畢朝達，楊仕燕，徐海峰，李 錚，楊 陽，王沙寧，毛 笠

（1. 南京水利科學研究院大壩安全管理研究所，江蘇 南京 210029；2. 云南水投牛欄江滇池補水工程有限公司，云南 昆明 650224；3. 江蘇南水科技有限公司，江蘇 南京 210012）

龍江水電站樞紐工程大壩預警系統(tǒng)建立及指標擬定

畢朝達1，楊仕燕2，徐海峰1，李 錚1，楊 陽1，王沙寧3，毛 笠3

（1. 南京水利科學研究院大壩安全管理研究所，江蘇 南京 210029；2. 云南水投牛欄江滇池補水工程有限公司，云南 昆明 650224；3. 江蘇南水科技有限公司，江蘇 南京 210012）

龍江水電站樞紐工程大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)涵蓋大壩主體結構、地基基礎、兩岸邊坡等相關重要部位。大壩預警系統(tǒng)根據(jù)數(shù)理統(tǒng)計法、歷史監(jiān)測資料及相關規(guī)范設定預警指標，對異常測值進行比對分析，通過預警系統(tǒng)平臺進行現(xiàn)地及遠程報警，能夠及時提醒管理人員關注，針對突發(fā)情況及時采取應對措施，實施應急預案。實踐表明，預警系統(tǒng)大大降低對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行初步處理分析的煩瑣重復勞動，極大地提高監(jiān)測數(shù)據(jù)管理與分析的效率和水平，達到預警減災的預期效果，為今后推廣應用積累豐富的經(jīng)驗。

大壩；安全監(jiān)測；數(shù)理統(tǒng)計法；預警系統(tǒng)；預警指標；臨報極值

0 前言

我國對大壩安全問題十分重視，先后成立了電監(jiān)會大壩安全監(jiān)察中心和水利部大壩安全管理中心；制定了《水庫大壩安全管理條例》《水電站大壩運行安全管理規(guī)定》等一系列法律、法規(guī)和規(guī)范；開發(fā)大壩安全自動化監(jiān)測系統(tǒng)對安全監(jiān)測原始數(shù)據(jù)自動采集和遠程傳輸；采用灰色系統(tǒng)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡、混沌理論等現(xiàn)代數(shù)學理論，建立監(jiān)測統(tǒng)計、確定性和混合等模型對監(jiān)測資料進行定量分析。這些研究成果為大壩安全預警系統(tǒng)的研究積累了豐富的資料，根據(jù)流域水雨情、大壩安全監(jiān)測和運行管理等信息，采用現(xiàn)代數(shù)學方法和模型技術，在綜合分析評價影響大壩安全的諸因素的基礎上，對可能出現(xiàn)的大壩險情作出預測和警報，并借助決策支持系統(tǒng)制定出針對性的應急處理預案。

龍江水電站樞紐工程位于云南省德宏傣族景頗族自治州潞西縣境內的龍江干流上，是以發(fā)電、防洪為主，兼顧灌溉的綜合性樞紐工程。該樞紐工程由最大壩高為110 m 的混凝土雙曲拱壩、左岸引水發(fā)電系統(tǒng)和地面式廠房組成，是龍江流域唯一的防洪控制性工程。水庫總庫容 12.17×108m3，為大（1）型Ⅰ等工程。水庫正常蓄水位 872.00 m，死水位 845.00 m，調節(jié)庫容 6.79×108m3，設計洪水標準五百年一遇，校核洪水標準兩千年一遇。

龍江水電站樞紐工程為了監(jiān)測大壩的安全，大壩內部及邊坡布置有變形、滲流、溫度，以及應力應變錨桿、錨索等共 664 支傳感器，因此監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集、處理和分析的工作量很大。依靠現(xiàn)代計算機軟硬件技術，在大壩自動化監(jiān)測系統(tǒng)基礎上，對大壩的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行科學管理，并加以定性、定量分析，以實現(xiàn)對大壩形態(tài)的實時監(jiān)控，根據(jù)實測數(shù)據(jù)和理論分析得出大壩當前運行狀況，通過研究設定預警指標，對大壩監(jiān)測項目進行實時監(jiān)控及科學、快捷的安全預警，有助于提前發(fā)現(xiàn)大壩的危險征兆，進而及時采取補救措施，避免事故的發(fā)生或減小損失。

