大壩及工程監(jiān)測資料分析的幾個問題

彭 虹

（國網(wǎng)電力科學研究院，江蘇南京210003）

0 引 言

大壩及工程安全監(jiān)測資料分析總體上可分為兩類，一類是施工和首次蓄水期的資料分析，另一類是運行期的資料分析，兩者在分析方法和目的方面有一定的區(qū)別。關(guān)于施工和首次蓄水期的資料分析問題，作者在另文[1]已有論及，本文主要討論運行期資料分析的幾個問題。

大壩及工程安全監(jiān)測資料分析的目的是，借助于實測資料，對于正常運行中的工程，綜合分析其安全運行性態(tài)，并通過實測資料的分析，尋找和發(fā)現(xiàn)工程中可能存在或即將產(chǎn)生的不安全因素，未雨綢繆，防患于未然；對于工程中已存在的問題，通過全面、系統(tǒng)的分析論證，做出合理、客觀的解釋，并提出可能的解決方案。

監(jiān)測資料分析最重要的是前期的實測數(shù)據(jù)處理工作，模型和分析則是借助于工具對這些數(shù)據(jù)進行程式化的演繹。數(shù)據(jù)的處理包括數(shù)據(jù)的考證、數(shù)據(jù)的銜接、誤差的檢驗等。大量的數(shù)據(jù)處理工作在模型分析前進行，這是一項看似平常且技術(shù)含量不高的工作，但卻極其關(guān)鍵，直接影響到分析成果質(zhì)量，且只有具備豐富工程實踐經(jīng)驗和對監(jiān)測系統(tǒng)、監(jiān)測資料分析非常了解的分析人員才能勝任。資料分析報告的質(zhì)量往往取決于分析人員對工程對象和監(jiān)測數(shù)據(jù)的把握程度，只有基于可靠的數(shù)據(jù)和合理的解析，才能從各種分析理論和模型方法中得到符合工程實際、對改進工程安全管理有價值的資料分析報告。

1 資料考證

運行期監(jiān)測資料通常系列較長，資料積累較多。由于工程施工及竣工交接等諸多原因，監(jiān)測資料難免存在混亂、缺失，甚至有錯。監(jiān)測資料分析的首要任務(wù)就是對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行考證?？甲C的內(nèi)容包括甄別儀器埋設(shè)部位、儀器編號（有時需要通過測值過程線對比分析來判別。特別是內(nèi)觀儀器，如應(yīng)變計組，其編號錯亂往往只能在分析的過程中進行檢查和處理），查閱儀器定期檢查資料，了解現(xiàn)場工作狀況（如儀器、儀表的使用、故障和維修情況等）。

疏于考證不僅會降低資料分析報告的質(zhì)量，甚至還會導致資料分析得出錯誤的結(jié)論?，F(xiàn)舉例如下。

某拱壩為底寬27.3 m、頂寬5.0 m的中厚雙曲拱壩，壩高88 m，壩頂弧長260 m。工程于1970年4月截流，1973年3月澆筑到壩頂，1975年基本建成蓄水。大壩變形監(jiān)測設(shè)有壩頂沉陷、拱冠徑向位移、左右壩肩切向位移的視準線觀測；位于拱冠8號壩段的垂線觀測，設(shè)有2條倒垂線、1條正垂線共5個測點（如圖1所示），用以監(jiān)測大壩基礎(chǔ)位移和拱冠梁向撓度變形。垂線觀測儀器為CG803型光學垂線坐標儀，采用人工觀測。

