龍灘水電站大壩穩(wěn)定性分析及安全監(jiān)測技術(shù)研究

摘要：龍灘水電站大壩的穩(wěn)定性直接關(guān)系到工程安全與環(huán)境保護。借助對大壩結(jié)構(gòu)類型、設(shè)計參數(shù)及其穩(wěn)定性進行詳細(xì)分析并使用現(xiàn)代化的計算模型與方法評估了大壩在不同工況下的穩(wěn)定性。安全監(jiān)測技術(shù)方面介紹了大壩變形監(jiān)測、應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測等技術(shù)的應(yīng)用，大壩的運行狀態(tài)根據(jù)實時監(jiān)測數(shù)據(jù)可以及時發(fā)現(xiàn)潛在的安全隱患。借助對監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集與處理，結(jié)合數(shù)據(jù)質(zhì)量控制與誤差分析來評估大壩的整體安全性。分析了當(dāng)前安全監(jiān)測技術(shù)的優(yōu)勢與不足并提出了提升監(jiān)測精度與可靠性的建議。

關(guān)鍵詞：龍灘水電站"大壩穩(wěn)定性"安全監(jiān)測"數(shù)據(jù)分析"技術(shù)應(yīng)用

中圖分類號：TV698.1

The"Stability"Analysis"and"Safety"Monitoring"Technology"Research"of"the"Longtan"Hydroelectric"Dam

HUANG"Gang

Guangxi"Hydropower"Science"Research"Institute"Co.，"Ltd.，Nanning，Guangxi"Zhuang"Autonomous"Region，530000"China

Abstract："The"stability"of"the"Longtan"Hydroelectric"Dam"is"directly"related"to"the"safety"of"the"project"and"environmental"protection."A"detailed"analysis"of"the"dam's"structure"type，"design"parameters，"and"stability"was"conducted，"using"modern"computational"models"and"methods"to"assess"the"dam's"stability"under"various"operating"conditions."In"terms"of"safety"monitoring"technology，"the"application"of"techniques"such"as"dam"deformation"monitoring"and"stress-strain"monitoring"was"introduced."Real-time"monitoring"data"allows"for"the"timely"identification"of"potential"safety"hazards"based"on"the"dam's"operational"status."Through"the"collection"and"processing"of"monitoring"data，"combined"with"data"quality"control"and"error"analysis，"the"overall"safety"of"the"dam"is"assessed."The"advantages"and"limitations"of"current"safety"monitoring"technologies"are"analyzed，"and"recommendations"are"provided"for"improving"monitoring"accuracy"and"reliability.

Keywords："Longtan"Hydroelectric"Station;Dam"stability;Safety"monitoring;Data"analysis;Technological"applications

龍灘水電站作為我國西南地區(qū)重要的大型水電工程，其大壩穩(wěn)定性與安全性直接關(guān)系到防洪、發(fā)電及生態(tài)環(huán)境改善等多項核心任務(wù)的實現(xiàn)。大壩運行過程中，因滲流、應(yīng)力集中及壩體變形可能引發(fā)的安全隱患，要求工程技術(shù)人員在設(shè)計階段就精準(zhǔn)預(yù)測各類極限工況下的力學(xué)行為，并在運行中利用先進監(jiān)測技術(shù)實時掌握大壩狀態(tài)。結(jié)合極限平衡法、有限元分析及滲流模擬等方法開展的穩(wěn)定性評估，能夠為工程運行提供理論支撐。基于光纖傳感技術(shù)、無人機巡檢及多傳感器融合的大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)，在數(shù)據(jù)采集與處理、異常識別及趨勢分析中起到關(guān)鍵作用，為提升監(jiān)測精度與可靠性提供了可能。本研究圍繞龍灘水電站大壩的結(jié)構(gòu)特點、工況穩(wěn)定性及監(jiān)測數(shù)據(jù)處理展開，以期為大型水電工程的長期安全運行和技術(shù)優(yōu)化提供參考。

1工程概況

龍灘水電站是我國西南地區(qū)重要的大型水電工程，位于廣西紅水河中游，是紅水河梯級開發(fā)中的骨干工程之一。大壩為混凝土重力壩，設(shè)計總庫容為271億"m3，裝機容量630"萬kW，是目前國內(nèi)技術(shù)先進的大型水電站之一。工程的主要任務(wù)包括防洪、發(fā)電、航運及改善生態(tài)環(huán)境等。

