基于反演分析的大坝安全监测

［瑞士］M.巴奇 等

自20 世纪70 年代以来，科学技术及结构计算能力取得了长足进步。高速计算机的发展有助于建立庞大的复杂空间数值模型。例如在水电站大坝领域，材料特性(土壤、岩石及混凝土)以及地震时程的非线性模拟已经成为可能。

这种新潜力为进行一系列具有高度详细及众多可能组合的精细而复杂的计算创造了条件。然而，详细程度更高并不一定产生更有意义的结果。由于有大量的有效数据，所以输出结果愈是详细，则愈难以解释。而且，为敏感性分析假定的变化与参数越多，则耗费时间与精力越多。因而在评估参数的相关性方面，敏感性分析变得越来越重要。

大坝性能模拟中的决定性参数众所周知。例如，水荷载引起的变形主要取决于杨氏模量。而温差引起的变形则主要由温度系数决定。这意味着主要可测参数的数据必须保持精确而且相互一致。否则数值模型难以很好校准，从而损害数值计算结果的重要性及有效性。

1 瑞士大坝监测策略

瑞士联邦能源办公室(SFOE)为瑞士大坝安全监管机构。该机构为大坝安全各个方面(包括监控)制定标准及要求。对大坝基本情况及工作性态定期进行分析并形成文件纳入年度报告。大坝专家对大坝可见条件进行检查并对该年度测量结果进行研究。记录大坝异常工作性态并对下一步工作给予建议或进行测量。此外，每隔5 a 进行一次专家评估，对大坝的长期工作性态进行分析并对整体安全进行检查。

除正常监测任务外，知识现状的任何改变也会促使SFOE 要求对现有大坝进行安全性检查。近年来在极端和异常事件方面，尤其在地震学领域都发生了重要变化。SFOE 新方针要求必须对现有的所有大坝在极端地震事件期间的安全性加以验证。按计划预计到2012 年底实现对所有主要大坝的反演分析。

AF－Colenco 公司(现为AF－Consult)对位于伯尔尼州的奥布拉(Oberaar)坝进行了反演分析。奥布拉坝是一座空心重力坝。利用摆锤对6 个坝段的变形进行测量。在不同高度的3 个坝块安装了温度计，还测量了水温及气温，并用测压计测量坝基扬压力。由此得出的资料信息成为数值模型的基础。其他测量仪器，如裂缝和接缝检测仪、水准测量仪、测地仪则给出附加资料，以有助于对结果进行验证。能建立令人满意的模型要归功于成组的仪器设备及大坝业主良好的文献资料管理。

目前已经成功完成了部分大坝的反演分析及地震安全确认工作。其结果在许多方面都有差异，即使参照新标准，这些大坝总体上均具有足够的安全度，至于其他一些大坝，其安全结论仍悬而未决。在某些情况下，大坝业主会利用电站更新改造的机会对大坝地震安全问题采取必要的补救措施。

结合反演分析对大坝整体安全进行检查意义深远。瑞士许多水电站建于20 世纪50、60 年代，不久的将来即需要得到政府的重新特许方能运行。在考虑电站可能扩建升级的同时，现代化方案也值得去深谋远虑。在进行这些大的改造的背景下，全面了解现有大坝工作性态则显得至关重要。

除了业主或当局要求作出的改变外，面对环境改变导致大坝工作性态异常时进行反演分析也必不可少。目前面临的情况是，开挖隧洞引起地下的压力已成主要问题，因其诱发沉降从而导致地面变形。这种情形对有些大型拱坝产生不利影响，例如罗伊(Rawyl)隧道与祖兹尔(Zeuzier)拱坝，圣哥达(St.Gotthard)隧道与圣玛利亚(Santa Maria)拱坝。为了对容许坝基发生这种移动的现有大坝的工作性态作出预测并对其结构承载能力作出结论，要求反演分析能对发生这种事件时的适当行动作出评价。

位于瓦莱斯州的埃莫森大坝是一座高180 m 的拱型坝，现因在其附近要修一座抽水蓄能电站而需进行隧洞开挖。德朗斯(Nant de Drance)抽水蓄能电站的交通隧洞需从大坝附近的湖底穿过，因横切主断层而具有影响地下水位的高渗漏风险。因此，作为监管机构的SFOE 要求对现有大坝在河谷变形条件下的可接受结构性承载能力加以计算。