圖1 拱冠梁垂線布置Fig.1 Distribution of perpendiculars at arch crown cantilever

在分析IP1、IP2倒垂線1980～1987年的位移過程線時，發(fā)現(xiàn)自1982年夏季開始，壩基出現(xiàn)向上游的變形，直到1984年4月才恢復趨向下游的變形，并一直保持正常變化（見圖2）。針對這種異?，F(xiàn)象，管理單位對此進行了認真、周密的查證，得知此段異常測值系由一次觀測時儀器被碰撞造成，直至1984年4月儀器送檢才調(diào)整過來。但該分析報告不僅不懷疑此段數(shù)據(jù)異常，而且堅持認為這種變形 “明白無誤顯示出壩基已經(jīng)經(jīng)歷過滑動”，并為此做了大量的理論分析論證。在管理單位提供了詳實的現(xiàn)場考證報告后，該報告作者并不以為然，仍以該拱壩作為其壩基滑動和滾動破壞理論的典型實例進行宣講。這給工程管理單位帶來了困惑，使大壩安全評估和處理陷入了困境，造成了不良影響。

圖2 壩基徑向位移過程線Fig.2 Graph of radial displacement of dam foundation

2 數(shù)據(jù)處理

眾所周知，任何監(jiān)測數(shù)據(jù)都含有誤差，必須進行必要的處理后才能引用。不同監(jiān)測方法的監(jiān)測數(shù)據(jù)接續(xù)時需要進行銜接處理，同一監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)則要進行數(shù)據(jù)的誤差處理。數(shù)據(jù)處理的內(nèi)容就是剔除粗差，修正系統(tǒng)誤差，采用概率統(tǒng)計方法處理偶然誤差。

2.1 新老系統(tǒng)銜接

變形監(jiān)測系統(tǒng)，特別是壩頂水平位移監(jiān)測系統(tǒng)，經(jīng)常會存在初期采用人工視準線法觀測，后期改用引張線監(jiān)測或自動監(jiān)測系統(tǒng)。為確保前后兩個監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)較好地連接，通常會安排一段并行測量的時間，這種狀況通常發(fā)生在工程竣工、初期蓄水階段。運行期資料分析時應(yīng)全面了解當時的情況，充分利用已有的資料，進行盡可能平順的連接。拋棄前期人工觀測的數(shù)據(jù)固然不可取，但直接硬性連接也將損失一些有用的信息，甚至導致失真。以下為一例。

關(guān)停井復產(chǎn)并非高油價下的專利。油井停產(chǎn)還是不停產(chǎn)，效益是重要的參考指標。既要密切關(guān)注油價的變化，更要發(fā)揮企業(yè)內(nèi)部的管理杠桿作用。華北油氣分公司通過“人員資產(chǎn)輕量化、管理機構(gòu)扁平化以及機關(guān)人員現(xiàn)場化”，大幅消減了成本費用支出。像這個企業(yè)一樣，只要管理得到優(yōu)化，就能減緩低油價帶來的虧損的壓力，做到低油價下也能復產(chǎn)。

某重力壩高 105.0 m，長 466.5 m，1959 年 9 月下閘蓄水，至1960年3月壩頂視準線臨時系統(tǒng)起測時，水庫蓄水僅約50 m，尚能獲得蓄水初期難得的寶貴資料。其永久性位移觀測系統(tǒng)于1963年9月啟用，兩套系統(tǒng)銜接兩年多。某次資料分析時丟棄了銜接段，且未考慮基準的差異，直接將1963年9月的新數(shù)據(jù)和前期數(shù)據(jù)相連，導致出現(xiàn)了約9 mm的臺階，嚴重改變了過程線的形態(tài)（圖3）。本來初期因庫水對庫盤的作用，將產(chǎn)生向上游的時效變形，并在此后近20年的中低水位運行期間，這一時效變形緩慢逆轉(zhuǎn)，逐漸轉(zhuǎn)向下游變形。但直連之后，模型分析時，最初幾年的數(shù)據(jù)被作為巨大誤差舍棄，時效變形以單調(diào)遞增形式直接向下游發(fā)展，以致到2001年時達到19 mm。顯然，這樣的時效變形特性和這么大的時效變形值是值得懷疑的。水庫初次蓄水，庫盤巖體首次承受庫水高壓，巖體內(nèi)部的節(jié)理、裂隙、軟弱夾層等地質(zhì)構(gòu)造將產(chǎn)生一定的壓縮變形，壩體也將隨之向上游偏轉(zhuǎn)。長期的中低庫水位運行，水壓荷載對大壩產(chǎn)生的傾覆力遠不足以使之傾向下游，只有進入80年代，水庫處于高水位運行，巨大的水壓荷載通過壩體傳到壩基，使壩基巖體產(chǎn)生持續(xù)的壓縮變形，壩頂?shù)乃轿灰撇懦霈F(xiàn)傾向下游的趨勢性變形。從國內(nèi)難得的幾個水電工程重力壩，例如大朝山、劉家峽、八盤峽、青銅峽、三門峽等的初次蓄水監(jiān)測資料中均發(fā)現(xiàn)，壩頂水平位移普遍存在傾向上游的時效變形。

