基于監測反饋的土石壩實時安全評價系統開發及應用

劉賢鵬，蔣買勇，張藝清，李懇亮

（1.長沙縣水利局，湖南 長沙 410100；2.湖南水利水電職業技術學院，湖南 長沙 410131；3.武漢大學水利水電學院，湖北 武漢 430072）

引 言

我國是全球大型水利設施最發達的國家，現有水庫近9.9萬座，數量居世界首位。據第一次全國水利普查公報，已建水庫中約40%為病險水庫，病險水庫數量大、分布地域廣、涉及壩型多、病害險情各異、處理技術復雜[1]。其中，土石壩在我國現有水庫大壩中占比達81.77%，大部分水庫大壩安全鑒定集中在2008年前后完成，目前正面臨新一輪大規模的安全評價任務，而現有安全評價和設計體系中，常規的階段性安全評價存在間隔期間原始資料缺失、勘探損壞壩體整體性、安全鑒定工作繁重等問題。以基于監測信息實時反饋的土石壩滲透系數的反演分析，獲取計算參數，結合FEMFDM水力耦合分析方法，開發了滿足監測數據記錄、穩定計算、反演分析有效連接，集大壩實時健康管理、安全評價一體的考慮土石壩實時性能演化的綜合安全評價系統，并實現工程應用。

1 基于監測反饋的土石壩實時安全評價方法

按照《水庫大壩安全鑒定辦法》（水管〔1995〕86號）和《水庫大壩安全評價導則》（SL 258-2017），水庫大壩安全評價工作包括現場安全檢查、工程質量評價、運行管理評價、防洪標準復核、滲流安全評價、結構安全評價、抗震安全評價、金屬結構安全評價、大壩綜合評價等內容[2～3]。其中滲流安全評價、結構安全評價是土石壩安全評價的重點，需根據國家現行規程規范對土石壩進行評價?；诒O測反饋的土石壩實時安全評價方法，主要包括以下三個部分：

1）實時監測信息的采集及其分析評價。大壩安全監測資料分析的目的是通過水位、氣溫、降水量等環境量與變形、裂縫開度、應力應變、滲流壓力、滲流量等效應量監測資料的分析，評估大壩安全性態是否正?；虬l生轉異。其分析內容包括監測系統完備性評價、監測資料可靠性分析、監測資料正反分析以及大壩安全性態評估。

2）基于監測反饋的土石壩滲透特性多目標反演分析。結合正交設計[4]、非穩定滲流正分析、BP神經網絡[5]以及NSGA-II多目標優化算法[6]，首先以滲透壓力、滲透流量等滲流監測數據為變量，建立多目標函數，通過正交設計優化數值計算方案，從而降低反饋分析的計算量；采用拋物Signorini型變分不等式方法對正交設計方案進行非穩定滲流正分析，計算壩體中滲流場的動態演化特征，得到滲透壓力和測流點的計算時間序列數據；建立基于BP神經網絡的滲透系數輸入與滲透壓力、流量時間序列輸出之間的隱式映射關系，該神經網絡可靠性的驗證使用拉丁超立方抽樣法進行；最后基于NSGA-II多目標優化算法，計算得出壩體滲透系數的Pareto最優解集。該方法針對滲流反分析的唯一性和可靠性問題，將滲流監測數據的實時變化納入演算范圍，引入多目標算法彌補了傳統單目標反演方法的不足。

3）實時工程結構性態計算分析評價。根據規范對土石壩工程的滲流穩定、結構穩定及壩坡穩定等進行分析。以規范、標準及專家經驗為評判依據，對分析結果進行評價。此部分主要包括土石壩滲流穩定評價和結構穩定評價。

2 土石壩實時安全評價系統的開發設計

2.1 系統功能分析

土石壩實時安全評價系統面向水庫管理部門，可用于收集管理土石壩實時監測資料，多維度分析實時監測數據，從而對土石壩實測性態做出評價。

土石壩實時安全評價系統功能包括土石壩實時監測資料的錄入、修正、查詢、分析以及評價土石壩實測性態等，主體功能如下：

1）監測資料的錄入，包括測點編號、監測項目、監測日期、監測值等。

2）監測資料的修改，查詢等。

3）基于監測反饋的土石壩滲透特性的多目標反演分析。

4）實時的滲流及變形穩定計算分析。

5）計算分析結果的顯示及保存。

6）利用建立的土石壩實時安全評價模型進行預測預報。

7）土石壩實測性態的綜合評價。

8）安全評價報告的自動生成。

此外，出于對系統安全性的考慮，還需實現系統用戶的管理功能，對用戶進行安全認證，管理功能如下：用戶名密碼登錄認證；用戶管理，包括新用戶注冊，用戶資料修改，注銷用戶等。

2.2 系統功能模塊設計

根據系統所要實現的功能，按照結構化程序設計的原則將整個系統劃分為如圖1所示的若干功能模塊。

圖1 實時安全評價系統結構圖

2.3 系統應用程序設計

搭載土石壩實時安全評價系統的應用程序采用結構化設計方法，邏輯上自上而下進行設計，通過可選式下拉菜單調用各獨立的功能模塊。為保證程序穩定性，利于程序運行維護，各功能模塊采用獨立式設計，輸入輸出數據均直接與數據庫進行鏈接，進行可視化處理后指向顯示器，不影響其他模塊功能。程序模塊的編寫采用事件驅動編程以簡化編程邏輯、減少編程工作量，同時可優化程序結構，提升代碼可讀性，進一步保證程序質量，降低運維難度。下面簡要介紹本系統各模塊的功能和設計。

