土石壩安全監(jiān)測分析評價技術研究

趙 琳

（1.大連理工大學，遼寧 大連 116024；2.遼寧省水利廳，遼寧 沈陽 110003）

1 項目背景及意義

水庫工程在抗御洪旱災害、調蓄利用水資源、提供清潔能源等促進經濟社會可持續(xù)發(fā)展方面發(fā)揮著巨大的作用。我國是世界第一筑壩大國，到2009年末已建成各類水庫87151座，其中土石壩數(shù)量占95%以上。但水庫大壩安全整體狀況十分嚴峻，究其原因，除水庫工程老化失修原因外，更為嚴重的是沒有建立完善的大壩安全監(jiān)測分析評價系統(tǒng)和預報預警機制，無法實現(xiàn)對大壩的實時監(jiān)控，無法及時發(fā)現(xiàn)和處理大壩的隱患。經分析論證，開展土石壩安全監(jiān)測分析評價技術研究與工程應用是解決上述問題的重要途徑。綜合分析國內外土石壩安全監(jiān)測分析評價技術研究現(xiàn)狀，面臨的主要問題如下：

1）大壩健康安全變化的機理負責、規(guī)律研究理論尚未成熟；

2）安全監(jiān)測分析評價手段落后，絕大多數(shù)水庫仍以人工觀測分析為主，安全管理技術力量薄弱，無法及時發(fā)現(xiàn)、處理隱患；

3）安全監(jiān)測系統(tǒng)技術尚不成熟，在線分析評價相關技術不規(guī)范；

4）監(jiān)測系統(tǒng)實施和運行保障關鍵技術體系尤為不足。

為此，遼寧省科技廳將本項目列為重大科技攻關項目，并得到水利部的大力支持。目前，成果已被列入水利部《重大科技成果推廣指導目錄》，進入推廣應用階段。

2 主要研究內容與技術路線

開展的主要研究工作和科研內容如下：

1）創(chuàng)新性提出壩體健康監(jiān)測理念（相當于人體體檢），從能夠反映和表現(xiàn)壩體健康狀態(tài)與發(fā)展趨勢的特性指標體系入手，對各項指標的發(fā)展變化規(guī)律和壩體健康的影響機理開展系統(tǒng)的基礎性研究工作。

2）在深入揭示壩體安全變化規(guī)律的基礎上，提出壩體安全的超前預警機制，系統(tǒng)研究了以氣象預報、水文預報為基礎，實現(xiàn)壩體安全超前預報的技術理論和實用方法。

3）在成功開展上述核心理論研究成果的支撐下，利用近5年的工程實踐反饋，對壩體評價指標的在線監(jiān)測、通訊、野外運行保障等關鍵應用技術進行實踐研究。

4）通過構建新系統(tǒng)、建立新機制、研發(fā)新工藝等途徑，針對各種類型和特點的大壩，研究提出先進、實用的安全監(jiān)測與分析評價系統(tǒng)解決方案，為成果推廣的設計、開發(fā)、建設和運行管理提供全面技術支撐。

3 主要研究成果

按照“基礎理論→應用技術→實踐反饋”的總體思路，課題組開展了大量的研究與實際工作。在基礎理論方面，采用調研分析、模型試驗、模擬仿真和影響因子分析等方法，開展了壩體健康評價指標體系的研究。運用灰色理論、模糊綜合評價模型和人工神經網絡模型開發(fā)了壩體健康趨勢在線評價模型庫，成功研發(fā)了壩體健康趨勢在線評價模型系統(tǒng)。針對不同級別水庫調度運用特點，充分運用氣象預報成果，分別針對大中小型水庫特點建立洪水預報模型，實現(xiàn)水庫中短期降水、庫水位變化的預報，以此為邊界條件結合壩體安全評價模型實現(xiàn)了壩體安全的超前預警機制。在應用技術方面，充分運用傳感器、信息、通訊等現(xiàn)代技術手段結合該研究的核心理論成果，成功研發(fā)了安全監(jiān)測分析評價系統(tǒng)，并通過幾十項工程實踐反饋，攻克了多項困擾大壩安全監(jiān)測實施和野外惡劣環(huán)境長期穩(wěn)定運行保障的多項技術難題。主要研究成果如下：

