基于自動化技術的水庫大壩現場監測數據智能分析
——以江西某水庫大壩為例

崔紅波

（山東省濱州市水利資源開發建設中心，山東 濱州 256600）

大壩在防洪供水等方面發揮著巨大的作用，早在20世紀就已經出現重力壩。經過不斷地發展和完善，如今，我國已擁有水庫大壩10余萬座，數量較多[1]。但是，大壩在服役期間受環境因素的影響，如水流的沖刷、溫度的變化等，壩體會承受不同類型的荷載，導致大壩的強度降低甚至坍塌[2]。壩體坍塌會嚴重威脅周圍的人類以及建筑物，對人類生命及財產安全會造成巨大的損失。因此，對大壩進行實時監測，獲取壩體的穩定性信息，對大壩的安全防護以及災害預測具有重要意義[3-4]。

大壩的安全監測技術一直在不斷地發展和進步，從最原始的人力觀測發展到監測，再到如今的自動化監測等，監測技術在不斷地完善和智能化，并且從原始的變形監測到如今的應力、滲流等全面監測，能獲取更多、更精準的監測信息和監測數據，監測項目越來越齊全，監測手段也越來越成熟，現如今，已經能對大壩進行實時的安全評估。相關資料顯示，江西共有水庫10 000余座，本研究以江西省某壩為背景展開監測，在上游布置4個監測點，進行周期一年的監測。

1 混凝土壩監測設計

1.1 設計依據與原則

在安全監測的設計中，應嚴格按照相應的規范和安全設計手冊，結合當地的地勘資料，熟悉混凝土壩的地質條件，制定正確的監測方案，選擇先進的監測設備，合理、安全地布置各個監測點，主要參照以下規范。

（1）《水庫大壩安全監測資料整編分析規程》：水庫大壩的監測試件、儀器設備的檢查及校核方法，應嚴格遵照此規范，設置特定的巡查時間。同時，要實時整理監測數據的原始材料，并保證監測數據的真實性和完整性，堅持安全合理的原則。

（2）《水工設計手冊》：分析和闡述監測項目，了解監測原理與監測方法。

（3）《土石壩安全監測技術規范》：應結合實際工程項目，制定詳細的監測方案，選擇精密的監測設備。同時，考慮監測設備的可靠耐久性以及經濟性，確保監測設備不受環境因素影響或者降低環境因素對其的影響，保證儀器在各種環境下能正常工作。

（4）《混凝土面板堆石壩設計規范》：要科學選擇監測點，要能全面反映混凝土壩的工作特性、突出混凝土壩的壩體位移以及混凝土面板變形量的特性。

1.2 應變監測

對水庫大壩進行應力監測，直接獲取監測點x、y、z 3個方向的應力，依據應力時程曲線，可以了解水壩的安全狀態。如發現某監測點的應力偏大，可及時進行加固補修。在應力監測時，要充分考慮監測的設計要求，監測點布置要全面，對于監測項目和監測設施，要提前制定方案。在施工和運行管理階段，要保證監測設備的安全，不能對建筑物造成損害，也不能對設備造成損傷。一旦監測設備發生破損、銹蝕，就會嚴重影響監測結果，造成損傷的誤判，所以，也要定期對設備進行安全檢查，如果設備出現故障，應及時進行更換或維修。

在進行監測時，要了解水庫大壩的基本情況，包括結構形式、防滲能力等物理指標，并查看相關資料：該水庫大壩的地質條件、初設報告等詳細的建筑信息以及之前是否加固過，如果加固過，要了解詳細的加固方案。在監測方案合理化的同時，需要提前對監測人員進行培訓，使其熟悉各監測設備的操作流程，避免因操作不當而影響監測結果；安排專業人員實時管理監測設備，對設備進行維修保養，保證監測設備長期、穩定運行。此外，監測周期應不少于3個月，并且每次監測數據應重復3次以上取平均值，以保證得到準確、可用的監測數據，這對水庫大壩的安全評估至關重要。

