高土石壩工程安全評價與預警信息管理系統

張宗亮，于玉貞，張丙印

(1.中國水電顧問集團昆明勘測設計研究院，昆明 650051;2.清華大學水沙科學與水利水電工程國家重點實驗室，北京 100084)

1 前言

我國在建和擬建的多座土石壩達250～300 m級。隨著大壩規模的增大和社會的發展，人們對工程施工及運營期間的安全問題提出了更高的要求。如何快速準確地對大壩進行安全評價和預警是一個重點挑戰。信息技術及信息管理系統的發展為解決這類問題提供了強大的技術支持。

在工程安全管理信息系統的研究和應用方面，國外起步相對較早。20世紀80年代，美國的Intel Corp公司及PowerUP公司均推出了有關施工安全管理的專家系統[1]。Coble等人提出了通過軟件系統來實現項目進度計劃與安全管理相結合的理論和方法，并強調了網絡信息的運用[2]。在我國，周劍嵐等[3]提出了大型水電工程安全生產和應急管理平臺的設計方案和相應的關鍵技術問題。馬洪琪等研究了高心墻堆石壩施工質量實時監控關鍵技術并成功地應用于糯扎渡工程[4]。

目前，關于水電工程施工及運營期的安全評價及預警信息管理系統方面的工作尚屬起步階段。筆者以在建的糯扎渡高心墻堆石壩為依托，基于全生命周期安全與質量控制的理念開發理論嚴密且可靠實用的大壩工程安全評價與預警信息管理系統。

2 系統結構

圖1 系統總體結構圖Fig.1 Architecture of the system

糯扎渡大壩工程安全評價與預警信息管理系統主要由7個模塊構成(見圖1):系統管理模塊，是本系統的樞紐;安全指標模塊，是安全控制與評價的基準;數值計算模塊和反演分析模塊，是本系統的核心;安全預警模塊和應急預案模塊，是本系統的目標;數據庫與數據管理模塊，是本系統的資料基礎，它一方面存儲本系統的數據信息，另一方面實現與其他已有或擬建系統的接口功能。圖2顯示了系統的整體界面布局。

2.1 系統管理模塊

系統管理模塊主要是用于實現本系統信息集成以及系統各模塊間的信息交換與共享，并提供本系統運行的管理與操作界面，同時通過數據庫與其他系統實現數據信息的交互。

2.2 安全指標模塊

安全指標模塊包括大壩安全控制指標和監測數據合理性判別指標兩個部分。大壩安全控制指標是在對已有案例分析、已有研究成果、規范及監測資料的基礎上建立和完善高心墻堆石壩的綜合安全評價指標體系，提出各因素安全控制標準，并在此基礎上采用單項或耦合的方式建立綜合評定指標體系以用于大壩的安全預警及警戒等級劃分(見圖3)。監測數據的合理性判別指標是通過大壩監測數據的綜合分析，建立各測值時程控制范圍指標，從而實現對監測數據的合理性判斷，對于超出預測控制的測值進行警示。

圖3 安全指標模塊結構示意圖Fig.3 The safety index module

圖2 糯扎渡水電站大壩工程安全評價與預警信息管理系統界面Fig.2 A interface of the safety assessment and warning information management system for Nouzhadu Project

2.3 監測數據和工程信息模塊

監測數據和工程信息模塊對大壩各類動態信息進行查詢、分析、可視化展示及報表等。

2.3.1 監測數據

監測數據包括環境量(如氣溫、降雨和泥沙淤積等)和效應量(如位移、土壓力、水壓力、滲流量和裂縫等)。可對這些數據進行如下操作。

1)數據查詢:可根據大壩三維模型中的各種儀器的類型和分布進行直觀查詢，也可采用其他傳統的方式查詢，如確定條件查詢、組合條件查詢和模糊查詢等。

2)統計分析:對各監測量的時間序列進行統計分析，或對不同量的相關性進行分析。所采用的模型包括統計性模型、混合模型、分布模型、確定性模型等。

3)可視化展示及報表:可繪制測值過程線、測值分布圖、測值相關圖、等值線圖、二維或三維動態分析圖等，并可采用圖形和表格聯動的方式展示結果。

2.3.2 工程信息

工程信息展示主要包括大壩施工進度查詢和動態演示，如三維和典型剖面施工形象圖、具體位置施工過程線等，以及施工質量，如壓實度、填筑密度、含水量等的三維信息查詢。

2.4 數值計算模塊

數值計算模塊包含滲流計算、靜力計算、裂縫計算、穩定計算及動力計算5個計算分析單元，可對大壩的相應特性進行不同條件下數值仿真分析;同時，系統中還嵌入了各種計算的執行程序，用戶可變換一定的條件自行計算分析。圖4顯示了數值計算模塊的各個計算單元基本功能及相應的數據流程。所有的計算結果均可供用戶查詢和可視化展示，并與監測結果進行比較。僅以靜力計算為例加以說明。

