锦屏一级拱坝安全在线监控研究与应用

李啸啸，张 晨，傅春江，冯 涛

（1.雅砻江流域水电开发有限公司，四川 成都，610051；2.国家能源局大坝安全监察中心，浙江 杭州，311122）

0 引言

进入21世纪，我国有一批200～300 m特高拱坝相继建成并投运，其中锦屏一级拱坝坝高（305 m）突破了300 m，是当今世界第一高拱坝。由于特高拱坝规模巨大，无过往经验可供借鉴参考，给大坝运行管理带来前所未有的技术挑战和管理风险，因此，有必要针对特高拱坝开展在线安全监控工作的研究，以实时、客观地掌握特高拱坝的安全状况，为大坝安全管理提供科学依据。

在以往工作中，大坝安全监控一方面由于监测数据出现粗差而易发生错判；另一方面利用单测点的数学模型或制订监控指标不足以准确、可靠地评判大坝安全状态。因此有必要研究、深化大坝安全在线监控技术，并融合信息化技术，打造一款在线监控的“利器”，以便及时、高效地发现和消除缺陷隐患，提升大坝安全日常管理和应急管理水平。

1 工程概况

锦屏一级水电站位于四川省盐源县和木里县境内雅砻江干流上，枢纽建筑物包括拱坝、坝后水垫塘、泄洪洞及地下厂房等。混凝土双曲拱坝坝高305.0 m。泄洪设施由坝身表孔、深孔、放空底孔及坝后水垫塘、右岸泄洪洞组成。引水发电建筑物由进水口、压力管道、主厂房、主变室、尾调室、尾水隧洞组成，电站总装机3 600 MW。电站于2005年11月开工建设，2014年7月机组全部投运，2014年8月首次蓄至正常蓄水位（1 880 m）。运行至今，工程已经历4次库水位消涨完整运行周期，拱坝等枢纽建筑物及近坝库岸边坡运行情况总体良好。

为及时掌握工程运行状态，锦屏一级水电站安全监测范围涵盖枢纽建筑物、近坝库岸边坡等，主要监测项目包括环境量、变形监测、渗流渗压监测等。所有监测信息、水工巡查信息等均通过雅砻江流域大坝安全信息管理系统进行管理和应用。

2 锦屏一级拱坝在线监控方案

锦屏一级拱坝监控方案包括：确定由大坝典型性态和重点部位组成的监控对象集；提出在线监控的技术方案和工作流程；研究开发实用可靠的在线监控系统平台。

2.1 监控对象确定

根据锦屏一级拱坝结构特点和存在的薄弱环节，确定监控对象包括典型性态和重点部位。

典型性态指能表征锦屏一级拱坝综合性态的项目，包括：拱梁变形、横缝变形、垂直位移、垫座变形、坝体应力、坝基扬压力、坝基渗漏量、拱座变形、拱座地下水位、两岸边坡变形等。

重点部位指结构关键部位、缺陷和隐患部位、薄弱部位、安全度偏低的部位（断面）等，包括：坝体应力重点监控部位、左抗力体置换洞及抗剪洞、谷幅变形、变形尚未稳定的左岸边坡、解放沟边坡、三滩变形体等。

2.2 在线监控技术方案

大坝安全监控工作的核心在于大坝安全结构评判。大坝结构评判是一个充满不确定性、多层次、多指标的复杂非线性问题，需要识别与结构安全评判有关的监测、巡视检查和结构安全度等有效信息，通过寻求一种能融合上述不同来源、不同表现形式的信息并符合工程结构原理的实用方法，实现结构安全评判的目标。

在线监控主流程见图1。首先通过有效性检验技术，对监测信息进行有效性检验，然后根据预设的条件启动快速结构计算，最后通过多源信息融合技术，融合监测、巡查和结构计算等信息，综合评判大坝安全状态。

2.3 在线监控系统开发方案

锦屏一级在线监控系统，是在已有的雅砻江流域大坝信息管理系统基础上，增加在线监测管理、结构安全评判、结构快速计算等模块，并辅以结构性态直观显示、即时反馈等功能的在线监控平台。

特高拱坝在线安全监控系统具有数据处理量大、结构复杂、算法要求高、专业技术性强等特点，为了有效达成主要功能目标，系统的技术性能要求稳定可靠、实用高效、操作便捷、易于维护、方便扩展。

3 锦屏一级拱坝在线监控关键技术

3.1 监测数据有效性检验技术[1]

监测数据有效性检验需要通过实用可靠的检验技术，筛除数据系列“噪声”，避免结构安全评判出现错判。为了提高检验技术的精准度和效率，提出了两种新的监测数据有效性检验技术：奇异谱法和局部邻近度法。

