基于监测数据分析的大坝安全运行管理探讨

郑敬阳

摘 要：大坝监测数据分析理论和方法的研究与应用已经取得了相当的进展，为保证大坝安全运行发挥了巨大的作用，该文基于笔者多年从事大坝安全分析的相关工作经验，以大坝安全监测数据分析为研究对象，探讨了安全监测数据分析的意义和内容，给出了安全监测数据分析方法，全文是笔者长期工作实践基础上的理论升华，相信对从事相关工作的同行能有所裨益。

关键词：大坝 安全监测 数据 分析

中图分类号：TV62 文献标识码：A 文章編号：1672-3791（2016）10（a）-0009-02

保证大坝安全的措施可分为工程措施和非工程措施两种，两者相互依存，缺一不可。工程措施指采取工程技术手段，对大坝进行加固和维修；非工程措施指通过洪水预报、安全监测等手段，来保障大坝运行安全。由于人们认知水平的局限，大坝的设计和建设不可能做到万无一失，大坝运行中也可能产生安全问题，这样，加强大坝安全监测就成为非工程措施中极为重要的一个方面。

1 大坝安全监测的内容

根据大坝安全监测的目的来分，监测的主要项目有：变形、渗流、压力、应力应变、水力学及环境量等（图1）。其中，变形和渗流监测直观可靠，可基本反映在各种荷载作用下的大坝安全性态，因而成为最为重要的监测项目。另外，对于大坝内部性态进行监测也十分重要，其监测成果可以用来反馈和检验设计方法、评价施工质量。

（1）变形监测。大坝在自重、水压及温度等荷载作用下，会产生坝体变形，变形监测是了解大坝工作性态的重要内容，变形监测主要有：表面变形、内部变形、坝基变形、裂缝及接缝、混凝土面板变形、岸坡位移等。（2）渗流监测。对大坝在上下游水位差作用下产生的渗流压力、渗流量及水质进行监测，主要监测项目有：坝体渗流、坝基渗流、绕坝渗流和渗流量等。（3）压力监测。压力监测主要是对大坝的孔隙水压力、扬压力、土压力和接触土压力等进行监测。（4）应力应变监测。主要包括混凝土应力、应变、锚杆应力、钢筋应力、钢板应变、基岩应变等监测。（5）温度监测。主要是坝体混凝土温度场的监测。（6）水力学监测。主要包括泄水建筑物的泄水压强、泄水流速、流量及水面线观测。（7）环境量监测。环境量监测主要包括上、下游水位、降雨量、气温、水温等项目，主要用于分析环境量对大坝变形、应力、应变、渗流及坝内温度场的影响。大坝安全监测是为了解大坝运行状态及发展趋势，是保证大坝安全运行的重要措施，也是检验设计成果、检查施工质量和认识大坝各种参量变化规律的有效手段。

2 大坝安全监测的意义

大坝安全监测贯穿于大坝施工、首次蓄水、运行整个过程中，具有如下几方面的意义。

（1）满足施工要求，改进施工技术。大坝施工期间的安全监测可以反映施工质量，及时掌握施工期大坝的实际性状，可为在后续施工过程中修改、辛1、充设计和改进施工技术方案提供依据。

（2）监控运行状态，保证大坝安全。一般来说，大坝在运行中的变化都是缓慢和微小的，如果变化一旦明显异常，往往已经对大坝安全构成严重威胁，甚至会迅速发展到无法挽救的地步。通过监测数据分析可以掌握大坝实际工作性态与各种环境影响因素之间的关系，了解大坝各观测变量的波动范围和正常变化规律，当异常情况或不利发展态势发生时可以及时察觉并采取相应的补救措施，从而防止大坝从量变发展到质变破坏，避免重大事故的发生。在遇到大洪水、地震等特殊情况时，可以通过大坝安全监测及时评价大坝的安全状态，做到心中有数从容调度。

（3）检验设计成果，提高设计水平。在坝工设计中，对于大坝未来状况的分析和判断，目前还不能做到与工程实际完全吻合，甚至有时会有较大偏差。由于认识的局限性和实际情况的复杂多变，还不能完全准确地算出大坝上的作用荷载，坝体及基础的物理力学参数更是难以精确确定，坝工设计理论也尚欠成熟完善，结构破坏机理和安全界限等都还不够清楚明确。某些设计常基于某种程度的假定性前提，有些复杂因素也常常加以简化考虑。通过大坝安全监测，就可以检验设计成果是否正确，判断大坝设计情况和实际情况偏差的大小，从而帮助人们提高对有关问题的认识，完善设计理论，提高设计水平。

