土石坝变形监测资料分析评价方法研究

罗伦春

泸州市水利电力勘测建筑设计院

土石坝变形监测资料分析评价方法研究

罗伦春

泸州市水利电力勘测建筑设计院

我国已建土石坝大多有安全监测设施，并已有多年的观测资料。除少数有条件的水库实现了用微机进行监测资料的整编工作外，不少水库还在采用工作量大、耗时长的人工整编方法，且质量、标准化和规范化均难以保证，还往往缺乏对监测资料进行分析。

土石坝；安全监测；评价

我国已建多座水库中，绝大多数是20世纪中叶兴建的，由于种种原因，许多水库存在设计水平低、施工质量差等问题，有的已成为病险库甚至发生垮坝事故，对社会生产、人民生活、生态环境带来较大安全隐患或损失。国家在除险加固的同时，十分重视水库安全管理，将安全监测自动化工作作为重要任务来抓，努力通过自动化手段提高水库管理水平，确保水库社会经济效益的实现。该系统克服了以往土石坝安全监测分析软件的缺点，集规范性、专业性、通用性于一体，总体上达到国际先进水平，在基于专家评判的综合分析方面达到国际领先水平。

1 土石坝安全监测技术研究进展

1.1 初期的土石坝安全监测

我国土石坝的原型监测起步于20世纪50年代，80年代末实现了自动化监测，之后发展迅速，但对观测仪器的要求仍以简单可靠、能取得满足精度要求的观测成果为主。90年代后大坝安全监测技术飞速发展，许多大坝完成了自动化监测系统的更新改造，新建土石坝具有了功能较齐全的监测系统。目前土石坝安全监测实现了数据采集、数据管理、在线分析、成果预警的计算机自动化监控。

1.2 系统目标

依据我国《土石坝安全监测技术规范》(SL60-94)、《土石坝安全监测资料整编规程》(SL169-96)及《水库大坝安全管理条例》等规范、规程、条例，结合我国大坝安全管理的现状，确定土石坝安全监测分析评价预报系统研制开发的总体目标是：在借鉴国内外大坝安全监测成熟经验的基础上，提炼、完善、总结出安全监测的技术关键问题和核心内容，充分利用计算机最新软硬件技术，开发出一套具有先进性、可靠性、通用性和可扩充性的土石坝安全监测分析评价预报系统。实现对大坝的自动监测、自动分析和人工干预反馈，准确地描述大坝的整体性态，确保大坝安全，提高水利工程运行效益。

1.3 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。

2 安全监测资料分析评价功能

(1)资料管理

对监测资料进行日常维护，包括资料的录入、修改、删除、查询、异常数据处理和资料备份。

(2)资料整编

按照现行行业标准《土石坝安全监测资料整编规程》SL169-96及其它技术规范的内容和要求对监测资料进行整编，主要有打印各观测项目的考证表和统计表，绘制测压管水位等监测项目的过程线、相关线、位势过程线、浸润线、沉降等值线等。

(3)沉降分析

包括沉降统计模型建立、漏测沉降推算、沉降和裂缝分析。用一元线性回归分析法建立时间单因子最优沉降统计模型，根据该模型相关系数和剩余标准差，对模型回归效果作出定性结论。如模型回归效果良好，漏测时间不长，可用该模型来推算漏测沉降。沉降分析为计算沉降率(每米沉降量)和沉降速率(每年、每米沉降量)。根据最大沉降率和判别标准，应用模糊数学理论判断土石坝坝体发生裂缝的可能性；当沉降速率小于标准值(根据大坝长期观测系列来合理选定)，则测点处沉降已基本稳定。裂缝分析为计算纵向倾度和纵向拉应变。如纵向倾度超过临界倾度，则给出可能存在剪切裂缝的报警；临界倾度和极限拉应变根据坝体材料的土梁挠曲试验获得。如无实验资料，则选用临界倾度和极限拉应变值。

(4)水平位移分析

用逐步回归分析法建立水平位移统计模型，并根据模型的复相关系数就回归效果给出定性结论。该模型考虑了上游水位H1、时间t、上游水位升降速率和日均气温T等4个因子，最高幂次为3次。

(5)测压管水位分析

包括测压管水位滞后时间分析、相关性分析、建立统计模型、位势分析和浸润线分析。通过测压管水位与上游水位H1、下游水位H2、降水量P和渗流量Q等影响因子的相关性分析，确定测压管水位的主要影响因子和影响程度，来判断测压管的好坏，监测资料是否可靠，测点处的渗流状况。同样用逐步回归法建立的测压管水位统计模型包括上游水位H1、下游水位H2、降水量P、日均气温T等4个因子，最高幂次可达3次。根据模型的复相关系数和回归效果，给出定性结论和测压管水位监测资料的可靠性。位势分析则是建立测点渗流位势随时间变化的一元线性模型，根据斜率，判断渗流发展趋势；浸润线分析是对实际浸润线和设计浸润线，以及对各个不同时期的浸润线进行比较，判断坝体渗流状态、渗流发展方向和大坝整体稳定性是否需要重新核算。

该系统研究开发中以土石坝、安全监测资料作为系统调试的数据，其后又在近十座工程中试用，不断完善，目前已形成了较为成熟并可以根据各水库的具体特点和使用要求提供相应层次的系统，具有较强的实用性。

[1] 姜景山. 土石坝安全监测资料分析评价方法研究[D]. 郑州大学，2005.

[2] 满红飞. 土石坝渗流安全性态分析研究及工程应用[D]. 南京水利科学研究院，2009.