基于監測數據分析的大壩安全運行管理探討

鄭敬陽

摘 要：大壩監測數據分析理論和方法的研究與應用已經取得了相當的進展，為保證大壩安全運行發揮了巨大的作用，該文基于筆者多年從事大壩安全分析的相關工作經驗，以大壩安全監測數據分析為研究對象，探討了安全監測數據分析的意義和內容，給出了安全監測數據分析方法，全文是筆者長期工作實踐基礎上的理論升華，相信對從事相關工作的同行能有所裨益。

關鍵詞：大壩 安全監測 數據 分析

中圖分類號：TV62 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）10（a）-0009-02

保證大壩安全的措施可分為工程措施和非工程措施兩種，兩者相互依存，缺一不可。工程措施指采取工程技術手段，對大壩進行加固和維修；非工程措施指通過洪水預報、安全監測等手段，來保障大壩運行安全。由于人們認知水平的局限，大壩的設計和建設不可能做到萬無一失，大壩運行中也可能產生安全問題，這樣，加強大壩安全監測就成為非工程措施中極為重要的一個方面。

1 大壩安全監測的內容

根據大壩安全監測的目的來分，監測的主要項目有：變形、滲流、壓力、應力應變、水力學及環境量等（圖1）。其中，變形和滲流監測直觀可靠，可基本反映在各種荷載作用下的大壩安全性態，因而成為最為重要的監測項目。另外，對于大壩內部性態進行監測也十分重要，其監測成果可以用來反饋和檢驗設計方法、評價施工質量。

（1）變形監測。大壩在自重、水壓及溫度等荷載作用下，會產生壩體變形，變形監測是了解大壩工作性態的重要內容，變形監測主要有：表面變形、內部變形、壩基變形、裂縫及接縫、混凝土面板變形、岸坡位移等。（2）滲流監測。對大壩在上下游水位差作用下產生的滲流壓力、滲流量及水質進行監測，主要監測項目有：壩體滲流、壩基滲流、繞壩滲流和滲流量等。（3）壓力監測。壓力監測主要是對大壩的孔隙水壓力、揚壓力、土壓力和接觸土壓力等進行監測。（4）應力應變監測。主要包括混凝土應力、應變、錨桿應力、鋼筋應力、鋼板應變、基巖應變等監測。（5）溫度監測。主要是壩體混凝土溫度場的監測。（6）水力學監測。主要包括泄水建筑物的泄水壓強、泄水流速、流量及水面線觀測。（7）環境量監測。環境量監測主要包括上、下游水位、降雨量、氣溫、水溫等項目，主要用于分析環境量對大壩變形、應力、應變、滲流及壩內溫度場的影響。大壩安全監測是為了解大壩運行狀態及發展趨勢，是保證大壩安全運行的重要措施，也是檢驗設計成果、檢查施工質量和認識大壩各種參量變化規律的有效手段。

2 大壩安全監測的意義

大壩安全監測貫穿于大壩施工、首次蓄水、運行整個過程中，具有如下幾方面的意義。

（1）滿足施工要求，改進施工技術。大壩施工期間的安全監測可以反映施工質量，及時掌握施工期大壩的實際性狀，可為在后續施工過程中修改、辛1、充設計和改進施工技術方案提供依據。

（2）監控運行狀態，保證大壩安全。一般來說，大壩在運行中的變化都是緩慢和微小的，如果變化一旦明顯異常，往往已經對大壩安全構成嚴重威脅，甚至會迅速發展到無法挽救的地步。通過監測數據分析可以掌握大壩實際工作性態與各種環境影響因素之間的關系，了解大壩各觀測變量的波動范圍和正常變化規律，當異常情況或不利發展態勢發生時可以及時察覺并采取相應的補救措施，從而防止大壩從量變發展到質變破壞，避免重大事故的發生。在遇到大洪水、地震等特殊情況時，可以通過大壩安全監測及時評價大壩的安全狀態，做到心中有數從容調度。

（3）檢驗設計成果，提高設計水平。在壩工設計中，對于大壩未來狀況的分析和判斷，目前還不能做到與工程實際完全吻合，甚至有時會有較大偏差。由于認識的局限性和實際情況的復雜多變，還不能完全準確地算出大壩上的作用荷載，壩體及基礎的物理力學參數更是難以精確確定，壩工設計理論也尚欠成熟完善，結構破壞機理和安全界限等都還不夠清楚明確。某些設計常基于某種程度的假定性前提，有些復雜因素也常常加以簡化考慮。通過大壩安全監測，就可以檢驗設計成果是否正確，判斷大壩設計情況和實際情況偏差的大小，從而幫助人們提高對有關問題的認識，完善設計理論，提高設計水平。

