运行期水电站大坝安全监测系统评级方法及应用

周建波，王玉洁

（国家能源局大坝安全监察中心，浙江杭州，311122）

运行期水电站大坝安全监测系统评级方法及应用

周建波，王玉洁

（国家能源局大坝安全监察中心，浙江杭州，311122）

在对监测系统可靠性、完备性评价的基础上，提出监测系统评级原则，明确监测系统完备性、可靠性等评价要素的具体内容和标准，并在实际工程中进行应用。

监测系统；评级；监测管理

0 引言

大坝安全监测系统是监控水电站大坝运行安全不可或缺的重要设施，也是大坝运行管理的耳目。根据2015年水电站大坝安全监测工作情况报告，在统计的358座大坝中，有355座设置了监测系统，其中227座大坝采用自动化监测，平均每座大坝设339个测点。上述大坝通过监测系统获取了大量监测数据，为保障大坝安全运行发挥了重要作用。因此保证监测系统可靠运行，全面掌握监测系统运行状况，定期进行监测系统的鉴定评价是非常必要的。在DL/T 5313-2014《水电站大坝运行安全评价导则》中，对监测系统评价已提出了相关的要求，但尚未制定专门的评价标准加以规范。目前监测系统的鉴定评价一般通过现场检查、现场测试、查阅资料等手段，对监测系统的可靠性、完备性进行综合评价[1]。自第二轮大坝安全定期检查以来基本按此方法开展工作，但该方法对整个监测系统状况的描述往往比较模糊，不利于监测管理工作的有效开展；另外有些学者在理论上对监测系统综合评价指标体系进行研究[2-3]，以期能定量对监测系统进行评价，但在实际操作中由于评价层次和评价指标较繁多，各个监测项目、测点所占的权重确定困难等原因，在实际工程中很少应用。

因此，有必要在监测系统可靠性、完备性评价基础上，研究易于理解和方便操作的监测系统评级方法，对水电站大坝监测系统运行状况进行分类，有助于监测系统运行状况的监控和管理工作。

1 监测系统评级原则

大坝安全监测系统由环境量、变形、渗流、应力应变及温度等监测项目组成，按重要性可分为重要监测项目和一般监测项目。重要监测项目是指针对大坝重要部位和薄弱环节、根据大坝实际运行特性和工作性态而确定的监测项目[4]。工程投运以后，随着时间推移，必然会出现部分监测仪器设备性能降低、失效甚至损坏等现象。为此，运行期大坝安全监测要突出重点，从满足大坝安全监控的要求，对重要监测项目需确保其长期可靠，对于一般监测项目，应尽可能保证其正常运行。按照上述原则，通过监测系统综合评价，可将监测系统等级分为a级、a-级、b级、c级，具体评级原则如下：

（1）符合下列条件的监测系统，评定为a级：监测系统完备，涵盖了大坝安全监控的各个部位；重要监测项目仪器设备可靠，方法合适，一般监测项目仪器完好率较高；监测成果精度高，能真实反映大坝运行性态。

（2）符合下列条件的监测系统，评定为a-级：监测系统总体完备，重要部位和工程薄弱环节设有相应监测项目；重要监测项目监测仪器设备总体可靠，方法合适；重要监测项目监测成果精度高，总体能反映大坝运行性态。

（3）具有下列情形之一的监测系统，评定为b级：重要部位和工程薄弱环节缺失监测项目一项；一项重要监测项目监测仪器设备不可靠或方法不合适；重要监测项目监测成果不能反映大坝运行性态。

（4）具有下列情形之一的监测系统，评定为c级：监测系统未设置或未能涵盖大坝主要部位；监测系统运行总体较差，多项重要监测项目监测仪器设备不可靠或方法不合适；监测成果不能反映大坝运行性态。

2 评级要素

从评级原则中可以将评级要素分为完备性和可靠性：完备性可分为整体完备性和重要监测项目完备性；可靠性可分为监测仪器设备可靠性和监测数据可信度。因此，对监测系统进行合理、准确的评级，需准确界定上述评级要素的内容和标准。

2.1 运行期重要监测项目

重要监测项目是根据大坝的实际情况确定的，既有一定共性，更有其个性，不同坝型不一样，同一类坝型也存在一定差异。每个工程由于先天条件、设计原则、施工质量、运行管理等方面存在差异，导致每座大坝的重要部位和薄弱环节都有各自的特点，难以统一界定。经收集和分析已建工程的运行情况，其常规需要布置的重要监测项目见表1。

