基于自動(dòng)化技術(shù)的水庫(kù)大壩現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)智能分析
——以江西某水庫(kù)大壩為例

崔紅波

（山東省濱州市水利資源開(kāi)發(fā)建設(shè)中心，山東 濱州 256600）

大壩在防洪供水等方面發(fā)揮著巨大的作用，早在20世紀(jì)就已經(jīng)出現(xiàn)重力壩。經(jīng)過(guò)不斷地發(fā)展和完善，如今，我國(guó)已擁有水庫(kù)大壩10余萬(wàn)座，數(shù)量較多[1]。但是，大壩在服役期間受環(huán)境因素的影響，如水流的沖刷、溫度的變化等，壩體會(huì)承受不同類型的荷載，導(dǎo)致大壩的強(qiáng)度降低甚至坍塌[2]。壩體坍塌會(huì)嚴(yán)重威脅周圍的人類以及建筑物，對(duì)人類生命及財(cái)產(chǎn)安全會(huì)造成巨大的損失。因此，對(duì)大壩進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，獲取壩體的穩(wěn)定性信息，對(duì)大壩的安全防護(hù)以及災(zāi)害預(yù)測(cè)具有重要意義[3-4]。

大壩的安全監(jiān)測(cè)技術(shù)一直在不斷地發(fā)展和進(jìn)步，從最原始的人力觀測(cè)發(fā)展到監(jiān)測(cè)，再到如今的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)等，監(jiān)測(cè)技術(shù)在不斷地完善和智能化，并且從原始的變形監(jiān)測(cè)到如今的應(yīng)力、滲流等全面監(jiān)測(cè)，能獲取更多、更精準(zhǔn)的監(jiān)測(cè)信息和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)項(xiàng)目越來(lái)越齊全，監(jiān)測(cè)手段也越來(lái)越成熟，現(xiàn)如今，已經(jīng)能對(duì)大壩進(jìn)行實(shí)時(shí)的安全評(píng)估。相關(guān)資料顯示，江西共有水庫(kù)10 000余座，本研究以江西省某壩為背景展開(kāi)監(jiān)測(cè)，在上游布置4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，進(jìn)行周期一年的監(jiān)測(cè)。

1 混凝土壩監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)依據(jù)與原則

在安全監(jiān)測(cè)的設(shè)計(jì)中，應(yīng)嚴(yán)格按照相應(yīng)的規(guī)范和安全設(shè)計(jì)手冊(cè)，結(jié)合當(dāng)?shù)氐牡乜辟Y料，熟悉混凝土壩的地質(zhì)條件，制定正確的監(jiān)測(cè)方案，選擇先進(jìn)的監(jiān)測(cè)設(shè)備，合理、安全地布置各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，主要參照以下規(guī)范。

（1）《水庫(kù)大壩安全監(jiān)測(cè)資料整編分析規(guī)程》：水庫(kù)大壩的監(jiān)測(cè)試件、儀器設(shè)備的檢查及校核方法，應(yīng)嚴(yán)格遵照此規(guī)范，設(shè)置特定的巡查時(shí)間。同時(shí)，要實(shí)時(shí)整理監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的原始材料，并保證監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的真實(shí)性和完整性，堅(jiān)持安全合理的原則。

（2）《水工設(shè)計(jì)手冊(cè)》：分析和闡述監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，了解監(jiān)測(cè)原理與監(jiān)測(cè)方法。

（3）《土石壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》：應(yīng)結(jié)合實(shí)際工程項(xiàng)目，制定詳細(xì)的監(jiān)測(cè)方案，選擇精密的監(jiān)測(cè)設(shè)備。同時(shí)，考慮監(jiān)測(cè)設(shè)備的可靠耐久性以及經(jīng)濟(jì)性，確保監(jiān)測(cè)設(shè)備不受環(huán)境因素影響或者降低環(huán)境因素對(duì)其的影響，保證儀器在各種環(huán)境下能正常工作。

（4）《混凝土面板堆石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》：要科學(xué)選擇監(jiān)測(cè)點(diǎn)，要能全面反映混凝土壩的工作特性、突出混凝土壩的壩體位移以及混凝土面板變形量的特性。

1.2 應(yīng)變監(jiān)測(cè)

