土石坝安全监测分析评价技术研究

赵 琳

（1.大连理工大学，辽宁 大连 116024；2.辽宁省水利厅，辽宁 沈阳 110003）

1 项目背景及意义

水库工程在抗御洪旱灾害、调蓄利用水资源、提供清洁能源等促进经济社会可持续发展方面发挥着巨大的作用。我国是世界第一筑坝大国，到2009年末已建成各类水库87151座，其中土石坝数量占95%以上。但水库大坝安全整体状况十分严峻，究其原因，除水库工程老化失修原因外，更为严重的是没有建立完善的大坝安全监测分析评价系统和预报预警机制，无法实现对大坝的实时监控，无法及时发现和处理大坝的隐患。经分析论证，开展土石坝安全监测分析评价技术研究与工程应用是解决上述问题的重要途径。综合分析国内外土石坝安全监测分析评价技术研究现状，面临的主要问题如下：

1）大坝健康安全变化的机理负责、规律研究理论尚未成熟；

2）安全监测分析评价手段落后，绝大多数水库仍以人工观测分析为主，安全管理技术力量薄弱，无法及时发现、处理隐患；

3）安全监测系统技术尚不成熟，在线分析评价相关技术不规范；

4）监测系统实施和运行保障关键技术体系尤为不足。

为此，辽宁省科技厅将本项目列为重大科技攻关项目，并得到水利部的大力支持。目前，成果已被列入水利部《重大科技成果推广指导目录》，进入推广应用阶段。

2 主要研究内容与技术路线

开展的主要研究工作和科研内容如下：

1）创新性提出坝体健康监测理念（相当于人体体检），从能够反映和表现坝体健康状态与发展趋势的特性指标体系入手，对各项指标的发展变化规律和坝体健康的影响机理开展系统的基础性研究工作。

2）在深入揭示坝体安全变化规律的基础上，提出坝体安全的超前预警机制，系统研究了以气象预报、水文预报为基础，实现坝体安全超前预报的技术理论和实用方法。

3）在成功开展上述核心理论研究成果的支撑下，利用近5年的工程实践反馈，对坝体评价指标的在线监测、通讯、野外运行保障等关键应用技术进行实践研究。

4）通过构建新系统、建立新机制、研发新工艺等途径，针对各种类型和特点的大坝，研究提出先进、实用的安全监测与分析评价系统解决方案，为成果推广的设计、开发、建设和运行管理提供全面技术支撑。

3 主要研究成果

按照“基础理论→应用技术→实践反馈”的总体思路，课题组开展了大量的研究与实际工作。在基础理论方面，采用调研分析、模型试验、模拟仿真和影响因子分析等方法，开展了坝体健康评价指标体系的研究。运用灰色理论、模糊综合评价模型和人工神经网络模型开发了坝体健康趋势在线评价模型库，成功研发了坝体健康趋势在线评价模型系统。针对不同级别水库调度运用特点，充分运用气象预报成果，分别针对大中小型水库特点建立洪水预报模型，实现水库中短期降水、库水位变化的预报，以此为边界条件结合坝体安全评价模型实现了坝体安全的超前预警机制。在应用技术方面，充分运用传感器、信息、通讯等现代技术手段结合该研究的核心理论成果，成功研发了安全监测分析评价系统，并通过几十项工程实践反馈，攻克了多项困扰大坝安全监测实施和野外恶劣环境长期稳定运行保障的多项技术难题。主要研究成果如下：

1）综合型土石坝安全监测分析评价系统。包含了集数据采集、通讯控制、数据库、标准化整编、分析评价、预报预警等多项功能。实现大坝位移变形、渗流、扬压力等10余项指标的综合采集与管理，开发了大坝裂缝风险、渗流安全、综合评价预报预警等40余项分析评价功能。

2）构建了大坝在线安全综合评价体系。结合坝体安全监测项目建立在线监测指标体系，开发综合评价模型库，实现评价体系的管理、可进行大坝安全发展趋势的实时分析和综合评价支持等功能。分别基于安全评价导则和安全监测项目，构建了在线评价和综合评价2套指标体系，并开发了神经网络等评价支持模型6项：评价体系数据库管理模型；

AHP权重计算模型；专家打分支持模型；BP神经网络评价模型；模糊综合评价模型；灰色关联度评价模型。

3）建立了大坝安全超前预报预警机制。此次研究首次将水库洪水预报与坝体在线安全评价相结合，建立了大坝安全超前预报预警机制，开发了可能最高水位预报模型和坝体安全综合预警模型，实现了坝体安全的超前预警。解决了安全监测工作无法预警的难题，为水库排险避险赢得了宝贵时间，显著提高了大坝安全管理工作的主动性。

4）研发了大坝安全监测系统运行效率保障技术。融合数据转储、触发器、交叉表和视图技术，成功研发出运行效率保障技术模型，彻底解决了长期以来监测系统对海量数据管理与系统运行效率之间的突出矛盾。

5）研发了监测系统实施新技术与新工艺。创新性发明了测压管的精确封堵技术和施工工艺，摆脱了只能在筑坝过程中埋设设备的传统施工模式，弥补了测压管施工工艺的不足，解决了土石坝内部监测设备埋设的问题，在除险加固水库中得到广泛应用。在坝体外部变形监测方面，发明了一套垂向引测技术及新装置，解决垂直控制网大高差数字化精确引测难题。

6）研发了大坝安全监测系统野外运行防护体系。大坝安全监测系统需要在野外恶劣环境下的长期稳定运行，由于系统的实施与运行保障技术不成熟，导致多数系统在运行短短几年后即陷入瘫痪。针对上述难题，研发一套大坝安全监测系统野外防护体系，获得了现场设备保护仪表箱、设备防护密码井盖、综合防避雷等多项专利技术，解决野外无人看护的大坝监测系统防盗、防破坏、防雷等极端恶劣环境运行保障技术。

4 结语

目前，成果已获辽宁省科技进步一等奖，并被列入水利部《重大科技成果推广指导目录》，成为国家首批“水利部科技成果重点推广计划”项目。项目组在国内外开展了广泛的技术交流与推广工作，已在辽宁、安徽、河北、吉林、黑龙江、云南等地区60余座水库和电站推广应用。该成果的推广应用使水库的大坝安全管理水平显著提高，保证了水库防洪与兴利功能的充分发挥，产生的经济效益、社会效益、生态环境效益巨大。

［1］张进平.大坝安全监测资料分析方法及信息处理技术的若干进展［J］.大坝与安全，2003（6）：19-23.

［2］彭虹.大坝安全监测自动化的演进与拓展［J］.大坝与安全，2003（6）：13-18.

［3］郦能惠.土石坝安全监测分析评价预报系统[M].北京：中国水利水电出版社，2002.