基于監(jiān)測(cè)反饋與三維數(shù)值計(jì)算的大壩安全實(shí)時(shí)評(píng)判系統(tǒng)研發(fā)與應(yīng)用

摘要：湖南省水庫(kù)大壩建設(shè)數(shù)量居國(guó)內(nèi)首位，對(duì)數(shù)量及類型眾多的水庫(kù)大壩安全狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)高效的管控和評(píng)判是水利管理的一大難題。為構(gòu)建集監(jiān)測(cè)分析、模擬仿真、安全評(píng)估于一體的全流程、可視化、數(shù)字化的大壩安全實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)系統(tǒng)，結(jié)合大壩監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與三維建模分析技術(shù)對(duì)大壩的安全狀態(tài)進(jìn)行綜合評(píng)判，研發(fā)了基于監(jiān)測(cè)反饋與三維數(shù)值計(jì)算的大壩安全實(shí)時(shí)評(píng)判系統(tǒng)，并在湖南省六都寨水庫(kù)中應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了水庫(kù)大壩安全狀態(tài)可感知、能評(píng)判、早預(yù)警，并實(shí)時(shí)在線展示其狀態(tài)，有效提高大壩安全管理效率。研究成果可為類似工程監(jiān)測(cè)管理提供參考。

關(guān)鍵詞：水庫(kù)大壩； 安全評(píng)判系統(tǒng)； 監(jiān)測(cè)反饋； 三維數(shù)值計(jì)算； 六都寨水庫(kù)

中圖法分類號(hào)：TP391

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.12.022

文章編號(hào)：1006-0081（2024）12-0136-07

0 引 言

水庫(kù)大壩安全是中國(guó)水利系統(tǒng)面臨的頭號(hào)風(fēng)險(xiǎn)［1-2］。湖南省共有水庫(kù)13 300座，占全國(guó)水庫(kù)總量1/7［3-4］。其中，大多數(shù)為土石壩，壩體病險(xiǎn)較多，且壩身不能溢流，相對(duì)安全系數(shù)較低。此外，一些大壩建設(shè)年代久遠(yuǎn)，病險(xiǎn)問(wèn)題突出，運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)較高，一旦失事，后果不可估量。開(kāi)展湖南省水庫(kù)大壩的安全狀態(tài)監(jiān)測(cè)與評(píng)判工作，對(duì)保障人民生命財(cái)產(chǎn)安全具有重要意義。

大壩安全監(jiān)測(cè)與評(píng)判是水利管理人員及時(shí)了解大壩安全情況、提升大壩運(yùn)行效益的主要手段，通過(guò)預(yù)埋監(jiān)測(cè)設(shè)備和人工監(jiān)測(cè)大壩運(yùn)行數(shù)據(jù)，分析計(jì)算得到大壩安全參數(shù)，根據(jù)參數(shù)選擇后續(xù)的應(yīng)急計(jì)劃［5-7］。隨著大壩監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展，中國(guó)水庫(kù)大壩大多已采用安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并取得了較多有益成果。在計(jì)算模型方面，傅春江等［8］建立了高拱壩安全評(píng)判模型，對(duì)不同拱壩的安全評(píng)判具有較強(qiáng)的適用性；楊鴿等［9］通過(guò)奇異譜分析了大壩安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，可有效提取大壩監(jiān)測(cè)異常數(shù)據(jù)，提高了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)整理效率；位敏等［10］利用多源信息融合診斷技術(shù)對(duì)大壩滲漏問(wèn)題進(jìn)行評(píng)估，可準(zhǔn)確查明大壩滲漏病害。在系統(tǒng)研發(fā)方面，許雷等［11］研發(fā)了大壩安全信息診斷分析系統(tǒng)，可自動(dòng)生成監(jiān)測(cè)分析報(bào)告，提高大壩安全評(píng)價(jià)效率；宋子龍等［12］研發(fā)的大壩安全信息管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了業(yè)務(wù)歷史數(shù)據(jù)追溯，杜絕了檢測(cè)數(shù)據(jù)管理漏洞。然而，現(xiàn)有大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)大多依靠監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，參照大壩安全評(píng)價(jià)導(dǎo)則開(kāi)展評(píng)價(jià)工作，評(píng)價(jià)方法多以定性和經(jīng)驗(yàn)為主，對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和評(píng)價(jià)模型的準(zhǔn)確性依賴較強(qiáng)。同時(shí)，評(píng)價(jià)周期較長(zhǎng)，無(wú)法實(shí)時(shí)監(jiān)控大壩安全狀態(tài)，在監(jiān)測(cè)設(shè)施缺乏或損壞情況下，大壩安全實(shí)時(shí)評(píng)判存在較大局限性［13］。