1 大壩預警系統(tǒng)的結構

基于大壩安全監(jiān)測預警系統(tǒng)的研究在工程實踐中得到了廣泛的應用[1-5]，根據(jù)龍江水電站樞紐工程實際探討的實時預警系統(tǒng)整體結構如圖1所示，具體包含以下3個層次：

1）基礎信息層。由各類傳感器、采集單元及通訊模塊組成，其中采集單元負責監(jiān)測數(shù)據(jù)的收集，通訊模塊負責監(jiān)測數(shù)據(jù)的傳輸。數(shù)據(jù)傳輸分為有線（可分為雙絞線、同軸電纜和光纖）和無線（可分為GSM，GPRS，電臺，衛(wèi)星等）2種傳輸。

2）信息分析層。包括數(shù)據(jù)處理和分析及警情發(fā)布。數(shù)據(jù)處理分析是將采集單元傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行整編，通過與設定的各類預警指標對比分析，當數(shù)據(jù)超出預警指標時進行警情信息發(fā)送；警情信息發(fā)送包括現(xiàn)地（聲音、圖像預警）、遠程（短信、電話預警）預警。

3）決策支持層。主要包括警情分析、處理、上報。決策者在收到預警信息時，需考慮其他信息，對預警內容進行分析，確定預警內容發(fā)生原因，決定是否需要對預警信息進行上報并采取相應的處理措施。

圖1 預警系統(tǒng)架構圖

2 大壩預警指標的確定

建立大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)的主要目的是監(jiān)測大壩、地基及邊坡已經(jīng)承受過的抵御荷載的能力，以及評估和預測抵御可能發(fā)生荷載的能力，當荷載能力達到一個界限值時也即效應量的警戒值和極值，需要管理人員對其做出相應判斷并進行及時處理。應力、滲流等項目的警戒值較容易在設計階段確定，而變形監(jiān)測警戒值的確定較為復雜，在施工期和蓄水期常采用設計值作為技術警戒值，在積累足夠的監(jiān)測資料后，可通過監(jiān)測資料分析進一步作出調整，為此以滲流和應力警戒指標的確定為例進行分析。

2.1 警戒值

警戒值指依據(jù)大壩設計時所確定的允許值或符合大壩運行規(guī)律允許變化范圍的最大（最?。?shù)值。警戒值的確定目前尚無統(tǒng)一方法，一般有以下幾種方法：1）回歸預報極值加若干倍標準差；2）混合模型確定正常值，再以正常值加若干倍標準差；3）在監(jiān)測資料豐富的情況下，采用歷史實測最大值；4）采用置信區(qū)間法、小概率法、極限狀態(tài)法、結構分析法等理論計算方法[6-12]，確定效應量的警戒值。

根據(jù)龍江水電站樞紐工程實際監(jiān)測資料，選取壩體揚壓力計 14UP1 為效應量，通過對各類影響量回歸模型的比對分析，最終確定以壩上和壩下水位、降雨量、時效因子為影響量，根據(jù)方法（2）建立警戒值的回歸統(tǒng)計模型，確定該測點正常值加上2 倍的標準差作為測點警戒值，計算結果如表1所示。圖2 為實測及擬合值過程線，通過圖形分析可知，該模型擬合較好，可作為警戒值確定模型，式（1）可作為警戒值確定模型：

式中：σ 為回歸模型效應量；α1，α2，α3，α4，α5，α6分別為回歸模型中回歸系數(shù)；α0為常數(shù)項；為觀測日前 5 日平均壩上水位；為觀測日前 5 日平均壩下水位；為觀測日前 10 日平均降雨量；ln θ 為觀測日至觀測基準日的累計天數(shù)除以 100 的對數(shù)值。

2.2 極值

極值作為監(jiān)測設備及工程工況異常判別標準，一般以警戒值的初步成果與歷史監(jiān)測、運行、大壩定檢、設計等資料，以及歷次觀測資料分析成果進行對比綜合分析最終確定[14]。