圖3 新老變形系統(tǒng)的銜接Fig.3 Link up of the new and old deformation systems

2.2 誤差的檢驗和處理

監(jiān)測資料定量解析前應(yīng)對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行誤差檢驗。外部監(jiān)測儀器監(jiān)測數(shù)據(jù)存在的誤差，特別是系統(tǒng)誤差可通過日常校測檢查發(fā)現(xiàn)并及時更正和調(diào)整，實測數(shù)據(jù)則可根據(jù)記錄進行處理和修正；內(nèi)部監(jiān)測儀器監(jiān)測數(shù)據(jù)存在的系統(tǒng)誤差既不容易發(fā)現(xiàn)也無法更正，它只能通過對長系列監(jiān)測資料的數(shù)據(jù)分析才有可能被發(fā)現(xiàn)和得到適當?shù)奶幚怼?/p>

在內(nèi)部監(jiān)測儀器中，應(yīng)變計的數(shù)據(jù)處理較之其他類型的儀器要復雜一些。例如，單支應(yīng)變計系統(tǒng)誤差的檢驗需要借助于無系統(tǒng)誤差的人工氣溫資料[2]；同組應(yīng)變計的溫度存在差異時，需要進行誤差的判斷和處理；當無應(yīng)力計與同組應(yīng)變計的溫差較大時，需采用應(yīng)變計組的平均溫度來重新構(gòu)造一個無應(yīng)力計測值序列；當應(yīng)變計組的應(yīng)變平衡檢驗超出范圍時，有時需要從物理的層面來考慮修正，例如可能存在編號出錯而試著調(diào)換儀器編號，調(diào)換儀器溫度補償系數(shù)。甚至可能因施工安裝時，遠離蜘蛛頭的儀器、電纜在混凝土澆注過程中，各向應(yīng)變計之間的角度產(chǎn)生一些偏差而需要加以調(diào)整。筆者在對新安江水電站大壩的應(yīng)變計資料分析中，曾應(yīng)用蒙特卡羅方法模擬調(diào)整應(yīng)變計組各支儀器的角度，成功使應(yīng)變平衡檢驗時超差很大的不平衡量調(diào)整到了限值范圍以內(nèi)[3]，表明施工過程中由于儀器、電纜的自重和振搗作用，這種情況是有可能發(fā)生的。

2.3 測值序列的時間間隔

測值序列的時間間隔應(yīng)大致均勻，否則在定量解析時，參與回歸分析的測值序列將具有不等權(quán)特性。這種情況容易出現(xiàn)在由人工觀測改造為自動監(jiān)測的系統(tǒng)。人工觀測時，通常為每半月或一月測量一次，自動監(jiān)測系統(tǒng)則通常為每天一次。人工觀測20年的數(shù)據(jù)量相當于自動監(jiān)測1年的數(shù)據(jù)量，采用這樣的數(shù)據(jù)序列進行回歸分析，相當于1年的自動監(jiān)測數(shù)據(jù)與20年的人工觀測數(shù)據(jù)具有相等的權(quán)重，也即在回歸分析中，這1年的自動監(jiān)測所反映的變化特性對回歸模型的影響將遠大于1年的人工觀測測值的影響。這將導致回歸分析成果偏離20年的運行規(guī)律，因此，在進行定量分析時，應(yīng)適當控制測值序列的時間間隔，使之盡可能地均勻分布。