鑒于此，本文基于水庫(kù)大壩監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和三維有限元模型分析技術(shù)，開(kāi)發(fā)基于監(jiān)測(cè)反饋與三維計(jì)算的大壩安全實(shí)時(shí)評(píng)判系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實(shí)時(shí)在線展示水庫(kù)大壩安全性狀的感知、評(píng)判及預(yù)警功能，有效提高水庫(kù)大壩安全管理效率。

1 安全實(shí)時(shí)評(píng)判系統(tǒng)框架

系統(tǒng)主體框架由數(shù)據(jù)層、分析層、展示層構(gòu)成，如圖1所示。其中，數(shù)據(jù)層包括工程級(jí)數(shù)據(jù)、材料參數(shù)數(shù)據(jù)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及其他數(shù)據(jù)，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集、整理、建庫(kù)等工作；分析層包括監(jiān)測(cè)信息評(píng)價(jià)、三維計(jì)算平臺(tái)、實(shí)時(shí)評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，主要完成數(shù)據(jù)分析、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)、實(shí)時(shí)三維變形計(jì)算及大壩安全狀態(tài)評(píng)價(jià)工作；展示層包括數(shù)據(jù)庫(kù)展示、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)模塊及成果三維展示，主要通過(guò)網(wǎng)頁(yè)或客戶端將大壩三維信息呈現(xiàn)給管理人員。

與傳統(tǒng)水庫(kù)大壩安全評(píng)判相比，系統(tǒng)主要特點(diǎn)在于建立了水庫(kù)大壩三維有限元模型，基于三維數(shù)值分析方法和監(jiān)測(cè)大數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)模型，對(duì)大壩安全參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算及反演，使大壩各區(qū)域的計(jì)算參數(shù)接近于大壩運(yùn)行的真實(shí)狀態(tài)，最終實(shí)現(xiàn)基于三維實(shí)時(shí)計(jì)算與監(jiān)測(cè)反饋結(jié)合的大壩安全評(píng)判，并對(duì)大壩安全進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

2 系統(tǒng)構(gòu)建

2.1 數(shù)據(jù)層

（1） 工程數(shù)據(jù)。工程數(shù)據(jù)主要為水庫(kù)大壩的三維空間信息、地質(zhì)水文信息等，可通過(guò)地質(zhì)勘測(cè)、無(wú)人機(jī)拍攝、地質(zhì)雷達(dá)、人工監(jiān)測(cè)等手段獲得。

（2） 材料參數(shù)數(shù)據(jù)。大壩材料自身性能劣化是影響其安全的一個(gè)重要參數(shù)，主要包括大壩材料力學(xué)參數(shù)、滲流參數(shù)等，可通過(guò)試驗(yàn)測(cè)量、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)等手段獲得。

（3） 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)主要為水庫(kù)大壩自動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)獲取的相關(guān)數(shù)據(jù)，包括水平位移和垂直位移、滲透壓力和流量大小、水庫(kù)水位和降雨量等數(shù)據(jù)。

（4） 其他數(shù)據(jù)。除上述數(shù)據(jù)外，還包括人工巡視可觀測(cè)的裂縫發(fā)育情況以及建筑物周邊環(huán)境變化等圖片或數(shù)據(jù)。

2.2 分析層

2.2.1 監(jiān)測(cè)信息評(píng)價(jià)

基于大壩變形、滲流和應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)控資料，構(gòu)建基于安全監(jiān)測(cè)資料的大壩安全實(shí)時(shí)評(píng)判統(tǒng)計(jì)模型。

監(jiān)測(cè)資料分析采用比較、作圖、特征值統(tǒng)計(jì)、數(shù)學(xué)模型相結(jié)合的方法對(duì)大壩安全監(jiān)測(cè)資料進(jìn)行全面分析，包括水位、氣溫、降水量等環(huán)境量與變形、裂縫開(kāi)度、應(yīng)力應(yīng)變、滲流壓力、滲流量等監(jiān)測(cè)資料，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)評(píng)判模型如下。

