基于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析的大壩安全運(yùn)行管理探討

鄭敬陽(yáng)

摘 要：大壩監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析理論和方法的研究與應(yīng)用已經(jīng)取得了相當(dāng)?shù)倪M(jìn)展，為保證大壩安全運(yùn)行發(fā)揮了巨大的作用，該文基于筆者多年從事大壩安全分析的相關(guān)工作經(jīng)驗(yàn)，以大壩安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析為研究對(duì)象，探討了安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析的意義和內(nèi)容，給出了安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析方法，全文是筆者長(zhǎng)期工作實(shí)踐基礎(chǔ)上的理論升華，相信對(duì)從事相關(guān)工作的同行能有所裨益。

關(guān)鍵詞：大壩 安全監(jiān)測(cè) 數(shù)據(jù) 分析

中圖分類號(hào)：TV62 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2016）10（a）-0009-02

保證大壩安全的措施可分為工程措施和非工程措施兩種，兩者相互依存，缺一不可。工程措施指采取工程技術(shù)手段，對(duì)大壩進(jìn)行加固和維修；非工程措施指通過(guò)洪水預(yù)報(bào)、安全監(jiān)測(cè)等手段，來(lái)保障大壩運(yùn)行安全。由于人們認(rèn)知水平的局限，大壩的設(shè)計(jì)和建設(shè)不可能做到萬(wàn)無(wú)一失，大壩運(yùn)行中也可能產(chǎn)生安全問題，這樣，加強(qiáng)大壩安全監(jiān)測(cè)就成為非工程措施中極為重要的一個(gè)方面。

1 大壩安全監(jiān)測(cè)的內(nèi)容

根據(jù)大壩安全監(jiān)測(cè)的目的來(lái)分，監(jiān)測(cè)的主要項(xiàng)目有：變形、滲流、壓力、應(yīng)力應(yīng)變、水力學(xué)及環(huán)境量等（圖1）。其中，變形和滲流監(jiān)測(cè)直觀可靠，可基本反映在各種荷載作用下的大壩安全性態(tài)，因而成為最為重要的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目。另外，對(duì)于大壩內(nèi)部性態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)也十分重要，其監(jiān)測(cè)成果可以用來(lái)反饋和檢驗(yàn)設(shè)計(jì)方法、評(píng)價(jià)施工質(zhì)量。

（1）變形監(jiān)測(cè)。大壩在自重、水壓及溫度等荷載作用下，會(huì)產(chǎn)生壩體變形，變形監(jiān)測(cè)是了解大壩工作性態(tài)的重要內(nèi)容，變形監(jiān)測(cè)主要有：表面變形、內(nèi)部變形、壩基變形、裂縫及接縫、混凝土面板變形、岸坡位移等。（2）滲流監(jiān)測(cè)。對(duì)大壩在上下游水位差作用下產(chǎn)生的滲流壓力、滲流量及水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，主要監(jiān)測(cè)項(xiàng)目有：壩體滲流、壩基滲流、繞壩滲流和滲流量等。（3）壓力監(jiān)測(cè)。壓力監(jiān)測(cè)主要是對(duì)大壩的孔隙水壓力、揚(yáng)壓力、土壓力和接觸土壓力等進(jìn)行監(jiān)測(cè)。（4）應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)。主要包括混凝土應(yīng)力、應(yīng)變、錨桿應(yīng)力、鋼筋應(yīng)力、鋼板應(yīng)變、基巖應(yīng)變等監(jiān)測(cè)。（5）溫度監(jiān)測(cè)。主要是壩體混凝土溫度場(chǎng)的監(jiān)測(cè)。（6）水力學(xué)監(jiān)測(cè)。主要包括泄水建筑物的泄水壓強(qiáng)、泄水流速、流量及水面線觀測(cè)。（7）環(huán)境量監(jiān)測(cè)。環(huán)境量監(jiān)測(cè)主要包括上、下游水位、降雨量、氣溫、水溫等項(xiàng)目，主要用于分析環(huán)境量對(duì)大壩變形、應(yīng)力、應(yīng)變、滲流及壩內(nèi)溫度場(chǎng)的影響。大壩安全監(jiān)測(cè)是為了解大壩運(yùn)行狀態(tài)及發(fā)展趨勢(shì)，是保證大壩安全運(yùn)行的重要措施，也是檢驗(yàn)設(shè)計(jì)成果、檢查施工質(zhì)量和認(rèn)識(shí)大壩各種參量變化規(guī)律的有效手段。

2 大壩安全監(jiān)測(cè)的意義

大壩安全監(jiān)測(cè)貫穿于大壩施工、首次蓄水、運(yùn)行整個(gè)過(guò)程中，具有如下幾方面的意義。

（1）滿足施工要求，改進(jìn)施工技術(shù)。大壩施工期間的安全監(jiān)測(cè)可以反映施工質(zhì)量，及時(shí)掌握施工期大壩的實(shí)際性狀，可為在后續(xù)施工過(guò)程中修改、辛1、充設(shè)計(jì)和改進(jìn)施工技術(shù)方案提供依據(jù)。