臨報極值指相鄰 2 次測值的可能最大變幅，也即監(jiān)測項目變化速率的極值，如位移監(jiān)測項目中臨報極值表示允許位移速率極值。臨報極值可以由以下3種方法確定[15-17]：

1）根據(jù)大壩的歷史實測資料，以數(shù)理統(tǒng)計理論為基礎建立效應量與影響量之間的數(shù)學模型。根據(jù)相鄰測次影響量可能的最大變幅量，再對增量系列進行統(tǒng)計分析，用計算增量加若干倍剩余標準差作為監(jiān)測值的臨報極值，此類方法適用于受外界量相關性比較大的測點，如滲壓計、遙測垂線儀等。

表1 壩體揚壓力水頭警戒值 m

圖2 揚壓力計實測值與擬合值過程線圖

圖3 10# 壩段應變計測值過程線

2）根據(jù)歷史實測資料計算出增量系列，再對增量系列進行統(tǒng)計分析，采用系列均值加若干倍剩余標準差作為臨報極值，此類方法適用于與外界量相關性表現(xiàn)不明顯，難以建立統(tǒng)計模型進行分析，同時有充足的歷史觀測資料的測點，如多點位移計、測縫計、錨索測力計等。

3）參照歷史最大相鄰變幅，結合經(jīng)驗判斷相鄰來報數(shù)值的最大變幅，此類方法適用于監(jiān)測資料比較充分，測值較為規(guī)律的測點，如應變計、鋼板計等。

根據(jù)多年歷史自動監(jiān)測資料分析，用第3種辦法確定 10# 壩段應變計的臨報極值，其中 10-1S7-1測點于 2011年 12 月 17 日發(fā)生最大變幅 22.32 με，10-1S7-4 測點于 2011年 12 月 10 日發(fā)生最大變幅29.52 με，此類臨報差值在監(jiān)測序列中比較孤立，當測值變幅達到該值時應及時關注并進行預警處理，經(jīng)現(xiàn)地復核查明原因后進行及時登記上報處理；10-1S7-2，10-1S7-3，10-1S7-5，10-1S7-6 測點最大變幅分別為8.80，8.81，7.41 和 7.41 με，此類變幅最大值從各年監(jiān)測序列分析，受大壩運行時間、季節(jié)變化等外界因素影響，呈規(guī)律性變化，參照歷史最大相鄰變幅結合經(jīng)驗設定臨報極值。10-1S7-2實測及變幅過程線繪制如圖3所示，10# 壩段應變計臨報極值設定成果如表2所示。通過圖表分析可實時判斷各監(jiān)測部位實時工況信息，對超出設定預警指標值進行預警發(fā)布。

3 大壩預警系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理分析

大壩預警系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理分析步驟如下：

1）數(shù)據(jù)預處理。為降低因人為、監(jiān)測及采集設備等外界非自然因素影響，造成不必要的預警，系統(tǒng)根據(jù)各監(jiān)測設備量程設定極大值和極小值，將超出量程范圍的測值進行排它登記處理，量程范圍內測值通過設定的計算公式進行物理量計算并實時錄入數(shù)據(jù)庫。

2）粗差分析處理。采用未確知濾波法及格拉布斯法，結合歷史監(jiān)測序列進行粗差分析，通過 2種方式相互驗證監(jiān)測值是否為粗差值，如均確定為粗差值，系統(tǒng)進行登記處理。

3）預警分析及發(fā)布。將實時物理量與系統(tǒng)設定的警戒值、臨報極值、極大值進行對比分析，超出預警指標測點的進行現(xiàn)地及遠程預警信息發(fā)布。

表2 10# 壩段七向應變計臨報極值 με

4 大壩預警系統(tǒng)應用

龍江水電站樞紐工程大壩預警系統(tǒng)于 2011年年底完成，截至目前已運行近 5 a，由于自動化測量頻次高，各自動化監(jiān)測點均積累了 2 000 多條監(jiān)測數(shù)據(jù)。系統(tǒng)運行初期由于前期人工測量數(shù)據(jù)相對零散，自動化監(jiān)測序列較短，預警指標確定存在一定的經(jīng)驗判斷，因此在2014年年底，根據(jù)已有的歷史監(jiān)測資料對系統(tǒng)各預警指標進行了再次修訂。

