大壩安全監測的內涵及擴展

時間：2024-08-02 09:39:59 工程力學畢業論文

大壩安全監測的內涵及擴展

摘要：從分析影響大壩安全的各種因素入手，在時空兩個方面拓寬了大壩安全監測的概念，即大壩安全監測應在時空上將影響大壩安全的因素考慮在內。在此基礎上，提出：(1)大壩安全監測要有明顯的針對性；(2)重視對潰壩的分析；(3)大壩安全監測應和設計及大壩安全定檢結合起來，以方便資料分析和相互校核；(4)加強對大壩安全監測(包括監測系統)，特別是自動化系統的效益評估，要求大壩安全監測系統成為水庫運行調度的依據，真正為提高水庫效益服務；(5)通過網絡技術，實現大壩安全監測的網絡化，以方便經驗交流，提高監測技術。
關鍵詞：大壩安全監測；時空；運行管理；網絡?

眾所周知，大壩是一種特殊建筑物，其特殊性主要表現在如下3個方面：①投資及效益的巨大和失事后造成災難的嚴重性；②結構、邊界條件及運行環境的復雜性；③設計、施工、運行維護的經驗性、不確定性和涉及內容的廣泛性。以上特殊性說明了要準確了解大壩工作性態，只能通過大壩安全監測來實現，同時也說明了大壩安全監測的重要性。事實上，大壩安全監測已受到人們的廣泛重視，我國已先后頒布了差阻式儀器標準及監測儀器系列型譜、《水電站大壩安全檢查實施細則》、《混凝大壩安全監測技術規范》、《水庫大壩安全管理條例》、《土石壩安全監測技術規范》等，同時，國際大壩會議也多次討論過大壩安全問題［1］。
大壩安全監測是人們了解大壩運行性態和安全狀況的有效手段。隨著科學技術的發展、管理水平的提高及人們觀念的轉變，大壩安全監測的內涵也進一步加深。為此，筆者從分析影響大壩安全的因素入手，對大壩安全監測的若干問題進行探討。

