秦 朋，譚愷炎，張志奎，張金杰，劉國彥

（葛洲壩集團(tuán)試驗(yàn)檢測有限公司，湖北宜昌，443002）

運(yùn)行期大壩安全評價(jià)

秦 朋，譚愷炎，張志奎，張金杰，劉國彥

（葛洲壩集團(tuán)試驗(yàn)檢測有限公司，湖北宜昌，443002）

當(dāng)前大壩安全評價(jià)以定性為主，定量并直觀地評價(jià)大壩安全運(yùn)行狀態(tài)的方法不多。文章提出一種定量的評價(jià)方法，以歷史監(jiān)測資料為數(shù)據(jù)庫，對大壩近期監(jiān)測值進(jìn)行分析評價(jià)，得到大壩綜合安全評價(jià)值。以冶勒大壩為例，在確保自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)可靠的前提下，對大壩滲流滲壓、應(yīng)力監(jiān)測、壩內(nèi)水平位移、壩內(nèi)垂直位移、基座裂縫監(jiān)測5個(gè)監(jiān)測項(xiàng)目分別進(jìn)行分析評價(jià)，最終得到大壩整體安全狀態(tài)評分。各監(jiān)測項(xiàng)目分析結(jié)果與監(jiān)測成果吻合，驗(yàn)證了評價(jià)方法合理。

冶勒大壩；系統(tǒng)誤差；回歸分析；定量安全評價(jià)

0 引言

水庫大壩在給人們帶來經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)也蘊(yùn)藏著巨大的風(fēng)險(xiǎn)。我國建壩數(shù)量較多，隨著壩齡增長，大壩失事的潛在危險(xiǎn)也在加大[1]。因此，通過大壩安全監(jiān)測資料對運(yùn)行期大壩的安全狀態(tài)進(jìn)行評價(jià)非常必要。有關(guān)專家提出一系列的安全評價(jià)方法，如楊澤艷等比較洪家渡大壩滲流量實(shí)測值與設(shè)計(jì)值，得出運(yùn)行指標(biāo)結(jié)論[2]；傅世平將白溪大壩各項(xiàng)指標(biāo)實(shí)測值與有限元計(jì)算結(jié)果對比，與類似工程進(jìn)行對比[3]。與前述評價(jià)方法類似，目前大多數(shù)水電站運(yùn)行期安全監(jiān)測報(bào)告主要是將當(dāng)前觀測結(jié)果與歷史值進(jìn)行對比，得出一個(gè)定性的評價(jià)。黎佛林提出一種定量的評價(jià)方法，統(tǒng)計(jì)大量類似工程的各分項(xiàng)指標(biāo)，計(jì)算水布埡工程分項(xiàng)指標(biāo)在統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)庫內(nèi)的評分，最后得到一個(gè)大壩安全狀態(tài)的定量評分[4]。但類似工程仍然存在壩體結(jié)構(gòu)、水文地質(zhì)條件等差異，尤其是不同時(shí)段不同的筑壩技術(shù)水平，以不同工程之間的相對變化作為安全運(yùn)行狀態(tài)評價(jià)數(shù)據(jù)得出的結(jié)論只能作為參考。在運(yùn)行期，大壩本身的監(jiān)測資料是一個(gè)龐大數(shù)據(jù)庫，基于歷史值的變化規(guī)律對當(dāng)前觀測結(jié)果做出評價(jià)最能說明大壩安全狀態(tài)[5]。這種分析方法的前提是確保數(shù)據(jù)的可靠性，但多數(shù)大壩運(yùn)行期存在的問題是，早期自動化的不成熟或者自動化系統(tǒng)本身的問題導(dǎo)致一些監(jiān)測結(jié)果達(dá)不到要求。筆者以冶勒大壩為例，對自動化的監(jiān)測資料進(jìn)行可靠性分析，局部修正自動化系統(tǒng)誤差，在確保數(shù)據(jù)可靠前提下提出一種基于歷史數(shù)據(jù)庫的大壩安全運(yùn)行狀態(tài)評價(jià)方法，得到冶勒大壩運(yùn)行期安全狀態(tài)綜合評分。

1 工程簡介

冶勒瀝青混凝土心墻壩是南椏河梯級電站的龍頭水庫，壩高125.5 m，總庫容2.98億m3。壩址所處地形不良，河谷左右兩岸不對稱，巖石結(jié)構(gòu)相異，且河床覆蓋層深厚[6]。為監(jiān)控大壩運(yùn)行狀態(tài)，冶勒工程設(shè)計(jì)了一套完整、可靠的大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)，主要包含壩體表面和內(nèi)部水平、垂直位移監(jiān)測、心墻和防滲墻應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測、壩體和壩基滲流監(jiān)測等，其中一些重點(diǎn)監(jiān)測項(xiàng)目采用多種監(jiān)測技術(shù)，為監(jiān)測的可靠性提供了多重保障。

