浅谈大坝的安全监控工

【摘 要】本文叙述了大坝安全监测与控制方法，分析了大坝安全监控的国内外发展形势，以期减少大坝失事或失稳事故。

【关键词】大坝；安全监测与控制方法；国内外发展形势

20世纪20年代以来，国际上相继发生了圣佛朗西斯（美国，1928年）、马尔巴塞（法国，1959年）、瓦依昂特（意大利，1963年）等跨坝事件，我国也先后发生了板桥、石漫滩（1975年）洪水漫顶以及沟后水库（1993年）渗透破坏等跨坝事件。跨坝给相关国家带来了惨重的灾害和巨大的经济损失，这引起了各国政府和坝工界对大坝安全监测的高度重视[1]。

有关统计分析表明，大坝失事或严重大坝事故主要表现为四种形式：设计洪水偏低引起漫顶；地质勘探不充分造成失稳和渗漏；设计与施工缺陷导致大坝老化加速；遭遇地震等特殊荷载。因此，有必要针对不同大坝的具体情况和特点，设置相应的安全监测项目，对大坝变形、渗流、应力应变等进行连续而全面的监测，并对实测数据进行及时的处理和分析，在此基础上实现大坝安全性态的综合评判，以馈控大坝的安全和运行。

大坝安全监测与控制的研究工作可大致分为五个方面：观测资料的误差处理与分析；观测资料的正分析；观测资料与大坝结构性态的反分析；反馈分析与安全监控指标的拟定；大坝安全综合评判与决策，各个方面的研究相互联系，构成了大坝安全监控的理论框架体系[2]。

1 观测资料的误差处理与分析

在利用大坝安全监测资料进行正反分析前，首先应对原始测值资料进行误差处理与分析。大坝安全监测数据的误差分为粗差、系统误差和随机误差三类。在测量过程中，应当剔除粗差，消除或削弱系统误差，使观测值中仅含随机误差。测量误差分析的方法一般有测值范围检验分析法、数学模型分析法及统计检验法等。

粗差是由某些不正常因素所造成的与事实明显不符的一种误差，通常属于测量错误，这种误差较易发现，应予以剔除。目前主要采用基于最小二乘理论的分析方法对粗差判别和处理，较常用的方法有数据探测法和稳健估计法。此外还常用统计量检验法，如格拉布斯准则、肖维勒准则、t检验准则、F检验准则等[3]。

系统误差可分为定值系统误差和变值系统误差，一般通过数学模型分析结果进行判别，通常的处理方法是设法找出系统误差的函数表达式，然后在观测结果中加以扣除。

随机误差由随机因素造成，其符号和绝对值大小无规律且不可预料，但随着测次增加，一般认为随机误差呈正态分布，具有零均值。

2 观测资料的正分析

原型观测资料正分析的主要任务是由实测资料建立数学监控模型。应用这些模型监控大坝等水工建筑物的今后运行，同时对模型中的各个分量（特别是时效分量）进行物理解释，借以分析大坝等水工建筑物的工作形态。根据建立模型方法不同，可以归纳为：用统计学方法建立的统计模型；应用时间序列法和灰色系统理论建立预测模型；用模糊数学建立预测模型；用有限元方法分析计算，并与实测值拟合，建立确定性模型或混合模型。

意大利的D.Tonini于1956年首次将影响大坝位移的因素分成水压、温度、时效三部分，并用三次多项式表示水压分量、温度分量。1977年意大利的Faneli等提出了混凝土大坝变形的确定性模型和混合模型，将有限元理论计算值与实测数据有机的结合起来，以监控大坝的安全状况。近20年来，随着计算机技术的发展，大坝观测资料的正分析研究也取得了很大的进步，国内外大坝观测资料的分析工作逐渐向纵深方向发展，多测点建模、复合建模技术等新方法以及灰色系统、模糊理论、人工神经网络、遗传算法、混沌理论等新理论被引入到大坝安全监控领域中。

3 观测资料与大坝结构性态的反分析

原型观测资料的反分析，按其实际内涵包含反演分析和反馈分析，两者既有机联系，又有区别，按系统识别理论的概念统称为反分析[4]。

反演分析是依据正分析的结果，通过相应的理论分析，借以反求大坝等水工建筑物和地基的材料参数以及某些结构特性（简称“源项”）等，以校准影响计算精度的主要因素。

大坝及坝基的参数反演有两种方法，即常规分析法和确定性模型法。国内外对大坝及坝基参数的反演分析比较深入，尤其对混凝土坝反分析研究较为普遍，并取得了很多成果。在弹性问题的位移反分析中，1977年，N.Shimizu和S.Sakurai提出边界元位移反分析方法。在粘弹性参数反演方面，刘怀恒和杨林德引入基于时间的等效弹性模量，然后反推流变参数，但这种算法只局限于简单的线弹性材料。沈家荫、林炳仕等研究由位移观测资料反演分析的边界元法。薛琳、G.Gioda等也在岩体粘弹性参数反分析方面提出一些实用的计算方法。