從另一角度看，可以利用這一特點，對于一些重要的運行狀態(tài)，如大洪水的汛期，大壩的變形、滲流、應(yīng)力應(yīng)變等可能會產(chǎn)生一些較大的變化。為了保留這些看似異常的測值，應(yīng)當加密測次，即相當于對這種狀態(tài)的測值加權(quán)。當無條件加密測次又希望能體現(xiàn)出某些特殊測點的作用時，可考慮在分析模型中對測值加入一個權(quán)系數(shù)來彌補。這樣，在定量解析時，采用加權(quán)回歸分析方法，這些測值所反映的狀態(tài)就有可能較好地被保留下來。

3 對象分析

資料分析時，應(yīng)充分了解分析對象的結(jié)構(gòu)特點和監(jiān)測布置特點，正確認識同一監(jiān)測項目因不同布置可能產(chǎn)生的測量結(jié)果，并給予合理的解釋。例如某壩，在壩頂上游側(cè)布置有視準線，在9號壩段的壩體中部部位布置有垂線。1994年9號壩段壩頂水平位移的實測成果為：壩上3.6 m視準線測點的年變幅為8.4 mm，壩下11 m垂線測點的年變幅為4.85 mm，同一壩段相距14.6 m的兩個測點的水平位移年變幅相差3.55mm。在對該壩進行的某次資料分析時，為了解釋這一現(xiàn)象，曾進行了大量復雜的理論分析和有限元計算，并得出了壩體產(chǎn)生了某種扭轉(zhuǎn)變形的結(jié)論。事實上，這種差異主要由溫度造成。假定壩頂混凝土的線溫度膨脹系數(shù)為1×10-5／℃，并假設(shè)壩頂混凝土年溫度變化為24.5℃（這在浙江地區(qū)應(yīng)該是可能的），則兩測點間相距14.6 m的壩頂混凝土自由溫度變形量應(yīng)為3.58 mm。

從本例也可看出，在大壩監(jiān)測資料分析中，經(jīng)?？吹綔囟确至克嫉姆蓊~比水壓和時效分量大很多的實例，似乎溫度是引起大壩結(jié)構(gòu)變形的主要荷載。事實上，這與變形監(jiān)測布置有關(guān)，理論上應(yīng)是位于斷面形心處的位移才代表壩體整體的溫度變形，偏離形心的壩頂位移測點不可避免地包含有附加的混凝土溫度變形，這種附加溫度變形對客觀解析大壩變形特點是不利的[4]。

4 相互佐證

資料分析中，注意引用不同監(jiān)測項目已有的成果來加以佐證，有可能加大分析的深度，揭示出實測數(shù)據(jù)的更多內(nèi)涵。例如，在土壓應(yīng)力監(jiān)測資料分析時引用滲壓計監(jiān)測資料相互比較，能更充分地說明滲透水壓力在土壓力計實測壓應(yīng)力中的影響。新疆某心墻堆石壩即為一很好的例證（圖4），該圖為心墻中部同一部位的土壓力計和滲壓計測值過程線。在填土中，土壓力計通常反映的是土體的壓力，但在土石壩中埋設(shè)的土壓力計，不僅承受土體的壓力，而且還有可能承受庫水的作用。埋設(shè)在土石壩心墻中的土壓力計，初期感應(yīng)的是填筑土體的壓力，大壩蓄水后，開始感應(yīng)庫水的壓力。隨著庫水壓力的增加，庫水滲入心墻，粘土心墻土體逐漸被浸潤成為飽和土體，其干容重變成為浮容重，土壓力計感應(yīng)的壓應(yīng)力隨之減小。當庫水壓持續(xù)作用并繼續(xù)增高時，心墻土體中的滲透壓力逐漸增大，在土體自重不變的情況下，滲透水壓力的變化就成了土壓力計感應(yīng)壓應(yīng)力變化的主體。圖中的土壓力計和滲壓計實測過程線充分顯示了這一相互作用的過程，并表明它們的測值也是可以信賴的。