從計算方案庫選擇計算文件，對于每一工況可顯示如下信息:a.計算條件，包括大壩及壩基幾何模型(網格、材料分區、邊界條件、施工分級)圖形顯示;壩料物理力學參數，列表顯示;施工蓄水過程:圖形、列表顯示。b.計算結果，包括三維等值線、矢量圖，整體形態旋轉、平移、縮放等;二維縱橫剖面等值線、矢量圖，平移、縮放等;位移變化過程動畫演示。相關力學量包括結點位移(ux、uy、uz);結點應力(σx、σy、σz、xy、yz、zx、σ1、σ2、σ3);結點應力水平;結點孔隙水壓力等，并可與實測結果進行比較。進行嵌入計算時，可修改材料系數，延長后續蓄水變化過程，對流變計算，延長流變時間。

圖4 數值計算模塊基本功能流程圖Fig.4 The flow chart of the Numerical Calculation Module

2.5 反演分析模塊

反演分析模塊包含滲流反演分析、靜力反演分析、裂縫反演分析及動力反演分析4個計算分析單元。用于根據所要反演參數的類型及數量，確定所需要的信息;通過有限元計算生成訓練樣本;訓練和優化用于替代有限元計算的神經網絡，并進行土體參數的反演計算。將反演參數、誤差以及必要的過程信息通過系統管理模塊存入數據庫供其他單元調用。為了系統開發的方便，反演分析模塊各計算單元的基本功能流程在組織結構上與數值計算模塊近似。

與數值計算模塊一樣，反演分析模塊包含良好的計算分析成果的動態展示、嵌入式計算分析、成果查詢及對比分析等功能。反演分析模塊與數值計算模塊相結合可對大壩性態進行分析預測，是糯扎渡大壩工程安全評價與預警信息管理系統的關鍵部分。

采用反演得到的糯扎渡大壩主要壩料模型參數對大壩性態進行數值分析，圖5為心墻內沉降計算結果與實測結果的對比圖，從中可以看出，數值反演得到的計算成果與實測結果無論在規律上還是在數值上都具有很好的一致性，從而也驗證了系統所包含的反演分析模塊的可行性和可靠性。

圖5 基于施工動態的土石壩反演計算成果與實測成果對比圖(靜力反演分析模塊)Fig.5 The comparison between the calculated results based on back-analyzed parameters and the measured values(static inverse analysis module)

2.6 安全預警與應急預案模塊

安全預警與應急預案模塊在同時考慮影響大壩安全的各因素之間的內在聯系及耦合作用的基礎上，根據動態監測信息以及計算成果，進行施工質量與大壩安全分析，建立大壩安全評價模型;結合安全指標模塊中各個因子的安全閾度，針對不同的異常狀態及其物理成因，對異常狀態進行分級(紅色、橙色、黃色)并建立預警機制。根據不同的預警機制本模塊又包含變形安全預警與預案、滲流安全預警與預案、裂縫安全預警與預案、壩坡穩定預警與預案及地震安全預警與預案5個子單元(見圖6)。

本模塊可進行分級適時報警，并可給出安全評價健康診斷報告。根據安全預警與預案判別分析結果，對可能出現的安全問題，建立相應的應急預案與措施，確保工程安全、順利、高質量實施，并在出現緊急情況時自動給出應急措施，也可人工修改應急方案。

圖6 安全預警與應急預案功能及數據Fig.6 The safety warning and emergency countermeasure module

2.7 數據庫管理模塊

數據庫管理模塊主要用于系統管理員進行數據操作，同時也可實現與其他系統的數據共享及傳遞。為保證數據的安全性，系統研發中主要限于管理員用戶進行相應的操作。該模塊的主要功能包括:

1)對各種類型的數據均提供相應的數據庫接口;

2)與其他系統進行必要的信息共享與交流;

3)對大量的監測和計算數據以及工程信息，可批量導入、文件導入;

4)對少量的監測和計算數據以及工程信息可采用手工錄入;

5)對工程檔案資料進行收錄、整編，可供用戶檢索、借閱;

6)采用Web技術發布系統信息、工程信息以及其他需要公布的信息。

3 結語

文章基于目前水電工程建設全生命周期管理的理念，設計了糯扎渡水電站大壩工程安全評價與預警信息管理系統，整個系統由系統管理模塊、安全指標模塊、監測數據與工程信息模塊、數值計算模塊、反演分析模塊、安全預警與應急預案模塊和數據庫及管理模塊共7個模塊構成，其中數值計算和反演分析模塊是本系統的核心部分。根據上述技術方案，目前該系統整體框架已經搭建完畢，并且監測數據與工程信息管理模塊、數值計算模塊中的靜力計算單元及反演分析模塊中的靜力反演分析單元已經開發完畢，并且實現了在線查詢和演示功能。根據現場應用來看，目前該系統設計理念可以很好地指導工程的施工和運營，對于以全新理念推動土石壩建設具有重要的實踐意義。

[1]徐 偉，李炳釗.建筑工程施工的智能方法[M].上海:同濟大學出版社，1997.

[2]Coble R J，Hinze J W，Haupt T C.Construction Safety and Health Management[M].USA:Prentice Hall，2000.

[3]周劍嵐，裴金勇，王紅衛.大型水電工程安全生產與應急管理平臺設計及關鍵技術分析[J].計算機應用研究，2008，25(11):3225-3227.

[4]馬洪琪，鐘登華，張宗亮，等.高心墻堆石壩施工質量實時監控關鍵技術及工程應用[Z].科技成果，2010.4.