對(duì)水庫(kù)大壩進(jìn)行應(yīng)力監(jiān)測(cè)，直接獲取監(jiān)測(cè)點(diǎn)x、y、z 3個(gè)方向的應(yīng)力，依據(jù)應(yīng)力時(shí)程曲線，可以了解水壩的安全狀態(tài)。如發(fā)現(xiàn)某監(jiān)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力偏大，可及時(shí)進(jìn)行加固補(bǔ)修。在應(yīng)力監(jiān)測(cè)時(shí)，要充分考慮監(jiān)測(cè)的設(shè)計(jì)要求，監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置要全面，對(duì)于監(jiān)測(cè)項(xiàng)目和監(jiān)測(cè)設(shè)施，要提前制定方案。在施工和運(yùn)行管理階段，要保證監(jiān)測(cè)設(shè)備的安全，不能對(duì)建筑物造成損害，也不能對(duì)設(shè)備造成損傷。一旦監(jiān)測(cè)設(shè)備發(fā)生破損、銹蝕，就會(huì)嚴(yán)重影響監(jiān)測(cè)結(jié)果，造成損傷的誤判，所以，也要定期對(duì)設(shè)備進(jìn)行安全檢查，如果設(shè)備出現(xiàn)故障，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行更換或維修。

在進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)，要了解水庫(kù)大壩的基本情況，包括結(jié)構(gòu)形式、防滲能力等物理指標(biāo)，并查看相關(guān)資料：該水庫(kù)大壩的地質(zhì)條件、初設(shè)報(bào)告等詳細(xì)的建筑信息以及之前是否加固過(guò)，如果加固過(guò)，要了解詳細(xì)的加固方案。在監(jiān)測(cè)方案合理化的同時(shí)，需要提前對(duì)監(jiān)測(cè)人員進(jìn)行培訓(xùn)，使其熟悉各監(jiān)測(cè)設(shè)備的操作流程，避免因操作不當(dāng)而影響監(jiān)測(cè)結(jié)果；安排專業(yè)人員實(shí)時(shí)管理監(jiān)測(cè)設(shè)備，對(duì)設(shè)備進(jìn)行維修保養(yǎng)，保證監(jiān)測(cè)設(shè)備長(zhǎng)期、穩(wěn)定運(yùn)行。此外，監(jiān)測(cè)周期應(yīng)不少于3個(gè)月，并且每次監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)應(yīng)重復(fù)3次以上取平均值，以保證得到準(zhǔn)確、可用的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，這對(duì)水庫(kù)大壩的安全評(píng)估至關(guān)重要。

本研究以水庫(kù)大壩上游面的4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)為例進(jìn)行探討， 4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)（JD1-1～JD1-4）分別位于水庫(kù)大壩的7#、12#、14#、17#壩段，監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)由監(jiān)測(cè)儀器、數(shù)據(jù)采集裝置、通信裝置、計(jì)算機(jī)及外部設(shè)備、數(shù)據(jù)采集和管理軟件、通信和電源線路等部分組成。監(jiān)測(cè)過(guò)程全自動(dòng)化，能自動(dòng)將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)終端；在巡視檢查時(shí)，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析。

2 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

在上游面選取4個(gè)典型監(jiān)測(cè)點(diǎn)（JD1-1～JD1-4），選取一年的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，包括x、y、z 3個(gè)方向的應(yīng)力，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖1～4所示。

圖1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)JD1-1監(jiān)測(cè)結(jié)果

從圖中可以看出3個(gè)方向的應(yīng)力變化時(shí)程曲線，x方向的應(yīng)力變化波動(dòng)較小，y和z方向的應(yīng)力變化波動(dòng)較大。JD1-1的x、y、z 3個(gè)方向的最大應(yīng)力值分別為0.60、1.16、2.26 MPa；JD1-2的x、y、z 3個(gè)方向的最大應(yīng)力值分別為1.02、1.30、 1.38 MPa；JD1-3的x、y、z 3個(gè)方向的最大應(yīng)力值分別為0.49、0.69、1.90 MPa；JD1-4的x、y、z 3個(gè)方向的最大應(yīng)力值分別為0.28、1.42、1.79 MPa。其中，JD1-1監(jiān)測(cè)點(diǎn)z方向的最大應(yīng)力值最大，原因是水庫(kù)蓄水后，該點(diǎn)的溫度最低，導(dǎo)致應(yīng)力值偏大，但是未超過(guò)2.30 MPa，滿足混凝土設(shè)計(jì)的抗裂要求，且不會(huì)有坍塌的危險(xiǎn)，但是也需要適當(dāng)?shù)丶庸蹋越档途植繎?yīng)力。

