基于原型監(jiān)測的拱壩綜合安全評判體系設(shè)計(jì)及其應(yīng)用

沈 慧，胡 波，張騰蛟，潘 琳

[南瑞集團(tuán)有限公司（國網(wǎng)電力科學(xué)研究院），江蘇省南京市 211106]

0 引言

以往在對大壩進(jìn)行安全評價(jià)分析時(shí)，通常采用單個(gè)觀測量的原型監(jiān)測資料進(jìn)行定性、定量分析，并利用各種數(shù)學(xué)力學(xué)方法建立模型，結(jié)合人的經(jīng)驗(yàn)認(rèn)識對大壩的工作性態(tài)予以評價(jià)。然而，由于大壩工作條件的復(fù)雜性，各個(gè)看似獨(dú)立的效應(yīng)量之間可能是存在各種聯(lián)系的。比如當(dāng)滲流、揚(yáng)壓力出現(xiàn)異常時(shí)，可能伴隨著壩踵基巖變形的異常；應(yīng)力應(yīng)變發(fā)生異常時(shí)可能引起混凝土裂縫開度的異?！虼?，僅用單個(gè)監(jiān)測量進(jìn)行分析，有時(shí)會很難確定某些異?，F(xiàn)象。另外，如果發(fā)生異常的部位沒有布置監(jiān)測儀器，就很難發(fā)現(xiàn)發(fā)生異常的原因所在，得出的結(jié)論就可能與實(shí)際不相符。即使人為分析時(shí)考慮了這些因素，但由于缺少量化的方法與標(biāo)準(zhǔn)，這種經(jīng)驗(yàn)認(rèn)識很難用于大壩在線安全評估，當(dāng)大壩出現(xiàn)異常時(shí)也難以及時(shí)發(fā)現(xiàn)。因此，大壩安全評價(jià)更需要一套適用于計(jì)算機(jī)定量分析的方法體系，能對大壩不同部位、不同觀測項(xiàng)目所反映出的問題進(jìn)行綜合評價(jià)，從而達(dá)到智能在線監(jiān)控的目的[1-4]。

本文以某高寒地區(qū)拱壩為例，在對安全監(jiān)測項(xiàng)目充分研究的基礎(chǔ)上，從拱壩的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)入手，采用層次分析法，對多級安全評判體系及指標(biāo)選取進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)，并將其應(yīng)用到安全監(jiān)測分析評估與決策支持系統(tǒng)軟件中，為水電站大壩智能在線安全評估提供參考。

1 拱壩安全評估體系設(shè)計(jì)

由于大壩的壩型不同，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)千差萬別，安全監(jiān)測的項(xiàng)目和內(nèi)容極也具個(gè)性化，因此大壩的結(jié)構(gòu)性態(tài)綜合評價(jià)應(yīng)當(dāng)建立一個(gè)具有很強(qiáng)針對性的多指標(biāo)、多層級、多項(xiàng)目的綜合評價(jià)體系[5]。在對不同的大壩進(jìn)行結(jié)構(gòu)性態(tài)綜合評估時(shí)，評估系統(tǒng)的構(gòu)成必然有所不同。需要根據(jù)具體大壩的實(shí)際進(jìn)行客觀分析，以期構(gòu)造出一個(gè)符合該工程特點(diǎn)的結(jié)構(gòu)綜合評估系統(tǒng)。

為監(jiān)視大壩安全運(yùn)行，大壩監(jiān)測系統(tǒng)通常都布置有各類監(jiān)測項(xiàng)目，這些項(xiàng)目主要有變形、滲流、應(yīng)力應(yīng)變和溫度監(jiān)測，還有環(huán)境監(jiān)測及近壩區(qū)與大壩安全有關(guān)的監(jiān)測項(xiàng)目等。監(jiān)測項(xiàng)目一般包含如下的內(nèi)容：

