高土石壩工程安全評價(jià)與預(yù)警信息管理系統(tǒng)

張宗亮，于玉貞，張丙印

(1.中國水電顧問集團(tuán)昆明勘測設(shè)計(jì)研究院，昆明 650051;2.清華大學(xué)水沙科學(xué)與水利水電工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084)

1 前言

我國在建和擬建的多座土石壩達(dá)250～300 m級。隨著大壩規(guī)模的增大和社會的發(fā)展，人們對工程施工及運(yùn)營期間的安全問題提出了更高的要求。如何快速準(zhǔn)確地對大壩進(jìn)行安全評價(jià)和預(yù)警是一個(gè)重點(diǎn)挑戰(zhàn)。信息技術(shù)及信息管理系統(tǒng)的發(fā)展為解決這類問題提供了強(qiáng)大的技術(shù)支持。

在工程安全管理信息系統(tǒng)的研究和應(yīng)用方面，國外起步相對較早。20世紀(jì)80年代，美國的Intel Corp公司及PowerUP公司均推出了有關(guān)施工安全管理的專家系統(tǒng)[1]。Coble等人提出了通過軟件系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目進(jìn)度計(jì)劃與安全管理相結(jié)合的理論和方法，并強(qiáng)調(diào)了網(wǎng)絡(luò)信息的運(yùn)用[2]。在我國，周劍嵐等[3]提出了大型水電工程安全生產(chǎn)和應(yīng)急管理平臺的設(shè)計(jì)方案和相應(yīng)的關(guān)鍵技術(shù)問題。馬洪琪等研究了高心墻堆石壩施工質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)控關(guān)鍵技術(shù)并成功地應(yīng)用于糯扎渡工程[4]。

目前，關(guān)于水電工程施工及運(yùn)營期的安全評價(jià)及預(yù)警信息管理系統(tǒng)方面的工作尚屬起步階段。筆者以在建的糯扎渡高心墻堆石壩為依托，基于全生命周期安全與質(zhì)量控制的理念開發(fā)理論嚴(yán)密且可靠實(shí)用的大壩工程安全評價(jià)與預(yù)警信息管理系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Architecture of the system

糯扎渡大壩工程安全評價(jià)與預(yù)警信息管理系統(tǒng)主要由7個(gè)模塊構(gòu)成(見圖1):系統(tǒng)管理模塊，是本系統(tǒng)的樞紐;安全指標(biāo)模塊，是安全控制與評價(jià)的基準(zhǔn);數(shù)值計(jì)算模塊和反演分析模塊，是本系統(tǒng)的核心;安全預(yù)警模塊和應(yīng)急預(yù)案模塊，是本系統(tǒng)的目標(biāo);數(shù)據(jù)庫與數(shù)據(jù)管理模塊，是本系統(tǒng)的資料基礎(chǔ)，它一方面存儲本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息，另一方面實(shí)現(xiàn)與其他已有或擬建系統(tǒng)的接口功能。圖2顯示了系統(tǒng)的整體界面布局。

2.1 系統(tǒng)管理模塊

系統(tǒng)管理模塊主要是用于實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)信息集成以及系統(tǒng)各模塊間的信息交換與共享，并提供本系統(tǒng)運(yùn)行的管理與操作界面，同時(shí)通過數(shù)據(jù)庫與其他系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的交互。

2.2 安全指標(biāo)模塊

安全指標(biāo)模塊包括大壩安全控制指標(biāo)和監(jiān)測數(shù)據(jù)合理性判別指標(biāo)兩個(gè)部分。大壩安全控制指標(biāo)是在對已有案例分析、已有研究成果、規(guī)范及監(jiān)測資料的基礎(chǔ)上建立和完善高心墻堆石壩的綜合安全評價(jià)指標(biāo)體系，提出各因素安全控制標(biāo)準(zhǔn)，并在此基礎(chǔ)上采用單項(xiàng)或耦合的方式建立綜合評定指標(biāo)體系以用于大壩的安全預(yù)警及警戒等級劃分(見圖3)。監(jiān)測數(shù)據(jù)的合理性判別指標(biāo)是通過大壩監(jiān)測數(shù)據(jù)的綜合分析，建立各測值時(shí)程控制范圍指標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)對監(jiān)測數(shù)據(jù)的合理性判斷，對于超出預(yù)測控制的測值進(jìn)行警示。

圖3 安全指標(biāo)模塊結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 The safety index module

圖2 糯扎渡水電站大壩工程安全評價(jià)與預(yù)警信息管理系統(tǒng)界面Fig.2 A interface of the safety assessment and warning information management system for Nouzhadu Project

2.3 監(jiān)測數(shù)據(jù)和工程信息模塊

監(jiān)測數(shù)據(jù)和工程信息模塊對大壩各類動態(tài)信息進(jìn)行查詢、分析、可視化展示及報(bào)表等。

2.3.1 監(jiān)測數(shù)據(jù)

監(jiān)測數(shù)據(jù)包括環(huán)境量(如氣溫、降雨和泥沙淤積等)和效應(yīng)量(如位移、土壓力、水壓力、滲流量和裂縫等)?？蓪@些數(shù)據(jù)進(jìn)行如下操作。

