運(yùn)行期大壩安全評(píng)價(jià)

秦 朋，譚愷炎，張志奎，張金杰，劉國(guó)彥

（葛洲壩集團(tuán)試驗(yàn)檢測(cè)有限公司，湖北宜昌，443002）

運(yùn)行期大壩安全評(píng)價(jià)

秦 朋，譚愷炎，張志奎，張金杰，劉國(guó)彥

（葛洲壩集團(tuán)試驗(yàn)檢測(cè)有限公司，湖北宜昌，443002）

當(dāng)前大壩安全評(píng)價(jià)以定性為主，定量并直觀地評(píng)價(jià)大壩安全運(yùn)行狀態(tài)的方法不多。文章提出一種定量的評(píng)價(jià)方法，以歷史監(jiān)測(cè)資料為數(shù)據(jù)庫，對(duì)大壩近期監(jiān)測(cè)值進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，得到大壩綜合安全評(píng)價(jià)值。以冶勒大壩為例，在確保自動(dòng)化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可靠的前提下，對(duì)大壩滲流滲壓、應(yīng)力監(jiān)測(cè)、壩內(nèi)水平位移、壩內(nèi)垂直位移、基座裂縫監(jiān)測(cè)5個(gè)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目分別進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，最終得到大壩整體安全狀態(tài)評(píng)分。各監(jiān)測(cè)項(xiàng)目分析結(jié)果與監(jiān)測(cè)成果吻合，驗(yàn)證了評(píng)價(jià)方法合理。

冶勒大壩；系統(tǒng)誤差；回歸分析；定量安全評(píng)價(jià)

0 引言

水庫大壩在給人們帶來經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)也蘊(yùn)藏著巨大的風(fēng)險(xiǎn)。我國(guó)建壩數(shù)量較多，隨著壩齡增長(zhǎng)，大壩失事的潛在危險(xiǎn)也在加大[1]。因此，通過大壩安全監(jiān)測(cè)資料對(duì)運(yùn)行期大壩的安全狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)非常必要。有關(guān)專家提出一系列的安全評(píng)價(jià)方法，如楊澤艷等比較洪家渡大壩滲流量實(shí)測(cè)值與設(shè)計(jì)值，得出運(yùn)行指標(biāo)結(jié)論[2]；傅世平將白溪大壩各項(xiàng)指標(biāo)實(shí)測(cè)值與有限元計(jì)算結(jié)果對(duì)比，與類似工程進(jìn)行對(duì)比[3]。與前述評(píng)價(jià)方法類似，目前大多數(shù)水電站運(yùn)行期安全監(jiān)測(cè)報(bào)告主要是將當(dāng)前觀測(cè)結(jié)果與歷史值進(jìn)行對(duì)比，得出一個(gè)定性的評(píng)價(jià)。黎佛林提出一種定量的評(píng)價(jià)方法，統(tǒng)計(jì)大量類似工程的各分項(xiàng)指標(biāo)，計(jì)算水布埡工程分項(xiàng)指標(biāo)在統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)庫內(nèi)的評(píng)分，最后得到一個(gè)大壩安全狀態(tài)的定量評(píng)分[4]。但類似工程仍然存在壩體結(jié)構(gòu)、水文地質(zhì)條件等差異，尤其是不同時(shí)段不同的筑壩技術(shù)水平，以不同工程之間的相對(duì)變化作為安全運(yùn)行狀態(tài)評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)得出的結(jié)論只能作為參考。在運(yùn)行期，大壩本身的監(jiān)測(cè)資料是一個(gè)龐大數(shù)據(jù)庫，基于歷史值的變化規(guī)律對(duì)當(dāng)前觀測(cè)結(jié)果做出評(píng)價(jià)最能說明大壩安全狀態(tài)[5]。這種分析方法的前提是確保數(shù)據(jù)的可靠性，但多數(shù)大壩運(yùn)行期存在的問題是，早期自動(dòng)化的不成熟或者自動(dòng)化系統(tǒng)本身的問題導(dǎo)致一些監(jiān)測(cè)結(jié)果達(dá)不到要求。筆者以冶勒大壩為例，對(duì)自動(dòng)化的監(jiān)測(cè)資料進(jìn)行可靠性分析，局部修正自動(dòng)化系統(tǒng)誤差，在確保數(shù)據(jù)可靠前提下提出一種基于歷史數(shù)據(jù)庫的大壩安全運(yùn)行狀態(tài)評(píng)價(jià)方法，得到冶勒大壩運(yùn)行期安全狀態(tài)綜合評(píng)分。