變形監(jiān)測：壩體水平位移、垂直位移、撓度（傾斜）、接縫和裂縫、壩基變形等。

滲流監(jiān)測：壩體滲透壓力、壩基揚(yáng)壓力、基巖滲透壓力、繞壩滲流、壩體及壩基滲漏量等。

應(yīng)力應(yīng)變及溫度監(jiān)測：混凝土應(yīng)力應(yīng)變、鋼筋應(yīng)力、鋼板應(yīng)力、壩體及壩基溫度等。

與環(huán)境有關(guān)的監(jiān)測：上下游水位、氣溫、庫水溫、降雨等。

其他監(jiān)測：近壩區(qū)庫岸邊坡穩(wěn)定、壩體地震反應(yīng)、水力學(xué)項(xiàng)目等。

為了進(jìn)行評判層次結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，針對具體工程，首先需要了解該工程的安全監(jiān)測項(xiàng)目設(shè)置，并以此為基礎(chǔ)，綜合分析各監(jiān)測項(xiàng)目的監(jiān)測目標(biāo)及各項(xiàng)目之間的關(guān)聯(lián)性。

從拱壩的結(jié)構(gòu)和受力特點(diǎn)考慮，拱壩可以看成一根根懸臂梁和一層層水平拱構(gòu)成。它把上游面的水壓力大部分荷載通過拱的作用傳遞給兩岸巖體，而另一部分荷載通過懸臂梁的作用傳遞至壩底基巖。因此，拱壩的整體安全評價(jià)，既要考慮拱向的安全，又要考慮梁向的安全。對于拱向而言，由于它主要依靠兩岸壩肩巖體維持穩(wěn)定，因此，兩岸壩肩是關(guān)鍵受力部位，它的穩(wěn)定性將直接影響到大壩的安全和長期使用。同時(shí)，在梁向類似于重力壩，壩基的抗滑穩(wěn)定性也是影響大壩安全的重要問題，需作為評判項(xiàng)目單獨(dú)考慮。除此以外，混凝土壩作為擋水結(jié)構(gòu)，其壩身材料混凝土的抗裂性能也是需評估的重點(diǎn)問題。大壩蓄水后的滲流情況，包括滲流量、繞壩滲流是評價(jià)壩區(qū)滲流的重要監(jiān)測項(xiàng)目。另外，在近壩區(qū)尤其是存在高邊坡的工程的邊坡穩(wěn)定性也至關(guān)重要，一旦出現(xiàn)事故，將會對施工和運(yùn)營安全構(gòu)成極大威脅，后果極其嚴(yán)重，因此，在安全評價(jià)時(shí)也不能忽視對近壩區(qū)高邊坡的監(jiān)測成果的分析工作。

因此，在拱壩的安全評價(jià)體系設(shè)計(jì)中，第一層級可按照評判對象劃分為大壩和近壩區(qū)。第二層級的評判項(xiàng)目可劃分為：拱座的穩(wěn)定性、壩體拱向的安全性、壩體梁向的安全性、壩基的抗滑穩(wěn)定性、壩體的抗裂能力、壩區(qū)的滲流及近壩岸坡的安全。這些需關(guān)注的重點(diǎn)問題分別都有相應(yīng)的監(jiān)測手段與其對應(yīng)，由此產(chǎn)生第三級的評判項(xiàng)目。即用于評價(jià)拱座穩(wěn)定性的監(jiān)測手段一般包括拱端應(yīng)力監(jiān)測和拱座變形監(jiān)測；用于評價(jià)拱向穩(wěn)定性的監(jiān)測手段一般包括壩體切向變形、橫縫的變形以及拱圈的切向應(yīng)力監(jiān)測；用于評價(jià)梁向穩(wěn)定性的監(jiān)測手段一般有壩體撓度、梁向應(yīng)力、建基面和基巖變形及壩基的滲流揚(yáng)壓監(jiān)測；用于評價(jià)壩體抗裂能力的監(jiān)測手段一般有壩體的裂縫、滲壓、滲漏以及壩體的應(yīng)力；用于評價(jià)壩基抗滑穩(wěn)定的監(jiān)測手段有壩基變形和壩基滲壓。再根據(jù)工程的實(shí)際安全監(jiān)測設(shè)計(jì)布置情況，進(jìn)行更細(xì)的劃分。比如對應(yīng)拱端應(yīng)力的監(jiān)測項(xiàng)目有設(shè)置于拱端的應(yīng)變計(jì)組，對應(yīng)拱座變形的監(jiān)測項(xiàng)目有設(shè)置于拱座的倒垂，由此形成第四級安全評判項(xiàng)目。最后將安全監(jiān)測設(shè)計(jì)布置中的測點(diǎn)一一對應(yīng)到上述監(jiān)測項(xiàng)目中，形成測點(diǎn)級的評判層。拱壩安全評價(jià)體系層次結(jié)構(gòu)如圖1和表1所示。