2 用有限元法进行反演分析

现代工程实践中，大型坝的反演分析通常基于有限元方法(FEM)进行数值计算。许多商品化的有限元计算程序可在市场上买到，其计算能力或多或少类似。大坝水库系统运行复杂，尤其是其长期工作性态。与更简单的模型(如拱坝刚体分析模型或梁格(girder－grid))相比，模型有限元分析允许建一个几何形状限定的大坝实体模型。如此便能对大坝应力分布及变形性态进行详细计算，特别在涉及几何形状复杂的结构方面，包括大坝及坝基3D模型与复杂的材料性质。

下面介绍了实施有限元反演分析的步骤。

2.1 数据搜集

在假设条件较少的情况下，有关大坝及坝基在修建、蓄水及长期运行中搜集的基本资料越多，则模型越接近真实。搜集这些基本资料的费时程度主要取决于相关责任人(运营商、设计师及监督机构)数据管理系统的质量。

所需基本资料包括:几何形状、建筑经历、水文学、地质学、完成的现场调查、混凝土性能、实验室试验结果、所有监控数据及有关大坝工作性态的其他可用数据。如果没有找到这些参数的相关资料，应当重新搜集。此过程会付出时间与代价。有些参数可以进行假设或从相似工程中获得。但每个额外的假设都会使敏感性分析中需要检查的参数数量增加。

2.2 建 模

基于现有资料，可以在相应的有限元程序中为大坝及坝基建一个虚拟模型。可以采用不同类型单元及材料参数。有限元模型包含各种简化，并且仅仅是一种接近于真实的模型(尽管与更简单的模型相比通常是一个更接近的模型)。涉及下列情形更需要简化:数值离散，几何形状(诸如地形条件的简化是将河谷模拟成V 型)，材料性能(线性弹性性能、整体结构性能)及外施荷载(线性隆起情形，地震中分布的扬压力呈线性分布，水为不可压缩的)。

与坝基性能不同，大坝自身材料性能会随时间改变。混凝土抗拉和抗压强度及杨氏模量会随混凝土硬化而增大。在确定数值模型中的参数时必须考虑这些变化。

2.3 校 准

需要对FE 数值模型进行校准来检验模型简化的数量级。通过比较实测的物理性状，如变形及温度分布，对FE 模型假定参数进行验证，必要时须加以调整，从而补偿数值模型精度缺失。该过程中，通过比对实测变形与计算结果，导热系数及坝基与混凝土的杨氏模量都可以在适当范围内得到优化。

2.4 初始应力计算

大坝在正常运行条件下自重与水荷载产生的应力是解释其他异常荷载产生的附加应力的初始基础。因此，确定初始应力分布成为评估大坝未来工作性态以前的关键问题，应认真进行计算，并考虑施工阶段及混凝土温度分布。必须特别关注大坝变形性状的前期校准及材料参数确定，如杨氏模量与热膨胀系数。

2.5 附加应力计算

前面几个步骤的主要目的是尽可能精确复制大坝的实际工作性状，在此基础上，才可能可靠地推算得出大坝未来在环境条件、运行要求及地震荷载改变的情况下的工作性状。

2.6 结果解释

如上所述，计算的应力及变形性状是以材料性能、施工细节及坝基条件等的某些假设为基础的。尽管这些假设已采用数值模型校准的办法加以检验，但仍要求认真解释结果。除了敏感性分析外，还须借鉴类似工程中获得的经验及在真实自然灾害(如地震)中获取的实践知识，这都有助于责任工程师对所获结果进行充分解释。

3 校准所需参数

与输入的几何参数相反，材料参数需要校准以对数值模型进行验证，从而能根据反演分析得出可靠结论。因此，监测有关大坝工作性态的数据对于数值模型校准以及比较模拟工作性态与真实性态来说不可或缺。就大坝及其基础的长期变形与热力性能，并针对某些特定场合(如初期蓄水、地震等)，监控数据应当有效。相关数据越有效，则数值模型校准得越精确。大坝正常运行状态下数值模型校准的监控数据包括:大坝变形、坝基及坝肩变形、坝基的测压管压力、水库水位、坝肩及水库水温以及大坝及坝基温度。

上列数据可能还不够全面，视大坝或反演分析的特定要求，尚需适当补充。

有些较陈旧或中等高度大坝尚缺乏作为可靠数值模型基础所必需的基本仪器(如摆锤)。在此种情形下，若有大地测量数据可用，则应单独根据大地测量数据来分析大坝工作性态。

除了搜集这些数据外，还应作统计评估，识别作用在大坝上的一些荷载的影响，如水荷载、热荷载及徐变效应。否则，有关整个结构变形的数据的重要性就不会很明显。为能校准数值模型，必须根据变形对不同荷载的百分比加以确定。只有如此，相应材料参数，如杨氏模量及温度系数，才能充分校准。