1)數(shù)據(jù)查詢:可根據(jù)大壩三維模型中的各種儀器的類型和分布進(jìn)行直觀查詢，也可采用其他傳統(tǒng)的方式查詢，如確定條件查詢、組合條件查詢和模糊查詢等。

2)統(tǒng)計(jì)分析:對各監(jiān)測量的時(shí)間序列進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，或?qū)Σ煌康南嚓P(guān)性進(jìn)行分析。所采用的模型包括統(tǒng)計(jì)性模型、混合模型、分布模型、確定性模型等。

3)可視化展示及報(bào)表:可繪制測值過程線、測值分布圖、測值相關(guān)圖、等值線圖、二維或三維動態(tài)分析圖等，并可采用圖形和表格聯(lián)動的方式展示結(jié)果。

2.3.2 工程信息

工程信息展示主要包括大壩施工進(jìn)度查詢和動態(tài)演示，如三維和典型剖面施工形象圖、具體位置施工過程線等，以及施工質(zhì)量，如壓實(shí)度、填筑密度、含水量等的三維信息查詢。

2.4 數(shù)值計(jì)算模塊

數(shù)值計(jì)算模塊包含滲流計(jì)算、靜力計(jì)算、裂縫計(jì)算、穩(wěn)定計(jì)算及動力計(jì)算5個(gè)計(jì)算分析單元，可對大壩的相應(yīng)特性進(jìn)行不同條件下數(shù)值仿真分析;同時(shí)，系統(tǒng)中還嵌入了各種計(jì)算的執(zhí)行程序，用戶可變換一定的條件自行計(jì)算分析。圖4顯示了數(shù)值計(jì)算模塊的各個(gè)計(jì)算單元基本功能及相應(yīng)的數(shù)據(jù)流程。所有的計(jì)算結(jié)果均可供用戶查詢和可視化展示，并與監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行比較。僅以靜力計(jì)算為例加以說明。

從計(jì)算方案庫選擇計(jì)算文件，對于每一工況可顯示如下信息:a.計(jì)算條件，包括大壩及壩基幾何模型(網(wǎng)格、材料分區(qū)、邊界條件、施工分級)圖形顯示;壩料物理力學(xué)參數(shù)，列表顯示;施工蓄水過程:圖形、列表顯示。b.計(jì)算結(jié)果，包括三維等值線、矢量圖，整體形態(tài)旋轉(zhuǎn)、平移、縮放等;二維縱橫剖面等值線、矢量圖，平移、縮放等;位移變化過程動畫演示。相關(guān)力學(xué)量包括結(jié)點(diǎn)位移(ux、uy、uz);結(jié)點(diǎn)應(yīng)力(σx、σy、σz、xy、yz、zx、σ1、σ2、σ3);結(jié)點(diǎn)應(yīng)力水平;結(jié)點(diǎn)孔隙水壓力等，并可與實(shí)測結(jié)果進(jìn)行比較。進(jìn)行嵌入計(jì)算時(shí)，可修改材料系數(shù)，延長后續(xù)蓄水變化過程，對流變計(jì)算，延長流變時(shí)間。

圖4 數(shù)值計(jì)算模塊基本功能流程圖Fig.4 The flow chart of the Numerical Calculation Module

2.5 反演分析模塊

反演分析模塊包含滲流反演分析、靜力反演分析、裂縫反演分析及動力反演分析4個(gè)計(jì)算分析單元。用于根據(jù)所要反演參數(shù)的類型及數(shù)量，確定所需要的信息;通過有限元計(jì)算生成訓(xùn)練樣本;訓(xùn)練和優(yōu)化用于替代有限元計(jì)算的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，并進(jìn)行土體參數(shù)的反演計(jì)算。將反演參數(shù)、誤差以及必要的過程信息通過系統(tǒng)管理模塊存入數(shù)據(jù)庫供其他單元調(diào)用。為了系統(tǒng)開發(fā)的方便，反演分析模塊各計(jì)算單元的基本功能流程在組織結(jié)構(gòu)上與數(shù)值計(jì)算模塊近似。

與數(shù)值計(jì)算模塊一樣，反演分析模塊包含良好的計(jì)算分析成果的動態(tài)展示、嵌入式計(jì)算分析、成果查詢及對比分析等功能。反演分析模塊與數(shù)值計(jì)算模塊相結(jié)合可對大壩性態(tài)進(jìn)行分析預(yù)測，是糯扎渡大壩工程安全評價(jià)與預(yù)警信息管理系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。

采用反演得到的糯扎渡大壩主要壩料模型參數(shù)對大壩性態(tài)進(jìn)行數(shù)值分析，圖5為心墻內(nèi)沉降計(jì)算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果的對比圖，從中可以看出，數(shù)值反演得到的計(jì)算成果與實(shí)測結(jié)果無論在規(guī)律上還是在數(shù)值上都具有很好的一致性，從而也驗(yàn)證了系統(tǒng)所包含的反演分析模塊的可行性和可靠性。