圖1 拱壩安全評價(jià)體系層次結(jié)構(gòu)圖Figure 1 Structure of safety evaluation system for arch dam

表1 某高寒地區(qū)拱壩安全評價(jià)體系Table 1 Safety evaluation system of arch dam in a high cold area

續(xù)表

根據(jù)上述多級綜合評估體系設(shè)計(jì)方法，結(jié)合工程具體安全監(jiān)測設(shè)計(jì)布置，表1設(shè)計(jì)了某高寒地區(qū)拱壩安全評價(jià)體系。

2 安全評估準(zhǔn)則與指標(biāo)

測點(diǎn)級的評估是整個(gè)評估體系的基礎(chǔ)單元，評判準(zhǔn)則的優(yōu)劣對最終評估結(jié)果的準(zhǔn)確性影響重大。測點(diǎn)級評估準(zhǔn)則的選取可以從以下幾個(gè)方面考慮。

（1）歷史極值準(zhǔn)則：根據(jù)待評估的測值有沒有超過歷史最大值（或最小值）判斷測點(diǎn)測值是否正常。

當(dāng)本次測值大于歷史最大值，或者小于歷史最小值（滲流類除外），即：

則測值評判為異常值，否則為正常值。

式中：yi——實(shí)測值；

ymax——?dú)v史極大值；

ymin——?dú)v史極小值；

ε中——觀測中誤差，根據(jù)規(guī)范取用。

（2）監(jiān)控指標(biāo)準(zhǔn)則：根據(jù)待評估的測值有沒有超過監(jiān)控指標(biāo)判斷測點(diǎn)測值是否正常。

監(jiān)控指標(biāo)包括關(guān)鍵壩段的水平位移監(jiān)控指標(biāo)，帷幕后、排水后的揚(yáng)壓力系數(shù)監(jiān)控指標(biāo)、關(guān)鍵壩段（重點(diǎn)部位）有應(yīng)力應(yīng)變測值的應(yīng)力指標(biāo)等。其中，揚(yáng)壓力指標(biāo)和應(yīng)力指標(biāo)可根據(jù)有關(guān)規(guī)范確定或采用設(shè)計(jì)值。水平位移的監(jiān)控指標(biāo)一般用結(jié)構(gòu)分析法或小概率法擬定，其中結(jié)構(gòu)分析法應(yīng)基于實(shí)測資料在對其進(jìn)行正反分析的基礎(chǔ)上用有限元法擬定；小概率法應(yīng)采用位移監(jiān)測資料的典型樣本（最大值或最小值）用統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)法擬定。對于其他不宜引用規(guī)范和設(shè)計(jì)采用值的監(jiān)測對象，如接縫變形、基巖變位、繞壩滲流、滲漏量等，可利用實(shí)測資料中每年最大、最小值構(gòu)造典型子樣，采用統(tǒng)計(jì)方法（小概率模型）擬定監(jiān)控指標(biāo)[6-7]。

（3）監(jiān)控模型準(zhǔn)則：根據(jù)待評估的測值有沒有超過監(jiān)控模型的允許范圍判斷測點(diǎn)測值是否正常。

對各監(jiān)測效應(yīng)量建立合理的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行定量分析，并以該模型為標(biāo)準(zhǔn)，檢驗(yàn)監(jiān)測成果是否超過模型的允許范圍，作為評判監(jiān)測成果是否正常的依據(jù)。

當(dāng)監(jiān)測量y（t）滿足下列不等式時(shí)：

式中：σt——監(jiān)控模型的標(biāo)準(zhǔn)差；

nj——不同值對應(yīng)于不同的監(jiān)控等級；

(t)——監(jiān)控模型估計(jì)值。

則評判的結(jié)果是正常，不滿足則為異常。

（4）變化速率控制準(zhǔn)則：根據(jù)待評估的測值變化速率與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)段內(nèi)測值的平均變化速率進(jìn)行比較判斷測點(diǎn)測值是否正常。

