汛期大壩安全監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)整編方法

于小葦

(遼寧省水資源集團(tuán),沈陽 110003)

0 引 言

我國現(xiàn)有水庫大壩9.8萬余座,其中大中型水庫0.5萬余座,小型水庫9.3萬余座。100萬m3以下庫容的小(2)型水庫7.5萬余座。水庫在供水、防洪、發(fā)電、灌溉以及改善生態(tài)環(huán)境等方面起到十分重要的作用,也是水利基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分。在運(yùn)行管理中,大中型水庫的運(yùn)行維修養(yǎng)護(hù)經(jīng)費(fèi)通常比較充裕,監(jiān)測(cè)工作也能夠引起各方重視。然而,我國的小水庫大多建于20世紀(jì)50～70年代,由于缺乏資金的投入,導(dǎo)致工程標(biāo)準(zhǔn)和質(zhì)量存在缺陷,目前已有的小水庫病險(xiǎn)率已達(dá)到53.3%。2010年,吉林省大河水庫因金屬結(jié)構(gòu)安全隱患,管理人員思想麻痹,持續(xù)暴雨,洪水漫頂潰決。2015年,湖北省崇陽縣破沖口水庫漫壩,小(2)型水庫,黏土斜墻壩,暴雨強(qiáng)度太大、防洪標(biāo)準(zhǔn)不足,水位快速上漲,漫壩的產(chǎn)生,使大壩左岸下游產(chǎn)生沖坑,這處沖坑深度達(dá)幾十米,寬約百米,四周有許多石塊,其中最大的一塊石頭直徑超過10m,幾乎接近大壩的頂部。2021年,小浪底西溝水庫由于金屬結(jié)構(gòu)及人為隱患,在小浪底電站的一次泄洪中,出現(xiàn)了一次特大漫壩事故,造成6個(gè)機(jī)組先后停工的情況。這些水庫發(fā)生的事故可能是由監(jiān)管存在盲區(qū)、長(zhǎng)期失管失察、水庫長(zhǎng)期帶病運(yùn)行、監(jiān)測(cè)缺失、工程運(yùn)行管理制度不完善、值班人員履職不到位等因素導(dǎo)致的。作為水庫運(yùn)行管理單位,必須重視大壩安全監(jiān)測(cè)工作,堅(jiān)持必不可少的年度巡視檢、特殊巡視檢和日常巡視檢查,汛期更應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)整編,形成完備的自身經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1 安全監(jiān)測(cè)目的與內(nèi)容

1.1 監(jiān)測(cè)目的

大壩監(jiān)測(cè),是防災(zāi)減災(zāi)的重要舉措,對(duì)可能性、危險(xiǎn)性進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)警。一個(gè)成功的監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì),既要掌握設(shè)計(jì)與施工中的要點(diǎn),又要盡可能準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)出大壩未來運(yùn)行過程中可能發(fā)生的問題,選用合適的監(jiān)測(cè)手段,合理地配置監(jiān)測(cè)儀器,以最小的投資,取得最大的效益。為了實(shí)現(xiàn)持續(xù)有效監(jiān)視,監(jiān)測(cè)系統(tǒng)必須要具有可擴(kuò)充性和靈活性,以便在操作過程中及時(shí)進(jìn)行必要的修改和完善,還要根據(jù)實(shí)際地質(zhì)條件以及當(dāng)?shù)囟嗄暧昵椤⑺?、汛情形成一套完整可靠的?shí)用的數(shù)據(jù)分析方法[1]。

1.2 監(jiān)測(cè)內(nèi)容

1.2.1 土壩、土石混合壩

壩體滲水、壩基滲漏、管涌、流土、塌坑、滑坡等災(zāi)害非常容易造成大壩坍塌。因此,在設(shè)計(jì)壩體結(jié)構(gòu)時(shí),需要重點(diǎn)考慮滲透破壞和壩坡失穩(wěn)問題。通過對(duì)壩體水平和垂直位移、裂隙、滲流量、土體壓力、滲透線、孔隙水壓力等參數(shù)的分析,可以為大壩的設(shè)計(jì)提供重要的參考。

1.2.2 混凝土壩、圬工壩

在混凝土壩、圬工壩中,監(jiān)測(cè)工作是最重要的,沒有監(jiān)測(cè)工作就不可能保證大壩的安全運(yùn)行。對(duì)于混凝土壩、圬工壩來說,由于壩體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和地質(zhì)條件不同,在不同壩段需要布置不同的監(jiān)測(cè)儀器,因此監(jiān)測(cè)工作要根據(jù)具體情況確定監(jiān)測(cè)項(xiàng)目和監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)量、位置和測(cè)點(diǎn)間距等。

1.2.3 泄水建筑物泄流觀測(cè)以及水工建筑物觀測(cè)

水壩處于易發(fā)生地震的地區(qū),并在其周圍有不穩(wěn)定的岸坡,應(yīng)該認(rèn)真的對(duì)其進(jìn)行滑坡,抗震,崩岸等監(jiān)測(cè)。

