饒志歡

（大唐石泉水力發(fā)電廠，陜西 安康 725200）

1 問(wèn)題的提出

石泉大壩位于漢江上游陜西省石泉縣境內(nèi)城西1km 里的峽谷出口處，是以發(fā)電為主，兼有灌溉、養(yǎng)殖等綜合效益的水利工程，攔河壩為混凝土空腹重力壩及實(shí)體重力壩、壩頂高程416m，最大壩高65m，壩頂寬度16m，壩頂全長(zhǎng)353m。石泉大壩從1998 年開(kāi)始分階段實(shí)施大壩監(jiān)測(cè)設(shè)施，以滿足大壩安全監(jiān)測(cè)與分析的需要。2007 年，進(jìn)一步完善了石泉大壩監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

目前，該自動(dòng)化監(jiān)測(cè)項(xiàng)目包括：

（1）壩基引張線、倒垂系統(tǒng)（即壩基水平位移）；

（2）壩頂引張線、倒垂系統(tǒng)（即壩頂水平位移）；

（3）6#、24#壩段壩體正倒垂系統(tǒng)（即壩體撓度）；

（4）重點(diǎn)部位裂縫計(jì)系統(tǒng)；

（5）擴(kuò)機(jī)工程多點(diǎn)變位計(jì)系統(tǒng)；

（6）滲流自動(dòng)化系統(tǒng)。

石泉大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)自2007 年正式投入使用以來(lái)，尚未系統(tǒng)地進(jìn)行監(jiān)測(cè)警戒值研究，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中大多數(shù)測(cè)點(diǎn)未設(shè)置監(jiān)測(cè)警戒值。這一方面加大了監(jiān)測(cè)人員的工作量，必須逐一檢查和判斷；大壩運(yùn)行情況依賴于大壩監(jiān)測(cè)人員主觀判斷，這對(duì)于個(gè)人經(jīng)驗(yàn)和技能的要求較高，容易造成人為誤判、錯(cuò)判和漏判；且不符合相應(yīng)監(jiān)測(cè)規(guī)范要求，不利于大壩安全監(jiān)測(cè)的正常有序開(kāi)展。

基于以上三個(gè)理由，本文擬開(kāi)展石泉大壩安全監(jiān)測(cè)警戒值的研究。

2 警戒值的分類和研究方法

監(jiān)測(cè)警戒值是基于成果計(jì)算或類似工程經(jīng)驗(yàn)確定的，在大壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)中，監(jiān)測(cè)警戒值體現(xiàn)為測(cè)點(diǎn)的上限值、下限值和日變幅限值。

目前，石泉大壩監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)可大致分為變形、滲流兩大類。其中變形測(cè)點(diǎn)大多與溫度相關(guān)，又根據(jù)其具體測(cè)量項(xiàng)目的不同而略有差異，如壩體變形除溫度外，還受水壓影響，呈年周期變化；部分邊坡測(cè)點(diǎn)因安設(shè)時(shí)間較短還未收斂，變幅逐年增大；除少量測(cè)點(diǎn)有閉合趨勢(shì)外，裂縫大多相對(duì)穩(wěn)定。滲流則大多受上、下游水位的影響，溫度影響較小，無(wú)明顯趨勢(shì)和周期變化。

因此，本文擬采用的監(jiān)測(cè)警戒值確定方法如下：

（1）對(duì)于沒(méi)有趨勢(shì)變化的測(cè)點(diǎn)，可考慮從其特征值入手，以其實(shí)測(cè)資料的極值為監(jiān)測(cè)警戒值（此處為初步刪除異常值后，經(jīng)調(diào)整的極值）；對(duì)于有趨勢(shì)變化的測(cè)點(diǎn)，則除了考慮從其特征值入手外，還需要謹(jǐn)慎考慮其多年后趨勢(shì)發(fā)展的影響，此類測(cè)點(diǎn)警戒值確定時(shí)需要非常嚴(yán)謹(jǐn)，必要時(shí)還需做實(shí)地調(diào)查和物理試驗(yàn)，決策過(guò)程也相對(duì)復(fù)雜，本文只采用回歸分析等方法做初步的探討。