（1） 滲壓。滲壓主要受水壓、溫度和時(shí)效等因子的影響，其滲壓統(tǒng)計(jì)模型可用式（1）表示：

式中：Hi為上下游水位之差，m；

T為混凝土溫度，℃；θ為從起算之日，每增加1 d，θ增加0.01；a0，a1，b1，c1，c2為參數(shù)。

（3） 大壩應(yīng)力應(yīng)變。水壓力在壩體中產(chǎn)生的應(yīng)力主要與水頭有關(guān)。溫度變化在壩體或壩基中產(chǎn)生的應(yīng)力與變溫值呈線性關(guān)系，壩體材料的徐變和干縮是明顯的時(shí)效分量，依此因子建立的統(tǒng)計(jì)模型如下：

式中：Hi為水頭，m；Hi0為基準(zhǔn)應(yīng)力時(shí)的水頭，m；Ti為第i支溫度計(jì)的變溫值，℃；m為溫度計(jì)的總支數(shù)；θ0為基準(zhǔn)應(yīng)力時(shí)對(duì)應(yīng)的時(shí)間因子；a0，ai，bi，c1，c2為參數(shù)。通過(guò)分析監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)模型，計(jì)算得到大壩滲壓、滲流量、位移等監(jiān)測(cè)結(jié)果，部分結(jié)果如圖2所示。

2.2.2 三維數(shù)值計(jì)算分析

2.2.2.1 三維模型構(gòu)建

通過(guò)收集水庫(kù)大壩的地質(zhì)地貌、水文信息等，使用有限元軟件建立包括壩體與左右岸山體的地形地貌三維可視化模型，如圖3所示。

2.2.2.2 三維數(shù)值計(jì)算原理

基于FEM-FDM相結(jié)合的巖土體水-力耦合分析方法，在三維建模的基礎(chǔ)上，對(duì)水庫(kù)壩體的滲流、應(yīng)力-應(yīng)變進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。計(jì)算時(shí)采用的本構(gòu)模型為摩爾-庫(kù)倫模型，可表示為

式中：σ1和σ3分別為最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力，kPa；φ為土的內(nèi)摩擦角，℃；c為土的黏聚力，kPa。

壩體滲流飽和非穩(wěn)定滲流微分方程為

式中：kx，ky，kz分別為x，y，z方向的滲透系數(shù)；w為水的容重；εv為體積應(yīng)變。

定解條件包括水頭邊界條件、流量邊界條件、自由面邊界條件與初始條件，其中，水頭邊界條件可表述為

H（x，y，z，t）=Hi（x，y，z，t）， （x，y，z）∈S1（6）

流量邊界條件可表述為

無(wú)壓滲流時(shí)，自由面的邊界條件可以表述為

初始條件為

H（x，y，z，t0）=H0（x，y，z，t0）（9）

式中：S1為非飽和邊界面；S2為飽和邊界面；S3為飽和非飽和邊界面；h*為邊界面水頭，m。

三維數(shù)值計(jì)算耦合過(guò)程可分為3個(gè)步驟：① 采用自編FEM-FDM計(jì)算程序?qū)误w的滲流應(yīng)力、單元應(yīng)力、位移值以及三維滲流場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算，并以此計(jì)算體積應(yīng)變，根據(jù)滲透系數(shù)與單元體積應(yīng)變的關(guān)系式更新滲流分析中所設(shè)置的滲透參數(shù)；② 提取滲透體積力，將滲透體積力等效為外荷載重新施加到壩體應(yīng)力分析中，根據(jù)應(yīng)力分析結(jié)果計(jì)算土石壩的體積應(yīng)變；③ 重復(fù)以上兩個(gè)步驟，迭代循環(huán)求解，直到求得的水頭值和應(yīng)力值與前一次的差值滿足誤差限值要求，如果所得結(jié)果不滿足要求，則繼續(xù)進(jìn)行迭代直至結(jié)果滿足要求。

2.2.2.3 三維數(shù)值計(jì)算結(jié)果

通過(guò)數(shù)值分析可以計(jì)算得到水庫(kù)大壩的壩坡抗滑穩(wěn)定系數(shù)、變形量、總水頭、壓力水頭等結(jié)果，如圖4所示。

2.2.3 實(shí)時(shí)評(píng)判系統(tǒng)