（4）提供科研资料，发展坝工理论。坝工技术和理论的研究主要依靠理论计算、模型试验和原型观测等手段，由于研究对象的影响因素较多，一般理论计算和模型试验都存在一些假设或简化，特别是对于新型和复杂结构更是如此，大坝原型监测则反映了各种因素的影响，通过对监测结果的分析与反演，可以修正完善理论的不足和模型试验的局限性，近一步提高坝工理论水平，因此，大坝安全监测也是坝工理论革新发展的有效手段。

3 大坝安全监测数据分析

大坝安全监测取得的大量数据为评价大坝运行状态提供了基础，但是，原始观测数据往往不能直观清晰地展示大坝性态，需要对观测数据进行分辨、解析、提炼和概括，从繁多的观测资料中找出关键问题，深刻地揭示规律并作出判断，这就需要进行监测数据分析。

监测资料分析的内容通常包括：认识规律、查找问题、预测变化、判断安全。

（1）认识规律：分析测值的发展过程以了解其随时间而变化的情况，如周期性、趋势、变化类型、发展速度、变动幅度等；分析测值的空间分布以了解它在不同部位的特点和差异，掌握它的分布特点及代表性测点的位置；分析测值的影响因素以了解各种外界条件及内部因素对所测物理量的作用程度、主次关系。通过这些分析，掌握坝的运行状况，认识坝的各个部位上各种测值的变化规律。

（2）查找问题：对监测变量在发展过程和分布关系上发现的特殊或突出测值，联系荷载条件及结构因素进行考查，了解其是否符合正常变化规律或是否在正常变化范围之内，分析原因，找出问题。

（3）预测变化：根据所掌握的规律，预测未来一定条件下测值的变化范围或取值；对于发现的问题，估计其发展趋势、变化速度和可能后果。

（4）判断安全：基于对测值的分析，判断过去一段时期内坝的运行状态是否安全并对今后可能出现的最不利条件组合下坝的安全作出预先判断。

一般来讲，大坝监测资料分析可分为正分析和反演分析两个方面。正分析是指由实测资料建立原型物理观测量的数学模型，并应用这些模型监控大坝的运行。反演分析是仿效系统识别的思想，以正分析成果为依据，通过相应的理论分析，反求大坝材料的物理力学参数和项源（如坝体混凝土温度、拱坝实际梁荷载等）。吴中如院士提到通过大坝监测资料分析可以实现反馈设计，即“综合原型观测资料正分析和反演分析的成果，通过理论分析计算或归纳总结，从中寻找某些规律和信息，及时反馈到设计、施工和运行中去，从而达到优化设计、施工和运行的目的，并补充和完善现行水工设计和施工规范”。综上所述，大坝监测资料正分析中数学模型的研究与应用是实现大坝安全监测及资料分析目的的基础与根本。

4 监测数据分析方法

大坝安全监测数据分析涉及到多学科交叉的许多方法和理论，目前，常用的大坝监测数据分析方法主要有如下几种：多元回归分析、时间序列分析、灰色理论分析、频谱分析、Kalman滤波法、有限元法、人工神经网络法、小波分析法、系统论方法等。下面主要阐述多元回归分析和时间序列分析两种方法。

4.1 多元回归分析

多元回归分析方法是大坝监测数据分析中应用最为广泛的方法之一，最常用的方法就是逐步回归分析方法，基于该方法的回归统计模型广泛应用于各类监测变量的分析建模工作。以大坝變形监测的分析为例，取变形（如各种位移值）为因变量（又称效应量），取环境量（如水压、温度等）为自变量（又称影响因子），根据数理统计理论建立多元线性回归模型，用逐步回归分析方法就可以得到效应量与环境量之间的函数模型，然后就可以进行变形的物理解释和预报。由于它是一种统计分析方法，需要因变量和自变量具有较长且一致性较好的观测值序列。如果回归模型的环境变量之间存在多重共线性，可能会引起回归模型参数估计的不正确；如果观测数据序列长度不足且数据中所含随机噪声偏大，则可能会引起回归模型的过拟合现象，而破坏模型的稳健性。

4.2 时间序列分析

大坝安全监测过程中，各监测变量的实测数据自然组成了一个离散随机时间序列，因此，可以用时间序列分析理论与方法建立模型。一般认为时间序列分析方法是一种动态数据的参数化时域分析方法，它通过对动态数据进行模型阶次和参数估计建立相应的数学模型，以了解这些数据的内在结构和特性，从而对数据变化趋势做出判断和预测，具有良好的短期预测效果。进行时间序列分析时一般要求数据为平稳随机过程，否则，需要进行协整分析，对数据进行差分处理，或者采用误差修正模型。例如，徐培亮利用时间序列分析方法，对大坝变形观测资料进行分析建模得到一个AR（2）模型，并对大坝变形进行了预报，结果表明具有良好的预测精度。涂克楠、张利、郑箫等也利用时间序列对大坝监测数据进行分析，有效地提高了模型对实测数据的拟合能力和预测能力。

参考文献

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