（4）提供科研資料，發展壩工理論。壩工技術和理論的研究主要依靠理論計算、模型試驗和原型觀測等手段，由于研究對象的影響因素較多，一般理論計算和模型試驗都存在一些假設或簡化，特別是對于新型和復雜結構更是如此，大壩原型監測則反映了各種因素的影響，通過對監測結果的分析與反演，可以修正完善理論的不足和模型試驗的局限性，近一步提高壩工理論水平，因此，大壩安全監測也是壩工理論革新發展的有效手段。

3 大壩安全監測數據分析

大壩安全監測取得的大量數據為評價大壩運行狀態提供了基礎，但是，原始觀測數據往往不能直觀清晰地展示大壩性態，需要對觀測數據進行分辨、解析、提煉和概括，從繁多的觀測資料中找出關鍵問題，深刻地揭示規律并作出判斷，這就需要進行監測數據分析。

監測資料分析的內容通常包括：認識規律、查找問題、預測變化、判斷安全。

（1）認識規律：分析測值的發展過程以了解其隨時間而變化的情況，如周期性、趨勢、變化類型、發展速度、變動幅度等；分析測值的空間分布以了解它在不同部位的特點和差異，掌握它的分布特點及代表性測點的位置；分析測值的影響因素以了解各種外界條件及內部因素對所測物理量的作用程度、主次關系。通過這些分析，掌握壩的運行狀況，認識壩的各個部位上各種測值的變化規律。

（2）查找問題：對監測變量在發展過程和分布關系上發現的特殊或突出測值，聯系荷載條件及結構因素進行考查，了解其是否符合正常變化規律或是否在正常變化范圍之內，分析原因，找出問題。

（3）預測變化：根據所掌握的規律，預測未來一定條件下測值的變化范圍或取值；對于發現的問題，估計其發展趨勢、變化速度和可能后果。

（4）判斷安全：基于對測值的分析，判斷過去一段時期內壩的運行狀態是否安全并對今后可能出現的最不利條件組合下壩的安全作出預先判斷。

一般來講，大壩監測資料分析可分為正分析和反演分析兩個方面。正分析是指由實測資料建立原型物理觀測量的數學模型，并應用這些模型監控大壩的運行。反演分析是仿效系統識別的思想，以正分析成果為依據，通過相應的理論分析，反求大壩材料的物理力學參數和項源（如壩體混凝土溫度、拱壩實際梁荷載等）。吳中如院士提到通過大壩監測資料分析可以實現反饋設計，即“綜合原型觀測資料正分析和反演分析的成果，通過理論分析計算或歸納總結，從中尋找某些規律和信息，及時反饋到設計、施工和運行中去，從而達到優化設計、施工和運行的目的，并補充和完善現行水工設計和施工規范”。綜上所述，大壩監測資料正分析中數學模型的研究與應用是實現大壩安全監測及資料分析目的的基礎與根本。

4 監測數據分析方法

大壩安全監測數據分析涉及到多學科交叉的許多方法和理論，目前，常用的大壩監測數據分析方法主要有如下幾種：多元回歸分析、時間序列分析、灰色理論分析、頻譜分析、Kalman濾波法、有限元法、人工神經網絡法、小波分析法、系統論方法等。下面主要闡述多元回歸分析和時間序列分析兩種方法。

4.1 多元回歸分析

多元回歸分析方法是大壩監測數據分析中應用最為廣泛的方法之一，最常用的方法就是逐步回歸分析方法，基于該方法的回歸統計模型廣泛應用于各類監測變量的分析建模工作。以大壩變形監測的分析為例，取變形（如各種位移值）為因變量（又稱效應量），取環境量（如水壓、溫度等）為自變量（又稱影響因子），根據數理統計理論建立多元線性回歸模型，用逐步回歸分析方法就可以得到效應量與環境量之間的函數模型，然后就可以進行變形的物理解釋和預報。由于它是一種統計分析方法，需要因變量和自變量具有較長且一致性較好的觀測值序列。如果回歸模型的環境變量之間存在多重共線性，可能會引起回歸模型參數估計的不正確；如果觀測數據序列長度不足且數據中所含隨機噪聲偏大，則可能會引起回歸模型的過擬合現象，而破壞模型的穩健性。

4.2 時間序列分析

大壩安全監測過程中，各監測變量的實測數據自然組成了一個離散隨機時間序列，因此，可以用時間序列分析理論與方法建立模型。一般認為時間序列分析方法是一種動態數據的參數化時域分析方法，它通過對動態數據進行模型階次和參數估計建立相應的數學模型，以了解這些數據的內在結構和特性，從而對數據變化趨勢做出判斷和預測，具有良好的短期預測效果。進行時間序列分析時一般要求數據為平穩隨機過程，否則，需要進行協整分析，對數據進行差分處理，或者采用誤差修正模型。例如，徐培亮利用時間序列分析方法，對大壩變形觀測資料進行分析建模得到一個AR（2）模型，并對大壩變形進行了預報，結果表明具有良好的預測精度。涂克楠、張利、鄭簫等也利用時間序列對大壩監測數據進行分析，有效地提高了模型對實測數據的擬合能力和預測能力。

參考文獻

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