1影響大壩安全的因素
影響大壩安全的因素很多，據國際大壩會議“關于水壩和水庫惡化”小組委員會記錄的1 100座大壩失事實例，從1950年至1975年大壩失事的概率和成因分析中得出大壩失事的頻率和成因分別為：30%是由于設計洪水位偏低和泄洪設備失靈引起洪水漫頂而失事；27%是由于地質條件復雜，基礎失穩和意外結構事故；20%是由于地下滲漏引起揚壓力過高、滲流量增大、滲透坡降過大引起；11%是由于大壩老化、建筑材料變質(開裂、侵蝕和風化)以及施工質量等原因；12%是不同的特有原因所致。
通過上面的數值可以作如下分析：大壩失事的原因很多、涉及范圍也很廣，但大致可以分成3類。第一類是由設計、施工和自然因素引起，它沒有一個從量變到質變的過程，而是一旦大壩建成就已確定了的，如設計洪水位偏低、混凝土標號過低、未考慮地震荷載等；第二類是在運行、管理過程中逐步形成的，有一個從量變到質變的發展過程，如沖刷、浸蝕、混凝土的老化、金屬結構的銹蝕等；第三類是上述兩種混合情況，即設計、施工中的不完善在運行中得不到改正，或者說隨著時間的推移和運行管理的不力使設計、施工中的隱患發展為破壞。就目前而言，大壩安全監測主要是針對后兩種情況。下面將從設計、施工、運行維護3個階段來討論，著重強調目前大壩安全監測容易忽視的一些方面。
1.1設計階段
眾所周知，在設計階段，壩址的確定決定了地形、地質、地震發生頻率及水文條件等；樞紐的總體布置、壩型及結構、材料選擇和分區、水文資料的收集及洪水演算、地質勘探等都將影響大壩的安全。1980年6月19日，烏江渡水庫泄洪水霧引起開關站出線相間短路跳閘、引出線燒斷、工地停電，類似情況1980年6月23日在黃龍灘、1986年9月3日在白山等也曾發生。以上事故的發生引起工地停電和泄洪閘門不能開啟的嚴重后果，均是由于整體布置不合理，對泄洪水霧飄移危害認識不夠所致。喀什一級大壩位于高地震烈度區，粘土斜墻壩的抗震性能差，而設計又將防滲膜放在斜墻下游側，形成潛在的最薄弱滑裂面，因而在1985年大地震時，迎水面滑落庫中，其原因是壩體結構設計不合理。綜上所述，大壩的許多安全隱患是由設計階段留下的，特別是水文計算及地質勘探和處理兩個方面，如紀村壩基紅層問題，前期勘探工作不夠是重要原因之一［2］。
1.2施工階段
施工階段能否貫徹設計意圖、確保施工質量，特別是有效解決施工中發現的新問題是確保大壩安全的關鍵因素之一，如混凝土壩的溫控措施、土石壩的碾壓及防滲排水結構的施工、有關泄洪建筑物的機電安裝等都將直接影響大壩的安全。喀什一級大壩在1982年施工中，其壩體及防滲墻都未進行碾壓，致使密實度降低，在強震時容易液化和沉陷，這也是1985年地震時引起大壩整體破壞原因之一。
1.3運行管理
運行管理涉及水庫調度、大壩及附屬機電設施檢查、監測手段及資料分析方法、大壩安全狀況評價等，其中每一環節都事關大壩的安全。。佛子嶺大壩1969年發生的漫頂事故，其重要原因就是因為盲目追求灌溉效益，汛期不適當地抬高運行水位所致；陳村大壩出現的105 m高程水平裂縫與大壩長期遭遇高溫低水位運行工況有關［3］；佛子嶺、磨子潭和溝后水庫等在泄洪閘門開啟的關鍵時刻都出現了電源中斷這一嚴重問題，說明了備用電源及汛前檢查有關泄洪設備(施)的重要性，更不用說對大壩進行全面的巡視檢查、儀器監測和及時的資料分析了。這里還要強調的一點就是聯合調度問題，在梯級水庫調度中這一點顯得特別重要，如石漫灘水庫潰壩與上游的元門水庫潰壩是密不可分的。
2大壩安全監測的目的和意義
眾所周知，大壩安全監測有校核設計、改進施工和評價大壩安全狀況的作用，且重在評價大壩安全。筆者認為，大壩安全監測的淺層意義是為了人們準確掌握大壩性態；深層意義則是為了更好地發揮工程效益、節約工程投資。大壩安全監測不僅是為了被監測壩的安全評估，還要有利于其他大壩包括待建壩的安全評估。
3大壩安全監測的新內涵
通過以上分析可知，影響大壩安全的因素很多(壩址選擇、樞紐布置、壩體結構、材料特性、水庫調度等)、時間跨度大(從設計施工到運行管理)；大壩安全監測的目的是為了在確保工程安全的前提下，更好地發揮工程效益。隨著科技的發展、人們觀念的變化，實現大壩安全監測的手段和目的都有了一定程度的變化，筆者認為可從如下幾方面進行理解。
3.1監測范圍和內容