2 監(jiān)測資料整理

自動化已經(jīng)成為大壩安全監(jiān)測的發(fā)展趨勢，但電子產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜，電子產(chǎn)品測量與人工測量可能存在一定系統(tǒng)誤差，加之電子產(chǎn)品本身的脆弱性，容易受到干擾，某些自動化測量的數(shù)據(jù)甚至失真。人工比測是校核自動化監(jiān)測系統(tǒng)精確性和系統(tǒng)可靠性的有效方法。冶勒大壩安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)人工比測方法是采用方差分析作為比測指標(biāo)，取同時(shí)刻自動化測量Xzi與人工測量Xri的數(shù)據(jù)系列，計(jì)算各自的方差σz、σr。取同一時(shí)刻人工測量與自動化測量系列值的差值δi=|Xzi-Xri|（式1），若該差值滿足控制標(biāo)準(zhǔn)，則認(rèn)為該自動化測點(diǎn)滿足觀測要求。

若計(jì)算結(jié)果不能滿足要求，則對兩組測值序列進(jìn)行規(guī)律研究，判斷是否存在系統(tǒng)誤差。規(guī)范DL/T 5272-2012對σz、σr的定義分別為自動化測量精度和人工測量精度[7]。人工測量儀器經(jīng)過具有資質(zhì)的部門率定后，可以將人工測量精度作為評判標(biāo)準(zhǔn)。在滿足測量精度的前提下，對兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，尋找同一測次和同一監(jiān)測物理量人工測量和自動化測量由于初始值問題而引起的常差，對自動化測量系列扣除該常差后，再將修正后的數(shù)據(jù)代入式（1）、式（2），若滿足控制標(biāo)準(zhǔn)，則認(rèn)為該常差為自動化測量的系統(tǒng)誤差，否則判定該自動化測量數(shù)據(jù)失真。

3 大壩運(yùn)行狀態(tài)評價(jià)方法

大壩運(yùn)行期通常積累了大量的監(jiān)測資料，自蓄水后或者在給定期限內(nèi)，若壩體運(yùn)行狀態(tài)良好，且未經(jīng)歷除險(xiǎn)加固，認(rèn)為該時(shí)間段大壩處于安全運(yùn)行狀態(tài)，累積的監(jiān)測資料可以作為安全評價(jià)分析數(shù)據(jù)庫。若當(dāng)次觀測數(shù)據(jù)超過歷史值，則判定大壩運(yùn)行出現(xiàn)異常；若未超標(biāo)，則按照下述步驟進(jìn)行安全運(yùn)行狀態(tài)評價(jià)。

（1）根據(jù)大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)特點(diǎn)，將系統(tǒng)分為幾類主要的一級監(jiān)測項(xiàng)目，如圖1所示，按照各監(jiān)測項(xiàng)目重要性分配各自權(quán)重。若各一級項(xiàng)目有多種監(jiān)測手段（如壩內(nèi)垂直位移監(jiān)測項(xiàng)目包含水管式沉降儀、電磁式沉降環(huán)、垂直位移計(jì)），則對各種監(jiān)測技術(shù)進(jìn)行二級項(xiàng)目分類，以此類推直至測點(diǎn)，同樣逐項(xiàng)分配各自權(quán)重。

圖1 大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)劃分方法Fig.1 Classification method of dam safety monitoring system

（2）依次對每個(gè)測點(diǎn)3年以上的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，以主要影響因子（若有2個(gè)或者2個(gè)以上則取多個(gè)）對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行多種關(guān)系統(tǒng)計(jì)回歸，取最優(yōu)回歸方程式。如圖2所示，將方程式的預(yù)測值與實(shí)測值的差值作為樣本，以該樣本的1倍方差、2倍方差為常數(shù)將回歸曲線平移，得到5個(gè)評分劃分區(qū)間，分別為好、較好、正常、較差、差。將上述5個(gè)區(qū)間進(jìn)行刻度劃分，以0為起點(diǎn)，1為終點(diǎn)，根據(jù)當(dāng)次測值分布位置計(jì)算該測點(diǎn)的評分。

圖2 測值評分方法Fig.2 Scoring method of measurement data

（3）平行測點(diǎn)的權(quán)重平均分配，根據(jù)各測點(diǎn)評分計(jì)算該監(jiān)測項(xiàng)目評分，依次類推得到大壩安全狀態(tài)總評分。少數(shù)測點(diǎn)失效，或在資料整理階段被判定失真，在未超歷史值前提下認(rèn)為是正常狀態(tài)，統(tǒng)一給定評分0.5。

4 冶勒大壩安全狀態(tài)評價(jià)