在完成水庫(kù)大壩現(xiàn)有工程的相關(guān)安全資料匯總分析及基于FEM-FDM相結(jié)合的三維計(jì)算分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)資料，對(duì)大壩的滲透、力學(xué)等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行反演，如圖4所示。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的計(jì)算修正，使大壩各區(qū)域的計(jì)算參數(shù)接近于大壩運(yùn)行的真實(shí)狀態(tài)，最終實(shí)現(xiàn)基于三維實(shí)時(shí)計(jì)算與監(jiān)測(cè)反饋結(jié)合的大壩安全評(píng)判，并對(duì)大壩安全進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。對(duì)大壩滲流穩(wěn)定分析、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定分析及壩坡穩(wěn)定分析等結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)，以規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)及專家經(jīng)驗(yàn)為評(píng)判依據(jù)。其中，滲流穩(wěn)定主要根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信息反演得到的滲透系數(shù)對(duì)水庫(kù)大壩進(jìn)行有限元滲流計(jì)算，計(jì)算關(guān)鍵部位的滲透坡降、水頭、滲流壓力等水力要素及其分布，并對(duì)土石壩的滲流穩(wěn)定進(jìn)行安全評(píng)價(jià)；結(jié)構(gòu)穩(wěn)定分析則通過(guò)水力耦合計(jì)算，并結(jié)合實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信息反演得到的強(qiáng)度參數(shù)對(duì)壩體的變形及應(yīng)力進(jìn)行分析，以及對(duì)壩坡的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)而分析評(píng)價(jià)壩體的應(yīng)力、位移以及壩坡安全系數(shù)，反演流程如圖5所示。

2.3 展示層

2.3.1 展示系統(tǒng)總體框架

展示系統(tǒng)主要包括資源層、平臺(tái)層、服務(wù)層、控制層和展示層，整體架構(gòu)如圖6所示。其中，資源層數(shù)據(jù)主要對(duì)接水利云平臺(tái)，獲取水庫(kù)大壩的基本信息、實(shí)時(shí)雨情、實(shí)時(shí)工情等以及大壩監(jiān)測(cè)設(shè)備采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；平臺(tái)層有仿真計(jì)算、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，業(yè)務(wù)處理3個(gè)組成部分，仿真計(jì)算為業(yè)務(wù)平臺(tái)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，業(yè)務(wù)平臺(tái)則需要實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)邏輯，為平臺(tái)層封裝數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)主要存儲(chǔ)水庫(kù)大壩的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)以及結(jié)構(gòu)化計(jì)算結(jié)果的歷史數(shù)據(jù)；服務(wù)層包括客戶端API服務(wù)以及認(rèn)證服務(wù)，根據(jù)業(yè)務(wù)需求，客戶從業(yè)務(wù)平臺(tái)提取數(shù)據(jù)，并確保網(wǎng)絡(luò)安全；控制層主要包括身份認(rèn)證、訪問(wèn)日志以及黑白名單等，主要在展示層向服務(wù)層請(qǐng)求數(shù)據(jù)之前要進(jìn)行安全認(rèn)證，確保網(wǎng)絡(luò)安全，同時(shí)記錄訪問(wèn)日志，確?？梢赃M(jìn)行訪問(wèn)溯源工作；展示層采用了BS架構(gòu)，使用vue進(jìn)行前端開(kāi)發(fā)，最后使用three.js、vtk.js等多種渲染方式并對(duì)渲染算法做了相應(yīng)優(yōu)化，以提升渲染效率，確保用戶可以流暢使用客戶端。

2.3.2 系統(tǒng)功能界面

大壩安全實(shí)時(shí)評(píng)判系統(tǒng)功能界面如圖7所示，主要包括水庫(kù)選擇、基礎(chǔ)水文知識(shí)、大壩安全監(jiān)測(cè)設(shè)施運(yùn)行統(tǒng)計(jì)、監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、大壩安全實(shí)時(shí)評(píng)判、實(shí)時(shí)狀態(tài)模型三維等信息展示。其中，實(shí)時(shí)狀態(tài)模型三維展示包括安全系數(shù)、變形量、應(yīng)力分布、水頭分布、滲透坡降等，各區(qū)域可通過(guò)3D圖形360°自由旋轉(zhuǎn)，查看各個(gè)部位X，Y，Z三個(gè)方向的變量，如圖8所示。