1 工程簡(jiǎn)介

冶勒瀝青混凝土心墻壩是南椏河梯級(jí)電站的龍頭水庫，壩高125.5 m，總庫容2.98億m3。壩址所處地形不良，河谷左右兩岸不對(duì)稱，巖石結(jié)構(gòu)相異，且河床覆蓋層深厚[6]。為監(jiān)控大壩運(yùn)行狀態(tài)，冶勒工程設(shè)計(jì)了一套完整、可靠的大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，主要包含壩體表面和內(nèi)部水平、垂直位移監(jiān)測(cè)、心墻和防滲墻應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)、壩體和壩基滲流監(jiān)測(cè)等，其中一些重點(diǎn)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目采用多種監(jiān)測(cè)技術(shù)，為監(jiān)測(cè)的可靠性提供了多重保障。

2 監(jiān)測(cè)資料整理

自動(dòng)化已經(jīng)成為大壩安全監(jiān)測(cè)的發(fā)展趨勢(shì)，但電子產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜，電子產(chǎn)品測(cè)量與人工測(cè)量可能存在一定系統(tǒng)誤差，加之電子產(chǎn)品本身的脆弱性，容易受到干擾，某些自動(dòng)化測(cè)量的數(shù)據(jù)甚至失真。人工比測(cè)是校核自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)精確性和系統(tǒng)可靠性的有效方法。冶勒大壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)人工比測(cè)方法是采用方差分析作為比測(cè)指標(biāo)，取同時(shí)刻自動(dòng)化測(cè)量Xzi與人工測(cè)量Xri的數(shù)據(jù)系列，計(jì)算各自的方差σz、σr。取同一時(shí)刻人工測(cè)量與自動(dòng)化測(cè)量系列值的差值δi=|Xzi-Xri|（式1），若該差值滿足控制標(biāo)準(zhǔn)，則認(rèn)為該自動(dòng)化測(cè)點(diǎn)滿足觀測(cè)要求。

若計(jì)算結(jié)果不能滿足要求，則對(duì)兩組測(cè)值序列進(jìn)行規(guī)律研究，判斷是否存在系統(tǒng)誤差。規(guī)范DL/T 5272-2012對(duì)σz、σr的定義分別為自動(dòng)化測(cè)量精度和人工測(cè)量精度[7]。人工測(cè)量?jī)x器經(jīng)過具有資質(zhì)的部門率定后，可以將人工測(cè)量精度作為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。在滿足測(cè)量精度的前提下，對(duì)兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，尋找同一測(cè)次和同一監(jiān)測(cè)物理量人工測(cè)量和自動(dòng)化測(cè)量由于初始值問題而引起的常差，對(duì)自動(dòng)化測(cè)量系列扣除該常差后，再將修正后的數(shù)據(jù)代入式（1）、式（2），若滿足控制標(biāo)準(zhǔn)，則認(rèn)為該常差為自動(dòng)化測(cè)量的系統(tǒng)誤差，否則判定該自動(dòng)化測(cè)量數(shù)據(jù)失真。

3 大壩運(yùn)行狀態(tài)評(píng)價(jià)方法

大壩運(yùn)行期通常積累了大量的監(jiān)測(cè)資料，自蓄水后或者在給定期限內(nèi)，若壩體運(yùn)行狀態(tài)良好，且未經(jīng)歷除險(xiǎn)加固，認(rèn)為該時(shí)間段大壩處于安全運(yùn)行狀態(tài)，累積的監(jiān)測(cè)資料可以作為安全評(píng)價(jià)分析數(shù)據(jù)庫。若當(dāng)次觀測(cè)數(shù)據(jù)超過歷史值，則判定大壩運(yùn)行出現(xiàn)異常；若未超標(biāo)，則按照下述步驟進(jìn)行安全運(yùn)行狀態(tài)評(píng)價(jià)。