除进行常规布置外，还有根据工程具体特点所设置的监测项目也是重要监测项目。具体如下：

（1）坝基存在明显地质缺陷，影响大坝稳定或出现应力集中，如缓倾角软弱夹层、顺河向大断层，需设置软弱夹层错动监测，对大断层部位渗压、基础变位等进行监测。

（2）两岸坝肩存在不利地质构造或阶地岸坡，允许渗透坡降较低，需设置绕坝渗流监测。

（3）碾压混凝土坝（中高坝）需设置坝体渗压监测。

（4）直心墙堆石坝基础部位设置廊道的，需设置基础廊道变形监测。

（5）建在深覆盖基础的工程，需设置基础防渗体的变形、渗压等监测。

（6）进行过补强加固或特殊处理的工程，需设置相应的监测项目。

（7）工程边坡稳定对地下水作用比较敏感的，需设置地下水位监测。如存在明显滑动面的，需设置深部变形监测。

表1 各类坝型常规重要监测项目一览表Table 1 List of important monitoring items of various dam types

运行期大坝应根据大坝的实际运行情况，在监测系统评价时需确定重要监测项目，对照大坝监测系统的设置现状，可以确定是否存在漏项、缺项情况，如存在漏项、缺项，则认为监测系统完备性不能满足要求。

2.2 监测仪器设备可靠性

监测仪器设备可靠运行是取得可信数据的基本保证，仪器出厂及安装埋设时，均经过相应的检验，各项指标均符合相关规范要求，但投入运行后受外部条件影响和自身性能下降，导致可靠性降低。因此，日常需通过现场检查外观是否完好，运行条件是否符合仪器厂家要求，现场测试仪器设备性能指标是否满足要求，据此来评价监测仪器设备是否可靠。运行期监测仪器设备性能指标主要考查稳定性和准确性。重要监测项目的可靠性评价内容如下。

2.2.1 大坝水平位移

大坝坝顶水平位移通常采用视准线、极坐标、交会法、引张线、垂线、真空激光等进行监测；坝基水平位移一般采用引张线、垂线、真空激光等进行监测；坝体水平位移主要采用垂线进行监测。现行规范要求，混凝土坝坝顶水平位移中误差限值：重力坝±1 mm、拱坝径向±2 mm、拱坝切向±1 mm；混凝土坝坝基水平位移中误差限值±0.3 mm；土石坝表面水平位移中误差限值±3 mm。可靠性评价内容如下：

视准线、极坐标、交会法：各测点观测墩的外观完好情况，与坝体结合是否牢固，观测方法是否合理，全站仪、经纬仪观测精度是否满足要求及送检情况。

引张线：固定端装置、线体、浮托装置、保护管、挂重端装置等完好情况，线体是否能自由活动，浮船有无搁浅碰壁。现场需对线体进行三角形试验和复位差测试，评价其安装质量和抗干扰性能，对测读装置进行准确性测试，评价其准确性。

垂线：油桶、护管、线体、观测装置等完好情况，倒垂浮力和正垂重锤是否满足要求，线体是否能自由活动，现场需对线体进行复位差测试，评价其安装质量和抗干扰性能；对测读装置进行准确性测试，评价其准确性。

真空激光：发射装置、接收装置、真空管道等外观情况，管道抽真空时间、真空度及保持度、漏气率等是否满足要求；现场需进行短期稳定性测试。

2.2.2 大坝垂直位移

大坝垂直位移一般采用几何水准、静力水准、双金属标、真空激光等进行监测。现行规范要求，混凝土坝坝顶垂直位移中误差限值±1 mm，坝基垂直位移中误差限值±0.3 mm；土石坝表面垂直位移中误差限值±3 mm。可靠性评价内容如下：

几何水准：各测点标芯外观完好情况，与坝体结合是否牢固，观测方法是否合理，水准仪观测精度是否满足要求及送检情况。

静力水准：钵体、连通管完好情况，与坝体结合是否牢固，是否存在漏液，现场需测试评价连通管的连通性及静力水准仪的准确性。

双金属标：钢标、铝标及护管完好情况，评价传感器稳定性。

2.2.3 坝体及坝基渗压

大坝渗压（包括坝体坝基扬压力、绕坝渗流等）一般采用渗压计、测压管、压力表等进行监测。现行规范要求的监测精度为：渗压计±0.5%满量程，测压管±50 mm，压力表等级0.4级。可靠性评价内容如下：

埋入式渗压计：现场需测试传感器测值的短期稳定性。

测压管：孔口装置密封情况，测压管灵敏度，孔内安装渗压计，现场需进行渗压计准确性比测和测值短期稳定性测试。孔口安装压力表的，需对压力表进行卸压归零、升压复位情况检查测试。

2.2.4 渗流量

大坝渗流量一般采用量水堰、容积法等进行监测。现行规范要求渗流量监测精度为：±10%满量程。量水堰可靠性评价主要是：检查堰型是否标准，堰板、堰槽及测读水尺、测针是否规范，水头测量是否准确及流量计算公式是否正确；现场有条件时需采用容积法等进行校测。