圖5 基于施工動態(tài)的土石壩反演計(jì)算成果與實(shí)測成果對比圖(靜力反演分析模塊)Fig.5 The comparison between the calculated results based on back-analyzed parameters and the measured values(static inverse analysis module)

2.6 安全預(yù)警與應(yīng)急預(yù)案模塊

安全預(yù)警與應(yīng)急預(yù)案模塊在同時(shí)考慮影響大壩安全的各因素之間的內(nèi)在聯(lián)系及耦合作用的基礎(chǔ)上，根據(jù)動態(tài)監(jiān)測信息以及計(jì)算成果，進(jìn)行施工質(zhì)量與大壩安全分析，建立大壩安全評價(jià)模型;結(jié)合安全指標(biāo)模塊中各個(gè)因子的安全閾度，針對不同的異常狀態(tài)及其物理成因，對異常狀態(tài)進(jìn)行分級(紅色、橙色、黃色)并建立預(yù)警機(jī)制。根據(jù)不同的預(yù)警機(jī)制本模塊又包含變形安全預(yù)警與預(yù)案、滲流安全預(yù)警與預(yù)案、裂縫安全預(yù)警與預(yù)案、壩坡穩(wěn)定預(yù)警與預(yù)案及地震安全預(yù)警與預(yù)案5個(gè)子單元(見圖6)。

本模塊可進(jìn)行分級適時(shí)報(bào)警，并可給出安全評價(jià)健康診斷報(bào)告。根據(jù)安全預(yù)警與預(yù)案判別分析結(jié)果，對可能出現(xiàn)的安全問題，建立相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案與措施，確保工程安全、順利、高質(zhì)量實(shí)施，并在出現(xiàn)緊急情況時(shí)自動給出應(yīng)急措施，也可人工修改應(yīng)急方案。

圖6 安全預(yù)警與應(yīng)急預(yù)案功能及數(shù)據(jù)Fig.6 The safety warning and emergency countermeasure module

2.7 數(shù)據(jù)庫管理模塊

數(shù)據(jù)庫管理模塊主要用于系統(tǒng)管理員進(jìn)行數(shù)據(jù)操作，同時(shí)也可實(shí)現(xiàn)與其他系統(tǒng)的數(shù)據(jù)共享及傳遞。為保證數(shù)據(jù)的安全性，系統(tǒng)研發(fā)中主要限于管理員用戶進(jìn)行相應(yīng)的操作。該模塊的主要功能包括:

1)對各種類型的數(shù)據(jù)均提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫接口;

2)與其他系統(tǒng)進(jìn)行必要的信息共享與交流;

3)對大量的監(jiān)測和計(jì)算數(shù)據(jù)以及工程信息，可批量導(dǎo)入、文件導(dǎo)入;

4)對少量的監(jiān)測和計(jì)算數(shù)據(jù)以及工程信息可采用手工錄入;

5)對工程檔案資料進(jìn)行收錄、整編，可供用戶檢索、借閱;

6)采用Web技術(shù)發(fā)布系統(tǒng)信息、工程信息以及其他需要公布的信息。

3 結(jié)語

文章基于目前水電工程建設(shè)全生命周期管理的理念，設(shè)計(jì)了糯扎渡水電站大壩工程安全評價(jià)與預(yù)警信息管理系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)由系統(tǒng)管理模塊、安全指標(biāo)模塊、監(jiān)測數(shù)據(jù)與工程信息模塊、數(shù)值計(jì)算模塊、反演分析模塊、安全預(yù)警與應(yīng)急預(yù)案模塊和數(shù)據(jù)庫及管理模塊共7個(gè)模塊構(gòu)成，其中數(shù)值計(jì)算和反演分析模塊是本系統(tǒng)的核心部分。根據(jù)上述技術(shù)方案，目前該系統(tǒng)整體框架已經(jīng)搭建完畢，并且監(jiān)測數(shù)據(jù)與工程信息管理模塊、數(shù)值計(jì)算模塊中的靜力計(jì)算單元及反演分析模塊中的靜力反演分析單元已經(jīng)開發(fā)完畢，并且實(shí)現(xiàn)了在線查詢和演示功能。根據(jù)現(xiàn)場應(yīng)用來看，目前該系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念可以很好地指導(dǎo)工程的施工和運(yùn)營，對于以全新理念推動土石壩建設(shè)具有重要的實(shí)踐意義。

[1]徐 偉，李炳釗.建筑工程施工的智能方法[M].上海:同濟(jì)大學(xué)出版社，1997.

[2]Coble R J，Hinze J W，Haupt T C.Construction Safety and Health Management[M].USA:Prentice Hall，2000.

[3]周劍嵐，裴金勇，王紅衛(wèi).大型水電工程安全生產(chǎn)與應(yīng)急管理平臺設(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù)分析[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，2008，25(11):3225-3227.

[4]馬洪琪，鐘登華，張宗亮，等.高心墻堆石壩施工質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)控關(guān)鍵技術(shù)及工程應(yīng)用[Z].科技成果，2010.4.