冶勒大壩安全評價(jià)以2013～2015年監(jiān)測資料為數(shù)據(jù)庫，取2015年12月監(jiān)測數(shù)據(jù)為分析對象。根據(jù)冶勒大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)特點(diǎn)，將整個(gè)系統(tǒng)分為壩內(nèi)水平位移、壩內(nèi)垂直位移、滲流滲壓監(jiān)測、應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測、基座裂縫監(jiān)測5個(gè)一級項(xiàng)目，再將各一級逐項(xiàng)繼續(xù)劃分，直至測點(diǎn)。

以冶勒大壩壩體滲流量為例，取滲流量為因變量，庫水位為自變量（轉(zhuǎn)換后的相對庫水位），得到各種回歸曲線見圖3，各回歸曲線方程式及相關(guān)系數(shù)見表1。

圖3 冶勒大壩壩體滲流量與水位回歸結(jié)果Fig.3 Regression results of seepage and water level of Yele dam

選相關(guān)系數(shù)最高的三項(xiàng)式y(tǒng)=-0.0016x3+ 0.1925x2-2.5398x+77.64為數(shù)學(xué)模型分析，對三項(xiàng)式的常數(shù)項(xiàng)分別代入兩個(gè)置信區(qū)間的上下限，總共擬出5條曲線，如圖4所示，計(jì)算當(dāng)次測點(diǎn)的坐標(biāo)位置離兩側(cè)曲線的垂直距離，得到當(dāng)次測值評分為0.66。

圖4 三項(xiàng)式評分區(qū)間劃分結(jié)果Fig.4 Division result of marking interval of trinomial

通過該方法計(jì)算得三級逐項(xiàng)大壩滲流量子項(xiàng)目中右岸施工廊道滲流量、右岸8號溝、壩基、壩體滲流量各自評分矩陣為[1,0.64,0.71,0.66]，根據(jù)各指標(biāo)相對重要性取權(quán)重矩陣[0.2,0.2,0.2,0.4]，得到三級逐項(xiàng)大壩滲流量安全性態(tài)評分0.73。采用同樣的方法計(jì)算出滲流滲壓監(jiān)測項(xiàng)目中三級逐項(xiàng)、二級逐項(xiàng)及大壩滲流滲壓總體評分見表2。

運(yùn)用上述方法，對冶勒大壩滲流滲壓、應(yīng)力監(jiān)測、壩內(nèi)水平位移、壩內(nèi)垂直位移、基座裂縫監(jiān)測5個(gè)監(jiān)測項(xiàng)目得到的評分矩陣為[0.72,0.77,0.76,0.82,0.73]。將筆者提出的方法運(yùn)用到冶勒大壩，可以得到如下結(jié)論：

（1）滲流滲壓變化未發(fā)現(xiàn)超歷史值測點(diǎn)，選擇庫水位為主要影響因子，大部分測點(diǎn)測值與庫水位回歸結(jié)果并非線性相關(guān)。少數(shù)測點(diǎn)的滲流量或滲壓與庫水位成線性相關(guān)，測值分布在歷史值區(qū)間偏大范圍，因此滲流滲壓監(jiān)測項(xiàng)目評分相對其他項(xiàng)目偏低；

（2）壩內(nèi)各部位應(yīng)力應(yīng)變已經(jīng)基本穩(wěn)定，僅隨庫水位發(fā)生小幅度變化；

（3）水平位移變化整體趨勢為：水位上升時(shí)向下游位移，下降時(shí)向上游位移，符合一般變形規(guī)律，但仍存在一定向下游位移的時(shí)間效應(yīng)；

（4）壩體垂直位移趨于穩(wěn)定，局部發(fā)生上抬現(xiàn)象，具體原因有待進(jìn)一步研究。但從所述評價(jià)方法的計(jì)算過程可以看出，監(jiān)測項(xiàng)目的評分與整體測值大小一定程度上呈反比，因此這種垂直位移變化使得壩體垂直位移監(jiān)測項(xiàng)目評分相對最高；

表1 各回歸方程相關(guān)參數(shù)Table 1 Parameters of each regression equation

表2 大壩滲流滲壓監(jiān)測項(xiàng)目評分結(jié)果Table 2 Score results of dam seepage and seepage-pressure monitoring

（5）基座裂縫監(jiān)測結(jié)果只有個(gè)別測值偏大，評分偏低，但該監(jiān)測項(xiàng)目測點(diǎn)分布較少，因此整體評分也偏低；

（6）取滲流滲壓、應(yīng)力監(jiān)測、壩內(nèi)水平位移、壩內(nèi)垂直位移、基座裂縫監(jiān)測5個(gè)監(jiān)測項(xiàng)目一級逐項(xiàng)權(quán)重矩陣[0.25,0.2,0.2,0.25,0.1]，最終得到冶勒大壩安全狀況評分為0.76，處于較好水平。