1）綜合型土石壩安全監(jiān)測分析評價系統(tǒng)。包含了集數(shù)據采集、通訊控制、數(shù)據庫、標準化整編、分析評價、預報預警等多項功能。實現(xiàn)大壩位移變形、滲流、揚壓力等10余項指標的綜合采集與管理，開發(fā)了大壩裂縫風險、滲流安全、綜合評價預報預警等40余項分析評價功能。

2）構建了大壩在線安全綜合評價體系。結合壩體安全監(jiān)測項目建立在線監(jiān)測指標體系，開發(fā)綜合評價模型庫，實現(xiàn)評價體系的管理、可進行大壩安全發(fā)展趨勢的實時分析和綜合評價支持等功能。分別基于安全評價導則和安全監(jiān)測項目，構建了在線評價和綜合評價2套指標體系，并開發(fā)了神經網絡等評價支持模型6項：評價體系數(shù)據庫管理模型；

AHP權重計算模型；專家打分支持模型；BP神經網絡評價模型；模糊綜合評價模型；灰色關聯(lián)度評價模型。

3）建立了大壩安全超前預報預警機制。此次研究首次將水庫洪水預報與壩體在線安全評價相結合，建立了大壩安全超前預報預警機制，開發(fā)了可能最高水位預報模型和壩體安全綜合預警模型，實現(xiàn)了壩體安全的超前預警。解決了安全監(jiān)測工作無法預警的難題，為水庫排險避險贏得了寶貴時間，顯著提高了大壩安全管理工作的主動性。

4）研發(fā)了大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)運行效率保障技術。融合數(shù)據轉儲、觸發(fā)器、交叉表和視圖技術，成功研發(fā)出運行效率保障技術模型，徹底解決了長期以來監(jiān)測系統(tǒng)對海量數(shù)據管理與系統(tǒng)運行效率之間的突出矛盾。

5）研發(fā)了監(jiān)測系統(tǒng)實施新技術與新工藝。創(chuàng)新性發(fā)明了測壓管的精確封堵技術和施工工藝，擺脫了只能在筑壩過程中埋設設備的傳統(tǒng)施工模式，彌補了測壓管施工工藝的不足，解決了土石壩內部監(jiān)測設備埋設的問題，在除險加固水庫中得到廣泛應用。在壩體外部變形監(jiān)測方面，發(fā)明了一套垂向引測技術及新裝置，解決垂直控制網大高差數(shù)字化精確引測難題。

6）研發(fā)了大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)野外運行防護體系。大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)需要在野外惡劣環(huán)境下的長期穩(wěn)定運行，由于系統(tǒng)的實施與運行保障技術不成熟，導致多數(shù)系統(tǒng)在運行短短幾年后即陷入癱瘓。針對上述難題，研發(fā)一套大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)野外防護體系，獲得了現(xiàn)場設備保護儀表箱、設備防護密碼井蓋、綜合防避雷等多項專利技術，解決野外無人看護的大壩監(jiān)測系統(tǒng)防盜、防破壞、防雷等極端惡劣環(huán)境運行保障技術。

4 結語

目前，成果已獲遼寧省科技進步一等獎，并被列入水利部《重大科技成果推廣指導目錄》，成為國家首批“水利部科技成果重點推廣計劃”項目。項目組在國內外開展了廣泛的技術交流與推廣工作，已在遼寧、安徽、河北、吉林、黑龍江、云南等地區(qū)60余座水庫和電站推廣應用。該成果的推廣應用使水庫的大壩安全管理水平顯著提高，保證了水庫防洪與興利功能的充分發(fā)揮，產生的經濟效益、社會效益、生態(tài)環(huán)境效益巨大。

［1］張進平.大壩安全監(jiān)測資料分析方法及信息處理技術的若干進展［J］.大壩與安全，2003（6）：19-23.

［2］彭虹.大壩安全監(jiān)測自動化的演進與拓展［J］.大壩與安全，2003（6）：13-18.

［3］酈能惠.土石壩安全監(jiān)測分析評價預報系統(tǒng)[M].北京：中國水利水電出版社，2002.