大壩安全遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用初探

王玉潔，林 芝

（國家電力監(jiān)管委員會大壩安全監(jiān)察中心，浙江 杭州 310014）

1 大壩安全信息化平臺建設(shè)

隨著水力資源的不斷開發(fā)和利用，大壩及其水工建筑物的安全問題也引起社會公眾越來越多的關(guān)心。我國水電站大壩分布在全國各地，點(diǎn)多面廣，給大壩安全管理工作帶來了一定的難度。為了實(shí)現(xiàn)大壩安全的全過程現(xiàn)代化管理，形成大壩安全遠(yuǎn)程管理與現(xiàn)場檢查相結(jié)合、及時(shí)發(fā)現(xiàn)和消除安全隱患的大壩運(yùn)行安全監(jiān)督和管理新格局，做好大壩險(xiǎn)情預(yù)測與應(yīng)急管理，電監(jiān)會大壩中心已建立了全國電力系統(tǒng)水電站大壩安全管理和技術(shù)交流平臺，使各級大壩安全管理人員都能在該平臺上開展工作，為遠(yuǎn)程管理與現(xiàn)場檢查相結(jié)合的大壩安全管理模式創(chuàng)新提供了技術(shù)保障。

大壩安全信息化平臺主要包含大壩安全信息管理主系統(tǒng)、分系統(tǒng)和子系統(tǒng)三個(gè)層面，它們分別對應(yīng)不同的用戶和功能需求。

大壩安全信息管理主系統(tǒng)設(shè)在大壩中心，主要包括大壩安全網(wǎng)站和信息處理子系統(tǒng)兩部分。網(wǎng)站主要用于大壩安全信息查詢及下載，可滿足大壩主管單位查詢大壩安全信息的需要。信息處理子系統(tǒng)包括用于實(shí)時(shí)接收各水電站大壩運(yùn)行安全上報(bào)信息的接收軟件、遠(yuǎn)程監(jiān)測數(shù)據(jù)即時(shí)采集控制軟件，以及對上報(bào)信息進(jìn)行分析處理和反饋的一系列軟件，滿足大壩中心和電監(jiān)會系統(tǒng)大壩安全監(jiān)管日常工作需要。

大壩安全信息管理分系統(tǒng)設(shè)在大壩主管單位或者電力監(jiān)管機(jī)構(gòu)，如流域開發(fā)公司、各大發(fā)電公司等，用于管理公司所屬或監(jiān)管范圍內(nèi)一系列水電站大壩的安全信息。

大壩安全信息管理子系統(tǒng)設(shè)在水電站運(yùn)行單位，用于管理其所運(yùn)行大壩的安全信息，是水電站大壩安全管理人員的操作平臺。

經(jīng)過四年多的努力，大壩安全信息化平臺建設(shè)工作取得了較大的進(jìn)展。主系統(tǒng)和部分子系統(tǒng)建設(shè)已基本完成。截至2010年12月，總共有188座水電站報(bào)送了大壩安全監(jiān)測信息，其中，網(wǎng)絡(luò)報(bào)送134座，郵件報(bào)送54座。

2 大壩預(yù)警系統(tǒng)的建立

由于主系統(tǒng)所管理的信息量巨大，為保證及時(shí)分析大壩安全信息，甄別大壩運(yùn)行過程中的異常和問題、以及后續(xù)的決策診斷反饋工作，必須在建立數(shù)據(jù)庫、圖形庫、分析方法庫、相關(guān)檢查檔案庫等的基礎(chǔ)上，對大壩進(jìn)行綜合分析，建立大壩預(yù)警系統(tǒng)。

大壩中心陸續(xù)對接入遠(yuǎn)程信息管理平臺的大壩監(jiān)測數(shù)據(jù)開展系統(tǒng)梳理和監(jiān)控預(yù)警指標(biāo)設(shè)定工作，選擇對建筑物及其基礎(chǔ)安全狀態(tài)最有控制意義的關(guān)鍵部位和對安全最敏感的效應(yīng)量作為預(yù)警系統(tǒng)中的監(jiān)控指標(biāo)，做到既突出重點(diǎn)又能控制整個(gè)大壩。這里的監(jiān)控預(yù)警指標(biāo)是指引起運(yùn)行管理人員關(guān)注的指標(biāo)，主要包括上限指標(biāo)、下限指標(biāo)、變化速率指標(biāo)、歷史均值指標(biāo)、歷史極值指標(biāo)等。其限值根據(jù)設(shè)計(jì)計(jì)算、監(jiān)測資料、大壩運(yùn)行情況綜合分析確定，并適時(shí)調(diào)整。