大壩壩高132"m，壩頂長450"m，最大厚度為120"m，設(shè)計水頭為120"m，設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)為1/1000年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為1/10000年一遇。大壩基礎(chǔ)采用堅固的均質(zhì)花崗巖，具有良好的承載能力和抗?jié)B性能。為確保工程的安全性，大壩結(jié)構(gòu)設(shè)計遵循《混凝土重力壩設(shè)計規(guī)范》（SL"319-2018），并結(jié)合現(xiàn)場實際進行了多項優(yōu)化設(shè)計。

2龍灘水電站大壩結(jié)構(gòu)特點與穩(wěn)定性分析

2.1"大壩結(jié)構(gòu)類型與設(shè)計參數(shù)

龍灘水電站大壩為混凝土重力壩，使用了經(jīng)典的重力壩設(shè)計原理，整體結(jié)構(gòu)受重力作用依賴壩體自重抵抗水流帶來的水平力和其他外部荷載。大壩結(jié)構(gòu)設(shè)計按照《混凝土重力壩設(shè)計規(guī)范》（SL"319-2018）進行，壩高為132"m，壩頂長為450"m，壩體最大厚度為120"m。大壩設(shè)計水頭為120"m，設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)為1/1000年一遇的設(shè)計洪水。大壩基礎(chǔ)使用巖基，底面為均質(zhì)花崗巖，巖石強度符合設(shè)計要求。

大壩的設(shè)計參數(shù)包括水庫水位、壩體材料、抗壓強度、壩體厚度等，在壩頂與壩底的厚度差異較大，使用漸變設(shè)計來優(yōu)化壩體材料使用和增強抗滑穩(wěn)定性[1]。壩體材料選用了高強度混凝土抗壓強度不小于40"MPa。設(shè)計過程中考慮了水庫的最高蓄水位與最低操作水位變化同時充分考慮了壩體材料在長期水力作用下的老化與變形情況。大壩設(shè)計過程中引入了細(xì)致的滲流分析，使用精確的排水設(shè)計并保證壩體與壩基之間的水力接觸不會對大壩結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性造成負(fù)面影響。

2.2"穩(wěn)定性分析模型與計算方法

龍灘水電站大壩的穩(wěn)定性分析使用了極限平衡法、有限元法和滲流分析3種主要計算方法并保證全面評估大壩在復(fù)雜工況下的安全性。極限平衡法主要用于評估大壩抗滑和抗傾覆穩(wěn)定性。借助計算壩體的滑移力矩和抗滑力矩之比，得到安全系數(shù)[2]。抗滑安全系數(shù)的計算公式為：

（1）

式（1）中：為壩體的抗滑力矩；為外部力矩。若"gt;1，壩體穩(wěn)定；若"lt;1大壩存在滑移風(fēng)險。

有限元法用于分析壩體的應(yīng)力、應(yīng)變和變形，尤其適用于復(fù)雜壩體結(jié)構(gòu)和多因素影響下的穩(wěn)定性計算。

在大壩結(jié)構(gòu)分析中，使用三維有限元模型，考慮混凝土材料的非線性特性，以及壩體與基礎(chǔ)的接觸面。借助此模型可以得到壩體在不同工況下的應(yīng)力分布和變形模式，為大壩的穩(wěn)定性評估提供重要依據(jù)。

滲流分析使用有限差分法（Finite"Difference"Method）與有限元法（Finite"Element"Method）相結(jié)合的方式，借助求解滲流方程：

（2）

式（2）中：為水流密度；為滲透系數(shù)；為水頭；為梯度算符。該方程用于模擬壩體內(nèi)部和基礎(chǔ)的水流路徑，評估滲流對壩體穩(wěn)定性的影響。

3龍灘水電站大壩安全監(jiān)測數(shù)據(jù)分析與評估3.1"監(jiān)測數(shù)據(jù)采集與處理

龍灘水電站大壩的安全監(jiān)測體系中監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集與處理是確保實時安全評估的基礎(chǔ)。監(jiān)測系統(tǒng)為實現(xiàn)高效的數(shù)據(jù)采集使用了自動化和遠程監(jiān)測技術(shù)，結(jié)合無線數(shù)據(jù)傳輸和集中控制系統(tǒng)并保證了數(shù)據(jù)的實時性、可靠性和完整性[3]。監(jiān)測系統(tǒng)的核心包括布設(shè)在壩體、壩基、壩頂以及周邊環(huán)境的各類傳感器，涵蓋了變形、應(yīng)力、滲流、水位等多個關(guān)鍵參數(shù)。