（1）根據(jù)大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)特點(diǎn)，將系統(tǒng)分為幾類主要的一級(jí)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，如圖1所示，按照各監(jiān)測(cè)項(xiàng)目重要性分配各自權(quán)重。若各一級(jí)項(xiàng)目有多種監(jiān)測(cè)手段（如壩內(nèi)垂直位移監(jiān)測(cè)項(xiàng)目包含水管式沉降儀、電磁式沉降環(huán)、垂直位移計(jì)），則對(duì)各種監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行二級(jí)項(xiàng)目分類，以此類推直至測(cè)點(diǎn)，同樣逐項(xiàng)分配各自權(quán)重。

圖1 大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)劃分方法Fig.1 Classification method of dam safety monitoring system

（2）依次對(duì)每個(gè)測(cè)點(diǎn)3年以上的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，以主要影響因子（若有2個(gè)或者2個(gè)以上則取多個(gè)）對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行多種關(guān)系統(tǒng)計(jì)回歸，取最優(yōu)回歸方程式。如圖2所示，將方程式的預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的差值作為樣本，以該樣本的1倍方差、2倍方差為常數(shù)將回歸曲線平移，得到5個(gè)評(píng)分劃分區(qū)間，分別為好、較好、正常、較差、差。將上述5個(gè)區(qū)間進(jìn)行刻度劃分，以0為起點(diǎn)，1為終點(diǎn)，根據(jù)當(dāng)次測(cè)值分布位置計(jì)算該測(cè)點(diǎn)的評(píng)分。

圖2 測(cè)值評(píng)分方法Fig.2 Scoring method of measurement data

（3）平行測(cè)點(diǎn)的權(quán)重平均分配，根據(jù)各測(cè)點(diǎn)評(píng)分計(jì)算該監(jiān)測(cè)項(xiàng)目評(píng)分，依次類推得到大壩安全狀態(tài)總評(píng)分。少數(shù)測(cè)點(diǎn)失效，或在資料整理階段被判定失真，在未超歷史值前提下認(rèn)為是正常狀態(tài)，統(tǒng)一給定評(píng)分0.5。

4 冶勒大壩安全狀態(tài)評(píng)價(jià)

冶勒大壩安全評(píng)價(jià)以2013～2015年監(jiān)測(cè)資料為數(shù)據(jù)庫，取2015年12月監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為分析對(duì)象。根據(jù)冶勒大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)特點(diǎn)，將整個(gè)系統(tǒng)分為壩內(nèi)水平位移、壩內(nèi)垂直位移、滲流滲壓監(jiān)測(cè)、應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)、基座裂縫監(jiān)測(cè)5個(gè)一級(jí)項(xiàng)目，再將各一級(jí)逐項(xiàng)繼續(xù)劃分，直至測(cè)點(diǎn)。

以冶勒大壩壩體滲流量為例，取滲流量為因變量，庫水位為自變量（轉(zhuǎn)換后的相對(duì)庫水位），得到各種回歸曲線見圖3，各回歸曲線方程式及相關(guān)系數(shù)見表1。

圖3 冶勒大壩壩體滲流量與水位回歸結(jié)果Fig.3 Regression results of seepage and water level of Yele dam

選相關(guān)系數(shù)最高的三項(xiàng)式y(tǒng)=-0.0016x3+ 0.1925x2-2.5398x+77.64為數(shù)學(xué)模型分析，對(duì)三項(xiàng)式的常數(shù)項(xiàng)分別代入兩個(gè)置信區(qū)間的上下限，總共擬出5條曲線，如圖4所示，計(jì)算當(dāng)次測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)位置離兩側(cè)曲線的垂直距離，得到當(dāng)次測(cè)值評(píng)分為0.66。

圖4 三項(xiàng)式評(píng)分區(qū)間劃分結(jié)果Fig.4 Division result of marking interval of trinomial