1）登錄模塊。為提高系統安全性，用戶必須通過用戶名密碼登錄認證才能使用本系統。

同時系統會識別用戶賬號并根據分配給用戶賬號的權限來啟動相應的服務，防止發生越權使用現象。

2）主控模塊。通過系統登錄認證后，系統進入到主界面，在主界面上可以完成系統所有功能的操作，包括：用戶管理、監測資料管理、監測資料分析、實時穩定計算分析、土石壩實測性態綜合評價等。

3）用戶管理模塊。用戶管理模塊主要是為合理管理用戶而設置的。主要功能有：新用戶注冊、用戶注銷（刪除）、用戶資料的修改等。

4）資料管理分析模塊。資料管理模塊可以完成監測信息采集、監測資料的錄入、修改和刪除，以及對監測的應力應變、滲流壓力、滲流量等效應量監測信息進行分析評價。

5）土石壩滲透性能的多目標反演模塊。通過系統實時自動采集的水位、滲漏量等獲得滲壓和流量測點上的計算時間序列數據，采用NSGA-II多目標優化算法獲得土石壩壩體實時滲透系數值。

6）土石壩實時安全評價模塊?；趯崟r監測信息反演分析獲得的滲流參數值，通過系統內置的有限元滲流場與有限差分應力場的耦合計算功能，完成對土石壩實時滲流與變形計算分析評價。

7）安全評價報告自動生成模塊。自動生成報告模塊主要為Word寫入功能。將用戶所輸入的監測資料，生成的關于滲流、沉降變形等計算內容，安全評價結果，根據規范的要求，填入預先設定格式的Word報告模板中，形成完整的報告。以供存檔、打印。

3 土石壩安全評價系統的主要功能

基于監測反饋的土石壩實時安全評價系統開發具備以下主要功能：

1）監測信息自動采集與分析。通過計算機自動化對監測數據自動采集水位、氣溫、降水量等環境量與變形、裂縫開度、應力應變、滲流壓力、滲流量等效應量監測信息，對監測資料進行分析，評估大壩安全性態是否正常或發生異常。

2）土石壩實時性態安全評價。通過數據庫內置的土石壩滲透系數與力學參數演化模型，使用FEM滲流計算程序與FDM穩定計算程序對實時水位、降雨、氣溫等情況下的土石壩實時性態進行安全評價。

3）土石壩安全預警。對監測信息與土石壩實時性態穩定計算中出現的異常情況及時進行安全預警。

4）實時安全評價報告自動生成。自動生成報告模塊主要為Word寫入功能。將用戶所輸入的監測資料，生成的關于滲流、沉降變形的計算內容，安全評價結果，根據規范的要求，填入預先設定格式的Word報告模板中，形成完整的報告，以供存檔、打印。

5）土石壩健康檔案。通過預先設定好時間，自動對土石壩實時性態進行計算分析，并自動保存為安全評價報告。將生成的報告按時間存檔，可隨時查詢查看，建成土石壩的健康檔案庫。

4 土石壩安全評價系統的工程應用

在已開發的土石壩安全評價系統基礎上，根據某土石壩己有的實測資料和歷史安全評價報告設定該水庫大壩的安全評價系統。

1）系統登錄界面。系統登陸界面如圖2所示，系統通過正確的賬號密碼進入，默認的初始用戶名為“admin”，密碼為“admin”，可以進入系統進行密碼修改。

圖2 系統登錄界面

2）系統主界面。系統主界面如圖3所示，主界面集成了基本信息輸入、滲流與力學計算模型選擇、滲流、應力與變形穩定計算、計算結果展示與分析幾個部分。

圖3 系統主界面

3）工程概況介紹界面。工程簡介界面如4所示，工程簡介包括工程概況、工程基本資料、工程大事件以及全文檢索四個部分。工程概況包括工程的一些主要特性以及介紹；工程基本資料相較于工程概況會更加詳細；工程大事件包括土石壩的初建、除險加固、安全評價以及工程曾出現的一些較嚴重的問題等；全文檢索提供了工程的詳細資料，并提供了搜索功能供用戶查詢。

圖4 工程概況界面

4）信息錄入功能。信息錄入模塊包括監測信息自動采集與巡檢信息的錄入。監測信息的采集包括水位、滲流量、應力位移等信息，將各監測斷面各監測點的監測值錄入，系統可以將錄入的信息保存成文檔，并可以將輸入的歷史監測數據生成歷史位移變化折線圖。巡檢信息的錄入包括人工巡檢結果的錄入及土石壩巡檢表的生成。見圖5。

圖5 監測信息采集

5）報告生成功能。報告生成界面如圖6所示，在界面的左邊，是土石壩的健康檔案，包括系統在不同時間段的計算結果，系統默認每天對土石壩的滲流、應力與變形進行一次安全評價，并將安全評價結果保存在數據庫當中，通過健康檔案管理，管理者可以隨時查看不同時間的安全評價報告，并可以通過界面右邊的導出按鈕，將安全評價結果保存為可供用戶使用的安全評價報告。

圖6 報告生成

5 結 論

通過土石壩監測資料的多目標實時反演分析，結合FEM-FDM水力耦合分析方法對土石壩滲流、應力與變形進行分析評價，使用Fortran、C#等語言進行編程，開發了基于監測反饋的土石壩實時安全評價系統，該評價系統具備土石壩監測信息自動采集與分析、土石壩實時性態安全評價、土石壩安全預警、實時安全評價報告自動生成、土石壩健康檔案管理等主要功能。

開發滿足數據監測、穩定計算、反演分析有效連接，集大壩實時健康管理、安全評價于一體的土石壩實時安全評價系統，并實現工程的信息化應用，能有效提高評價準確性和降低評價工作量，保證土石壩長期安全運行，具有廣闊的應用前景和良好的示范作用。