開展此項(xiàng)工作是實(shí)現(xiàn)大壩安全遠(yuǎn)程監(jiān)控管理的重要環(huán)節(jié)，建立在深入分析監(jiān)測數(shù)據(jù)、掌握建筑物運(yùn)行性態(tài)的基礎(chǔ)之上，要求對報(bào)送的各類信息進(jìn)行有序管理，整理、整編大壩安全監(jiān)測資料。

3 報(bào)警與甄別

以一等工程庫容10億m3以上的46座大壩為例，在監(jiān)控預(yù)警指標(biāo)設(shè)定工作中，共收集整理了161張CAD圖，并從11 322多個(gè)測點(diǎn)中篩選了3 074個(gè)測點(diǎn)納入大壩預(yù)警系統(tǒng)。截至2010年底，共監(jiān)控到異常報(bào)警信息78 922條。當(dāng)大壩預(yù)警系統(tǒng)監(jiān)控到超限測值而報(bào)警時(shí)，并不能就此認(rèn)定大壩是“不安全”的，需借助大壩安全監(jiān)測技術(shù)專業(yè)知識和工程地質(zhì)資料、設(shè)計(jì)資料、監(jiān)測資料、日常巡視檢查資料、運(yùn)行記錄等信息進(jìn)行分析甄別。目前大壩中心除采用專用軟件外，還設(shè)有專崗對超限數(shù)據(jù)進(jìn)行分析甄別。超限報(bào)警數(shù)據(jù)大致可分三種情況。

（1）人為干擾

由于人為干擾，如做試驗(yàn)、設(shè)備更換、基準(zhǔn)值改變等，出現(xiàn)超限測值。如某電站壩基揚(yáng)壓水位自2010年6月17日開始，測值出現(xiàn)規(guī)律性的跳躍，詢問電廠后得知是由于電廠做試驗(yàn)人為干擾所致，并非真實(shí)地下水位情況。在日常監(jiān)控中，發(fā)現(xiàn)多數(shù)超限報(bào)警是由這種原因引起的，目前已監(jiān)測到該類報(bào)警數(shù)據(jù)54 712條，約占總報(bào)警信息的69.3%。

（2）系統(tǒng)故障

由于監(jiān)測系統(tǒng)不穩(wěn)定或監(jiān)測儀器故障，出現(xiàn)超限測值。如某電站壩頂水平位移測點(diǎn)監(jiān)測數(shù)據(jù)出現(xiàn)100 000 mm的突變測值而報(bào)警，分析其過程線可見：該測點(diǎn)前后測值均沒有出現(xiàn)此種現(xiàn)象，且測值超出結(jié)構(gòu)變化范圍，因此可確認(rèn)為系統(tǒng)故障引起，后詢問電廠得到證實(shí)。在日常監(jiān)控中，已監(jiān)測到該類報(bào)警數(shù)據(jù)19 424條，約占總報(bào)警信息的24.6%。

（3）建筑物性狀改變

建筑物或其基礎(chǔ)受力狀態(tài)的改變使得測值超出預(yù)警指標(biāo)。目前已監(jiān)測到此類報(bào)警信息4 786條，占總報(bào)警信息的6.1%左右。