自大壩預警系統(tǒng)運行至今，共產(chǎn)生各類預警信息 25 起，左岸廠房邊坡滲壓計 LUP4 于 2013年 2 月13 日發(fā)布臨報極值預警信息，該測點位于廠房邊坡的素土回填區(qū)，測值數(shù)據(jù)不穩(wěn)定，臨報差值比較大，綜合外界環(huán)境因素分析，水頭變化受降雨影響，受降雨及水庫水位的變化發(fā)生明顯的波動現(xiàn)象，出現(xiàn)此類工況報警信息，應密切關注其水頭后續(xù)變化；壩體應變計 14-8S7-3 及遙測垂線儀14PL3_1 受人為因素影響分別超出極大值及警戒值，出現(xiàn)此類工況報警信息，需人為分析判斷，實時監(jiān)控及預警可及時反饋。部分預警信息的分析處理及上報情況如表3所示。

表3 預警發(fā)布應用

5 結語

龍江水電站樞紐工程自大壩施工期至今積累了大量的安全監(jiān)測資料，系統(tǒng)運行前期系統(tǒng)設定的預警指標較為粗糙，隨著自動化監(jiān)測序列的增加，預警指標的確定依據(jù)更為充分。實時預警系統(tǒng)的建立，方便了大壩安全監(jiān)測管理，當監(jiān)測項目出現(xiàn)異常情況時，系統(tǒng)實時向管理人員發(fā)布預警信息，當出現(xiàn)險情時能及時做好現(xiàn)場分析及處理工作。

大壩安全監(jiān)測工程自動化系統(tǒng)預警系統(tǒng)的分析，只能從單個測值考慮，雖然預警指標的確定具有綜合性，但在實時分析過程中難以綜合其他因素，分析仍具有片面性，預警指標確定不能設為一個永久固定值，應該是一個逐步完善的過程，隨著內、外部環(huán)境及時間的推移進行適當調整和完善。

大壩安全監(jiān)測工程自動化系統(tǒng)預警信息的實時發(fā)布為龍江水利樞紐工程各特殊工況的及時發(fā)現(xiàn)和分析帶來了很大便利，但自動化本身只是一種模式，而這種模式并不是完美無缺和一成不變的，需要根據(jù)實際情況不斷完善和發(fā)展，努力做到自動化系統(tǒng)與工程本身的融合與適應，促進自動化管理模式和人工管理模式的融合與互補，這樣才能正常發(fā)揮大壩預警系統(tǒng)功能。

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Establish and index determine of dam early warning system for Longjiang hydropower station project

BI Chaoda1, YANG Shiyan2, XU Haifeng1, LI Zheng1, YANG Yang1, WANG Shaning3, MAO Li3
(1. Dam Safety Management Department, Nanjing Hydraulic Research Institute, Nanjing 210029, China; 2.Niulanjiang Dianchi Lake Water Supplement Project Co., Ltd, Kunming 650224, China; 3. Jiangsu Naiwch Corporation, Nanjing 210012, China)

Longjiang hydraulic project dam monitoring system covers the important parts of the dam main structure, the foundation and two sides slope monitoring. Dam early warning system sets warning indexes based on mathematical statistics method, historical monitoring data and related specifications. It can compare and analyze abnormal values send, situ and remote alarm to timely remind managers and operators to concern about, and carry out contingency plans of emergency situations. Practice shows the system greatly reduces the tedious labor of monitoring data preliminary process and analysis, greatly promotes the efficiency and level of monitoring data management, and achieves the desired effect of early warning and disaster reduction, also accumulates rich experiences.

dam; safety monitoring; mathematical statistics method; early warning system; warning index; critical prediction value

TV61

A

1674-9405(2017)01-0016-05

10.19364/j.1674-9405.2017.01.004

2016-09-07

國家自然科學基金項目（51309164）；江蘇省自然科學基金項目（BK20130072）

畢朝達（1983-），男，湖南邵陽人，助理工程師，研究方向：大壩安全監(jiān)測與評價。