圖4 土壓應(yīng)力和滲流過程線Fig.4 Graph of soil compressive stress and seepage

5 無應(yīng)力計分析

此外，無應(yīng)力計還可以用于監(jiān)視來自大壩內(nèi)部的安全隱患。如所周知，大壩混凝土自生體積變形中包含有水泥水化和硬化過程產(chǎn)生的體積變形、濕度變形和可能的堿骨料反應(yīng)等等。微量的堿活性膨脹變形是希望的，但大量的、不可控的堿骨料膨脹卻是導致混凝土崩解破壞的元兇。美國Fantana壩、法國Chambon壩等就是受到堿骨料侵害的典型工程，后者已因壩體混凝土堿骨料膨脹而廢棄[6]。大壩建造時通常會注意嚴格檢控建壩材料，以避免產(chǎn)生大的混凝土堿骨料反應(yīng)。但在庫水等復雜環(huán)境因素的長期作用下，壩體混凝土是否有可能發(fā)生堿骨料反應(yīng)，能否對其存在實施監(jiān)視？筆者認為，無應(yīng)力計可以擔當此任。借助于無應(yīng)力計的自生體積變形，可以有效地發(fā)現(xiàn)混凝土堿骨料反應(yīng)的存在和發(fā)展的過程，為診斷大壩自身的健康狀況提供有價值的信息。

6 模型及因子

大凡有一定深度的資料分析，在定性分析的基礎(chǔ)上還會開展一些定量分析。顯然，定量分析離不開數(shù)學模型。關(guān)于模型分析，曾經(jīng)有過討論[7]。與預報模型和監(jiān)控模型不同，資料分析模型的最大特點是要求自變量因子間的多重相關(guān)性要小，即希望構(gòu)成模型的水壓、溫度和時效這三個作用因素具有相對的獨立性，以期獲得較穩(wěn)定可靠的分量分析成果。

從成熟和實用的角度考慮，統(tǒng)計模型仍然是大壩監(jiān)測資料分析中應(yīng)用最廣的模型方法。盡管從模型因子的構(gòu)成方法上有確定性模型、混合模型和通常的統(tǒng)計模型之分，但模型的建立離不開概率統(tǒng)計方法，因此，仍然屬于數(shù)理統(tǒng)計范圍之內(nèi)。

為了獲得較好的因子獨立性和較穩(wěn)定的分析模型，大壩安全監(jiān)測界的專家學者多年來進行了大量的應(yīng)用研究，取得了很多成果和較大的進展，從最初的多元回歸模型到逐步回歸模型，還發(fā)展了消元（差值）回歸方法、極小最小二乘回歸方法等，進一步引進了主成分分析、嶺回歸分析等諸多分析方法。這些統(tǒng)計分析方法在一定程度上改善了因子的多重共線性問題，但仍存在一些效果欠佳、使用不便等問題。

上世紀末，統(tǒng)計分析領(lǐng)域出現(xiàn)的偏最小二乘回歸是一種新型的多元統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析方法，它集多元線性回歸分析、典型相關(guān)分析和主成分分析的基本功能于一體，將建模預測類型的數(shù)據(jù)分析方法與非模型式的數(shù)據(jù)認識性分析有機地結(jié)合了起來[8]。

偏最小二乘回歸方法主要提供多因變量對多自變量的回歸模型，特別當各變量集合內(nèi)部存在較高的相關(guān)性時，用偏最小二乘回歸進行建模分析比對逐個因變量做多元回歸更加有效，其結(jié)果更加可靠，整體性更強。偏最小二乘回歸方法利用對系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)信息進行分解和篩選的方式，提取對因變量解釋性最強的綜合變量，識別系統(tǒng)中的信息與噪聲，從而更好地克服變量多重相關(guān)性在系統(tǒng)建模中的不良作用。工程應(yīng)用實例表明，該方法不僅理論完整、應(yīng)用方便，而且很適用于因子間存在多重共線性的監(jiān)測資料的分析。因此，可以預期，偏最小二乘回歸方法將有望成為大壩監(jiān)測資料分析的主要分析方法。