本研究以水庫大壩上游面的4個監測點為例進行探討， 4個監測點（JD1-1～JD1-4）分別位于水庫大壩的7#、12#、14#、17#壩段，監測自動化系統由監測儀器、數據采集裝置、通信裝置、計算機及外部設備、數據采集和管理軟件、通信和電源線路等部分組成。監測過程全自動化，能自動將采集的數據發送到數據終端；在巡視檢查時，對采集到的數據進行整理分析。

2 監測結果分析

在上游面選取4個典型監測點（JD1-1～JD1-4），選取一年的監測數據進行分析，包括x、y、z 3個方向的應力，監測結果如圖1～4所示。

圖1 監測點JD1-1監測結果

從圖中可以看出3個方向的應力變化時程曲線，x方向的應力變化波動較小，y和z方向的應力變化波動較大。JD1-1的x、y、z 3個方向的最大應力值分別為0.60、1.16、2.26 MPa；JD1-2的x、y、z 3個方向的最大應力值分別為1.02、1.30、 1.38 MPa；JD1-3的x、y、z 3個方向的最大應力值分別為0.49、0.69、1.90 MPa；JD1-4的x、y、z 3個方向的最大應力值分別為0.28、1.42、1.79 MPa。其中，JD1-1監測點z方向的最大應力值最大，原因是水庫蓄水后，該點的溫度最低，導致應力值偏大，但是未超過2.30 MPa，滿足混凝土設計的抗裂要求，且不會有坍塌的危險，但是也需要適當地加固，以降低局部應力。

圖2 監測點JD1-2監測結果

圖3 監測點JD1-3監測結果

圖4 監測點JD1-4監測結果

3 水壩風險分析

3.1 風險的基本定義

19世紀70年代，西方就已經提出了風險的概念，風險通常指某種特定的危險事故發生的可能性與發生后果的結合，是一種不合意和不期望結果的含義。所以，風險包括兩個概念，一個是發生危險的概率，另一個是發生危險的后果。

3.2 風險的基本類型

水庫大壩的風險是發生潰壩的概率，大致可分為3種風險類型：生命風險、經濟風險、社會與環境風險。生命風險指發生潰壩的可能性與潰壩后周圍生命損失的結合，主要包括3個因素：第一，風險人口。發生危險后，周邊的生命安全，包括附近村莊的居民以及動植物沒有及時躲避風險，進而受到傷害；第二，警報時間。潰壩洪水達到風險人口所在地的時間；第三，影響風險人口的變動因素，如季節的變化、溫度的變化等。經濟風險指的是壩體失穩造成的經濟損失，水壩失穩會直接對周邊的工業、植被等一些基礎設施產生傷害，造成經濟損失，同時，也會間接地產生一些應急、臨時費用的損失。環境風險一般是指自然環境受到的災害，如一些藝術作品或一些古跡的損失等。社會風險是指對當地社會穩定造成的危害，影響周邊的正常秩序、信譽等。

3.3 風險的基本要素

水庫大壩的危險要素主要可以分為4類：洪水漫頂、壩內管涌、壩基管涌、結構破壞。洪水漫頂對大壩的破壞較為常見，主要是因為水庫防洪能力或溢洪道泄洪能力不足，導致水庫大壩的壩體失穩。壩內管涌主要是因為壩體出現泄漏現象，滲透能力大于抗滲能力。壩基管涌是指壩后覆蓋層被破壞，抗滲能力不足，在壩基出現的管涌現象也有可能是壩基受其他因素影響或處理不當等造成的。結構破壞類型很多，如裂縫的產生、延伸導致結構整體失穩等。上述是水壩主要的4種破壞類型以及破壞原因，其中，環境因素或管理不當等也會對水庫大壩造成很大的影響，如晝夜的溫差變化、混凝土在反復靜載作用下產生的微裂紋等，也都會對壩體造成損害。

4 結語

對江西某水庫大壩進行了現場監測研究，選取了一年的應力監測數據進行分析，包括x、y、z 3個方向的應力。通過監測數據可知，該大壩的應力未超過混凝土的設計允許值，滿足抗裂要求，沒有風險。同時，也對水壩風險進行了分析，介紹了水庫大壩的風險類型以及基本要素，并分析了破壞原因。