闞乃立 陳新建

城西水庫(kù)大壩安全監(jiān)測(cè)分析與評(píng)價(jià)系統(tǒng)研究

闞乃立 陳新建

一、概述

城西水庫(kù)位于安徽省滁州市清流河支流小沙河上游，緊靠滁城和津浦鐵路。水庫(kù)控制流域面積168km2,總庫(kù)容7112萬(wàn)m3，是一座集防洪、城市供水、灌溉、抽水蓄能及水產(chǎn)養(yǎng)殖等綜合利用的重點(diǎn)中型水庫(kù)。工程于1958年動(dòng)工興建，1965年8月完成最初設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，1976年對(duì)水庫(kù)進(jìn)行除險(xiǎn)加固，達(dá)到現(xiàn)有規(guī)模。水庫(kù)于2004年又結(jié)合一次除險(xiǎn)完成了大壩滲流自動(dòng)化監(jiān)測(cè)采集系統(tǒng)建設(shè)，主要監(jiān)測(cè)項(xiàng)目分如下3部分：

（1）1個(gè)庫(kù)區(qū)水位點(diǎn)和1個(gè)壩區(qū)降水觀測(cè)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)于水庫(kù)水情自動(dòng)化采集系統(tǒng)中，采集數(shù)據(jù)可自動(dòng)入庫(kù)；

（2）55只壩體內(nèi)部滲流觀測(cè)孔隙水壓力計(jì)，所有點(diǎn)采集可自動(dòng)入庫(kù)；

（3）壩體表面變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)包括水平位移與豎向位移監(jiān)測(cè)，人工觀測(cè)，手工入庫(kù)。

由于施工過(guò)程和儀器本身性能不穩(wěn)定，在系統(tǒng)整體投入運(yùn)行前，部分滲流觀測(cè)儀器已損壞或者不能正常采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)。2008年4月，結(jié)合水利部科技成果重點(diǎn)推廣計(jì)劃項(xiàng)目“土石壩安全監(jiān)測(cè)分析評(píng)價(jià)系統(tǒng)”，更換0+700關(guān)鍵斷面部分已損壞儀器，同時(shí)添加2處下游水位監(jiān)測(cè)點(diǎn)，以滿足系統(tǒng)分析評(píng)價(jià)的硬件需求，并結(jié)合水庫(kù)原有自動(dòng)化采集系統(tǒng)建設(shè)成果，實(shí)現(xiàn)水庫(kù)大壩安全監(jiān)測(cè)在線分析與系統(tǒng)評(píng)價(jià)。

二、系統(tǒng)功能描述

安徽省大中型水庫(kù)的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)都是依據(jù)具體硬件環(huán)境建立起來(lái)的，所使用的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)差異較大，考慮到軟件系統(tǒng)的兼容性，此次“土石壩安全監(jiān)測(cè)分析評(píng)價(jià)系統(tǒng)”具有獨(dú)立的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，以適應(yīng)安徽省水庫(kù)大壩具體數(shù)據(jù)處理環(huán)境。該軟件的功能包括：

（1）能自動(dòng)定時(shí)轉(zhuǎn)儲(chǔ)現(xiàn)地單元傳送的數(shù)據(jù)，也能人工隨時(shí)轉(zhuǎn)儲(chǔ)現(xiàn)地單元存儲(chǔ)的定時(shí)采集數(shù)據(jù)；

（2）具有獨(dú)立的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲(chǔ)程序，該程序可以集成在主程序中，也可以單獨(dú)運(yùn)行，可以根據(jù)使用者實(shí)際要求定制；

（3）系統(tǒng)采用B/S與C/S相結(jié)合模式開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了專業(yè)性與易操作性的統(tǒng)一，也實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器與客戶端的分離；

（4）具有獨(dú)立的數(shù)據(jù)采集、處理、數(shù)據(jù)查詢、用戶管理、數(shù)據(jù)分析、安全評(píng)價(jià)、資料整編功能；

（5）支持大壩監(jiān)測(cè)資料規(guī)范化整編與智能化綜合評(píng)價(jià)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)用性與先進(jìn)性的統(tǒng)一；

（6）通過(guò)分析成果信息網(wǎng)絡(luò)發(fā)布，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的開放性；

（7）有人工采集數(shù)據(jù)輸入接口，可以對(duì)人工采集的表面變形、測(cè)壓管等數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，最終納入到系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中，參與整個(gè)系統(tǒng)的分析、評(píng)價(jià)和數(shù)據(jù)管理；