通過該方法計(jì)算得三級(jí)逐項(xiàng)大壩滲流量子項(xiàng)目中右岸施工廊道滲流量、右岸8號(hào)溝、壩基、壩體滲流量各自評(píng)分矩陣為[1,0.64,0.71,0.66]，根據(jù)各指標(biāo)相對(duì)重要性取權(quán)重矩陣[0.2,0.2,0.2,0.4]，得到三級(jí)逐項(xiàng)大壩滲流量安全性態(tài)評(píng)分0.73。采用同樣的方法計(jì)算出滲流滲壓監(jiān)測(cè)項(xiàng)目中三級(jí)逐項(xiàng)、二級(jí)逐項(xiàng)及大壩滲流滲壓總體評(píng)分見表2。

運(yùn)用上述方法，對(duì)冶勒大壩滲流滲壓、應(yīng)力監(jiān)測(cè)、壩內(nèi)水平位移、壩內(nèi)垂直位移、基座裂縫監(jiān)測(cè)5個(gè)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目得到的評(píng)分矩陣為[0.72,0.77,0.76,0.82,0.73]。將筆者提出的方法運(yùn)用到冶勒大壩，可以得到如下結(jié)論：

（1）滲流滲壓變化未發(fā)現(xiàn)超歷史值測(cè)點(diǎn)，選擇庫水位為主要影響因子，大部分測(cè)點(diǎn)測(cè)值與庫水位回歸結(jié)果并非線性相關(guān)。少數(shù)測(cè)點(diǎn)的滲流量或滲壓與庫水位成線性相關(guān)，測(cè)值分布在歷史值區(qū)間偏大范圍，因此滲流滲壓監(jiān)測(cè)項(xiàng)目評(píng)分相對(duì)其他項(xiàng)目偏低；

（2）壩內(nèi)各部位應(yīng)力應(yīng)變已經(jīng)基本穩(wěn)定，僅隨庫水位發(fā)生小幅度變化；

（3）水平位移變化整體趨勢(shì)為：水位上升時(shí)向下游位移，下降時(shí)向上游位移，符合一般變形規(guī)律，但仍存在一定向下游位移的時(shí)間效應(yīng)；

（4）壩體垂直位移趨于穩(wěn)定，局部發(fā)生上抬現(xiàn)象，具體原因有待進(jìn)一步研究。但從所述評(píng)價(jià)方法的計(jì)算過程可以看出，監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的評(píng)分與整體測(cè)值大小一定程度上呈反比，因此這種垂直位移變化使得壩體垂直位移監(jiān)測(cè)項(xiàng)目評(píng)分相對(duì)最高；

表1 各回歸方程相關(guān)參數(shù)Table 1 Parameters of each regression equation

表2 大壩滲流滲壓監(jiān)測(cè)項(xiàng)目評(píng)分結(jié)果Table 2 Score results of dam seepage and seepage-pressure monitoring

（5）基座裂縫監(jiān)測(cè)結(jié)果只有個(gè)別測(cè)值偏大，評(píng)分偏低，但該監(jiān)測(cè)項(xiàng)目測(cè)點(diǎn)分布較少，因此整體評(píng)分也偏低；

（6）取滲流滲壓、應(yīng)力監(jiān)測(cè)、壩內(nèi)水平位移、壩內(nèi)垂直位移、基座裂縫監(jiān)測(cè)5個(gè)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目一級(jí)逐項(xiàng)權(quán)重矩陣[0.25,0.2,0.2,0.25,0.1]，最終得到冶勒大壩安全狀況評(píng)分為0.76，處于較好水平。

5 評(píng)價(jià)方法實(shí)用性研究

文章提出的評(píng)分方法思路簡(jiǎn)單，但過程卻非常繁瑣，需要對(duì)每個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行回歸統(tǒng)計(jì)，對(duì)當(dāng)次測(cè)值進(jìn)行評(píng)分，尤其是針對(duì)冶勒這種大型工程，安全監(jiān)測(cè)項(xiàng)目涉及范圍廣、測(cè)點(diǎn)布置多，每次安全評(píng)價(jià)都按照上述程序進(jìn)行不太現(xiàn)實(shí)。冶勒大壩運(yùn)行期觀測(cè)多年，各部位變形均趨于穩(wěn)定，以年為周期發(fā)生小范圍波動(dòng)。本次計(jì)算選擇近三年的數(shù)據(jù)庫進(jìn)行回歸，均得到了相關(guān)性較高的數(shù)學(xué)模型。在不發(fā)生超歷史值情況下，本次測(cè)值作為下次測(cè)值的回歸數(shù)據(jù)庫時(shí)，本次測(cè)值是否列入數(shù)據(jù)庫對(duì)上述數(shù)學(xué)模型的影響可以忽略。因此，可以將該數(shù)學(xué)模型作為固定模型。給定模型后，評(píng)分過程僅通過Excel軟件即可實(shí)現(xiàn)，適用于一般的資料分析人員。