規范［4］［5］規定“大壩安全監測范圍，包括壩體、壩基、壩肩，以及對大壩安全有重大影響的近壩區岸坡和其它與大壩安全有直接關系的建筑物和設備”。眾所周知，瓦依昂(Vajont)拱壩就是由于庫區發生大滑坡引起了潰壩；1961年3月6日，我國柘溪水電廠首次蓄水時，在大壩上游右岸1.55 km處也曾發生大滑坡；佐齊爾拱壩1978年12月份發現拱冠向上游移動的原因就是因為離壩1.5 km的地方在比壩低320 m處開挖了一條排放地下水的隧洞所致。可見，關系大壩安全的因素存在的范圍大，包括的內容多，如泄洪設備及電源的可靠性、梯級水庫的運行及大壩安全狀況、下游沖刷及上游淤積、周邊范圍內大的施工特別是地下施工爆破等。
大壩安全監測的范圍應根據壩址、樞紐布置、壩高、庫容、投資及失事后果等進行確定，根據具體情況由壩體、壩基推廣到庫區及梯級水庫大壩，大壩安全監測的時間應從設計時開始直至運行管理，大壩安全監測的內容不僅是壩體結構及地質狀況，還應包括輔助機電設備及泄洪消能建筑物等。
3.2大壩安全監測的針對性
大壩安全監測是針對具體大壩的具體時期作出的，一定要有鮮明的針對性。
(1)時間上的針對性。
由于大壩施工期、初次蓄水期和大壩老化期是大壩安全容易出現問題的時期，因此在前一個階段監測的重點應是設計參數的復核和施工質量的檢驗，而后者則應是針對材料老化［7］和設計復核進行。
大壩的破壞機理研究至今還是一個薄弱環節，關鍵是原型破壞試驗作不了，因此，加強對潰壩的分析是非常有必要的。這就要求大壩安全監測系統在關鍵時候能發揮作用，能得到關鍵數據；
(2)空間結構上的針對性。
針對具體的壩址、壩型和結構有針對性地加強監測，如針對面板堆石壩面板與趾板之間的防滲、碾壓混凝土壩的層間結構、高強震地區均質土壩的液化、薄拱壩壩肩的穩定、破碎地基及深覆蓋層上筑壩的基礎處理及防滲、多泥沙河流的泥沙淤積、庫岸高邊坡的穩定等。由于總體布置不合理，泄洪水霧有可能引起跳閘等問題，應注意對霧化的監測和汛期對備用電源的檢查等。再者，大壩監測應和大壩設計、施工和運行管理互相補充，特別是在設計中運用新結構、新方法、新材料，施工時發現新的地質構造和地質條件。運行遇到不利工況時，大壩安全監測理應成為檢驗設計、施工及運行效果的必要手段，從而為采取必要的工程措施以確保大壩安全創造條件。
3.3監測手段和方法
大壩安全監測包括巡視檢查和儀器監測［4］，筆者認為巡視檢查和儀器監測是分不開的。前者也要盡可能的利用當今的先進儀器和技術對大壩特別是隱患進行檢查，以便作到早發現早處理，如土石壩的洞穴、暗縫、軟弱夾層等很難通過簡單的人工檢查發現，因此，必須借用高密度電阻率法、中間梯度法、瞬態面波法等進行檢查［6］，從而完成對其定位及嚴重程度的判定。人工巡查和儀器監測分不開的另一條原因是由于大壩的特殊性和目前儀器監測的水平所決定的。大壩邊界條件和工作環境較為復雜，同時，由于材料的非線性(特別是土石壩)，從而使監測的難度增大；另一方面，目前儀器監測還只能作到“點(小范圍)監測”，如測縫計只能發現通過測點的裂(接)縫開度的變化，而不能發現測點以外裂(接)縫開度的變化；變形(滲流)測點監測到的是壩體(基)綜合反應，因而難以進行具體情況的原因分析。正是由于上述原因，監測手段和方法必須多樣化，即將各種監測手段和方法［4］［5］結合起來，將定性和定量監測結合起來，如將傳統的變形、滲流、應力應變及溫度監測同面波法、彩色電視、超聲波、CT、水質分析等結合起來。隨著科技水平的發展，一種真正的“分布式測量系統”——光纖測量系統即將面世，水科院、國電公司成都院等單位已對此作了大量的研究，也曾在三峽作過試驗。該系統將光纖既作為傳感部件，又作為信號傳輸部件埋設于壩體中，使每一根光纖成為大壩的神經，感受大壩性態的變化并具體定位，從而使監測走向立體和全方位。
目前，自動化系統還存在費用高、可靠性難以保證、監測項目不全、安裝調試困難、實時化程度低等問題，筆者認為一種費用低、安裝調試簡單、易維護、可以進行大范圍監測、實時性高的系統才是發展方向。同時，監測方法、監測量的變化(如由標量到矢量、由數值分析到圖象分析)必將導致分析方法的變化。
3.4大壩安全監測的網絡化、智能化、效益化
