警。一個成功的監測設計,既要掌握設計與施工中的要點,又要盡可能準確地預測出大壩未來運行過程中可能發生的問題,選用合適的監測手段,合理地配置監測儀器,以最小的投資,取得最大的效益。為了實現持續有效監視,監測系統必須要具有可擴充性和靈活性,以便在操作過程中及時進行必要的修改和完善,還要根據實際地質條件以及當地多年雨情、水情、汛情形成一套完整可靠的實用的數據分析方法[1]。

1.2 監測內容

1.2.1 土壩、土石混合壩

壩體滲水、壩基滲漏、管涌、流土、塌坑、滑坡等災害非常容易造成大壩坍塌。因此,在設計壩體結構時,需要重點考慮滲透破壞和壩坡失穩問題。通過對壩體水平和垂直位移、裂隙、滲流量、土體壓力、滲透線、孔隙水壓力等參數的分析,可以為大壩的設計提供重要的參考。

1.2.2 混凝土壩、圬工壩

在混凝土壩、圬工壩中,監測工作是最重要的,沒有監測工作就不可能保證大壩的安全運行。對于混凝土壩、圬工壩來說,由于壩體的結構特點和地質條件不同,在不同壩段需要布置不同的監測儀器,因此監測工作要根據具體情況確定監測項目和監測點的數量、位置和測點間距等。

1.2.3 泄水建筑物泄流觀測以及水工建筑物觀測

水壩處于易發生地震的地區,并在其周圍有不穩定的岸坡,應該認真的對其進行滑坡,抗震,崩岸等監測。

1.3 安全監測的規范

現行安全監測的標準主要有:《土石壩安全監測技術規范》(SL 551-2012)、《大壩安全自動監測系統設備基本技術條件》(SL 268-2001)、《大壩安全監測儀器安裝標準》(SL 531-2012)、《混凝土壩安全監測技術規范》(SL 601-2013)、《水工隧洞監測技術規范》(SL 764-2018)、《水閘監測技術規范》(SL768-2018)、《水利水電工程監測系統運行管理規范》(SL-2019)、《大壩安全監測數據表結構與標識符標準》(SL-2019)。

2 安全監測方法

運行期的大壩安全監測主要是按照要求進行周期觀測, 做好巡視檢查和設備維護工作,對失效儀器進行及時補埋,定期建立監控模型和擬定監控指標。對長序列監測數據開展科研工作。

2.1 巡視檢查

巡視工作分為三種類型,包括特殊巡視、日常巡視和年度巡視。巡視檢查工作要結合施工現場實際,制定合理的工作程序。對巡檢的時間,地點,內容,方法,進行了詳細的說明,并制定巡檢的路線和次序。有較多的技術人員參與,明確職責和分工。檢查時,必須攜帶所需的輔具及記錄筆、本子。按有關規范要求填寫表格,并將檢驗結果記錄在案。每日巡檢報告內容應簡明扼要,如有需要,可附有圖片和簡圖。年度巡檢及特殊情形下的巡檢報告應包括:①巡檢時間;②調查的目的及任務;③檢查小組成員的名單和他們的職位;④所要求的項目的檢驗成果;⑤逐行檢驗的結果的比較、分析和判斷;⑥發現、分析和判斷在所需檢驗項目之外的異常情況;⑦需要闡明的特別注意事項;⑧檢查結果;⑨審查小組提出的各項建議;⑩檢查小組各委員簽字。

2.2 安全監測資料分析

2.2.1 安全監測系統

大壩監測是指施工開始前,直接或借用特殊的儀器設備,對建筑物自身及基礎巖體的蓄水、施工、運行整個過程進行的測量和分析。儀器埋沒,數據的采集,數據的處理3個主要步驟。在進行儀器埋設時,首先要考慮儀器的安裝問題。在工程建設中,由于施工技術和施工工藝的限制,往往難以將儀器安裝在地面上,這時需要使用一定的支架將儀器固定在基礎上。數據采集(包括傳輸)指的是在規定的時間或者是定期,用自動設備或者是人工的方式,將測量得到的數據或者資料進行收集,進行短暫的儲存,然后集中傳送到近壩區或者遠處的監測中心。數據分析是指根據監測數據及分析結果,結合現場實際,對監測數據進行安全評價,并給出合理的評價結論。主要是對建筑物及有關巖體的性能變化和安全狀況進行評估。當發現有可能危害到建筑物安全的異常情況時,要及時做出預報,并對其進行分級分類報警,提出相應的對策,為主管部門的決策提供依據[2-4]。