（8）開發(fā)基于模糊綜合評(píng)價(jià)技術(shù)、灰色關(guān)聯(lián)度技術(shù)與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的智能型壩體綜合評(píng)價(jià)技術(shù)；

（9）可為不同類型閘壩提供安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化解決方案，尤其對(duì)除險(xiǎn)加固閘壩進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)測(cè)改造具有繼承性和發(fā)展性的特點(diǎn)；

（10）對(duì)通過(guò)自動(dòng)化采集到的表面變形數(shù)據(jù)和水文數(shù)據(jù)留有數(shù)據(jù)接口，最終對(duì)自動(dòng)化采集到的表面變形數(shù)據(jù)和水文數(shù)據(jù)進(jìn)行更進(jìn)一步的分析和處理；

（11）運(yùn)用軟件技術(shù)解決數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行效率的問(wèn)題,一臺(tái)計(jì)算機(jī)即滿足數(shù)據(jù)采集、分析與發(fā)布的要求。

三、系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程

軟件系統(tǒng)將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，分別保存在相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)中，這些數(shù)據(jù)由大壩安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)管理信息子系統(tǒng)管理，并最終形成完整的安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)。軟件系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程見圖1。

大壩安全監(jiān)測(cè)分析評(píng)價(jià)子系統(tǒng)對(duì)在安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和系統(tǒng)評(píng)價(jià)，最終形成分析曲線、分析報(bào)告、整編資料、報(bào)表、存檔數(shù)據(jù)和安全評(píng)價(jià)報(bào)告等。

四、安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件模型、參數(shù)和分析方法

1.外部變形模型、參數(shù)和分析方法

對(duì)于已建閘壩，外部變形觀測(cè)主要是表面變形，包括表面豎向位移和水平橫向位移，主要包括以下模型、參數(shù)和分析方法：（1）豎向位移模型；（2）漏測(cè)豎向位移量估算；（3）豎向位移率與速率分析；（4）裂縫風(fēng)險(xiǎn)分析；（5）水平位移因子影響分析。

2.內(nèi)部滲流模型、參數(shù)和分析方法

建立內(nèi)部滲流觀測(cè)數(shù)據(jù)分析評(píng)價(jià)模型，包括以下模型、參數(shù)和分析方法：（1）滲流數(shù)據(jù)項(xiàng)的選用方法；（2）滯后時(shí)間推算；（3）相關(guān)分析；（4）位勢(shì)分析；（5）水力學(xué)浸潤(rùn)線分析；（6）流網(wǎng)法滲流場(chǎng)分析（7）滲流量分析；（8）滲透系數(shù)反演分析；（9）滲流安全綜合分析。

3.壩體安全綜合評(píng)價(jià)模型、參數(shù)和分析方法

建立壩體安全綜合評(píng)價(jià)模型，主要包括以下模型、參數(shù)和分析方法：（1）評(píng)價(jià)體系構(gòu)建；（2）評(píng)價(jià)準(zhǔn)則的確定；（3）專家打分支持；（4）指標(biāo)權(quán)重層次分析；（5）模糊綜合評(píng)價(jià)模型；（6）灰色關(guān)聯(lián)度評(píng)價(jià)模型；（7）人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型；（8）壩體健康趨勢(shì)分析；（9）壩體安全級(jí)別評(píng)價(jià)；（10）在線實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)。

五、軟件模塊

根據(jù)建立的軟件模型、參數(shù)和分析方法，開發(fā)的軟件模塊包括：自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集模塊、硬件驅(qū)動(dòng)模塊、人工錄入模塊、數(shù)據(jù)管理模塊、自動(dòng)化接口模塊、外部變形分析模塊、內(nèi)部滲流分析模塊、圖表繪制與資料整編模塊、安全綜合分析評(píng)價(jià)模塊等。

六、數(shù)據(jù)分析原理

1.數(shù)據(jù)分析功能

數(shù)據(jù)分析的功能包括：（1）對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行定量分析，如實(shí)現(xiàn)查詢分析、位勢(shì)分析、過(guò)程線分析、分布圖分析、相關(guān)分析、回歸分析、反演分析、相關(guān)性檢驗(yàn)等定量分析；（2）顯示和打印查詢結(jié)果、位勢(shì)、過(guò)程線、分布圖、相關(guān)系數(shù)、相關(guān)方程、回歸方程、反演結(jié)果和相關(guān)性檢驗(yàn)結(jié)果等；（3）為資料整編提供數(shù)據(jù)和圖形，并生成整編資料和整編報(bào)告；（4）為安全綜合評(píng)價(jià)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，如位勢(shì)、相關(guān)性及相關(guān)檢驗(yàn)結(jié)果等；（5）直接為有經(jīng)驗(yàn)的閘壩安全監(jiān)測(cè)人員提供安全綜合評(píng)價(jià)判斷依據(jù)。

