基于原型監(jiān)測的拱壩綜合安全評判體系設計及其應用

沈 慧，胡 波，張騰蛟，潘 琳

[南瑞集團有限公司（國網(wǎng)電力科學研究院），江蘇省南京市 211106]

0 引言

以往在對大壩進行安全評價分析時，通常采用單個觀測量的原型監(jiān)測資料進行定性、定量分析，并利用各種數(shù)學力學方法建立模型，結(jié)合人的經(jīng)驗認識對大壩的工作性態(tài)予以評價。然而，由于大壩工作條件的復雜性，各個看似獨立的效應量之間可能是存在各種聯(lián)系的。比如當滲流、揚壓力出現(xiàn)異常時，可能伴隨著壩踵基巖變形的異常；應力應變發(fā)生異常時可能引起混凝土裂縫開度的異常……因此，僅用單個監(jiān)測量進行分析，有時會很難確定某些異常現(xiàn)象。另外，如果發(fā)生異常的部位沒有布置監(jiān)測儀器，就很難發(fā)現(xiàn)發(fā)生異常的原因所在，得出的結(jié)論就可能與實際不相符。即使人為分析時考慮了這些因素，但由于缺少量化的方法與標準，這種經(jīng)驗認識很難用于大壩在線安全評估，當大壩出現(xiàn)異常時也難以及時發(fā)現(xiàn)。因此，大壩安全評價更需要一套適用于計算機定量分析的方法體系，能對大壩不同部位、不同觀測項目所反映出的問題進行綜合評價，從而達到智能在線監(jiān)控的目的[1-4]。

本文以某高寒地區(qū)拱壩為例，在對安全監(jiān)測項目充分研究的基礎上，從拱壩的結(jié)構(gòu)特點入手，采用層次分析法，對多級安全評判體系及指標選取進行了詳細設計，并將其應用到安全監(jiān)測分析評估與決策支持系統(tǒng)軟件中，為水電站大壩智能在線安全評估提供參考。

1 拱壩安全評估體系設計

由于大壩的壩型不同，其結(jié)構(gòu)特點千差萬別，安全監(jiān)測的項目和內(nèi)容極也具個性化，因此大壩的結(jié)構(gòu)性態(tài)綜合評價應當建立一個具有很強針對性的多指標、多層級、多項目的綜合評價體系[5]。在對不同的大壩進行結(jié)構(gòu)性態(tài)綜合評估時，評估系統(tǒng)的構(gòu)成必然有所不同。需要根據(jù)具體大壩的實際進行客觀分析，以期構(gòu)造出一個符合該工程特點的結(jié)構(gòu)綜合評估系統(tǒng)。

為監(jiān)視大壩安全運行，大壩監(jiān)測系統(tǒng)通常都布置有各類監(jiān)測項目，這些項目主要有變形、滲流、應力應變和溫度監(jiān)測，還有環(huán)境監(jiān)測及近壩區(qū)與大壩安全有關的監(jiān)測項目等。監(jiān)測項目一般包含如下的內(nèi)容：

變形監(jiān)測：壩體水平位移、垂直位移、撓度（傾斜）、接縫和裂縫、壩基變形等。

滲流監(jiān)測：壩體滲透壓力、壩基揚壓力、基巖滲透壓力、繞壩滲流、壩體及壩基滲漏量等。

應力應變及溫度監(jiān)測：混凝土應力應變、鋼筋應力、鋼板應力、壩體及壩基溫度等。

與環(huán)境有關的監(jiān)測：上下游水位、氣溫、庫水溫、降雨等。

其他監(jiān)測：近壩區(qū)庫岸邊坡穩(wěn)定、壩體地震反應、水力學項目等。

為了進行評判層次結(jié)構(gòu)的設計，針對具體工程，首先需要了解該工程的安全監(jiān)測項目設置，并以此為基礎，綜合分析各監(jiān)測項目的監(jiān)測目標及各項目之間的關聯(lián)性。