6 結(jié)語

（1）針對(duì)運(yùn)行期自動(dòng)化大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不足，文章提出自動(dòng)化測(cè)量系統(tǒng)誤差判別及修正方法，確保安全狀態(tài)評(píng)價(jià)可靠性。

（2）大壩安全評(píng)價(jià)方法眾多，在前人基礎(chǔ)上，文章介紹了一種基于歷史數(shù)據(jù)庫的評(píng)價(jià)方法，對(duì)運(yùn)行期大壩的安全狀態(tài)進(jìn)行定量評(píng)價(jià)。所述評(píng)價(jià)方法不僅可以宏觀了解大壩整體安全運(yùn)行狀態(tài)，還可以定位到壩體某一區(qū)域的運(yùn)行狀態(tài)。

（3）將該方法應(yīng)用于冶勒大壩，得到滲流滲壓、應(yīng)力監(jiān)測(cè)、壩內(nèi)水平位移、壩內(nèi)垂直位移、基座裂縫監(jiān)測(cè)5個(gè)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的安全運(yùn)行狀態(tài)綜合評(píng)分，評(píng)分值與監(jiān)測(cè)成果是吻合的，認(rèn)為該評(píng)價(jià)方法合理。冶勒大壩安全監(jiān)測(cè)綜合評(píng)分值為0.76，總體安全狀態(tài)處于較好水平。 ■

[1]譚愷炎.高混凝土面板堆石壩安全監(jiān)測(cè)若干問題的討論[J].大壩與安全,2010(3):26-29.

[2]楊澤艷,蔣國(guó)澄.洪家渡200 m級(jí)高面板堆石壩變形控制技術(shù)[J].巖土工程學(xué)報(bào),2008,30(8):1241-1247.

[3]傅世平.混凝土面板堆石壩監(jiān)測(cè)資料分析和安全評(píng)價(jià)[D].杭州:浙江大學(xué),2007.

[4]黎佛林,蔡德所,李瑋嵐,等.混凝土面板堆石壩安全評(píng)價(jià)及方法探討[J].人民黃河,2014,36(4):104-107.

[5]秦朋,譚愷炎,胡升偉.300 m級(jí)高混凝土面板堆石壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)討論[J].大壩與安全,2016(1):57-60.

[6]苗君,何蘊(yùn)龍,曹學(xué)興,等.蘆山地震冶勒大壩強(qiáng)震監(jiān)測(cè)資料分析[J].巖石力學(xué),2015,36(1):225-232.

[7]DL/T 5272-2012,大壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)實(shí)用化要求及驗(yàn)收規(guī)程[S].

作者郵箱：3426703@qq.com

Dam safety evaluation in operatinon period

by QIN Peng,TAN Kai-yan,ZHANG Zhi-kui, ZHANG Jin-jie and LIU Guo-yan
China Gezhouba Group Testing Co.,Ltd.

At present,dam safety evaluation is mainly qualitative,quantitative and intuitive evaluation method is rare.In this paper,a quantitative evaluation method is put forward,which based on the histori?cal monitoring data to analyze and evaluate recent dam monitoring value,and get the value of compre?hensive dam safety evaluation.Taking Yele dam as an example,under the premise of reliable automatic monitoring data,the seepage pressure,stress monitoring,horizontal displacement,vertical displacement of the dam and the crack monitoring of dam foundation are analyzed and evaluated respectively,and then the overall dam safety state is obtained.The analysis result of each monitoring item is consistent with the monitoring result,which proves that the evaluation method is reasonable.

Yele dam;systematic error;regression analysis;quantitative safety evaluation

TV697.1

A

1671-1092（2016）05-0014-04

2016-07-29

秦 朋（1987-），男，湖北黃岡人，碩士，工程師，主要從事大壩安全監(jiān)測(cè)工作。