數(shù)據(jù)處理部分對采集的數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，包括去噪、平滑、插值和誤差修正等步驟。噪聲和異常值的去除是保證數(shù)據(jù)質(zhì)量的第一步[4]。數(shù)據(jù)借助專用的數(shù)據(jù)分析軟件進行統(tǒng)計處理，轉(zhuǎn)換成符合工程分析要求的格式。結(jié)合已有的設(shè)計模型與監(jiān)測數(shù)據(jù)借助有限元分析、極限平衡法等方法進行綜合評估[5]。數(shù)據(jù)處理過程還需對各個監(jiān)測點的時間序列進行對比分析以確認(rèn)數(shù)據(jù)的連續(xù)性和一致性。數(shù)據(jù)處理的最后階段，監(jiān)測系統(tǒng)會對比歷史數(shù)據(jù)來分析大壩的變形趨勢和應(yīng)力分布，進行實時診斷并提供安全預(yù)警。

3.2"數(shù)據(jù)質(zhì)量控制與誤差分析

龍灘水電站為確保數(shù)據(jù)的可靠性建立了嚴(yán)格的數(shù)據(jù)質(zhì)量控制體系，涵蓋傳感器校準(zhǔn)、數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理和存儲等環(huán)節(jié)。數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)所有傳感器均借助定期校準(zhǔn)來消除系統(tǒng)偏差，保證其在長期運行中的精度和穩(wěn)定性[6]。傳感器的校準(zhǔn)依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進行并保證各傳感器的測量精度符合要求。應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測中應(yīng)力計需要定期校準(zhǔn)以確保測量值的準(zhǔn)確性。變形監(jiān)測中，水準(zhǔn)儀和光纖傳感器在不同水位下進行交叉驗證以消除水位波動對測量結(jié)果的影響。校準(zhǔn)后的傳感器能夠有效避免由于設(shè)備老化或環(huán)境變化導(dǎo)致的測量誤差。數(shù)據(jù)的處理階段使用先進的信號處理算法對原始數(shù)據(jù)進行濾波和去噪，消除由于溫度、濕度等環(huán)境因素引起的干擾。對于因設(shè)備故障或通訊問題產(chǎn)生的異常數(shù)據(jù)進行誤差修正。

3.3"穩(wěn)定性評估與安全性判定

穩(wěn)定性評估過程中變形監(jiān)測數(shù)據(jù)被用來計算壩體的沉降量和傾斜角度，結(jié)合設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)對比，確定壩體是否處于安全變形范圍內(nèi)[7]。應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測結(jié)果則用于評估壩體在不同工況下的受力狀態(tài)并保證壩體不會發(fā)生塑性變形或局部破壞。應(yīng)力值的計算公式為：

式（3）中：為應(yīng)力；為作用在壩體某部位的力；為受力截面面積。借助滲流模擬和水力學(xué)分析，可以評估壩基的滲透性及水位變化對大壩安全性的影響。滲流分析公式為：

式（4）中：為滲流量；為滲透系數(shù)；為滲流面積；為水頭差；為滲流路徑長度。借助計算滲流量與水頭差，可以判斷壩體是否存在過高的滲流風(fēng)險。監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，見表1。

4結(jié)語

龍灘水電站大壩的穩(wěn)定性和安全性分析表明，整體監(jiān)測系統(tǒng)和技術(shù)手段有效保障了大壩的長期安全運行。大壩在設(shè)計范圍內(nèi)運行穩(wěn)定。壩體的變形量、應(yīng)力分布和應(yīng)變值均未超過安全閾值且變形監(jiān)測和應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)均符合設(shè)計要求。滲流監(jiān)測結(jié)果雖然顯示壩基滲流量略有增加但仍在可控范圍內(nèi)。數(shù)據(jù)質(zhì)量控制體系確保了監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性，誤差修正和數(shù)據(jù)處理方案有效消除了外部干擾因素。綜合評估結(jié)果表明，大壩整體穩(wěn)定性良好且符合長期運行要求，需進一步加強壩基滲流的監(jiān)測并保證大壩在極端工況下的安全性。

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