2.2.2 監測成果分析

根據一定的方法,將采集到的信號轉換為監測的物理量,如揚壓力、滲漏量、水平位移、垂直位移、應力等。物理量的符號應該符合標準。應該統一同一類型的物理量的正負號、單位,特別是不同監測手段得到的位移,應該盡量使用同樣的坐標系、正負號和單位。

2.2.2.1 監測資料的誤差處理與分析

水庫大壩安全監測工作在水利工程建設中起著至關重要的作用,是水利工程建設是否具有科學性的重要依據。為了保證壩體監測能夠準確地反映壩體的真實狀態,在使用壩體安全監測數據進行正反分析之前,必須對原始測量數據進行處理和誤差分析。根據誤差的大小,通常可以把誤差分為3種類型:隨機誤差、系統誤差和粗差。在實際測量中,要排除粗差,消除或弱化系統偏差,使得只含有隨機誤差的觀測值。測量值范圍檢驗分析法、數學模型分析法和統計檢驗法都是常見的誤差分析方法。

2.2.2.2 監測資料與大壩運行性態的模型分析

監測資料的分析通常可分為比較法、作圖法、特征值統計法、影響因素分析法和模型分析法等。模型分析法是最能實際的反映出原始測值資料的用途。

1)位移的分析模型:在水壓力、泥沙壓力、揚壓力和溫度的共同作用下,壩體各點發生位移,可分為水平位移、垂直位移和側向水平位移。水壓、溫度和時效等因素對大壩位移影響最大。因此,位移的統計模型主要由水壓分量 、時效分量和溫度分量組成。

2)滲流監測量統計模型:大壩的滲流監測主要有滲透壓力(或揚壓力),滲流量(或排水量),以及壩體周圍的滲流情況等。在壩體滲流監測中,除了要考慮水壓、溫度和時間效應,還要考慮雨水對壩體滲流的影響。所以,水位(或滲流量)的統計模型主要是由水壓、溫度、降雨和時效分量構成。

3)變形模型:大壩的變形主要受水壓、溫度以及時效的影響,因此,可將大壩變形表示成表示水平位移的水壓、溫度和時效分量組合的形式。通常,采用有限元方法對水壓力成分進行數值模擬,對溫度成分和老化成分進行統計建模,再通過最小二乘方法對待定參數進行求解,從而獲得混合模型。

3 不同時期水庫大壩的監測重點

3.1 施工期監測資料分析的重點工作是

儀器埋設方法正確;儀器成活率;反饋設計、指導施工;基準值選取恰當。

3.2 蓄水初期監測資料分析的重點是

所有儀器埋設完畢;有條件的實現自動化監測;捕捉蓄水過程中各監測量變化情況;發現異常及時反饋并采取措施;所有監測項目均需關注并加密觀測。

3.3 運行期監測資料分析的重點是

按照要求進行周期觀測;做好巡視檢查和設備維護工作;對失效儀器進行及時補埋;定期建立監控模型和擬定監控指標;對長序列監測資料開展科研工作。

4 總 結

大壩安全監測目的就是利用一切手段,確保大壩以較少的投入來保證長期、穩定、安全的運行,實現效益的最大化。大壩安全監測有校核設計、改進施工和評價大壩安全狀況的作用,且重在評價大壩安全。大壩安全監測的微觀意義是為了準確掌握大壩性態;宏觀意義是為了更好的發揮工程效益、節約工程投資。大壩安全監測不僅是為了被監測壩的安全評估,還要有利于其他大壩包括待建壩的安全評估。