（2）監(jiān)控運(yùn)行狀態(tài)，保證大壩安全。一般來(lái)說(shuō)，大壩在運(yùn)行中的變化都是緩慢和微小的，如果變化一旦明顯異常，往往已經(jīng)對(duì)大壩安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅，甚至?xí)杆侔l(fā)展到無(wú)法挽救的地步。通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析可以掌握大壩實(shí)際工作性態(tài)與各種環(huán)境影響因素之間的關(guān)系，了解大壩各觀測(cè)變量的波動(dòng)范圍和正常變化規(guī)律，當(dāng)異常情況或不利發(fā)展態(tài)勢(shì)發(fā)生時(shí)可以及時(shí)察覺并采取相應(yīng)的補(bǔ)救措施，從而防止大壩從量變發(fā)展到質(zhì)變破壞，避免重大事故的發(fā)生。在遇到大洪水、地震等特殊情況時(shí)，可以通過(guò)大壩安全監(jiān)測(cè)及時(shí)評(píng)價(jià)大壩的安全狀態(tài)，做到心中有數(shù)從容調(diào)度。

（3）檢驗(yàn)設(shè)計(jì)成果，提高設(shè)計(jì)水平。在壩工設(shè)計(jì)中，對(duì)于大壩未來(lái)狀況的分析和判斷，目前還不能做到與工程實(shí)際完全吻合，甚至有時(shí)會(huì)有較大偏差。由于認(rèn)識(shí)的局限性和實(shí)際情況的復(fù)雜多變，還不能完全準(zhǔn)確地算出大壩上的作用荷載，壩體及基礎(chǔ)的物理力學(xué)參數(shù)更是難以精確確定，壩工設(shè)計(jì)理論也尚欠成熟完善，結(jié)構(gòu)破壞機(jī)理和安全界限等都還不夠清楚明確。某些設(shè)計(jì)?；谀撤N程度的假定性前提，有些復(fù)雜因素也常常加以簡(jiǎn)化考慮。通過(guò)大壩安全監(jiān)測(cè)，就可以檢驗(yàn)設(shè)計(jì)成果是否正確，判斷大壩設(shè)計(jì)情況和實(shí)際情況偏差的大小，從而幫助人們提高對(duì)有關(guān)問題的認(rèn)識(shí)，完善設(shè)計(jì)理論，提高設(shè)計(jì)水平。

（4）提供科研資料，發(fā)展壩工理論。壩工技術(shù)和理論的研究主要依靠理論計(jì)算、模型試驗(yàn)和原型觀測(cè)等手段，由于研究對(duì)象的影響因素較多，一般理論計(jì)算和模型試驗(yàn)都存在一些假設(shè)或簡(jiǎn)化，特別是對(duì)于新型和復(fù)雜結(jié)構(gòu)更是如此，大壩原型監(jiān)測(cè)則反映了各種因素的影響，通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果的分析與反演，可以修正完善理論的不足和模型試驗(yàn)的局限性，近一步提高壩工理論水平，因此，大壩安全監(jiān)測(cè)也是壩工理論革新發(fā)展的有效手段。

3 大壩安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

大壩安全監(jiān)測(cè)取得的大量數(shù)據(jù)為評(píng)價(jià)大壩運(yùn)行狀態(tài)提供了基礎(chǔ)，但是，原始觀測(cè)數(shù)據(jù)往往不能直觀清晰地展示大壩性態(tài)，需要對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分辨、解析、提煉和概括，從繁多的觀測(cè)資料中找出關(guān)鍵問題，深刻地揭示規(guī)律并作出判斷，這就需要進(jìn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析。

監(jiān)測(cè)資料分析的內(nèi)容通常包括：認(rèn)識(shí)規(guī)律、查找問題、預(yù)測(cè)變化、判斷安全。

（1）認(rèn)識(shí)規(guī)律：分析測(cè)值的發(fā)展過(guò)程以了解其隨時(shí)間而變化的情況，如周期性、趨勢(shì)、變化類型、發(fā)展速度、變動(dòng)幅度等；分析測(cè)值的空間分布以了解它在不同部位的特點(diǎn)和差異，掌握它的分布特點(diǎn)及代表性測(cè)點(diǎn)的位置；分析測(cè)值的影響因素以了解各種外界條件及內(nèi)部因素對(duì)所測(cè)物理量的作用程度、主次關(guān)系。通過(guò)這些分析，掌握壩的運(yùn)行狀況，認(rèn)識(shí)壩的各個(gè)部位上各種測(cè)值的變化規(guī)律。

（2）查找問題：對(duì)監(jiān)測(cè)變量在發(fā)展過(guò)程和分布關(guān)系上發(fā)現(xiàn)的特殊或突出測(cè)值，聯(lián)系荷載條件及結(jié)構(gòu)因素進(jìn)行考查，了解其是否符合正常變化規(guī)律或是否在正常變化范圍之內(nèi)，分析原因，找出問題。