基于Toeplitz SSA（以下简称TSSA）的奇异谱法，首先构造监测数据序列的轨迹矩阵，通过一定的算法重构数据序列，再求出重构序列与实测值的残差，最后通过对残差的分析识别异常值。奇异谱法的特点在于不需要人工预先建立数学模型，适用于非平稳过程以及复杂监测数据序列的分析和异常值识别。

局部邻近度法根据待评判数据距正常数据的邻近距离是否大于正常测值的邻近度来判断该测值是否异常。首先需要选定基准数据序列，确定正常测值的局部邻近度，即确定正常局部邻近度阈值。局部邻近度法的优点在于所需要的前期数据序列长度较短，因而可适用于稳定监测时间不长的测点异常值识别。

同时对其他常用的监测数据有效性技术（如统计原理法、统计模型法、灰色系统法、BP神经网络法、改进包络线法等）的特点和适用性进行了分析研究。实际应用中，首先对监测数据的系列特征进行分析，提炼出系列长度、数据序列形态、数据序列质量分布等因素，据此自动分析匹配合适的监测数据有效性检验技术。

3.2 结构安全评判技术[2]

结构安全评判需要将不同来源、不同表现形式的信息进行组织、融合得到评判结论，其本质属于“信息融合”的研究范畴。“信息融合”（或称“数据融合”）的概念最早于20世纪70年代末被提出，目前其应用已从最初的军事领域拓展到智能制造、智能交通、医疗诊断等领域[3-5]。比较常用的信息融合的方法（模型）主要有：Dempster-Shafer证据推理法、粗糙集理论法、贝叶斯估计法、卡尔曼滤波法、加权平均法、模糊数学、神经网络法、规则推理法。

上述方法中，除了规则推理法外，其余均属量化方法（模型）。在大坝安全评判领域，量化方法无法规避以下问题：（1）评价指标需要确定权重，而权重很难确定；（2）评价指标应相互独立，实际很难实现。而规则推理法采用因果关系的表达符合大坝安全评判逻辑，同时也能规避上述问题。

规则推理法，其基本原理为IF[P]THEN[Q]。式中，P表示一组前提条件或状态，Q表示若干结论或动作。规则的含义就是：如果前提P满足，则可推出结论Q（或应执行动作Q）。推理系统一般由三个基本部分组成：规则库、综合数据库和推理机，见图2。

图2 产生式系统基本结构Fig.2 Basic structure of generation system

基于规则推理的大坝安全评判方法，其核心内容是规则库，只有建立符合工程实际和工程师评判逻辑的规则，才能得到客观真实的大坝安全评判结论，切实解决工程安全问题。鉴于此，规则库的建立基于锦屏一级拱坝的结构特点和DL/T 5313-2014《大坝安全评价导则》（以下简称导则）等技术规范的相关规定，以保证推理得到的结论是准确客观的。

3.3 快速结构计算技术[6]

当出现不利工况组合、极端气象条件以及结构出现性态异常或结构产生新的缺陷时，需要通过快速结构计算，以判断结构是否安全及辅助决策。锦屏一级拱坝的快速结构计算采用三维非线性有限元方法作为基本计算方法。

锦屏一级拱坝运行期快速结构计算分析立足于“运行”和“快速”两个关键词展开。一是考虑当前实际环境条件、力学参数、荷载条件、结构特性等因素，进行真实工作性态下的拱坝结构计算分析；二是在不改变其他条件的情况下，实现参数、荷载、结构模型等的快速修正和计算，并实现分析成果的可视化展示。快速计算的实现主要从模型运算、计算条件以及计算结果处理等几方面着手，并主要研究了以下方法和技术：

（1）增量有限元求解方法。拱坝结构计算需模拟施工过程，该步骤将消耗大量计算时间，为实现结构分析的快速性，对施工过程仅计算一次并存储计算成果，后续分析以拱坝施工完成后所处的初始应力状态为计算初始，实现增量求解。

（2）精准快速力学参数反演技术。针对拱坝真实力学参数反演问题，重点对标准遗传算法进行改进，从而提高其搜索效率和精度。此外，还对初始种群的生成、遗传选择以及伪随机数发生器的选择进行了改进。

4 锦屏一级拱坝在线监控系统建设和应用

在线监控系统由在线监测管理、在线结构计算、在线结构安全评判共3个业务模块组成。其业务流程见图1。

4.1 在线监测管理

在线监测管理模块主要提供监测数据录入、查询、数据统计、异常值识别、识别方法定义和设置、缺测反馈、异常值反馈、资料整编、过程线绘制、定期报表等功能。其中异常值识别与反馈是该模块核心功能，系统提供了统计模型、灰色理论、BP神经网络、奇异谱、局部邻近度、改进包络域等多种异常检验方法，由系统根据系列特征自动匹配异常检验方法进行数据异常值识别。系统识别的异常值将被统一标记为“疑似异常数据”。当单个测点持续出现疑似异常数据，则启动反馈机制，通知工作人员检查，查明异常原因。