當(dāng)監(jiān)測量的變化速率Vi滿足下列不等式時(shí)：

式中：——標(biāo)準(zhǔn)時(shí)段內(nèi)的平均變化速率；

δv——標(biāo)準(zhǔn)時(shí)段內(nèi)變化速率標(biāo)準(zhǔn)差。

則評判的結(jié)果為正常，不滿足則為異常。

（5）專家經(jīng)驗(yàn)值控制準(zhǔn)則：根據(jù)待評估的測值有沒有超出專家經(jīng)驗(yàn)設(shè)定的允許范圍判斷測點(diǎn)測值是否正常。

當(dāng)監(jiān)測量y滿足下列不等式時(shí)：

式中：[σ1]、[σ2]——允許的最小值和最大值。

則評判的結(jié)果為正常，不滿足則為異常。

3 準(zhǔn)則權(quán)重分析

在進(jìn)行上述檢驗(yàn)和分析時(shí)，可能會出現(xiàn)矛盾，即用某些準(zhǔn)則評判結(jié)果為異常，而另一些準(zhǔn)則評判為正常。為解決取舍問題，需要進(jìn)行評判準(zhǔn)則的權(quán)重分析。

根據(jù)《混凝土大壩安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》和國內(nèi)外專家的經(jīng)驗(yàn)，以及各評判準(zhǔn)則的內(nèi)涵和重要性，對各評判準(zhǔn)則的權(quán)重分析如下。

3.1 監(jiān)控指標(biāo)評判準(zhǔn)則分析

該準(zhǔn)則是變形、揚(yáng)壓力和應(yīng)力的監(jiān)控指標(biāo)準(zhǔn)則。它依據(jù)實(shí)測資料，并結(jié)合大壩的工作特性，尤其是關(guān)鍵部位，又依據(jù)了有關(guān)設(shè)計(jì)和監(jiān)測規(guī)范等綜合擬定的指標(biāo)。同時(shí)，在監(jiān)控應(yīng)用時(shí)，運(yùn)行單位使用又十分方便，只要判別監(jiān)測量是否超過監(jiān)控指標(biāo)，就可立即識別正常或異常點(diǎn)測值。因此，可作為評判的第一依據(jù)。

3.2 特征值（歷史極值、變化速率）準(zhǔn)則分析

這兩個(gè)準(zhǔn)則主要依據(jù)實(shí)測資料和大壩長期運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)。使用時(shí)，只要給出測值過程線以及特征值等隨時(shí)間和空間分布，就可以非常直觀地掌握各監(jiān)測量的時(shí)空分布，從而及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常點(diǎn)測值的時(shí)間和部位。

這個(gè)準(zhǔn)則比較容易掌握，使用也十分方便，在當(dāng)監(jiān)測量超過歷史極值或變化速率，且又不按原規(guī)律變化或產(chǎn)生突變時(shí)，就可判斷為異常點(diǎn)。因此，在未擬定監(jiān)控指標(biāo)時(shí)，也可以將此準(zhǔn)則作為第一準(zhǔn)則。

3.3 監(jiān)控模型評判準(zhǔn)則分析

該準(zhǔn)則是目前國內(nèi)外常用的準(zhǔn)則。利用監(jiān)控模型可以在非最不利荷載組合時(shí)及時(shí)發(fā)現(xiàn)測值出現(xiàn)的異常。但是，實(shí)際應(yīng)用時(shí)要求首先建立監(jiān)控模型，當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)不具備建模條件時(shí)，該準(zhǔn)則就無法應(yīng)用。

綜上分析，評判準(zhǔn)則以監(jiān)控指標(biāo)（如有）為第一依據(jù)；監(jiān)控模型（如有）為第二依據(jù)，特征值（歷史極值、變化速率）為第三依據(jù)。權(quán)重的大小可按其重要性順序依次賦予。

4 應(yīng)用實(shí)例

某水利樞紐主要由混凝土拱壩、表孔、放水深孔、引水式岸邊廠房和過魚設(shè)置等組成。電站裝機(jī)容量220MW。擋水建筑物為混凝土拋物線雙曲中厚拱壩，最大壩高94.0m，為Ⅱ等大（2）型工程。水庫正常蓄水位646.0m，總庫容2.22億m3。壩址區(qū)地震基本烈度為Ⅶ度。

