龍灘水電站大壩穩(wěn)定性分析及安全監(jiān)測技術(shù)研究

摘要：龍灘水電站大壩的穩(wěn)定性直接關(guān)系到工程安全與環(huán)境保護(hù)。借助對大壩結(jié)構(gòu)類型、設(shè)計(jì)參數(shù)及其穩(wěn)定性進(jìn)行詳細(xì)分析并使用現(xiàn)代化的計(jì)算模型與方法評估了大壩在不同工況下的穩(wěn)定性。安全監(jiān)測技術(shù)方面介紹了大壩變形監(jiān)測、應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測等技術(shù)的應(yīng)用，大壩的運(yùn)行狀態(tài)根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在的安全隱患。借助對監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集與處理，結(jié)合數(shù)據(jù)質(zhì)量控制與誤差分析來評估大壩的整體安全性。分析了當(dāng)前安全監(jiān)測技術(shù)的優(yōu)勢與不足并提出了提升監(jiān)測精度與可靠性的建議。

關(guān)鍵詞：龍灘水電站"大壩穩(wěn)定性"安全監(jiān)測"數(shù)據(jù)分析"技術(shù)應(yīng)用

中圖分類號：TV698.1

The"Stability"Analysis"and"Safety"Monitoring"Technology"Research"of"the"Longtan"Hydroelectric"Dam

HUANG"Gang

Guangxi"Hydropower"Science"Research"Institute"Co.，"Ltd.，Nanning，Guangxi"Zhuang"Autonomous"Region，530000"China

Abstract："The"stability"of"the"Longtan"Hydroelectric"Dam"is"directly"related"to"the"safety"of"the"project"and"environmental"protection."A"detailed"analysis"of"the"dam's"structure"type，"design"parameters，"and"stability"was"conducted，"using"modern"computational"models"and"methods"to"assess"the"dam's"stability"under"various"operating"conditions."In"terms"of"safety"monitoring"technology，"the"application"of"techniques"such"as"dam"deformation"monitoring"and"stress-strain"monitoring"was"introduced."Real-time"monitoring"data"allows"for"the"timely"identification"of"potential"safety"hazards"based"on"the"dam's"operational"status."Through"the"collection"and"processing"of"monitoring"data，"combined"with"data"quality"control"and"error"analysis，"the"overall"safety"of"the"dam"is"assessed."The"advantages"and"limitations"of"current"safety"monitoring"technologies"are"analyzed，"and"recommendations"are"provided"for"improving"monitoring"accuracy"and"reliability.

Keywords："Longtan"Hydroelectric"Station;Dam"stability;Safety"monitoring;Data"analysis;Technological"applications

龍灘水電站作為我國西南地區(qū)重要的大型水電工程，其大壩穩(wěn)定性與安全性直接關(guān)系到防洪、發(fā)電及生態(tài)環(huán)境改善等多項(xiàng)核心任務(wù)的實(shí)現(xiàn)。大壩運(yùn)行過程中，因滲流、應(yīng)力集中及壩體變形可能引發(fā)的安全隱患，要求工程技術(shù)人員在設(shè)計(jì)階段就精準(zhǔn)預(yù)測各類極限工況下的力學(xué)行為，并在運(yùn)行中利用先進(jìn)監(jiān)測技術(shù)實(shí)時(shí)掌握大壩狀態(tài)。結(jié)合極限平衡法、有限元分析及滲流模擬等方法開展的穩(wěn)定性評估，能夠?yàn)楣こ踢\(yùn)行提供理論支撐?；诠饫w傳感技術(shù)、無人機(jī)巡檢及多傳感器融合的大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)，在數(shù)據(jù)采集與處理、異常識別及趨勢分析中起到關(guān)鍵作用，為提升監(jiān)測精度與可靠性提供了可能。本研究圍繞龍灘水電站大壩的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、工況穩(wěn)定性及監(jiān)測數(shù)據(jù)處理展開，以期為大型水電工程的長期安全運(yùn)行和技術(shù)優(yōu)化提供參考。

1工程概況

龍灘水電站是我國西南地區(qū)重要的大型水電工程，位于廣西紅水河中游，是紅水河梯級開發(fā)中的骨干工程之一。大壩為混凝土重力壩，設(shè)計(jì)總庫容為271億"m3，裝機(jī)容量630"萬kW，是目前國內(nèi)技術(shù)先進(jìn)的大型水電站之一。工程的主要任務(wù)包括防洪、發(fā)電、航運(yùn)及改善生態(tài)環(huán)境等。