4.2 快速结构计算

在线结构计算的触发分两类，一类是根据预设的条件自动触发，另一类是以用户提交任务的方式手动触发。自动触发由系统设置好对应触发条件的分析类型和实时的计算荷载，提交至预设有限元模型的云服务器，服务器根据相关计算条件启动后台进行计算，计算完成后相应结果参与结构评判并可供查看和分析。手动触发流程同自动触发，计算类型及荷载可供用户选择和预设。该模块界面见图3。

锦屏一级拱坝的快速结构计算模块提供了两种计算模式，即快速计算和精细计算，其中快速计算（计算用时3～5 min）采用小模型（模型网格体量5万），精细计算（计算用时3～4 h）采用大模型（模型网格体量25万）。每种计算模式下又提供不同计算类型，快速计算模式下提供基本工况、水压荷载、变形参数以及温度荷载敏感性分析四种分析类型，精细计算模式下提供基本工况、水压荷载、变形参数、缺陷（裂缝）敏感性分析四种分析类型。

4.3 在线结构评判

在线结构评判模块主要实现监控对象设置、评判规则管理、监控结果可视化展示和异常反馈功能。可视化展示见图4。

监控对象类型分为建筑物、部位、项目和问题等，通过不限节点级数的节点树对所有对象进行设置和管理，用户可以单测点、测点组、巡检项目、结构安全度项目及其任一组合来灵活设置评判规则。

图3 在线监控系统快速结构计算界面Fig.3 Fast structure calculation interface of on-line monitoring system

图4 在线监控系统可视化展示界面Fig.4 Visual display interface of on-line monitoring system

4.3 应用情况

锦屏一级拱坝安全在线监控系统通过在线监测管理、在线结构计算、在线结构安全评判3个模块的建立，实现在线监控拱坝安全的目标。以测值有效性自动检验与反馈为核心的在线监测管理，大幅降低了以往人工审核数据质量参差不齐、审核不及时的问题，提高了在线结构评判的可靠性；拱坝结构安全度的快速计算，提供了在线结构评判的依据及辅助决策；实时评判拱坝结构安全，及时反馈了水工结构不安全征兆并采取相应管控措施，进一步提高了大坝运行安全管理工作水平。

系统运行以来，整体稳定、性能良好、操作便捷，其采用的架构和模块化设计思想，后续可应用于雅砻江流域已投运的其他电站。

5 结语

文章给出了锦屏一级拱坝安全在线监控技术的设计方案，对包括监测数据有效性检验、快速结构计算、在线结构评判等大坝在线监控关键技术进行了研究，研发了集在线监测管理、快速结构计算和在线结构评判等功能于一体的在线监控系统，并经锦屏一级水电站拱坝工程实际应用，效果良好。

研究和应用表明：在线监控系统能有效助力于实现在线监控技术和管理的有机结合，是管理人员和专家高效发挥作用的辅助工具，但专业技术人员的作用目前仍不可完全替代。大坝安全在线监控工作是大坝安全工作的重要组成部分，大坝运行管理单位应据此修编和制定相关工作制度和考核办法，以确保大坝安全在线监控工作的正常开展。■

[1]崔何亮,张秀丽,王玉洁,等.水电站大坝在线监测管理平台的探索与实践[C].中国水力发电工程学会大坝安全专业委员会2017年会暨“大坝运行安全管理机制理念创新”学术交流会论文集,2017:115-122.

[2]傅春江,张秀丽,沈海尧,等.特高拱坝在线安全评判研究与应用[C].中国水力发电工程学会大坝安全专业委员会2017年会暨“大坝运行安全管理机制理念创新”学术交流会论文集,2017:133-142.

[3]Waltz E L,Buede D M.Data Fusion and Decision Support for Command and Control[J].IEEE Transactions on Sys⁃tems Man&Cybernetics,2007,16(6):865-879.

[4]Comparato V G.Fusion——the Key to Tactical Mission Success[M].International Society for Optics and Photonics,1988.

[5]Hamilton M K.ATR architecture for multisensor fusion[J].Proceedings of SPIE-The International Society for Optical Engineering,1996,2755:126-133.

[6]孙辅庭,张秀丽,沈海尧,等.拱坝在线快速结构分析平台研究与应用[C].中国水力发电工程学会大坝安全专业委员会2017年会暨“大坝运行安全管理机制理念创新”学术交流会论文集,2017:123-132.