從拱壩的結(jié)構(gòu)和受力特點考慮，拱壩可以看成一根根懸臂梁和一層層水平拱構(gòu)成。它把上游面的水壓力大部分荷載通過拱的作用傳遞給兩岸巖體，而另一部分荷載通過懸臂梁的作用傳遞至壩底基巖。因此，拱壩的整體安全評價，既要考慮拱向的安全，又要考慮梁向的安全。對于拱向而言，由于它主要依靠兩岸壩肩巖體維持穩(wěn)定，因此，兩岸壩肩是關鍵受力部位，它的穩(wěn)定性將直接影響到大壩的安全和長期使用。同時，在梁向類似于重力壩，壩基的抗滑穩(wěn)定性也是影響大壩安全的重要問題，需作為評判項目單獨考慮。除此以外，混凝土壩作為擋水結(jié)構(gòu)，其壩身材料混凝土的抗裂性能也是需評估的重點問題。大壩蓄水后的滲流情況，包括滲流量、繞壩滲流是評價壩區(qū)滲流的重要監(jiān)測項目。另外，在近壩區(qū)尤其是存在高邊坡的工程的邊坡穩(wěn)定性也至關重要，一旦出現(xiàn)事故，將會對施工和運營安全構(gòu)成極大威脅，后果極其嚴重，因此，在安全評價時也不能忽視對近壩區(qū)高邊坡的監(jiān)測成果的分析工作。

因此，在拱壩的安全評價體系設計中，第一層級可按照評判對象劃分為大壩和近壩區(qū)。第二層級的評判項目可劃分為：拱座的穩(wěn)定性、壩體拱向的安全性、壩體梁向的安全性、壩基的抗滑穩(wěn)定性、壩體的抗裂能力、壩區(qū)的滲流及近壩岸坡的安全。這些需關注的重點問題分別都有相應的監(jiān)測手段與其對應，由此產(chǎn)生第三級的評判項目。即用于評價拱座穩(wěn)定性的監(jiān)測手段一般包括拱端應力監(jiān)測和拱座變形監(jiān)測；用于評價拱向穩(wěn)定性的監(jiān)測手段一般包括壩體切向變形、橫縫的變形以及拱圈的切向應力監(jiān)測；用于評價梁向穩(wěn)定性的監(jiān)測手段一般有壩體撓度、梁向應力、建基面和基巖變形及壩基的滲流揚壓監(jiān)測；用于評價壩體抗裂能力的監(jiān)測手段一般有壩體的裂縫、滲壓、滲漏以及壩體的應力；用于評價壩基抗滑穩(wěn)定的監(jiān)測手段有壩基變形和壩基滲壓。再根據(jù)工程的實際安全監(jiān)測設計布置情況，進行更細的劃分。比如對應拱端應力的監(jiān)測項目有設置于拱端的應變計組，對應拱座變形的監(jiān)測項目有設置于拱座的倒垂，由此形成第四級安全評判項目。最后將安全監(jiān)測設計布置中的測點一一對應到上述監(jiān)測項目中，形成測點級的評判層。拱壩安全評價體系層次結(jié)構(gòu)如圖1和表1所示。

圖1 拱壩安全評價體系層次結(jié)構(gòu)圖Figure 1 Structure of safety evaluation system for arch dam

表1 某高寒地區(qū)拱壩安全評價體系Table 1 Safety evaluation system of arch dam in a high cold area