大壩壩高132"m，壩頂長450"m，最大厚度為120"m，設(shè)計(jì)水頭為120"m，設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為1/1000年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為1/10000年一遇。大壩基礎(chǔ)采用堅(jiān)固的均質(zhì)花崗巖，具有良好的承載能力和抗?jié)B性能。為確保工程的安全性，大壩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)遵循《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL"319-2018），并結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際進(jìn)行了多項(xiàng)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2龍灘水電站大壩結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與穩(wěn)定性分析

2.1"大壩結(jié)構(gòu)類型與設(shè)計(jì)參數(shù)

龍灘水電站大壩為混凝土重力壩，使用了經(jīng)典的重力壩設(shè)計(jì)原理，整體結(jié)構(gòu)受重力作用依賴壩體自重抵抗水流帶來的水平力和其他外部荷載。大壩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)按照《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL"319-2018）進(jìn)行，壩高為132"m，壩頂長為450"m，壩體最大厚度為120"m。大壩設(shè)計(jì)水頭為120"m，設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為1/1000年一遇的設(shè)計(jì)洪水。大壩基礎(chǔ)使用巖基，底面為均質(zhì)花崗巖，巖石強(qiáng)度符合設(shè)計(jì)要求。

大壩的設(shè)計(jì)參數(shù)包括水庫水位、壩體材料、抗壓強(qiáng)度、壩體厚度等，在壩頂與壩底的厚度差異較大，使用漸變設(shè)計(jì)來優(yōu)化壩體材料使用和增強(qiáng)抗滑穩(wěn)定性[1]。壩體材料選用了高強(qiáng)度混凝土抗壓強(qiáng)度不小于40"MPa。設(shè)計(jì)過程中考慮了水庫的最高蓄水位與最低操作水位變化同時(shí)充分考慮了壩體材料在長期水力作用下的老化與變形情況。大壩設(shè)計(jì)過程中引入了細(xì)致的滲流分析，使用精確的排水設(shè)計(jì)并保證壩體與壩基之間的水力接觸不會對大壩結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性造成負(fù)面影響。

2.2"穩(wěn)定性分析模型與計(jì)算方法

龍灘水電站大壩的穩(wěn)定性分析使用了極限平衡法、有限元法和滲流分析3種主要計(jì)算方法并保證全面評估大壩在復(fù)雜工況下的安全性。極限平衡法主要用于評估大壩抗滑和抗傾覆穩(wěn)定性。借助計(jì)算壩體的滑移力矩和抗滑力矩之比，得到安全系數(shù)[2]?？够踩禂?shù)的計(jì)算公式為：

（1）

式（1）中：為壩體的抗滑力矩；為外部力矩。若"gt;1，壩體穩(wěn)定；若"lt;1大壩存在滑移風(fēng)險(xiǎn)。

有限元法用于分析壩體的應(yīng)力、應(yīng)變和變形，尤其適用于復(fù)雜壩體結(jié)構(gòu)和多因素影響下的穩(wěn)定性計(jì)算。

在大壩結(jié)構(gòu)分析中，使用三維有限元模型，考慮混凝土材料的非線性特性，以及壩體與基礎(chǔ)的接觸面。借助此模型可以得到壩體在不同工況下的應(yīng)力分布和變形模式，為大壩的穩(wěn)定性評估提供重要依據(jù)。

滲流分析使用有限差分法（Finite"Difference"Method）與有限元法（Finite"Element"Method）相結(jié)合的方式，借助求解滲流方程：

（2）

式（2）中：為水流密度；為滲透系數(shù)；為水頭；為梯度算符。該方程用于模擬壩體內(nèi)部和基礎(chǔ)的水流路徑，評估滲流對壩體穩(wěn)定性的影響。

3龍灘水電站大壩安全監(jiān)測數(shù)據(jù)分析與評估3.1"監(jiān)測數(shù)據(jù)采集與處理

龍灘水電站大壩的安全監(jiān)測體系中監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集與處理是確保實(shí)時(shí)安全評估的基礎(chǔ)。監(jiān)測系統(tǒng)為實(shí)現(xiàn)高效的數(shù)據(jù)采集使用了自動(dòng)化和遠(yuǎn)程監(jiān)測技術(shù)，結(jié)合無線數(shù)據(jù)傳輸和集中控制系統(tǒng)并保證了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性、可靠性和完整性[3]。監(jiān)測系統(tǒng)的核心包括布設(shè)在壩體、壩基、壩頂以及周邊環(huán)境的各類傳感器，涵蓋了變形、應(yīng)力、滲流、水位等多個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。