（2）對(duì)于具有相關(guān)性的測(cè)點(diǎn)，也可考慮參考其相關(guān)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)警戒值，依據(jù)數(shù)學(xué)模型計(jì)算出其相關(guān)關(guān)系，從而輾轉(zhuǎn)計(jì)算出警戒值。如幕前揚(yáng)壓力與上游水位變化密切相關(guān)，揚(yáng)壓力折減系數(shù)多在0.1~0.3 之間，而上游水位的變化范圍十分明確（393m~410.2m），可用于計(jì)算壩基揚(yáng)壓力的警戒值。

（3）也可以從觀測(cè)項(xiàng)目的物理特性入手，如水準(zhǔn)觀測(cè)，混凝土壩段可簡(jiǎn)化為砼懸臂梁，熱膨脹系數(shù)是8~12×E-6/℃（取 10×E-6/℃），年溫度變幅 30℃左右，該壩段壩高65m，可簡(jiǎn)化計(jì)算該壩段沉陷最大年變幅不超過(guò)19.5mm，這種方法相對(duì)粗糙，未考慮水溫影響，砼結(jié)構(gòu)也不是單一等溫結(jié)構(gòu)，但可用于現(xiàn)場(chǎng)初步判定變幅范圍。

（4）考慮到測(cè)點(diǎn)極值本身可能為異常值，單純采用極值未必合理。根據(jù)實(shí)際工程監(jiān)測(cè)經(jīng)驗(yàn)，大多數(shù)正常運(yùn)行的測(cè)點(diǎn)其異常值多為偶然誤差，占正常數(shù)的比例一般在2%以下，極大值也不會(huì)超過(guò)3%，也可參考統(tǒng)計(jì)分析方法中的第97 百分位數(shù)、95%置信空間等方法來(lái)判斷。

（5）對(duì)于監(jiān)測(cè)規(guī)范和設(shè)計(jì)資料中提及的設(shè)計(jì)值、允許值或警戒值，也可用于參考，并用于石泉大壩監(jiān)測(cè)警戒值中。如空腹壩段幕后孔揚(yáng)壓力折減系數(shù)設(shè)計(jì)值為0.2，可用于計(jì)算幕后孔的揚(yáng)壓力警戒值。

（6）對(duì)于變化速率的監(jiān)測(cè)警戒值（變幅差），可先用實(shí)測(cè)序列求取每日的增量，就增量序列采取上文中的某些方法來(lái)計(jì)算監(jiān)測(cè)警戒值。

（7）對(duì)于同一測(cè)點(diǎn)采取以上方法確定出的多個(gè)警戒值，宜采取綜合審慎的原則和使用便捷的要求，綜合取一個(gè)相對(duì)保守的值作為最終的監(jiān)測(cè)警戒值。

（8）至于劉家峽大壩實(shí)際應(yīng)用中的混合模型加若干倍標(biāo)準(zhǔn)差、有限元分析、物理模型及試驗(yàn)、專家調(diào)研、同類工程類比等方法，因操作較為繁瑣且不適用于本工程的具體情況，暫且不表。

3 高邊坡自動(dòng)化測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)警戒值示例

3.1 測(cè)值警戒值探索

石泉大壩左岸在擴(kuò)機(jī)工程施工中，進(jìn)水口（以下簡(jiǎn)稱2#進(jìn)水口）416.0m 高程以上、開(kāi)關(guān)站以上及擴(kuò)機(jī)工程新建主廠房（以下簡(jiǎn)稱2#主廠房）以上山體形成3：1～8：1 的永久性高邊坡，為增強(qiáng)高邊坡的穩(wěn)定性，對(duì)高邊坡采取了預(yù)應(yīng)力錨索、錨桿及表面掛網(wǎng)混凝土噴護(hù)等綜合加固措施。為了掌握高邊坡的位移變化規(guī)律，共布置6 個(gè)測(cè)點(diǎn)，在2#進(jìn)水口及2#主廠房后高邊坡各布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)3 個(gè)。