2.2.5 监测自动化系统

监测自动化系统按照DL/T 5211-2005《大坝安全监测自动化技术规范》要求，评价测控单位、模块的稳定性、准确性，考核系统平均无故障小时及数据缺失率。

上述评价是针对监测设施自身硬件条件是否满足要求，当仪器设备已失效或者性能下降导致各项指标不能达到规范要求，认为监测设施可靠性较低。对于同一监测对象有多种监测方式或监测设施，以最可靠运行的方式进行评价，其他作为辅助参考，评级时可以不考虑。

2.3 监测数据可信度

监测仪器设备可靠，并不能保证监测数据一定可信，监测数据的获取往往与观测人员有关，如不按规定的要求进行观测，导致测值误差较大，或者缺测、漏测，导致监测数据连续性差，或整编不及时或计算公式错误，难以真实评判大坝运行性态。因此从以下几个方面评价监测数据可信度：

（1）观测是否达到相关要求。如测回数是否足够，测回差是否在限差内。

（2）物理量计算公式、参数、方向规定是否准确。特别关注双金属标计算公式、正垂与倒垂叠加计算公式、垂线测值正负号方向含义。

（3）实测数据过程线是否平顺、合理，毛刺、粗差现象是否显著。

（4）实际观测误差是否符合规范要求。

（5）监测数据连续性情况，是否存在监测频次少或长期缺测现象。

（6）实测的监测成果反映的大坝运行性态是否符合一般规律。

3 应用情况

根据上述评级要素和评级原则，初步对118座大坝的安全监测系统情况进行评级，其中a级和a-级占54%，b级占37%，c级占9%。如四川某大坝，坝顶水平位移、垂直位移均停测，也无渗流量监测设施，被评为c级；又如重庆某大坝，坝顶引张线测值可信度较低，被评为b级。

对于c级监测系统，应进行监测系统更新改造；对于b级监测系统，应尽早安排监测设施的修复或更换；对于a-级监测系统，应加强监测系统的检查维护，适时进行处理；对于a级监测系统，则继续做好日常检查维护工作。

4 结语

综上所述，通过对监测系统的评级，电力企业可以了解监测系统存在问题的实际情况，同时，也有助于开展监管工作，抓住重点进行监管。对于b级、c级监测系统，应及时安排处理或更新改造；对于a-级监测系统，应择机进行处理或加强维护。对于b级、c级监测系统，监管单位和技术服务单位应结合大坝运行安全风险大小，按照分层分级的方式进行监督、检查、指导。

上述方法尚需通过监测系统评价工作进一步完善，同时电力行业应尽早制订相关的监测系统评价规程，使之满足规范化、标准化的需要。

根据《水电站大坝安全监测工作管理办法》（电监安全[2009]4号）规定，监测系统应定期检查，一般为五年一次，可结合大坝安全定期检查进行。但监测系统的仪器设备在较恶劣环境下运行，易损坏，五年一次间隔周期太长，有些监测项目观测精度较低长期得不到解决，建议电力企业应及时对监测数据可靠性进行检查，每年对监测仪器设备进行校验，如自动化-人工比测、传感器短期稳定性测试、垂线、引张线复位测试等，及时发现问题并处理。

随着信息化水平的提高，大规模的远距离传输监测信息已实现，应进一步研究在线监测管理，实时对监测系统工作状态进行自动评判和分级，发现问题及时反馈监测技术人员进行处理，为评价大坝运行状况提供准确可靠的监测资料，保证水电站大坝的运行安全。■

[1]赵花城.运行期大坝安全监测系统评价[J].大坝与安全, 2015(1)：73-76.

[2]何金平,施玉群,吴雯娴.大坝安全监测系统综合评价指标体系研究[J].水力发电学报,2011,30(4)：175-180.

[3]曹文波,刘顶明,肖兰.大坝安全监测系统综合评价方法研究初探[J].水利与建筑工程学报,2009,7(3)：155-158.

[4]关于印发《水电站大坝运行安全信息报送办法》的通知[EB/OL].

作者邮箱：zhou_jb@ecidi.com

Based on the evaluation of reliability and completeness of monitoring system,the rating principle for the monitoring system is put forward.And the contents and standards of evaluation elements, such as completeness and reliability,are defined.The method has been applied in projects.

monitoring system;rating;monitoring and management

TV698

A

1671-1092（2017）02-0014-04

2016-11-08

周建波（1979-），男，浙江平阳人，高级工程师，主要从事大坝安全管理工作。

Title:Rating method of safety monitoring system for hydropower dams during operation and its application//by ZHOU Jian-bo and WANG Yu-jie//Large Dam Safety Supervision Center,National Energy Administration