數(shù)據(jù)處理部分對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，包括去噪、平滑、插值和誤差修正等步驟。噪聲和異常值的去除是保證數(shù)據(jù)質(zhì)量的第一步[4]。數(shù)據(jù)借助專用的數(shù)據(jù)分析軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理，轉(zhuǎn)換成符合工程分析要求的格式。結(jié)合已有的設(shè)計(jì)模型與監(jiān)測數(shù)據(jù)借助有限元分析、極限平衡法等方法進(jìn)行綜合評估[5]。數(shù)據(jù)處理過程還需對各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的時(shí)間序列進(jìn)行對比分析以確認(rèn)數(shù)據(jù)的連續(xù)性和一致性。數(shù)據(jù)處理的最后階段，監(jiān)測系統(tǒng)會對比歷史數(shù)據(jù)來分析大壩的變形趨勢和應(yīng)力分布，進(jìn)行實(shí)時(shí)診斷并提供安全預(yù)警。

3.2"數(shù)據(jù)質(zhì)量控制與誤差分析

龍灘水電站為確保數(shù)據(jù)的可靠性建立了嚴(yán)格的數(shù)據(jù)質(zhì)量控制體系，涵蓋傳感器校準(zhǔn)、數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理和存儲等環(huán)節(jié)。數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)所有傳感器均借助定期校準(zhǔn)來消除系統(tǒng)偏差，保證其在長期運(yùn)行中的精度和穩(wěn)定性[6]。傳感器的校準(zhǔn)依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)行并保證各傳感器的測量精度符合要求。應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測中應(yīng)力計(jì)需要定期校準(zhǔn)以確保測量值的準(zhǔn)確性。變形監(jiān)測中，水準(zhǔn)儀和光纖傳感器在不同水位下進(jìn)行交叉驗(yàn)證以消除水位波動(dòng)對測量結(jié)果的影響。校準(zhǔn)后的傳感器能夠有效避免由于設(shè)備老化或環(huán)境變化導(dǎo)致的測量誤差。數(shù)據(jù)的處理階段使用先進(jìn)的信號處理算法對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波和去噪，消除由于溫度、濕度等環(huán)境因素引起的干擾。對于因設(shè)備故障或通訊問題產(chǎn)生的異常數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差修正。

3.3"穩(wěn)定性評估與安全性判定

穩(wěn)定性評估過程中變形監(jiān)測數(shù)據(jù)被用來計(jì)算壩體的沉降量和傾斜角度，結(jié)合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)對比，確定壩體是否處于安全變形范圍內(nèi)[7]。應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測結(jié)果則用于評估壩體在不同工況下的受力狀態(tài)并保證壩體不會發(fā)生塑性變形或局部破壞。應(yīng)力值的計(jì)算公式為：

式（3）中：為應(yīng)力；為作用在壩體某部位的力；為受力截面面積。借助滲流模擬和水力學(xué)分析，可以評估壩基的滲透性及水位變化對大壩安全性的影響。滲流分析公式為：

式（4）中：為滲流量；為滲透系數(shù)；為滲流面積；為水頭差；為滲流路徑長度。借助計(jì)算滲流量與水頭差，可以判斷壩體是否存在過高的滲流風(fēng)險(xiǎn)。監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，見表1。

4結(jié)語

龍灘水電站大壩的穩(wěn)定性和安全性分析表明，整體監(jiān)測系統(tǒng)和技術(shù)手段有效保障了大壩的長期安全運(yùn)行。大壩在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)運(yùn)行穩(wěn)定。壩體的變形量、應(yīng)力分布和應(yīng)變值均未超過安全閾值且變形監(jiān)測和應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)均符合設(shè)計(jì)要求。滲流監(jiān)測結(jié)果雖然顯示壩基滲流量略有增加但仍在可控范圍內(nèi)。數(shù)據(jù)質(zhì)量控制體系確保了監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性，誤差修正和數(shù)據(jù)處理方案有效消除了外部干擾因素。綜合評估結(jié)果表明，大壩整體穩(wěn)定性良好且符合長期運(yùn)行要求，需進(jìn)一步加強(qiáng)壩基滲流的監(jiān)測并保證大壩在極端工況下的安全性。

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