土石壩變形監(jiān)測資料分析評價方法研究

羅倫春

瀘州市水利電力勘測建筑設(shè)計院

土石壩變形監(jiān)測資料分析評價方法研究

羅倫春

瀘州市水利電力勘測建筑設(shè)計院

我國已建土石壩大多有安全監(jiān)測設(shè)施，并已有多年的觀測資料。除少數(shù)有條件的水庫實(shí)現(xiàn)了用微機(jī)進(jìn)行監(jiān)測資料的整編工作外，不少水庫還在采用工作量大、耗時長的人工整編方法，且質(zhì)量、標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化均難以保證，還往往缺乏對監(jiān)測資料進(jìn)行分析。

土石壩；安全監(jiān)測；評價

我國已建多座水庫中，絕大多數(shù)是20世紀(jì)中葉興建的，由于種種原因，許多水庫存在設(shè)計水平低、施工質(zhì)量差等問題，有的已成為病險庫甚至發(fā)生垮壩事故，對社會生產(chǎn)、人民生活、生態(tài)環(huán)境帶來較大安全隱患或損失。國家在除險加固的同時，十分重視水庫安全管理，將安全監(jiān)測自動化工作作為重要任務(wù)來抓，努力通過自動化手段提高水庫管理水平，確保水庫社會經(jīng)濟(jì)效益的實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)克服了以往土石壩安全監(jiān)測分析軟件的缺點(diǎn)，集規(guī)范性、專業(yè)性、通用性于一體，總體上達(dá)到國際先進(jìn)水平，在基于專家評判的綜合分析方面達(dá)到國際領(lǐng)先水平。

1 土石壩安全監(jiān)測技術(shù)研究進(jìn)展

1.1 初期的土石壩安全監(jiān)測

我國土石壩的原型監(jiān)測起步于20世紀(jì)50年代，80年代末實(shí)現(xiàn)了自動化監(jiān)測，之后發(fā)展迅速，但對觀測儀器的要求仍以簡單可靠、能取得滿足精度要求的觀測成果為主。90年代后大壩安全監(jiān)測技術(shù)飛速發(fā)展，許多大壩完成了自動化監(jiān)測系統(tǒng)的更新改造，新建土石壩具有了功能較齊全的監(jiān)測系統(tǒng)。目前土石壩安全監(jiān)測實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)管理、在線分析、成果預(yù)警的計算機(jī)自動化監(jiān)控。

1.2 系統(tǒng)目標(biāo)

依據(jù)我國《土石壩安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》(SL60-94)、《土石壩安全監(jiān)測資料整編規(guī)程》(SL169-96)及《水庫大壩安全管理?xiàng)l例》等規(guī)范、規(guī)程、條例，結(jié)合我國大壩安全管理的現(xiàn)狀，確定土石壩安全監(jiān)測分析評價預(yù)報系統(tǒng)研制開發(fā)的總體目標(biāo)是：在借鑒國內(nèi)外大壩安全監(jiān)測成熟經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，提煉、完善、總結(jié)出安全監(jiān)測的技術(shù)關(guān)鍵問題和核心內(nèi)容，充分利用計算機(jī)最新軟硬件技術(shù)，開發(fā)出一套具有先進(jìn)性、可靠性、通用性和可擴(kuò)充性的土石壩安全監(jiān)測分析評價預(yù)報系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)對大壩的自動監(jiān)測、自動分析和人工干預(yù)反饋，準(zhǔn)確地描述大壩的整體性態(tài)，確保大壩安全，提高水利工程運(yùn)行效益。

1.3 主要研究內(nèi)容與技術(shù)路線

開展的主要研究工作和科研內(nèi)容如下：

1)創(chuàng)新性提出壩體健康監(jiān)測理念(相當(dāng)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(biāo)體系入手，對各項(xiàng)指標(biāo)的發(fā)展變化規(guī)律和壩體健康的影響機(jī)理開展系統(tǒng)的基礎(chǔ)性研究工作。

2)在深入揭示壩體安全變化規(guī)律的基礎(chǔ)上，提出壩體安全的超前預(yù)警機(jī)制，系統(tǒng)研究了以氣象預(yù)報、水文預(yù)報為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)壩體安全超前預(yù)報的技術(shù)理論和實(shí)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(shí)踐反饋，對壩體評價指標(biāo)的在線監(jiān)測、通訊、野外運(yùn)行保障等關(guān)鍵應(yīng)用技術(shù)進(jìn)行實(shí)踐研究。