該拱壩的安全監(jiān)測項(xiàng)目主要包括：環(huán)境量監(jiān)測、變形監(jiān)測、滲流監(jiān)測、應(yīng)力應(yīng)變和溫度監(jiān)測、高邊坡監(jiān)測等。

應(yīng)用南瑞DSIMS大壩安全評估與決策支持系統(tǒng)軟件對該樞紐混凝土拱壩進(jìn)行安全評判[8-10]。采用層次分析法，建立監(jiān)測成果異常評判、監(jiān)測項(xiàng)目異常評判、結(jié)構(gòu)部位異常評判以及整體安全性態(tài)評價(jià)的多級評價(jià)體系。

監(jiān)測量成果評價(jià)準(zhǔn)則包括歷史極值準(zhǔn)則、監(jiān)控指標(biāo)準(zhǔn)則、監(jiān)控模型準(zhǔn)則、變化速率準(zhǔn)則、專家經(jīng)驗(yàn)準(zhǔn)則?；诟鳒?zhǔn)則評價(jià)結(jié)果及準(zhǔn)則權(quán)重標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行綜合加權(quán)評判，形成“正?！焙汀爱惓！钡牡谒募壴u價(jià)結(jié)論；基于第四級評價(jià)結(jié)論和三級評價(jià)綜合加權(quán)標(biāo)準(zhǔn)，形成“正?！薄爱惓！钡牡谌壴u價(jià)結(jié)論。依次向上評價(jià)至最高級，根據(jù)監(jiān)測項(xiàng)目異常百分比，評價(jià)整體結(jié)構(gòu)物安全性態(tài)，評價(jià)結(jié)論為“正?！薄盎菊！薄熬植慨惓！薄皣?yán)重異?！薄笆С！蔽鍌€(gè)等級。部分系統(tǒng)界面截圖見圖2～圖6。

圖2 綜合評判層次結(jié)構(gòu)展示界面Figure 2 Display interface of comprehensive evaluation

圖3 評判準(zhǔn)則指標(biāo)配置界面Figure 3 Configuration interface of evaluation criteria and index

圖4 監(jiān)測量評判結(jié)果界面Figure 4 Interface of monitoring quantity evaluation results

圖5 監(jiān)測項(xiàng)目（部位）評判成果界面Figure 5 Interface of project （site） evaluation results

圖6 工程安全評判成果界面Figure 6 Interface of project evaluation results

評判層級可以隨工程規(guī)模及實(shí)際需要設(shè)置若干層，當(dāng)評判結(jié)果出現(xiàn)異常時(shí)，可逐層追溯至底層檢查，快速定位到引起異常的原因。

在實(shí)際應(yīng)用中，有些指標(biāo)（如監(jiān)控指標(biāo)上下限、各測點(diǎn)的權(quán)重等）很難一次性準(zhǔn)確給出，可由專業(yè)人員在系統(tǒng)中先設(shè)定初值，然后隨著對工程結(jié)構(gòu)物認(rèn)識水平的提高、結(jié)合系統(tǒng)運(yùn)行情況，對這些指標(biāo)進(jìn)行動態(tài)調(diào)整，以期達(dá)到最優(yōu)的效果。

5 結(jié)語

基于原型監(jiān)測成果對某拱壩綜合安全評估體系及監(jiān)控準(zhǔn)則、指標(biāo)選取進(jìn)行了研究，主要內(nèi)容如下：

（1）從拱壩的監(jiān)測項(xiàng)目及結(jié)構(gòu)、受力特點(diǎn)入手，采用層次分析法，建立了拱壩綜合安全評估體系。

（2）對監(jiān)測量評估準(zhǔn)則及其具體設(shè)置方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過對各準(zhǔn)則的重要性分析，形成各準(zhǔn)則權(quán)重設(shè)置的基本原則與思路。

（3）應(yīng)用南瑞DSIMS安全評估與決策支持系統(tǒng)對某拱壩進(jìn)行安全評判，可迅速查找到結(jié)構(gòu)異常問題，并通過追溯檢查快速定位到發(fā)生異常的原因。由于系統(tǒng)具有良好的開放性，今后可根據(jù)工程實(shí)際情況、理論知識的不斷深化、實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的不斷積累以及工程結(jié)構(gòu)物內(nèi)外部條件的變化動態(tài)調(diào)整該評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)體系，以獲得最優(yōu)評判效果。