反馈分析是综合应用正分析和反演分析的成果，并通过相应的理论分析，从中寻找某些规律和信息，及时反馈到设计、施工和运行中去，达到优化设计、施工和运行的目的，并补充和完善现行水工设计和施工规范。1969年，Terzaghi提出的观测设计法是反分析思想的最早应用。

4 反馈分析与安全监控指标的拟定[5-6]

为了监控大坝及其他水工建筑物的安全运行，目前坝工界对反馈分析的研究主要包括以下几方面：①拟定大坝等水工建筑物各个观测量的安全监控指标及其相应的水压、温度等控制荷载；②根据安全监测资料，应用可靠度理论反馈大坝的实际安全度，以复核大坝的稳定、强度和抗裂安全度；③分析裂缝、再生缝的物理成因、机理及其对建筑物结构性态的影响，以反馈控制裂缝发生和发展的临界荷载。

安全监控指标是评价和监测大坝安全的重要指标，对于馈控大坝等水工建筑物的安全运行相当重要。拟定安全监控指标的主要任务是根据大坝和坝基等建筑物已经抵御经历荷载的能力，来评估和预测抵御可能发生荷载的能力，从而确定该荷载组合下监控效应量的警戒值和极值。由于有些大坝可能还没有遭遇最不利荷载，同时大坝和坝基抵御荷载的能力在逐渐变化，因此安全监控指标的拟定是一个相当复杂的问题，也是国内外坝工界研究的重要课题。通常对于大坝应力和扬压力是以设计值作为监控指标，而目前研究的重点和难点是对大坝变形监控指标的确定。国外对变形监控指标的研究报道较少。而在国内，吴中如、顾冲时、沈振中等在利用安全监测资料反馈大坝的安全监控指标方面进行了系统的研究，提出拟定变形监控指标的原理和方法，并成功地应用于佛子岭连拱坝等实际工程的监控。

目前，对坝体和坝基变形监控指标的拟定方法主要有置信区间法、典型监控效应量的小概率法、极限状态法、仿真计算法和力学计算法等。

置信区法：该法在国内外普遍采用，其基本原理是统计理论的小概率事件，即根据以往的观测资料，用统计理论或有限元计算，建立监测效应量与荷载之间的数学模型，并用这些模型计算在各种荷载作用范围内的监测量监控指标。置信区间法简单、易于掌握，但存在以下不足：如果大坝没有遭遇过最不利荷载组合或资料系列较短，则利用以往监测效应量的资料系列建立的数学模型只能用来预测大坝遭遇荷载范围内的效应量，其值不一定是包括最不利荷载组合在内的警戒值；资料系列不同，分析计算结果的标准差也不同；显著性水平不同，置信区间也不同；此外，置信区间法没有联系大坝失事的原因和机理，物理概念不明确，也没有联系大坝的重要性（等级和级别）；如果标准较大，由该法确定的监控指标可能超过大坝监测效应量的真正极值。

典型监控效应量的小概率法：在实测资料中，根据不同坝型和大坝的具体情况，选择不利荷载组合时的监测效应量（Emi）或它们的数学模型中的各个荷载分量。Emi为随机变量，每年有一子样，因此得到样本E= {Em1，Em2，…，Emn}。对样本空间E，估计其特征值，用统计检验法（如A-D法、K-S法），对其进行分布检验，得其概率密度函数的分布函数（如正态分布函数、对数正态分布和极值Ⅰ型分布等），确定失事概率后，即可求得相应水平的监控指标。小概率法定性联系了对强度和稳定不利的荷载组合所产生的效应量，并根据以往观测资料来估计监控指标，显然比置信区间法有所提高。但只有当观测资料系列较长，且真正遭遇较不利荷载组合时，该法估计的监控指标才接近极值，否则只能是现行荷载条件下的极值。失事概率α的确定还没有规范可循，有一定的经验性。