圖2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)JD1-2監(jiān)測(cè)結(jié)果

圖3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)JD1-3監(jiān)測(cè)結(jié)果

圖4 監(jiān)測(cè)點(diǎn)JD1-4監(jiān)測(cè)結(jié)果

3 水壩風(fēng)險(xiǎn)分析

3.1 風(fēng)險(xiǎn)的基本定義

19世紀(jì)70年代，西方就已經(jīng)提出了風(fēng)險(xiǎn)的概念，風(fēng)險(xiǎn)通常指某種特定的危險(xiǎn)事故發(fā)生的可能性與發(fā)生后果的結(jié)合，是一種不合意和不期望結(jié)果的含義。所以，風(fēng)險(xiǎn)包括兩個(gè)概念，一個(gè)是發(fā)生危險(xiǎn)的概率，另一個(gè)是發(fā)生危險(xiǎn)的后果。

3.2 風(fēng)險(xiǎn)的基本類型

水庫(kù)大壩的風(fēng)險(xiǎn)是發(fā)生潰壩的概率，大致可分為3種風(fēng)險(xiǎn)類型：生命風(fēng)險(xiǎn)、經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)、社會(huì)與環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。生命風(fēng)險(xiǎn)指發(fā)生潰壩的可能性與潰壩后周圍生命損失的結(jié)合，主要包括3個(gè)因素：第一，風(fēng)險(xiǎn)人口。發(fā)生危險(xiǎn)后，周邊的生命安全，包括附近村莊的居民以及動(dòng)植物沒(méi)有及時(shí)躲避風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)而受到傷害；第二，警報(bào)時(shí)間。潰壩洪水達(dá)到風(fēng)險(xiǎn)人口所在地的時(shí)間；第三，影響風(fēng)險(xiǎn)人口的變動(dòng)因素，如季節(jié)的變化、溫度的變化等。經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)指的是壩體失穩(wěn)造成的經(jīng)濟(jì)損失，水壩失穩(wěn)會(huì)直接對(duì)周邊的工業(yè)、植被等一些基礎(chǔ)設(shè)施產(chǎn)生傷害，造成經(jīng)濟(jì)損失，同時(shí)，也會(huì)間接地產(chǎn)生一些應(yīng)急、臨時(shí)費(fèi)用的損失。環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)一般是指自然環(huán)境受到的災(zāi)害，如一些藝術(shù)作品或一些古跡的損失等。社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)是指對(duì)當(dāng)?shù)厣鐣?huì)穩(wěn)定造成的危害，影響周邊的正常秩序、信譽(yù)等。

3.3 風(fēng)險(xiǎn)的基本要素

水庫(kù)大壩的危險(xiǎn)要素主要可以分為4類：洪水漫頂、壩內(nèi)管涌、壩基管涌、結(jié)構(gòu)破壞。洪水漫頂對(duì)大壩的破壞較為常見(jiàn)，主要是因?yàn)樗畮?kù)防洪能力或溢洪道泄洪能力不足，導(dǎo)致水庫(kù)大壩的壩體失穩(wěn)。壩內(nèi)管涌主要是因?yàn)閴误w出現(xiàn)泄漏現(xiàn)象，滲透能力大于抗?jié)B能力。壩基管涌是指壩后覆蓋層被破壞，抗?jié)B能力不足，在壩基出現(xiàn)的管涌現(xiàn)象也有可能是壩基受其他因素影響或處理不當(dāng)?shù)仍斐傻?。結(jié)構(gòu)破壞類型很多，如裂縫的產(chǎn)生、延伸導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體失穩(wěn)等。上述是水壩主要的4種破壞類型以及破壞原因，其中，環(huán)境因素或管理不當(dāng)?shù)纫矔?huì)對(duì)水庫(kù)大壩造成很大的影響，如晝夜的溫差變化、混凝土在反復(fù)靜載作用下產(chǎn)生的微裂紋等，也都會(huì)對(duì)壩體造成損害。

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)江西某水庫(kù)大壩進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)研究，選取了一年的應(yīng)力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，包括x、y、z 3個(gè)方向的應(yīng)力。通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可知，該大壩的應(yīng)力未超過(guò)混凝土的設(shè)計(jì)允許值，滿足抗裂要求，沒(méi)有風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，也對(duì)水壩風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了分析，介紹了水庫(kù)大壩的風(fēng)險(xiǎn)類型以及基本要素，并分析了破壞原因。