（3）預(yù)測(cè)變化：根據(jù)所掌握的規(guī)律，預(yù)測(cè)未來(lái)一定條件下測(cè)值的變化范圍或取值；對(duì)于發(fā)現(xiàn)的問題，估計(jì)其發(fā)展趨勢(shì)、變化速度和可能后果。

（4）判斷安全：基于對(duì)測(cè)值的分析，判斷過(guò)去一段時(shí)期內(nèi)壩的運(yùn)行狀態(tài)是否安全并對(duì)今后可能出現(xiàn)的最不利條件組合下壩的安全作出預(yù)先判斷。

一般來(lái)講，大壩監(jiān)測(cè)資料分析可分為正分析和反演分析兩個(gè)方面。正分析是指由實(shí)測(cè)資料建立原型物理觀測(cè)量的數(shù)學(xué)模型，并應(yīng)用這些模型監(jiān)控大壩的運(yùn)行。反演分析是仿效系統(tǒng)識(shí)別的思想，以正分析成果為依據(jù)，通過(guò)相應(yīng)的理論分析，反求大壩材料的物理力學(xué)參數(shù)和項(xiàng)源（如壩體混凝土溫度、拱壩實(shí)際梁荷載等）。吳中如院士提到通過(guò)大壩監(jiān)測(cè)資料分析可以實(shí)現(xiàn)反饋設(shè)計(jì)，即“綜合原型觀測(cè)資料正分析和反演分析的成果，通過(guò)理論分析計(jì)算或歸納總結(jié)，從中尋找某些規(guī)律和信息，及時(shí)反饋到設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)行中去，從而達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)行的目的，并補(bǔ)充和完善現(xiàn)行水工設(shè)計(jì)和施工規(guī)范”。綜上所述，大壩監(jiān)測(cè)資料正分析中數(shù)學(xué)模型的研究與應(yīng)用是實(shí)現(xiàn)大壩安全監(jiān)測(cè)及資料分析目的的基礎(chǔ)與根本。

4 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析方法

大壩安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析涉及到多學(xué)科交叉的許多方法和理論，目前，常用的大壩監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析方法主要有如下幾種：多元回歸分析、時(shí)間序列分析、灰色理論分析、頻譜分析、Kalman濾波法、有限元法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、小波分析法、系統(tǒng)論方法等。下面主要闡述多元回歸分析和時(shí)間序列分析兩種方法。

4.1 多元回歸分析

多元回歸分析方法是大壩監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析中應(yīng)用最為廣泛的方法之一，最常用的方法就是逐步回歸分析方法，基于該方法的回歸統(tǒng)計(jì)模型廣泛應(yīng)用于各類監(jiān)測(cè)變量的分析建模工作。以大壩變形監(jiān)測(cè)的分析為例，取變形（如各種位移值）為因變量（又稱效應(yīng)量），取環(huán)境量（如水壓、溫度等）為自變量（又稱影響因子），根據(jù)數(shù)理統(tǒng)計(jì)理論建立多元線性回歸模型，用逐步回歸分析方法就可以得到效應(yīng)量與環(huán)境量之間的函數(shù)模型，然后就可以進(jìn)行變形的物理解釋和預(yù)報(bào)。由于它是一種統(tǒng)計(jì)分析方法，需要因變量和自變量具有較長(zhǎng)且一致性較好的觀測(cè)值序列。如果回歸模型的環(huán)境變量之間存在多重共線性，可能會(huì)引起回歸模型參數(shù)估計(jì)的不正確；如果觀測(cè)數(shù)據(jù)序列長(zhǎng)度不足且數(shù)據(jù)中所含隨機(jī)噪聲偏大，則可能會(huì)引起回歸模型的過(guò)擬合現(xiàn)象，而破壞模型的穩(wěn)健性。

4.2 時(shí)間序列分析

大壩安全監(jiān)測(cè)過(guò)程中，各監(jiān)測(cè)變量的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)自然組成了一個(gè)離散隨機(jī)時(shí)間序列，因此，可以用時(shí)間序列分析理論與方法建立模型。一般認(rèn)為時(shí)間序列分析方法是一種動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的參數(shù)化時(shí)域分析方法，它通過(guò)對(duì)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行模型階次和參數(shù)估計(jì)建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，以了解這些數(shù)據(jù)的內(nèi)在結(jié)構(gòu)和特性，從而對(duì)數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)做出判斷和預(yù)測(cè)，具有良好的短期預(yù)測(cè)效果。進(jìn)行時(shí)間序列分析時(shí)一般要求數(shù)據(jù)為平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程，否則，需要進(jìn)行協(xié)整分析，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行差分處理，或者采用誤差修正模型。例如，徐培亮利用時(shí)間序列分析方法，對(duì)大壩變形觀測(cè)資料進(jìn)行分析建模得到一個(gè)AR（2）模型，并對(duì)大壩變形進(jìn)行了預(yù)報(bào)，結(jié)果表明具有良好的預(yù)測(cè)精度。涂克楠、張利、鄭簫等也利用時(shí)間序列對(duì)大壩監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，有效地提高了模型對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的擬合能力和預(yù)測(cè)能力。

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