大坝安全远程监控系统应用初探

2011-06-13王玉洁

大坝与安全 2011年3期

王玉洁，林芝

（国家电力监管委员会大坝安全监察中心，浙江杭州 310014）

1 大坝安全信息化平台建设

随着水力资源的不断开发和利用，大坝及其水工建筑物的安全问题也引起社会公众越来越多的关心。我国水电站大坝分布在全国各地，点多面广，给大坝安全管理工作带来了一定的难度。为了实现大坝安全的全过程现代化管理，形成大坝安全远程管理与现场检查相结合、及时发现和消除安全隐患的大坝运行安全监督和管理新格局，做好大坝险情预测与应急管理，电监会大坝中心已建立了全国电力系统水电站大坝安全管理和技术交流平台，使各级大坝安全管理人员都能在该平台上开展工作，为远程管理与现场检查相结合的大坝安全管理模式创新提供了技术保障。

大坝安全信息化平台主要包含大坝安全信息管理主系统、分系统和子系统三个层面，它们分别对应不同的用户和功能需求。

大坝安全信息管理主系统设在大坝中心，主要包括大坝安全网站和信息处理子系统两部分。网站主要用于大坝安全信息查询及下载，可满足大坝主管单位查询大坝安全信息的需要。信息处理子系统包括用于实时接收各水电站大坝运行安全上报信息的接收软件、远程监测数据即时采集控制软件，以及对上报信息进行分析处理和反馈的一系列软件，满足大坝中心和电监会系统大坝安全监管日常工作需要。

大坝安全信息管理分系统设在大坝主管单位或者电力监管机构，如流域开发公司、各大发电公司等，用于管理公司所属或监管范围内一系列水电站大坝的安全信息。

大坝安全信息管理子系统设在水电站运行单位，用于管理其所运行大坝的安全信息，是水电站大坝安全管理人员的操作平台。

经过四年多的努力，大坝安全信息化平台建设工作取得了较大的进展。主系统和部分子系统建设已基本完成。截至2010年12月，总共有188座水电站报送了大坝安全监测信息，其中，网络报送134座，邮件报送54座。

2 大坝预警系统的建立

由于主系统所管理的信息量巨大，为保证及时分析大坝安全信息，甄别大坝运行过程中的异常和问题、以及后续的决策诊断反馈工作，必须在建立数据库、图形库、分析方法库、相关检查档案库等的基础上，对大坝进行综合分析，建立大坝预警系统。

大坝中心陆续对接入远程信息管理平台的大坝监测数据开展系统梳理和监控预警指标设定工作，选择对建筑物及其基础安全状态最有控制意义的关键部位和对安全最敏感的效应量作为预警系统中的监控指标，做到既突出重点又能控制整个大坝。这里的监控预警指标是指引起运行管理人员关注的指标，主要包括上限指标、下限指标、变化速率指标、历史均值指标、历史极值指标等。其限值根据设计计算、监测资料、大坝运行情况综合分析确定，并适时调整。

开展此项工作是实现大坝安全远程监控管理的重要环节，建立在深入分析监测数据、掌握建筑物运行性态的基础之上，要求对报送的各类信息进行有序管理，整理、整编大坝安全监测资料。

3 报警与甄别

以一等工程库容10亿m3以上的46座大坝为例，在监控预警指标设定工作中，共收集整理了161张CAD图，并从11 322多个测点中筛选了3 074个测点纳入大坝预警系统。截至2010年底，共监控到异常报警信息78 922条。当大坝预警系统监控到超限测值而报警时，并不能就此认定大坝是“不安全”的，需借助大坝安全监测技术专业知识和工程地质资料、设计资料、监测资料、日常巡视检查资料、运行记录等信息进行分析甄别。目前大坝中心除采用专用软件外，还设有专岗对超限数据进行分析甄别。超限报警数据大致可分三种情况。

（1）人为干扰

由于人为干扰，如做试验、设备更换、基准值改变等，出现超限测值。如某电站坝基扬压水位自2010年6月17日开始，测值出现规律性的跳跃，询问电厂后得知是由于电厂做试验人为干扰所致，并非真实地下水位情况。在日常监控中，发现多数超限报警是由这种原因引起的，目前已监测到该类报警数据54 712条，约占总报警信息的69.3%。

（2）系统故障

由于监测系统不稳定或监测仪器故障，出现超限测值。如某电站坝顶水平位移测点监测数据出现100 000 mm的突变测值而报警，分析其过程线可见：该测点前后测值均没有出现此种现象，且测值超出结构变化范围，因此可确认为系统故障引起，后询问电厂得到证实。在日常监控中，已监测到该类报警数据19 424条，约占总报警信息的24.6%。