導(dǎo)致建筑物及其基礎(chǔ)受力狀態(tài)改變的原因主要有兩種，一是由于上下游水位、溫度、降雨量等環(huán)境因素改變，引起大壩承受荷載變化。如某電站汛期水位出現(xiàn)歷史最大值263.94 m，由于上游水位突增引起壩體總滲漏量在2010年7月超出監(jiān)控上限報(bào)警，最大漏水量達(dá)到67.95 L/s，超過歷史最大值（24.87 L/s）43.08 L/s。同時(shí)分析該大壩壩頂激光位移過程線可見，大壩水平位移在同一時(shí)段內(nèi)也有不同程度的增大。此類情況屬大壩在汛期非常環(huán)境下工作，大壩中心設(shè)專人以簡訊的形式對該電站汛期的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行跟蹤分析，并及時(shí)將監(jiān)控到的異常狀況反饋給運(yùn)行管理單位，密切關(guān)注水庫運(yùn)行調(diào)度及大壩運(yùn)行情況，及時(shí)評判大壩安全。

二是建筑物或其基礎(chǔ)本身承載能力下降。如某電站地下水位2010年7月30日測值超出監(jiān)控上限而報(bào)警（見圖1），且該天以后，地下水位測值持續(xù)上升，為此對該儀器的工作狀態(tài)進(jìn)行鑒定，并綜合分析該時(shí)段上游水位和降雨量等環(huán)境因素，結(jié)合該部位的地質(zhì)情況和工程處理情況，初步甄別為該處滲流狀態(tài)惡化，及時(shí)反饋運(yùn)行單位，并提請相關(guān)專家進(jìn)一步研究其對工程安全的影響及處理措施。

4 處理與反饋

大壩安全遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺作為大壩安全監(jiān)督管理的有力補(bǔ)充，其目的是借助網(wǎng)絡(luò)管理模式，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和消除大壩安全管理工作中存在的問題和大壩本身的安全隱患，實(shí)現(xiàn)大壩安全的全過程現(xiàn)代化管理。

4.1 監(jiān)測管理

監(jiān)測系統(tǒng)的故障率不但反映了所采用的監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性，同時(shí)還反映了水電廠運(yùn)行管理單位的管理水平。

以一等工程庫容10億m3以上的46座大壩為例，截至2010年底，監(jiān)控到的78 922條異常報(bào)警信息中，由監(jiān)測系統(tǒng)故障引起的占24.6%，人為干擾引起的占69.3%，兩者合計(jì)占93.9%，可見監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性以及運(yùn)行管理水平還有待進(jìn)一步提高。

目前，對甄別后確定是由于監(jiān)測系統(tǒng)不穩(wěn)定、監(jiān)測儀器故障、人為因素等原因引起的報(bào)警，及時(shí)反饋電廠，提請其加強(qiáng)管理與維護(hù)工作；對多次提醒仍故障不斷的運(yùn)行單位，采取各種行政手段，監(jiān)督其完善監(jiān)測系統(tǒng)，提高系統(tǒng)的可靠性，以保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的真實(shí)性。

4.2 大壩安全

大壩安全遠(yuǎn)程管理平臺的預(yù)警系統(tǒng)為評判大壩安全狀態(tài)提供了重要的依據(jù)和提示。一旦甄別出反映建筑物工作惡化的監(jiān)測數(shù)據(jù)，確認(rèn)建筑物出現(xiàn)異常后，就應(yīng)及時(shí)反饋電廠，引起足夠重視，并督促電廠結(jié)合原有的工程地質(zhì)資料、設(shè)計(jì)施工資料、日常巡視檢查和運(yùn)行記錄，采取合適的科學(xué)理論和數(shù)學(xué)方法對建筑物表現(xiàn)出的異?，F(xiàn)象進(jìn)行合理分析和解釋，必要時(shí)還要委托專業(yè)單位進(jìn)行專題研究，并組織專家對大壩的安全狀態(tài)做出客觀評價(jià)。

4.3 工程實(shí)例

某電站大壩為混凝土雙曲薄拱壩，共13個(gè)壩段，最大壩高103.85 m。工程于2002年4月開工建設(shè)，2005年6月3日下閘蓄水。

大壩布置了垂直位移、水平位移、大壩撓度、揚(yáng)壓力、滲流量、繞壩滲流、壩體應(yīng)力應(yīng)變、基巖變位、壩體接縫、壩體溫度、右壩肩邊坡監(jiān)測、壩區(qū)氣溫、庫水位等觀測設(shè)施。其中壩基揚(yáng)壓力采用測壓管監(jiān)測，分別布置在3號、5號、7號、9號、11號、13號壩段，共計(jì)6孔，均深入基巖1.0 m左右。