2.數(shù)據(jù)分析模型原理

數(shù)據(jù)分析模型原理主要以最小二乘法、相關(guān)系數(shù)和一元線性回歸方程為數(shù)學(xué)依據(jù)。

七、安全綜合評(píng)價(jià)原理

1.安全綜合評(píng)價(jià)系統(tǒng)功能

（1）根據(jù)大壩安全評(píng)價(jià)導(dǎo)則建立評(píng)價(jià)體系，評(píng)價(jià)指標(biāo)的量化，實(shí)現(xiàn)定期人工綜合評(píng)價(jià)；

（2）完全針對(duì)閘壩監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)構(gòu)建評(píng)價(jià)體系和準(zhǔn)則，根據(jù)當(dāng)前監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)安全分析和評(píng)價(jià)，并生成指標(biāo)評(píng)價(jià)報(bào)告。

2.安全綜合評(píng)價(jià)系統(tǒng)模型原理

根據(jù)評(píng)價(jià)功能目標(biāo)需求，本系統(tǒng)采用模糊綜合評(píng)價(jià)方法和灰色關(guān)聯(lián)度分析方法實(shí)現(xiàn)不同的評(píng)價(jià)分析功能。

八、系統(tǒng)分析與評(píng)價(jià)界面

系統(tǒng)開發(fā)采用面向?qū)ο罂梢暬绞竭M(jìn)行，界面設(shè)計(jì)中以操作簡(jiǎn)便、交互友好、尊重操作人員習(xí)慣為指導(dǎo)原則，實(shí)現(xiàn)專業(yè)性與易操作性的統(tǒng)一。盡量采用直觀的圖形用戶界面技術(shù)，信息的表達(dá)形象、直觀、簡(jiǎn)潔。系統(tǒng)操作以菜單欄與工具欄相結(jié)合的方式表現(xiàn)，充分利用菜單、圖形、圖標(biāo)等形象化的界面元素為基礎(chǔ)。系統(tǒng)界面主要包括：（1）數(shù)據(jù)維護(hù)；（2）數(shù)據(jù)查詢；（3）壩體平面；（4）斷面綜合；（5）斷面分析；（6）表面沉降；（7）沉降分析；（8）過(guò)程線分析；（9）位勢(shì)分析；（10） 水位變化過(guò)程線分析；（11）水位相關(guān)過(guò)程線分析；（12）水位相關(guān)分析；（13）水位變化相關(guān)分析；（14）綜合評(píng)價(jià)；（15）數(shù)據(jù)報(bào)表。系統(tǒng)的0+450斷面分析界面如圖2所示。

九、結(jié)束語(yǔ)

本文系統(tǒng)地闡述了城西水庫(kù)大壩安全監(jiān)測(cè)的分析與評(píng)價(jià)方法，很大程度上提高了水庫(kù)的日常觀測(cè)和數(shù)據(jù)處理效率，也是水庫(kù)管理自動(dòng)化的基礎(chǔ)。從工程應(yīng)用效果看，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，分析和評(píng)價(jià)能直觀反映水庫(kù)大壩實(shí)際運(yùn)行情況，效果良好。同時(shí)根據(jù)我國(guó)水庫(kù)大壩的實(shí)際觀測(cè)情況，提出如下建議：

（1）最能發(fā)現(xiàn)水庫(kù)安全隱患的是現(xiàn)場(chǎng)巡視和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，因此，在日常水庫(kù)管理工作中，應(yīng)加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)巡視和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析；（2）目前，隨著自動(dòng)化、電子技術(shù)、水工、壩工理論技術(shù)、計(jì)算機(jī)信息管理技術(shù)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外水庫(kù)大壩安全評(píng)價(jià)的方法更傾向于用水庫(kù)大壩的安全預(yù)警來(lái)代替水庫(kù)大壩的安全評(píng)價(jià)，因?yàn)榘踩A(yù)警更實(shí)用且能迅速有效地反映大壩具體斷面的實(shí)際情況

安徽省滁州市城西水庫(kù)管理處 239000 安徽省水利科學(xué)研究院 233000）