（3）建筑物性状改变

建筑物或其基础受力状态的改变使得测值超出预警指标。目前已监测到此类报警信息4 786条，占总报警信息的6.1%左右。

导致建筑物及其基础受力状态改变的原因主要有两种，一是由于上下游水位、温度、降雨量等环境因素改变，引起大坝承受荷载变化。如某电站汛期水位出现历史最大值263.94 m，由于上游水位突增引起坝体总渗漏量在2010年7月超出监控上限报警，最大漏水量达到67.95 L/s，超过历史最大值（24.87 L/s）43.08 L/s。同时分析该大坝坝顶激光位移过程线可见，大坝水平位移在同一时段内也有不同程度的增大。此类情况属大坝在汛期非常环境下工作，大坝中心设专人以简讯的形式对该电站汛期的运行状态进行跟踪分析，并及时将监控到的异常状况反馈给运行管理单位，密切关注水库运行调度及大坝运行情况，及时评判大坝安全。

二是建筑物或其基础本身承载能力下降。如某电站地下水位2010年7月30日测值超出监控上限而报警（见图1），且该天以后，地下水位测值持续上升，为此对该仪器的工作状态进行鉴定，并综合分析该时段上游水位和降雨量等环境因素，结合该部位的地质情况和工程处理情况，初步甄别为该处渗流状态恶化，及时反馈运行单位，并提请相关专家进一步研究其对工程安全的影响及处理措施。

4 处理与反馈

大坝安全远程监控平台作为大坝安全监督管理的有力补充，其目的是借助网络管理模式，及时发现和消除大坝安全管理工作中存在的问题和大坝本身的安全隐患，实现大坝安全的全过程现代化管理。

4.1 监测管理

监测系统的故障率不但反映了所采用的监测系统的可靠性、稳定性，同时还反映了水电厂运行管理单位的管理水平。

以一等工程库容10亿m3以上的46座大坝为例，截至2010年底，监控到的78 922条异常报警信息中，由监测系统故障引起的占24.6%，人为干扰引起的占69.3%，两者合计占93.9%，可见监测系统的可靠性以及运行管理水平还有待进一步提高。

目前，对甄别后确定是由于监测系统不稳定、监测仪器故障、人为因素等原因引起的报警，及时反馈电厂，提请其加强管理与维护工作；对多次提醒仍故障不断的运行单位，采取各种行政手段，监督其完善监测系统，提高系统的可靠性，以保证监测数据的真实性。

4.2 大坝安全

大坝安全远程管理平台的预警系统为评判大坝安全状态提供了重要的依据和提示。一旦甄别出反映建筑物工作恶化的监测数据，确认建筑物出现异常后，就应及时反馈电厂，引起足够重视，并督促电厂结合原有的工程地质资料、设计施工资料、日常巡视检查和运行记录，采取合适的科学理论和数学方法对建筑物表现出的异常现象进行合理分析和解释，必要时还要委托专业单位进行专题研究，并组织专家对大坝的安全状态做出客观评价。

4.3 工程实例

某电站大坝为混凝土双曲薄拱坝，共13个坝段，最大坝高103.85 m。工程于2002年4月开工建设，2005年6月3日下闸蓄水。

大坝布置了垂直位移、水平位移、大坝挠度、扬压力、渗流量、绕坝渗流、坝体应力应变、基岩变位、坝体接缝、坝体温度、右坝肩边坡监测、坝区气温、库水位等观测设施。其中坝基扬压力采用测压管监测，分别布置在3号、5号、7号、9号、11号、13号坝段，共计6孔，均深入基岩1.0 m左右。

5号、7号、9号坝段扬压系数超标报警，之后扬压力总体表现为低温季节随着库水位的突然抬高而呈台阶状增加。经分析甄别，认为监测数据真实反映了坝基的工作状态，并将该异常现象及时反馈运行单位。由于扬压力测值增加幅度较大、覆盖范围较广，该现象引起了大坝运行单位的重视，委托相关专业单位开展扬压力偏高原因及其对大坝安全影响的专题研究工作。

该项专题研究工作中采用的分析方式主要有：①通过现场压水试验和孔内摄像查明扬压力偏高测孔主要渗漏水的出水高程。②采用几种不同的计算程序复核大坝设计体型的应力状态，以进一步掌握大坝设计体型的受力情况。③通过对施工资料进行复查，了解混凝土实际强度、封拱温度、灌浆情况等，并查找施工过程中是否存在施工缺陷。④通过对历史监测资料的分析，查清扬压力的变化规律、实测封拱温度场和稳定温度场的分布，并反演坝体混凝土线胀系数和综合弹模。⑤根据坝体实际体型、实测封拱和灌浆温度、实际或反演弹模及线胀系数，对坝体实际应力进行复核。⑥在综合分析总结上述工作基础上，对拱坝扬压力偏高成因做出科学合理的解释，并就扬压力偏高对大坝安全的影响做出评估，最后提出相应的处理建议。