石泉大壩左岸邊坡測(cè)點(diǎn)中的監(jiān)測(cè)值，因暫未收斂，帶有一定趨勢(shì)性，不能簡(jiǎn)單地使用實(shí)測(cè)序列的歷史極值作為監(jiān)測(cè)限值，此類測(cè)點(diǎn)應(yīng)重點(diǎn)把控，必要時(shí)由專家或者進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的方法確定監(jiān)控警戒值。本文考慮采用回歸分析的策略，對(duì)實(shí)測(cè)序列進(jìn)行分析，從而擬定用于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的警戒值。

警戒值極大值的求法擬采取最簡(jiǎn)單的線性回歸方法，對(duì)此前趨勢(shì)進(jìn)行一個(gè)量化，求取平均值，利用最近一年的實(shí)測(cè)最大值加上3 倍的趨勢(shì)平均值，從而給出五年后的最大值預(yù)估，并以此作為監(jiān)控極值。計(jì)算公式如下：

警戒值極小值的求取則采用近一年的實(shí)測(cè)序列最小值為準(zhǔn)。

通過(guò)以上方法求取的警戒值上限和下限，如表1所示。

表1 石泉大壩高邊坡自動(dòng)化測(cè)點(diǎn)上、下限警戒值

3.2 變幅警戒值探索

變幅警戒值限值在此處采用了歷史變幅最大值、歷史變幅95%置信空間和第95 百分位數(shù)等三種方法。

3.2.1 實(shí)測(cè)變幅最大值為變幅警戒值

3.2.2 采用歷史變幅的95%置信空間的測(cè)值為變幅警戒值

假設(shè)變幅的分部服從：

其中 μ 和 σ 已知。

利用監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)測(cè)序列，樣本的大小為n，求取近十年變幅的平均值：

根據(jù)大數(shù)定律和中心極限定律，M 服從：

因此，可計(jì)算出以μ 為中心，面積為0.95 的區(qū)間，即：

3.2.3 采用歷史變幅的95 百分位為變幅警戒值

將實(shí)測(cè)的變幅按照從小到大排序，并計(jì)算位于實(shí)測(cè)序列總數(shù)累計(jì)第95%的位置，則這一百分位所對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)的值就稱為這一百分位的百分位數(shù)，即第95 百分位數(shù)。

通過(guò)以上方法求取的警戒值變幅如表2 所示。

表2 石泉大壩高邊坡自動(dòng)化測(cè)點(diǎn)變幅警戒值

針對(duì)變幅警戒值利用三種方法求出的結(jié)果，擬用審慎的原則，采用偏保守的數(shù)值作為實(shí)際中應(yīng)用的變幅警戒值，通過(guò)以上方法，可陸續(xù)制定其他觀測(cè)項(xiàng)目的技術(shù)警戒值。

4 大壩繞滲自動(dòng)化測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)警戒值

同理，可以采用以上的方法對(duì)繞滲警戒值進(jìn)行分析處理。

大壩繞滲測(cè)值基本與溫度關(guān)聯(lián)不大，也沒(méi)有趨勢(shì)性變化，主要受上、下游水位影響。其中，部分繞滲點(diǎn)由于地質(zhì)裂縫或引水隧洞滲漏點(diǎn)影響，水位波動(dòng)極大，其余測(cè)點(diǎn)水位相對(duì)平穩(wěn)，多年變幅不大；同時(shí)，因繞滲自動(dòng)化測(cè)點(diǎn)損壞以及測(cè)值跳動(dòng)等，測(cè)值跳動(dòng)較大，即使初步篩除后，仍然會(huì)影響到監(jiān)測(cè)警戒值的取選。故此處考慮極小值和第3 百分位數(shù)、極大值和第97 百分位數(shù)的對(duì)比，綜合考慮后比選。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 繞滲自動(dòng)化測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)上、下限及變幅警戒值