在大壩監(jiān)測分析模型構(gòu)建時，除了水壓、溫度因素外，時效因素是一項不可或缺的組成部分。通常時效因子由一個或一組單調(diào)函數(shù)構(gòu)成。前已述及，對于在初期蓄水已建立變形監(jiān)測的工程，必須慎重考慮壩體初期蓄水的特殊變形性態(tài)，考慮到蓄水初期庫盤變形造成大壩向上游傾斜的可能性，大壩的時效變形曲線不大可能是一條單調(diào)曲線。另外，時效因子中的時間變量，無論其分析是從何年何月開始，不少分析報告的起始時刻都是從0開始，這說明分析者尚未理解“時效”的含義。對于大壩變形監(jiān)測，無論其監(jiān)測設(shè)備何時安裝，大壩的基礎(chǔ)自壩體施工之日起即已開始承受壩體的荷載，壩基巖體內(nèi)部構(gòu)造在荷載作用下將產(chǎn)生相應(yīng)的壓縮和調(diào)整，此變化過程初期較明顯，后期變平緩，并將持續(xù)延伸下去，此謂之時效過程。一般情況下，大壩的時效變形主要部分來自壩基。因此，考慮到時效的產(chǎn)生機理，無論分析是從何時開始，時效因子中的起始時間均宜前移至該處壩段的施工初期。

7 結(jié) 語

（1）監(jiān)測資料的考證，特別是運行期監(jiān)測資料的考證非常重要，它關(guān)系到分析成果的可靠程度。

（2）數(shù)據(jù)處理應(yīng)認真、細致、到位，對監(jiān)測數(shù)據(jù)誤差的正確處理可以提高資料分析報告的質(zhì)量。

（3）全面掌握工程情況，充分了解分析對象的結(jié)構(gòu)特點和監(jiān)測布置特點，必要時到現(xiàn)場進行考察，這是確保資料分析成果更貼合工程實際的重要途徑。

（4）充分利用不同監(jiān)測項目的已有成果來相互佐證，可提高資料分析報告的可信度，并有可能揭示出監(jiān)測資料中更多的有用信息。

（5）加強無應(yīng)力計的資料分析，對于改善混凝土性能、降低工程造價、提高大體積混凝土工程的質(zhì)量和監(jiān)視壩體混凝土本身的健康狀況均具有很大的意義。

（6）偏最小二乘回歸方法能更好地克服變量多重相關(guān)性，很適合用于大壩監(jiān)測資料的定量分析。變形時效因子建模時應(yīng)考慮到初期蓄水對大壩變形的影響，時效的起始時間宜從建壩時開始。

[1]彭虹.施工期安全監(jiān)測及其工程應(yīng)用[J].大壩與安全，2008（4）.

[2]彭虹.原體觀測中單支儀器系統(tǒng)誤差的檢驗方法[J].大壩觀測與土工測試，1981（2）.

[3]彭虹.新安江大壩實測溫度及應(yīng)力分析[J].大壩觀測與土工測試，1988（4）.

[4]彭虹.再談變形監(jiān)測自動化中的幾個問題[J].大壩與安全，2008（5）.

[5]彭虹.混凝土無應(yīng)力變形中幾個問題的探討[J].大壩觀測與土工測試,1983（2）.

[6]劉崇熙，文梓蕓.混凝土堿-骨料反應(yīng)[M].廣州：華南理工大學出版社,1995（12）.

[7]彭虹.大壩監(jiān)測資料分析模型的研究[J].大壩與安全,1989（4）.

[8]王惠文.偏最小二乘回歸方法及其應(yīng)用[M].北京：國防工業(yè)出版社,1999.