1.3 安全監(jiān)測(cè)的規(guī)范

現(xiàn)行安全監(jiān)測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)主要有:《土石壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》(SL 551-2012)、《大壩安全自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)備基本技術(shù)條件》(SL 268-2001)、《大壩安全監(jiān)測(cè)儀器安裝標(biāo)準(zhǔn)》(SL 531-2012)、《混凝土壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》(SL 601-2013)、《水工隧洞監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》(SL 764-2018)、《水閘監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》(SL768-2018)、《水利水電工程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行管理規(guī)范》(SL-2019)、《大壩安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)與標(biāo)識(shí)符標(biāo)準(zhǔn)》(SL-2019)。

2 安全監(jiān)測(cè)方法

運(yùn)行期的大壩安全監(jiān)測(cè)主要是按照要求進(jìn)行周期觀測(cè), 做好巡視檢查和設(shè)備維護(hù)工作,對(duì)失效儀器進(jìn)行及時(shí)補(bǔ)埋,定期建立監(jiān)控模型和擬定監(jiān)控指標(biāo)。對(duì)長(zhǎng)序列監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)開展科研工作。

2.1 巡視檢查

巡視工作分為三種類型,包括特殊巡視、日常巡視和年度巡視。巡視檢查工作要結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際,制定合理的工作程序。對(duì)巡檢的時(shí)間,地點(diǎn),內(nèi)容,方法,進(jìn)行了詳細(xì)的說明,并制定巡檢的路線和次序。有較多的技術(shù)人員參與,明確職責(zé)和分工。檢查時(shí),必須攜帶所需的輔具及記錄筆、本子。按有關(guān)規(guī)范要求填寫表格,并將檢驗(yàn)結(jié)果記錄在案。每日巡檢報(bào)告內(nèi)容應(yīng)簡(jiǎn)明扼要,如有需要,可附有圖片和簡(jiǎn)圖。年度巡檢及特殊情形下的巡檢報(bào)告應(yīng)包括:①巡檢時(shí)間;②調(diào)查的目的及任務(wù);③檢查小組成員的名單和他們的職位;④所要求的項(xiàng)目的檢驗(yàn)成果;⑤逐行檢驗(yàn)的結(jié)果的比較、分析和判斷;⑥發(fā)現(xiàn)、分析和判斷在所需檢驗(yàn)項(xiàng)目之外的異常情況;⑦需要闡明的特別注意事項(xiàng);⑧檢查結(jié)果;⑨審查小組提出的各項(xiàng)建議;⑩檢查小組各委員簽字。

2.2 安全監(jiān)測(cè)資料分析

2.2.1 安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

大壩監(jiān)測(cè)是指施工開始前,直接或借用特殊的儀器設(shè)備,對(duì)建筑物自身及基礎(chǔ)巖體的蓄水、施工、運(yùn)行整個(gè)過程進(jìn)行的測(cè)量和分析。儀器埋沒,數(shù)據(jù)的采集,數(shù)據(jù)的處理3個(gè)主要步驟。在進(jìn)行儀器埋設(shè)時(shí),首先要考慮儀器的安裝問題。在工程建設(shè)中,由于施工技術(shù)和施工工藝的限制,往往難以將儀器安裝在地面上,這時(shí)需要使用一定的支架將儀器固定在基礎(chǔ)上。數(shù)據(jù)采集(包括傳輸)指的是在規(guī)定的時(shí)間或者是定期,用自動(dòng)設(shè)備或者是人工的方式,將測(cè)量得到的數(shù)據(jù)或者資料進(jìn)行收集,進(jìn)行短暫的儲(chǔ)存,然后集中傳送到近壩區(qū)或者遠(yuǎn)處的監(jiān)測(cè)中心。數(shù)據(jù)分析是指根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及分析結(jié)果,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際,對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行安全評(píng)價(jià),并給出合理的評(píng)價(jià)結(jié)論。主要是對(duì)建筑物及有關(guān)巖體的性能變化和安全狀況進(jìn)行評(píng)估。當(dāng)發(fā)現(xiàn)有可能危害到建筑物安全的異常情況時(shí),要及時(shí)做出預(yù)報(bào),并對(duì)其進(jìn)行分級(jí)分類報(bào)警,提出相應(yīng)的對(duì)策,為主管部門的決策提供依據(jù)[2-4]。

2.2.2 監(jiān)測(cè)成果分析

根據(jù)一定的方法,將采集到的信號(hào)轉(zhuǎn)換為監(jiān)測(cè)的物理量,如揚(yáng)壓力、滲漏量、水平位移、垂直位移、應(yīng)力等。物理量的符號(hào)應(yīng)該符合標(biāo)準(zhǔn)。應(yīng)該統(tǒng)一同一類型的物理量的正負(fù)號(hào)、單位,特別是不同監(jiān)測(cè)手段得到的位移,應(yīng)該盡量使用同樣的坐標(biāo)系、正負(fù)號(hào)和單位。