极限状态法：大坝的失事模式对应于相应的荷载组合，失事主要归结为强度和稳定等形式的破坏。根据计算临界荷载组合的总效应S和大坝或地基的抗力R的方法不同，用极限平衡条件估计监控指标方法可分为安全系数法、一阶矩极限状态法和二阶矩极限状态法。如变形监控指标，可由水压分量、温度分量的最不利荷载组合，并考虑时效影响来确定。采用极限状态法所求得监测效应量的监控指标是该效应量的极值，但必须要有完整的大坝和坝基的材料物理力学参数的试验资料，而求得的效应量极值与选用的材料本构模型有关。

5 大坝安全综合评判与决策[1，7-8]

安全监测资料的正反分析和反馈分析，一般仅局限于对单项物理量的分析，存在一定的局限性。因此，需在正分析反分析和反馈分析基础上，对大坝等水工建筑物的安全性态进行综合评判与决策。综合评判与决策是指对各种资料进行不同层次的分析，找出荷载集与效应集、效应集与控制集之间的非确定性和确定性关系，然后通过一定的理论和方法或凭借专家的丰富经验进行综合分析和推理，以评判大坝等水工建筑物的工作性态。

近年来，国内外对水工建筑物安全评价方法的研究有了较大发展。在国外，美国、加拿大等国已用SEED法及风险值概念对大坝失事的总概率进行计算。如B.C.YEN对随机荷载和抗力作用下水工建筑物系统的可靠性估算方法进行研究。在国内，吴中如、尉维斌等于1994年利用模糊数学方法自下而上的确定大坝实测性态评价体系各层元素的权重，实现对大坝安全实测性态的评判。1997年，何金平等研究了一种基于突变理论的大坝实测性态动态模糊综合分析与评判方法。2003年，黄海燕等综合考虑了影响大坝安全各因素的随机性及模糊性，对大坝进行定量模糊风险分析。

6 大坝安全监控研究发展动向

纵观国内外大坝安全监控及研究工作近十几年来的情况，主要的发展内容如下：

（1）监测范围进一步扩大，除了对大坝及其附属建筑物的监测外，还向地基岸坡和其它地质、地形复杂的区域发展，并在一定程度上与流域水文监测合为一体。

（2）高精度、高稳定性和自动化观测仪器的研究使监测手段更加先进，一些大坝监测已经实现了自动化遥测集控。各种现代监测的先进技术，如无损探伤、光纤、GPS技术、遥感技术等在大坝安全监测中进一步得到应用，使监测方法和手段更为完善，监测内容和项目更加全面。

（3）数据处理逐步由离线集中处理发展为在线实时监控和处理，为管理决策提供更加及时准确的依据。反馈分析成果丰硕，有效的推动坝工设计和施工技术的发展。

（4）进一步深入研究用于监控分析的数学模型，除了统计模型、确定性模型和混合模型外，对时间序列、灰色理论、模糊数学、神经网络、随机有限元、波谱分析等多种方法深入研究并引入大坝安全监测资料和大坝结构性态的正反分析。

（5）在大坝安全性态评价研究方面，从单测点、单项目独立分析评价向多测点、多项目综合分析和综合评价发展，从监控大坝的安全运行向健康诊断研究发展，大坝安全的风险与可靠性分析也逐渐展开。

展望未来，大坝安全监控工作任重道远，随着监测仪器和技术的不断更新，资料分析处理和综合评判方法的改进，将有力的促进大坝安全监控的自动化发展，大坝的安全监控和管理水平会迅速提高，在减灾防灾中发挥更大的作用。

【参考文献】

[1]吴中如，沈长松，阮焕祥.水工建筑物安全监控理论及其应用[M].河海大学出版社，1990.

[2]杨杰，吴中如.大坝安全监控的国内外研究现状与发展[J].西安理工大学学报，2008（18）：26.

[3]黄红，周琼，华锡生.大坝安全监控理论与技术研究现状综述[J].大坝与安全，2005（2）：55.

[4]刘苏忠，赵广超.大坝安全监控研究综述[J]. 中国水运，2009（9）：148.

[5]魏德荣.大坝安全监控指标的制定[J].大坝与安全，2003，（6）：24-28.

[6]吴中如，顾时冲，沈振中，等.大坝安全综合分析和评价的理论、方法及应用[J].水利水电科技进展，1998，18（3）：2-6.

[7]Figliola A，Seerano E. Analysis of physiological time series using wavelet transform[J]. IEEE Eng in Med and Bio， 1997，16（3）：324-329.

[8]Yen B C. Reliability of hydraulic structures possessing random leading and resistance[C]//Engineering Reliability and Risk in Water Resources. Martinus Nijhoff Publishers，1986.

[责任编辑：王静]

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