若實(shí)測(cè)序列極值明顯大于第97 百分位數(shù)，則認(rèn)為該極值極可能是異常值但未能處理，監(jiān)測(cè)警戒值則取百分位數(shù)并作適當(dāng)調(diào)整，若相同或接近，則取極值為準(zhǔn)。

5 廠房壩段裂縫自動(dòng)化測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)警戒值

裂縫計(jì)監(jiān)測(cè)序列相對(duì)平穩(wěn)，基本隨著溫度變化呈現(xiàn)周期性變化，J1 和J3 均有一定閉合趨勢(shì)，近三年雖然相對(duì)平穩(wěn)，但仍需要加強(qiáng)注意，取其最小值作為警戒值，并預(yù)留一定的監(jiān)測(cè)余量。最大值方向，取最大值即可。裂縫變幅警戒值，同樣取第97 百分位數(shù)即可。

另外，在《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50010-2010）中，曾對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的裂縫控制登記及最大裂縫寬度的限制作出了相對(duì)具體的要求，廠房壩段裂縫雖不是結(jié)構(gòu)部件，仍可以參考其裂縫控制限制，但其中最大的裂縫控制寬度為0.3mm，目前廠房壩段變幅遠(yuǎn)大于此，用此標(biāo)準(zhǔn)顯然不太合適；且該裂縫為閉合傾向而非劣化趨勢(shì)，可以適當(dāng)放大該監(jiān)測(cè)警戒值。

2016 年以前 J3 測(cè)點(diǎn)、2018 年 J4 測(cè)點(diǎn)均有較大幅度變動(dòng)，應(yīng)及時(shí)清理異常值后方可確認(rèn)。

由以上要求確認(rèn)的監(jiān)測(cè)警戒值見(jiàn)表4。

表4 石泉大壩裂縫計(jì)算監(jiān)測(cè)警戒值

6 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)大壩而言，監(jiān)測(cè)警戒值是水工建筑物安全運(yùn)行重要的監(jiān)測(cè)指標(biāo)，本文通過(guò)集中方法求取了可用于監(jiān)測(cè)日常工作和安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)中的監(jiān)測(cè)警戒值，為水庫(kù)的安全管理提供了一定的依據(jù)，大幅度減少了監(jiān)測(cè)人員的日常管理的工作時(shí)間，避免了因個(gè)人經(jīng)驗(yàn)和能力的影響，導(dǎo)致判斷失誤等問(wèn)題的出現(xiàn)，其實(shí)用性和安全意義不容忽視。

然而，任何事情是不斷發(fā)展和變化的，本文擬定的警戒值是在 2010 年 1 月 1 日至 2020 年 9 月 30 日之間的數(shù)據(jù)序列，通過(guò)各類渠道取得的。對(duì)于有趨勢(shì)性的測(cè)點(diǎn)，應(yīng)加強(qiáng)注意，不應(yīng)該未超過(guò)本次擬定的警戒值就放松警惕，而要結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)檢查情況綜合判斷。部分警戒值受以往異常值和儀器變動(dòng)的影響，也會(huì)導(dǎo)致警戒值明顯偏大或者偏小，也需要不斷地研究和修改，而非一勞永逸的工作。

本文涉及的監(jiān)測(cè)警戒值的分析方法也有進(jìn)一步改進(jìn)的空間：原監(jiān)測(cè)警戒值為一固定測(cè)值，未考慮測(cè)值周期性，應(yīng)考慮臨近測(cè)點(diǎn)或者類似結(jié)構(gòu)測(cè)點(diǎn)的測(cè)值變動(dòng)情況綜合分析，或參考水庫(kù)調(diào)度圖設(shè)置監(jiān)測(cè)警戒圖等，從而實(shí)現(xiàn)警戒值的動(dòng)態(tài)更新，進(jìn)一步精確判斷大壩監(jiān)測(cè)異常值；也可以從物理學(xué)或者材料學(xué)角度分析，強(qiáng)化監(jiān)測(cè)警戒值的科學(xué)合理性，從而真正起到監(jiān)測(cè)警戒的作用。