2.2.2.1 監(jiān)測(cè)資料的誤差處理與分析

水庫大壩安全監(jiān)測(cè)工作在水利工程建設(shè)中起著至關(guān)重要的作用,是水利工程建設(shè)是否具有科學(xué)性的重要依據(jù)。為了保證壩體監(jiān)測(cè)能夠準(zhǔn)確地反映壩體的真實(shí)狀態(tài),在使用壩體安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行正反分析之前,必須對(duì)原始測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和誤差分析。根據(jù)誤差的大小,通?？梢园颜`差分為3種類型:隨機(jī)誤差、系統(tǒng)誤差和粗差。在實(shí)際測(cè)量中,要排除粗差,消除或弱化系統(tǒng)偏差,使得只含有隨機(jī)誤差的觀測(cè)值。測(cè)量值范圍檢驗(yàn)分析法、數(shù)學(xué)模型分析法和統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)法都是常見的誤差分析方法。

2.2.2.2 監(jiān)測(cè)資料與大壩運(yùn)行性態(tài)的模型分析

監(jiān)測(cè)資料的分析通常可分為比較法、作圖法、特征值統(tǒng)計(jì)法、影響因素分析法和模型分析法等。模型分析法是最能實(shí)際的反映出原始測(cè)值資料的用途。

1)位移的分析模型:在水壓力、泥沙壓力、揚(yáng)壓力和溫度的共同作用下,壩體各點(diǎn)發(fā)生位移,可分為水平位移、垂直位移和側(cè)向水平位移。水壓、溫度和時(shí)效等因素對(duì)大壩位移影響最大。因此,位移的統(tǒng)計(jì)模型主要由水壓分量 、時(shí)效分量和溫度分量組成。

2)滲流監(jiān)測(cè)量統(tǒng)計(jì)模型:大壩的滲流監(jiān)測(cè)主要有滲透壓力(或揚(yáng)壓力),滲流量(或排水量),以及壩體周圍的滲流情況等。在壩體滲流監(jiān)測(cè)中,除了要考慮水壓、溫度和時(shí)間效應(yīng),還要考慮雨水對(duì)壩體滲流的影響。所以,水位(或滲流量)的統(tǒng)計(jì)模型主要是由水壓、溫度、降雨和時(shí)效分量構(gòu)成。

3)變形模型:大壩的變形主要受水壓、溫度以及時(shí)效的影響,因此,可將大壩變形表示成表示水平位移的水壓、溫度和時(shí)效分量組合的形式。通常,采用有限元方法對(duì)水壓力成分進(jìn)行數(shù)值模擬,對(duì)溫度成分和老化成分進(jìn)行統(tǒng)計(jì)建模,再通過最小二乘方法對(duì)待定參數(shù)進(jìn)行求解,從而獲得混合模型。

3 不同時(shí)期水庫大壩的監(jiān)測(cè)重點(diǎn)

3.1 施工期監(jiān)測(cè)資料分析的重點(diǎn)工作是

儀器埋設(shè)方法正確;儀器成活率;反饋設(shè)計(jì)、指導(dǎo)施工;基準(zhǔn)值選取恰當(dāng)。

3.2 蓄水初期監(jiān)測(cè)資料分析的重點(diǎn)是

所有儀器埋設(shè)完畢;有條件的實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化監(jiān)測(cè);捕捉蓄水過程中各監(jiān)測(cè)量變化情況;發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)反饋并采取措施;所有監(jiān)測(cè)項(xiàng)目均需關(guān)注并加密觀測(cè)。

3.3 運(yùn)行期監(jiān)測(cè)資料分析的重點(diǎn)是

按照要求進(jìn)行周期觀測(cè);做好巡視檢查和設(shè)備維護(hù)工作;對(duì)失效儀器進(jìn)行及時(shí)補(bǔ)埋;定期建立監(jiān)控模型和擬定監(jiān)控指標(biāo);對(duì)長(zhǎng)序列監(jiān)測(cè)資料開展科研工作。

4 總 結(jié)

大壩安全監(jiān)測(cè)目的就是利用一切手段,確保大壩以較少的投入來保證長(zhǎng)期、穩(wěn)定、安全的運(yùn)行,實(shí)現(xiàn)效益的最大化。大壩安全監(jiān)測(cè)有校核設(shè)計(jì)、改進(jìn)施工和評(píng)價(jià)大壩安全狀況的作用,且重在評(píng)價(jià)大壩安全。大壩安全監(jiān)測(cè)的微觀意義是為了準(zhǔn)確掌握大壩性態(tài);宏觀意義是為了更好的發(fā)揮工程效益、節(jié)約工程投資。大壩安全監(jiān)測(cè)不僅是為了被監(jiān)測(cè)壩的安全評(píng)估,還要有利于其他大壩包括待建壩的安全評(píng)估。