在過去的許多年中，人們總是將觀測資料交由專職單位去分析，這樣做要花費大量的時間，不利于及時有效地掌握大壩性態和進行最優的運行調度。同時，一般單位的資料分析總是在建立數學模型(特別是統計模型)的基礎上，缺乏與具體大壩的聯系及與設計標準(穩定、強度)的比較，也不利于監測技術的提高。近期，一些單位在專家系統、人工智能及決策支持系統開發中，直接將監測資料(如庫水位、溫度、應力、揚壓力等)與設計標準(穩定、強度)對照起來用于壩體強度及穩定校核是一種很好的思路。但是，目前的大壩安全監測自動化水平多數還停留在部分監測項目數據的自動采集上，難以滿足實際需要。事實上單憑監控指標來判別大壩安全是不完善的，因為目前的監控指標主要依靠經驗和理論計算確定。前者人為因素大，后者由于計算理論、數學模型和邊界條件的假定，誤差也較大，實際應用也值得商榷。如對于土石壩，當上游庫水位驟降時測壓管水位不會超過監控指標，但此時上游壩體有可能失穩。我國自1987年開始的水電站大壩安全定期檢查(鑒定)，是對大壩結構性態和安全狀況的全面檢查和評價，已得到廣大科技人員認可，實踐證明是有效的。它就是根據設計復核、壩基隱患、壩體穩定、泄洪消能、庫區淤積及近壩庫岸滑坡等方面對大壩安全進行評價。因此，大壩安全評估軟件應與大壩安全定檢內容相適應，應用專家系統和決策支持系統將大壩安全定檢的成功經驗和監測資料分析的有效方法結合起來，在此基礎上實現與大壩監測數據采集系統、閘門監控系統、水庫自動調度系統、水雨情測報系統的有機結合，將大壩安全作為約束條件，效益的最大化作為目標函數才能適應用戶和時代的需要。
最近，國家防總在建立全國防汛決策支持系統中將大壩安全監測(工情監測)作為整個系統的一個部分，從而突出水庫運行以效益為中心，大壩安全是約束條件的觀點。另一方面，在大壩失事或事故中，洪水漫頂占了相當大的比例。試想：如果大壩某些性態異常或閘門起閉機損壞，而又不知近期洪水情況，如何在洪水到來時確保大壩安全?同時，運行也會影響大壩安全，如陳村大壩105 m高程裂縫的出現及發展與不正確的運行方式有關；碧口大壩1995年也因泥沙淤積在較短的時間內將排沙洞口淤堵，威脅了電站安全。故為充分發揮水庫效益，確保大壩安全，必須盡可能將流域水情、梯級水庫調度情況及洪水預報、大壩安全監測和本水庫運行調度結合起來。
另一方面，目前自動監測系統的數據采集軟件均有巡測和選測功能，為適應“無人值班，少人值守”的要求，設置自動進行巡測、在線診斷、自動報警是對系統的必然要求。由于許多測值超差均由于自動化系統本身引起，故筆者建議在數據采集軟件中應增如下功能：即當某測值或其變化速率超過正常范圍時，系統應立即對該測點進行多次重復測量或自動加密測次，以方便系統維護和資料分析。
隨著信息化的推廣，大壩安全監測應主動適應時代要求，走向網絡化、智能化，采用網絡數據庫、INTERNET/INTRANET技術，建立全國的大壩安全監測信息網是時代的要求。
4結語
通過以上分析可知，大壩安全監測實際上是一種管理，包括信息采集、處理、結論的得出、措施的制定、信息的反饋，其根本目的是為了工程效益。綜合起來可以得出如下幾點：
(1)大壩安全監測范圍空間上應包括梯級水庫；時間上應從設計開始。大壩安全監測內容應包括與大壩安全有關的泄洪及機電設備；
(2)大壩安全監測應與氣象、水情、洪水預報及水庫調度結合起來，使之成為水庫運行調度決策支持系統的一部分，真正為工程效益的最大化服務；
(3)大壩安全監測應將大壩安全評估與設計標準、設計參數(如安全系數，可靠度指標)等指標結合起來，充分利用大壩安全定檢的成功經驗和方法，從而易于理解、掌握和應用；
(4)大壩安全監測應充分利用科技進步，走向即時化、智能化、網絡化。
總之，大壩安全監測就是利用一切手段，確保大壩以較少的投入來保證長期、穩定、安全的運行，實現效益的最大化。?

參考文獻

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［2］邢林聲.紀村混凝土壩基紅層的惡化及其原因分析［J］.水利學報，1996，(9).?
［3］邢林聲，方榴聲.陳村拱壩下游壩面105 m高程附近水平裂縫的性態分析［J］.水力發電學報，1988，(4).?
［4］SDJ336?89，混凝土大壩安全監測技術規范［S］.?
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［6］謝向文.黃河下游堤防隱患探測技術研究［J］.水利技術監督，2000，(4)：20-24.
［7］王黎.荊江分洪區南閘混凝土建筑物質量檢測分析［J］.水利技術監督，2000，(4)：24-27.
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