3 工程應(yīng)用

以湖南省六都寨水庫(kù)為例，六都寨水庫(kù)位于資水一級(jí)支流辰水中上游，行政區(qū)劃隸屬隆回縣六都寨鎮(zhèn)。工程為Ⅱ等，主要建筑物等級(jí)為2級(jí)。大壩為黏土心墻土石壩，最大壩高70 m，壩頂高程360.5 m，壩頂軸長(zhǎng)480 m。上游壩坡坡比為1∶2.5～1∶3.5，下游壩坡坡比為1∶2.5～1∶3.0，下游排水棱體邊坡為1∶1，建基面高程290.5 m。心墻、斜墻頂部高程為359.50 m，心墻上游坡比1∶0.5～1∶0.6，下游坡比1∶0.2～1∶0.3，斜墻上游坡比1∶0.75～1∶2.0，下游順山坡。

依據(jù)水建管〔2003〕271號(hào)《水庫(kù)大壩安全鑒定辦法》和SL 258-2017《水庫(kù)大壩安全評(píng)價(jià)導(dǎo)則》，以及其他現(xiàn)行有關(guān)施工、設(shè)計(jì)規(guī)范，基于有限元分析，通過(guò)監(jiān)測(cè)和巡視檢查綜合評(píng)判的工程安全評(píng)判方法對(duì)大壩的滲流、結(jié)構(gòu)及總體安全狀態(tài)進(jìn)行評(píng)判。通過(guò)系統(tǒng)展示結(jié)果可知，水庫(kù)正常蓄水時(shí)，最大滲透坡降出現(xiàn)在混凝土垂直防滲墻處，達(dá)到20.002 4，小于80～100，滿足規(guī)范要求；在排水棱體處滲透坡降達(dá)到了4.444 99左右；大壩內(nèi)部其他地方及地層內(nèi)的滲透坡降均小于0.3，基本滿足滲透穩(wěn)定性要求；最大沉降位于壩頂上游部位，約為0.745 0 cm；水平方向上最大變形發(fā)生在壩體防滲墻底端，約為1.706 9 cm；壩體總位移以水平位移為主，發(fā)生在壩體上游中間部位，約1.732 6 cm，未超過(guò)規(guī)范要求；壩體內(nèi)應(yīng)力分布基本均勻，在壩體中間防滲墻出現(xiàn)了較明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，約為5.682 MPa，滿足強(qiáng)度要求。結(jié)合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及三維計(jì)算分析得出大壩實(shí)時(shí)安全狀態(tài)為正常安全狀態(tài)，如圖9所示。

4 結(jié) 語(yǔ)

基于監(jiān)測(cè)反饋與三維數(shù)值計(jì)算的大壩安全實(shí)時(shí)評(píng)判系統(tǒng)，集成了水庫(kù)大壩監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析及大壩三維有限元模型計(jì)算，可對(duì)大壩安全參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算及反演，使大壩各區(qū)域的計(jì)算參數(shù)接近于大壩運(yùn)行的真實(shí)狀態(tài)，最終實(shí)現(xiàn)基于三維實(shí)時(shí)計(jì)算與監(jiān)測(cè)反饋結(jié)合的大壩安全評(píng)判。該系統(tǒng)已在六都寨水庫(kù)運(yùn)行，可以很好地監(jiān)測(cè)大壩基礎(chǔ)信息、巡視信息及三維實(shí)時(shí)計(jì)算結(jié)果，實(shí)時(shí)掌握大壩安全狀態(tài)。后續(xù)可根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況對(duì)該系統(tǒng)操作性進(jìn)行優(yōu)化，增加更多極端情況下的安全診斷及應(yīng)急管理模塊，進(jìn)一步提升運(yùn)行功效。

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Development and application of real-time dam safety judgement system based

on monitoring feedback and three-dimensional numerical calculation

Abstract：

The number of dams in Hunan Province ranks first in China.The real-time and efficient control and evaluation of the safety status of a large number and types of dams has become a major problem for water conservancy managers.To build a full-process，visual and digital dam safety real-time evaluation system that integrates hidden danger identification，monitoring and analysis，simulation and safety assessment，this paper used dam monitoring data and three-dimensional modelling data to evaluate the safety status of dams.We adopted the method of combining dam monitoring data with three-dimensional modelling and analysis to make a comprehensive judgment on the safety status of dams.A dam safety real-time judgement system based on monitoring feedback and 3D calculation was developed and practically applied in Liuduzhai Reservoir in Hunan Province.The system realize the dam safety status of reservoirs and dams to be perceivable，assessable and early warning，and displays it online in real time，which can effectively improve the efficiency of dam safety management，and provides reference for the management of similar projects.

Key words：

reservoir dams； safety judgement system； monitoring feedback； three-dimensional numerical computation; Liuduzhai Reservoir