續(xù)表

根據(jù)上述多級綜合評估體系設計方法，結(jié)合工程具體安全監(jiān)測設計布置，表1設計了某高寒地區(qū)拱壩安全評價體系。

2 安全評估準則與指標

測點級的評估是整個評估體系的基礎單元，評判準則的優(yōu)劣對最終評估結(jié)果的準確性影響重大。測點級評估準則的選取可以從以下幾個方面考慮。

（1）歷史極值準則：根據(jù)待評估的測值有沒有超過歷史最大值（或最小值）判斷測點測值是否正常。

當本次測值大于歷史最大值，或者小于歷史最小值（滲流類除外），即：

則測值評判為異常值，否則為正常值。

式中：yi——實測值；

ymax——歷史極大值；

ymin——歷史極小值；

ε中——觀測中誤差，根據(jù)規(guī)范取用。

（2）監(jiān)控指標準則：根據(jù)待評估的測值有沒有超過監(jiān)控指標判斷測點測值是否正常。

監(jiān)控指標包括關鍵壩段的水平位移監(jiān)控指標，帷幕后、排水后的揚壓力系數(shù)監(jiān)控指標、關鍵壩段（重點部位）有應力應變測值的應力指標等。其中，揚壓力指標和應力指標可根據(jù)有關規(guī)范確定或采用設計值。水平位移的監(jiān)控指標一般用結(jié)構(gòu)分析法或小概率法擬定，其中結(jié)構(gòu)分析法應基于實測資料在對其進行正反分析的基礎上用有限元法擬定；小概率法應采用位移監(jiān)測資料的典型樣本（最大值或最小值）用統(tǒng)計檢驗法擬定。對于其他不宜引用規(guī)范和設計采用值的監(jiān)測對象，如接縫變形、基巖變位、繞壩滲流、滲漏量等，可利用實測資料中每年最大、最小值構(gòu)造典型子樣，采用統(tǒng)計方法（小概率模型）擬定監(jiān)控指標[6-7]。

（3）監(jiān)控模型準則：根據(jù)待評估的測值有沒有超過監(jiān)控模型的允許范圍判斷測點測值是否正常。

對各監(jiān)測效應量建立合理的數(shù)學模型進行定量分析，并以該模型為標準，檢驗監(jiān)測成果是否超過模型的允許范圍，作為評判監(jiān)測成果是否正常的依據(jù)。

當監(jiān)測量y（t）滿足下列不等式時：

式中：σt——監(jiān)控模型的標準差；

nj——不同值對應于不同的監(jiān)控等級；

(t)——監(jiān)控模型估計值。

則評判的結(jié)果是正常，不滿足則為異常。

（4）變化速率控制準則：根據(jù)待評估的測值變化速率與標準時段內(nèi)測值的平均變化速率進行比較判斷測點測值是否正常。

當監(jiān)測量的變化速率Vi滿足下列不等式時：

式中：——標準時段內(nèi)的平均變化速率；

δv——標準時段內(nèi)變化速率標準差。

則評判的結(jié)果為正常，不滿足則為異常。

（5）專家經(jīng)驗值控制準則：根據(jù)待評估的測值有沒有超出專家經(jīng)驗設定的允許范圍判斷測點測值是否正常。

當監(jiān)測量y滿足下列不等式時：

式中：[σ1]、[σ2]——允許的最小值和最大值。

則評判的結(jié)果為正常，不滿足則為異常。

3 準則權(quán)重分析

在進行上述檢驗和分析時，可能會出現(xiàn)矛盾，即用某些準則評判結(jié)果為異常，而另一些準則評判為正常。為解決取舍問題，需要進行評判準則的權(quán)重分析。

根據(jù)《混凝土大壩安全監(jiān)測技術規(guī)范》和國內(nèi)外專家的經(jīng)驗，以及各評判準則的內(nèi)涵和重要性，對各評判準則的權(quán)重分析如下。

3.1 監(jiān)控指標評判準則分析

該準則是變形、揚壓力和應力的監(jiān)控指標準則。它依據(jù)實測資料，并結(jié)合大壩的工作特性，尤其是關鍵部位，又依據(jù)了有關設計和監(jiān)測規(guī)范等綜合擬定的指標。同時，在監(jiān)控應用時，運行單位使用又十分方便，只要判別監(jiān)測量是否超過監(jiān)控指標，就可立即識別正常或異常點測值。因此，可作為評判的第一依據(jù)。

3.2 特征值（歷史極值、變化速率）準則分析

這兩個準則主要依據(jù)實測資料和大壩長期運行的經(jīng)驗。使用時，只要給出測值過程線以及特征值等隨時間和空間分布，就可以非常直觀地掌握各監(jiān)測量的時空分布，從而及時發(fā)現(xiàn)異常點測值的時間和部位。

這個準則比較容易掌握，使用也十分方便，在當監(jiān)測量超過歷史極值或變化速率，且又不按原規(guī)律變化或產(chǎn)生突變時，就可判斷為異常點。因此，在未擬定監(jiān)控指標時，也可以將此準則作為第一準則。

3.3 監(jiān)控模型評判準則分析

該準則是目前國內(nèi)外常用的準則。利用監(jiān)控模型可以在非最不利荷載組合時及時發(fā)現(xiàn)測值出現(xiàn)的異常。但是，實際應用時要求首先建立監(jiān)控模型，當監(jiān)測數(shù)據(jù)不具備建模條件時，該準則就無法應用。