5 評價(jià)方法實(shí)用性研究

文章提出的評分方法思路簡單，但過程卻非常繁瑣，需要對每個(gè)測點(diǎn)進(jìn)行回歸統(tǒng)計(jì)，對當(dāng)次測值進(jìn)行評分，尤其是針對冶勒這種大型工程，安全監(jiān)測項(xiàng)目涉及范圍廣、測點(diǎn)布置多，每次安全評價(jià)都按照上述程序進(jìn)行不太現(xiàn)實(shí)。冶勒大壩運(yùn)行期觀測多年，各部位變形均趨于穩(wěn)定，以年為周期發(fā)生小范圍波動。本次計(jì)算選擇近三年的數(shù)據(jù)庫進(jìn)行回歸，均得到了相關(guān)性較高的數(shù)學(xué)模型。在不發(fā)生超歷史值情況下，本次測值作為下次測值的回歸數(shù)據(jù)庫時(shí)，本次測值是否列入數(shù)據(jù)庫對上述數(shù)學(xué)模型的影響可以忽略。因此，可以將該數(shù)學(xué)模型作為固定模型。給定模型后，評分過程僅通過Excel軟件即可實(shí)現(xiàn)，適用于一般的資料分析人員。

6 結(jié)語

（1）針對運(yùn)行期自動化大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)不足，文章提出自動化測量系統(tǒng)誤差判別及修正方法，確保安全狀態(tài)評價(jià)可靠性。

（2）大壩安全評價(jià)方法眾多，在前人基礎(chǔ)上，文章介紹了一種基于歷史數(shù)據(jù)庫的評價(jià)方法，對運(yùn)行期大壩的安全狀態(tài)進(jìn)行定量評價(jià)。所述評價(jià)方法不僅可以宏觀了解大壩整體安全運(yùn)行狀態(tài)，還可以定位到壩體某一區(qū)域的運(yùn)行狀態(tài)。

（3）將該方法應(yīng)用于冶勒大壩，得到滲流滲壓、應(yīng)力監(jiān)測、壩內(nèi)水平位移、壩內(nèi)垂直位移、基座裂縫監(jiān)測5個(gè)監(jiān)測項(xiàng)目的安全運(yùn)行狀態(tài)綜合評分，評分值與監(jiān)測成果是吻合的，認(rèn)為該評價(jià)方法合理。冶勒大壩安全監(jiān)測綜合評分值為0.76，總體安全狀態(tài)處于較好水平。 ■

[1]譚愷炎.高混凝土面板堆石壩安全監(jiān)測若干問題的討論[J].大壩與安全,2010(3):26-29.

[2]楊澤艷,蔣國澄.洪家渡200 m級高面板堆石壩變形控制技術(shù)[J].巖土工程學(xué)報(bào),2008,30(8):1241-1247.

[3]傅世平.混凝土面板堆石壩監(jiān)測資料分析和安全評價(jià)[D].杭州:浙江大學(xué),2007.

[4]黎佛林,蔡德所,李瑋嵐,等.混凝土面板堆石壩安全評價(jià)及方法探討[J].人民黃河,2014,36(4):104-107.

[5]秦朋,譚愷炎,胡升偉.300 m級高混凝土面板堆石壩安全監(jiān)測技術(shù)討論[J].大壩與安全,2016(1):57-60.

[6]苗君,何蘊(yùn)龍,曹學(xué)興,等.蘆山地震冶勒大壩強(qiáng)震監(jiān)測資料分析[J].巖石力學(xué),2015,36(1):225-232.

[7]DL/T 5272-2012,大壩安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)實(shí)用化要求及驗(yàn)收規(guī)程[S].

作者郵箱：3426703@qq.com

Dam safety evaluation in operatinon period

by QIN Peng,TAN Kai-yan,ZHANG Zhi-kui, ZHANG Jin-jie and LIU Guo-yan
China Gezhouba Group Testing Co.,Ltd.

At present,dam safety evaluation is mainly qualitative,quantitative and intuitive evaluation method is rare.In this paper,a quantitative evaluation method is put forward,which based on the histori?cal monitoring data to analyze and evaluate recent dam monitoring value,and get the value of compre?hensive dam safety evaluation.Taking Yele dam as an example,under the premise of reliable automatic monitoring data,the seepage pressure,stress monitoring,horizontal displacement,vertical displacement of the dam and the crack monitoring of dam foundation are analyzed and evaluated respectively,and then the overall dam safety state is obtained.The analysis result of each monitoring item is consistent with the monitoring result,which proves that the evaluation method is reasonable.

Yele dam;systematic error;regression analysis;quantitative safety evaluation

TV697.1

A

1671-1092（2016）05-0014-04

2016-07-29

秦 朋（1987-），男，湖北黃岡人，碩士，工程師，主要從事大壩安全監(jiān)測工作。