4)通過構(gòu)建新系統(tǒng)、建立新機(jī)制、研發(fā)新工藝等途徑，針對各種類型和特點(diǎn)的大壩，研究提出先進(jìn)、實(shí)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(shè)計、開發(fā)、建設(shè)和運(yùn)行管理提供全面技術(shù)支撐。

2 安全監(jiān)測資料分析評價功能

(1)資料管理

對監(jiān)測資料進(jìn)行日常維護(hù)，包括資料的錄入、修改、刪除、查詢、異常數(shù)據(jù)處理和資料備份。

(2)資料整編

按照現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《土石壩安全監(jiān)測資料整編規(guī)程》SL169-96及其它技術(shù)規(guī)范的內(nèi)容和要求對監(jiān)測資料進(jìn)行整編，主要有打印各觀測項(xiàng)目的考證表和統(tǒng)計表，繪制測壓管水位等監(jiān)測項(xiàng)目的過程線、相關(guān)線、位勢過程線、浸潤線、沉降等值線等。

(3)沉降分析

包括沉降統(tǒng)計模型建立、漏測沉降推算、沉降和裂縫分析。用一元線性回歸分析法建立時間單因子最優(yōu)沉降統(tǒng)計模型，根據(jù)該模型相關(guān)系數(shù)和剩余標(biāo)準(zhǔn)差，對模型回歸效果作出定性結(jié)論。如模型回歸效果良好，漏測時間不長，可用該模型來推算漏測沉降。沉降分析為計算沉降率(每米沉降量)和沉降速率(每年、每米沉降量)。根據(jù)最大沉降率和判別標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)理論判斷土石壩壩體發(fā)生裂縫的可能性；當(dāng)沉降速率小于標(biāo)準(zhǔn)值(根據(jù)大壩長期觀測系列來合理選定)，則測點(diǎn)處沉降已基本穩(wěn)定。裂縫分析為計算縱向傾度和縱向拉應(yīng)變。如縱向傾度超過臨界傾度，則給出可能存在剪切裂縫的報警；臨界傾度和極限拉應(yīng)變根據(jù)壩體材料的土梁撓曲試驗(yàn)獲得。如無實(shí)驗(yàn)資料，則選用臨界傾度和極限拉應(yīng)變值。

(4)水平位移分析

用逐步回歸分析法建立水平位移統(tǒng)計模型，并根據(jù)模型的復(fù)相關(guān)系數(shù)就回歸效果給出定性結(jié)論。該模型考慮了上游水位H1、時間t、上游水位升降速率和日均氣溫T等4個因子，最高冪次為3次。

(5)測壓管水位分析

包括測壓管水位滯后時間分析、相關(guān)性分析、建立統(tǒng)計模型、位勢分析和浸潤線分析。通過測壓管水位與上游水位H1、下游水位H2、降水量P和滲流量Q等影響因子的相關(guān)性分析，確定測壓管水位的主要影響因子和影響程度，來判斷測壓管的好壞，監(jiān)測資料是否可靠，測點(diǎn)處的滲流狀況。同樣用逐步回歸法建立的測壓管水位統(tǒng)計模型包括上游水位H1、下游水位H2、降水量P、日均氣溫T等4個因子，最高冪次可達(dá)3次。根據(jù)模型的復(fù)相關(guān)系數(shù)和回歸效果，給出定性結(jié)論和測壓管水位監(jiān)測資料的可靠性。位勢分析則是建立測點(diǎn)滲流位勢隨時間變化的一元線性模型，根據(jù)斜率，判斷滲流發(fā)展趨勢；浸潤線分析是對實(shí)際浸潤線和設(shè)計浸潤線，以及對各個不同時期的浸潤線進(jìn)行比較，判斷壩體滲流狀態(tài)、滲流發(fā)展方向和大壩整體穩(wěn)定性是否需要重新核算。

該系統(tǒng)研究開發(fā)中以土石壩、安全監(jiān)測資料作為系統(tǒng)調(diào)試的數(shù)據(jù)，其后又在近十座工程中試用，不斷完善，目前已形成了較為成熟并可以根據(jù)各水庫的具體特點(diǎn)和使用要求提供相應(yīng)層次的系統(tǒng)，具有較強(qiáng)的實(shí)用性。

[1] 姜景山. 土石壩安全監(jiān)測資料分析評價方法研究[D]. 鄭州大學(xué)，2005.

[2] 滿紅飛. 土石壩滲流安全性態(tài)分析研究及工程應(yīng)用[D]. 南京水利科學(xué)研究院，2009.