5號、7號、9號壩段揚(yáng)壓系數(shù)超標(biāo)報(bào)警，之后揚(yáng)壓力總體表現(xiàn)為低溫季節(jié)隨著庫水位的突然抬高而呈臺階狀增加。經(jīng)分析甄別，認(rèn)為監(jiān)測數(shù)據(jù)真實(shí)反映了壩基的工作狀態(tài)，并將該異常現(xiàn)象及時(shí)反饋運(yùn)行單位。由于揚(yáng)壓力測值增加幅度較大、覆蓋范圍較廣，該現(xiàn)象引起了大壩運(yùn)行單位的重視，委托相關(guān)專業(yè)單位開展揚(yáng)壓力偏高原因及其對大壩安全影響的專題研究工作。

該項(xiàng)專題研究工作中采用的分析方式主要有：①通過現(xiàn)場壓水試驗(yàn)和孔內(nèi)攝像查明揚(yáng)壓力偏高測孔主要滲漏水的出水高程。②采用幾種不同的計(jì)算程序復(fù)核大壩設(shè)計(jì)體型的應(yīng)力狀態(tài)，以進(jìn)一步掌握大壩設(shè)計(jì)體型的受力情況。③通過對施工資料進(jìn)行復(fù)查，了解混凝土實(shí)際強(qiáng)度、封拱溫度、灌漿情況等，并查找施工過程中是否存在施工缺陷。④通過對歷史監(jiān)測資料的分析，查清揚(yáng)壓力的變化規(guī)律、實(shí)測封拱溫度場和穩(wěn)定溫度場的分布，并反演壩體混凝土線脹系數(shù)和綜合彈模。⑤根據(jù)壩體實(shí)際體型、實(shí)測封拱和灌漿溫度、實(shí)際或反演彈模及線脹系數(shù)，對壩體實(shí)際應(yīng)力進(jìn)行復(fù)核。⑥在綜合分析總結(jié)上述工作基礎(chǔ)上，對拱壩揚(yáng)壓力偏高成因做出科學(xué)合理的解釋，并就揚(yáng)壓力偏高對大壩安全的影響做出評估，最后提出相應(yīng)的處理建議。

5 結(jié) 語

在大壩安全遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺上采取建立預(yù)警系統(tǒng)、自動報(bào)警與專家分析相結(jié)合的應(yīng)用方式，使大壩安全管理工作擺脫了傳統(tǒng)的被動性弊病，轉(zhuǎn)為及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，及時(shí)進(jìn)行系統(tǒng)分析，及時(shí)督促運(yùn)行單位提高維護(hù)管理水平，及時(shí)處理大壩異常情況，防患于未然，為創(chuàng)新大壩安全監(jiān)督管理模式和大壩定期檢查工作模式進(jìn)行了有益的嘗試。

從目前大壩安全監(jiān)控中可見，大多數(shù)超限預(yù)警是由系統(tǒng)（或儀器）故障和人為干擾引起的，運(yùn)行管理單位應(yīng)加強(qiáng)日常的系統(tǒng)維護(hù)，及時(shí)分析監(jiān)測數(shù)據(jù)、排除系統(tǒng)（或儀器）故障，建立監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)檔案，加強(qiáng)運(yùn)行管理人員的專業(yè)培訓(xùn)，保證子系統(tǒng)上報(bào)數(shù)據(jù)及時(shí)、準(zhǔn)確。

今后還會進(jìn)一步將大壩安全遠(yuǎn)程監(jiān)控工作應(yīng)用于大壩定檢、水工技術(shù)監(jiān)督、注冊檢查、監(jiān)測管理等工作中，并將該項(xiàng)工作的開展和落實(shí)情況作為大壩安全注冊的檢查要素，以使運(yùn)行單位提高對該項(xiàng)工作的重視程度，促進(jìn)大壩安全遠(yuǎn)程監(jiān)控工作更好地為大壩安全管理服務(wù)。