4 关于反演分析监测的建议

建立与校准数值模型所需数据主要可分为3组:

(1)拟建与已建大坝及附属建筑物的布置与设计数据;

(2)大坝正常工作性态数据;

(3)如可得到，任何异常及极端事件的数据，如专门调查地震中大坝异常变形与性状。

要获得良好数据管理，必须考虑大坝全部的这些条件。

在大坝设计及施工期间，要做大量调查工作，而且在前期施工阶段有时要对设计作出决断或改变。故而尤其在施工结束阶段应当做好资料归档工作。所有相关数据应当存档、分类并有序存放。完工的几何形状是大坝建模最重要的资料。由设计工程师对文件资料进行更新是很重要的。施工期间设计上任何变动都需记录在案，如由于岩基质量较低所引起的设计变动，以为后代工程师留下一份清晰连贯的档案。

明确埃莫森拱坝实际施工顺序，是在静载下计算应力分布并进行反演分析的重要基础。该结构在其寿命中(有时达100 a)的任何修复与更新应当用文件资料记录，很好保存且必须包含在建模中。其他重要输入数据集则与大坝及坝基不同材料性质有关。这些数据可能已经在大坝使用寿命期中的不同阶段搜集了。坝基检测主要在施工前完成，大坝材料样品检测在施工之前及施工期间完成。也可能已抽取和检测了另外的混凝土样品，以了解其材料特性，尤其在大坝运行若干年后发现异常性状时。

为获得建立进一步数值模型所需要的可靠数据库，必须实施精确和可靠的监控。应当避免数据链中断，对错误的测量应当立即察觉并应采取一切可能的措施避免此类错误发生。若有些数据丢失，则需用假定数据代替。但由于可能的一些假设具有较大的变化性，这就可能导致结果的意义下降。另外，测量程序应永远保持相同以免造成测量人员之间的误解。即使在设计及施工阶段，监控工作也应及早结合进行。在大坝施工及运行期间应在与其工作性态相关的部位安装观测仪器，以便为将来进行反演分析建立数据库。

必须特别注重观测极端与异常荷载。即使在洪水期间，也应对溢洪道与泄水孔的水位及流量进行测量与计算。地震期间最重要的是要安装加速计并记录变形的自动测量数据。

瑞士的有些大型坝已安装加速度计，由瑞士地震局进行监测。由于这些极端荷载案例非常罕见，且通常持续时间不长，故很难获得大量资料。这就使得事先考虑要安装何种仪器以捕捉到有用资料成为当务之急。水库有计划地降低排水位就是观测大坝异常情况下工作性状的大好时机。由于水库水位下降相对较快(规模较小水库)，所以坝内温度实际上保持不变。该种情况下，应将因水位变化造成大坝变形与热力影响加以区分。

在瑞士，大坝守护员负责观测大坝工作性状。他们每月定期对大坝作测量与视觉检测。通常大坝寿命比守护员的专职期长，因此守护员把知识传承给接任者显得尤为重要。大坝业主则应考虑通过适当的资料归档和数据管理制度把这些资料分级传承下去，并清晰标明各项任务清单及工作说明。

5 结 论

为了能根据计算的应力及变形分布得出可靠结论，必需对数值模型进行校准。虚拟模型与现实之间若缺少这种重要联系，则会导致敏感性分析难以有准确解释。大坝存续期间工作性状数据越真实，反演分析则会显得越有意义及效率。

各相关部门，包括设计师、监管机构及业主在注重水电站整体使用寿命时应采取一种从全局出发统筹考虑的妥善方法。从这方面讲，监测不仅仅只用于应对目前可能发生的异常性状或特殊事件，如有可能，还应考虑未来扩建与改造。这意味着要对所有相关资料的明晰而经过不断更新的数据库进行长期保存。要求各有关人员共同努力，尤其对施工末期情况予以特别关注。这项工作对于今后水电站反演分析非常有益，因而要求工作务必准确有效。当然，同样的要求对于搜集大坝工作性状监测数据与维护仪器设备也适用。

缺乏相应数据库，则不可能对数值模型进行校准。同样，合适的校准也是对现有大坝进行可靠性分析和成本有效分析的良好基础。因此，在水电站建设与运行期间，对大坝进行持续监测始终成为关注的焦点。