綜上分析，評判準則以監(jiān)控指標（如有）為第一依據(jù)；監(jiān)控模型（如有）為第二依據(jù)，特征值（歷史極值、變化速率）為第三依據(jù)。權(quán)重的大小可按其重要性順序依次賦予。

4 應用實例

某水利樞紐主要由混凝土拱壩、表孔、放水深孔、引水式岸邊廠房和過魚設置等組成。電站裝機容量220MW。擋水建筑物為混凝土拋物線雙曲中厚拱壩，最大壩高94.0m，為Ⅱ等大（2）型工程。水庫正常蓄水位646.0m，總庫容2.22億m3。壩址區(qū)地震基本烈度為Ⅶ度。

該拱壩的安全監(jiān)測項目主要包括：環(huán)境量監(jiān)測、變形監(jiān)測、滲流監(jiān)測、應力應變和溫度監(jiān)測、高邊坡監(jiān)測等。

應用南瑞DSIMS大壩安全評估與決策支持系統(tǒng)軟件對該樞紐混凝土拱壩進行安全評判[8-10]。采用層次分析法，建立監(jiān)測成果異常評判、監(jiān)測項目異常評判、結(jié)構(gòu)部位異常評判以及整體安全性態(tài)評價的多級評價體系。

監(jiān)測量成果評價準則包括歷史極值準則、監(jiān)控指標準則、監(jiān)控模型準則、變化速率準則、專家經(jīng)驗準則。基于各準則評價結(jié)果及準則權(quán)重標準，進行綜合加權(quán)評判，形成“正常”和“異常”的第四級評價結(jié)論；基于第四級評價結(jié)論和三級評價綜合加權(quán)標準，形成“正常”“異常”的第三級評價結(jié)論。依次向上評價至最高級，根據(jù)監(jiān)測項目異常百分比，評價整體結(jié)構(gòu)物安全性態(tài)，評價結(jié)論為“正常”“基本正常”“局部異常”“嚴重異常”“失常”五個等級。部分系統(tǒng)界面截圖見圖2～圖6。

圖2 綜合評判層次結(jié)構(gòu)展示界面Figure 2 Display interface of comprehensive evaluation

圖3 評判準則指標配置界面Figure 3 Configuration interface of evaluation criteria and index

圖4 監(jiān)測量評判結(jié)果界面Figure 4 Interface of monitoring quantity evaluation results

圖5 監(jiān)測項目（部位）評判成果界面Figure 5 Interface of project （site） evaluation results

圖6 工程安全評判成果界面Figure 6 Interface of project evaluation results

評判層級可以隨工程規(guī)模及實際需要設置若干層，當評判結(jié)果出現(xiàn)異常時，可逐層追溯至底層檢查，快速定位到引起異常的原因。

在實際應用中，有些指標（如監(jiān)控指標上下限、各測點的權(quán)重等）很難一次性準確給出，可由專業(yè)人員在系統(tǒng)中先設定初值，然后隨著對工程結(jié)構(gòu)物認識水平的提高、結(jié)合系統(tǒng)運行情況，對這些指標進行動態(tài)調(diào)整，以期達到最優(yōu)的效果。

5 結(jié)語

基于原型監(jiān)測成果對某拱壩綜合安全評估體系及監(jiān)控準則、指標選取進行了研究，主要內(nèi)容如下：

（1）從拱壩的監(jiān)測項目及結(jié)構(gòu)、受力特點入手，采用層次分析法，建立了拱壩綜合安全評估體系。

（2）對監(jiān)測量評估準則及其具體設置方法進行設計，通過對各準則的重要性分析，形成各準則權(quán)重設置的基本原則與思路。

（3）應用南瑞DSIMS安全評估與決策支持系統(tǒng)對某拱壩進行安全評判，可迅速查找到結(jié)構(gòu)異常問題，并通過追溯檢查快速定位到發(fā)生異常的原因。由于系統(tǒng)具有良好的開放性，今后可根據(jù)工程實際情況、理論知識的不斷深化、實踐經(jīng)驗的不斷積累以及工程結(jié)構(gòu)物內(nèi)外部條件的變化動態(tài)調(diào)整該評價標準體系，以獲得最優(yōu)評判效果。