基于原型监测的拱坝综合安全评判体系设计及其应用

沈 慧，胡 波，张腾蛟，潘 琳

[南瑞集团有限公司（国网电力科学研究院），江苏省南京市 211106]

0 引言

以往在对大坝进行安全评价分析时，通常采用单个观测量的原型监测资料进行定性、定量分析，并利用各种数学力学方法建立模型，结合人的经验认识对大坝的工作性态予以评价。然而，由于大坝工作条件的复杂性，各个看似独立的效应量之间可能是存在各种联系的。比如当渗流、扬压力出现异常时，可能伴随着坝踵基岩变形的异常；应力应变发生异常时可能引起混凝土裂缝开度的异常……因此，仅用单个监测量进行分析，有时会很难确定某些异常现象。另外，如果发生异常的部位没有布置监测仪器，就很难发现发生异常的原因所在，得出的结论就可能与实际不相符。即使人为分析时考虑了这些因素，但由于缺少量化的方法与标准，这种经验认识很难用于大坝在线安全评估，当大坝出现异常时也难以及时发现。因此，大坝安全评价更需要一套适用于计算机定量分析的方法体系，能对大坝不同部位、不同观测项目所反映出的问题进行综合评价，从而达到智能在线监控的目的[1-4]。

本文以某高寒地区拱坝为例，在对安全监测项目充分研究的基础上，从拱坝的结构特点入手，采用层次分析法，对多级安全评判体系及指标选取进行了详细设计，并将其应用到安全监测分析评估与决策支持系统软件中，为水电站大坝智能在线安全评估提供参考。

1 拱坝安全评估体系设计

由于大坝的坝型不同，其结构特点千差万别，安全监测的项目和内容极也具个性化，因此大坝的结构性态综合评价应当建立一个具有很强针对性的多指标、多层级、多项目的综合评价体系[5]。在对不同的大坝进行结构性态综合评估时，评估系统的构成必然有所不同。需要根据具体大坝的实际进行客观分析，以期构造出一个符合该工程特点的结构综合评估系统。

为监视大坝安全运行，大坝监测系统通常都布置有各类监测项目，这些项目主要有变形、渗流、应力应变和温度监测，还有环境监测及近坝区与大坝安全有关的监测项目等。监测项目一般包含如下的内容：

变形监测：坝体水平位移、垂直位移、挠度（倾斜）、接缝和裂缝、坝基变形等。

渗流监测：坝体渗透压力、坝基扬压力、基岩渗透压力、绕坝渗流、坝体及坝基渗漏量等。

应力应变及温度监测：混凝土应力应变、钢筋应力、钢板应力、坝体及坝基温度等。

与环境有关的监测：上下游水位、气温、库水温、降雨等。

其他监测：近坝区库岸边坡稳定、坝体地震反应、水力学项目等。

为了进行评判层次结构的设计，针对具体工程，首先需要了解该工程的安全监测项目设置，并以此为基础，综合分析各监测项目的监测目标及各项目之间的关联性。

从拱坝的结构和受力特点考虑，拱坝可以看成一根根悬臂梁和一层层水平拱构成。它把上游面的水压力大部分荷载通过拱的作用传递给两岸岩体，而另一部分荷载通过悬臂梁的作用传递至坝底基岩。因此，拱坝的整体安全评价，既要考虑拱向的安全，又要考虑梁向的安全。对于拱向而言，由于它主要依靠两岸坝肩岩体维持稳定，因此，两岸坝肩是关键受力部位，它的稳定性将直接影响到大坝的安全和长期使用。同时，在梁向类似于重力坝，坝基的抗滑稳定性也是影响大坝安全的重要问题，需作为评判项目单独考虑。除此以外，混凝土坝作为挡水结构，其坝身材料混凝土的抗裂性能也是需评估的重点问题。大坝蓄水后的渗流情况，包括渗流量、绕坝渗流是评价坝区渗流的重要监测项目。另外，在近坝区尤其是存在高边坡的工程的边坡稳定性也至关重要，一旦出现事故，将会对施工和运营安全构成极大威胁，后果极其严重，因此，在安全评价时也不能忽视对近坝区高边坡的监测成果的分析工作。

因此，在拱坝的安全评价体系设计中，第一层级可按照评判对象划分为大坝和近坝区。第二层级的评判项目可划分为：拱座的稳定性、坝体拱向的安全性、坝体梁向的安全性、坝基的抗滑稳定性、坝体的抗裂能力、坝区的渗流及近坝岸坡的安全。这些需关注的重点问题分别都有相应的监测手段与其对应，由此产生第三级的评判项目。即用于评价拱座稳定性的监测手段一般包括拱端应力监测和拱座变形监测；用于评价拱向稳定性的监测手段一般包括坝体切向变形、横缝的变形以及拱圈的切向应力监测；用于评价梁向稳定性的监测手段一般有坝体挠度、梁向应力、建基面和基岩变形及坝基的渗流扬压监测；用于评价坝体抗裂能力的监测手段一般有坝体的裂缝、渗压、渗漏以及坝体的应力；用于评价坝基抗滑稳定的监测手段有坝基变形和坝基渗压。再根据工程的实际安全监测设计布置情况，进行更细的划分。比如对应拱端应力的监测项目有设置于拱端的应变计组，对应拱座变形的监测项目有设置于拱座的倒垂，由此形成第四级安全评判项目。最后将安全监测设计布置中的测点一一对应到上述监测项目中，形成测点级的评判层。拱坝安全评价体系层次结构如图1和表1所示。

图1 拱坝安全评价体系层次结构图Figure 1 Structure of safety evaluation system for arch dam

表1 某高寒地区拱坝安全评价体系Table 1 Safety evaluation system of arch dam in a high cold area

续表

根据上述多级综合评估体系设计方法，结合工程具体安全监测设计布置，表1设计了某高寒地区拱坝安全评价体系。

2 安全评估准则与指标

测点级的评估是整个评估体系的基础单元，评判准则的优劣对最终评估结果的准确性影响重大。测点级评估准则的选取可以从以下几个方面考虑。

（1）历史极值准则：根据待评估的测值有没有超过历史最大值（或最小值）判断测点测值是否正常。

当本次测值大于历史最大值，或者小于历史最小值（渗流类除外），即：

则测值评判为异常值，否则为正常值。

式中：yi——实测值；

ymax——历史极大值；

ymin——历史极小值；

ε中——观测中误差，根据规范取用。

（2）监控指标准则：根据待评估的测值有没有超过监控指标判断测点测值是否正常。

监控指标包括关键坝段的水平位移监控指标，帷幕后、排水后的扬压力系数监控指标、关键坝段（重点部位）有应力应变测值的应力指标等。其中，扬压力指标和应力指标可根据有关规范确定或采用设计值。水平位移的监控指标一般用结构分析法或小概率法拟定，其中结构分析法应基于实测资料在对其进行正反分析的基础上用有限元法拟定；小概率法应采用位移监测资料的典型样本（最大值或最小值）用统计检验法拟定。对于其他不宜引用规范和设计采用值的监测对象，如接缝变形、基岩变位、绕坝渗流、渗漏量等，可利用实测资料中每年最大、最小值构造典型子样，采用统计方法（小概率模型）拟定监控指标[6-7]。

（3）监控模型准则：根据待评估的测值有没有超过监控模型的允许范围判断测点测值是否正常。

对各监测效应量建立合理的数学模型进行定量分析，并以该模型为标准，检验监测成果是否超过模型的允许范围，作为评判监测成果是否正常的依据。

当监测量y（t）满足下列不等式时：

式中：σt——监控模型的标准差；

nj——不同值对应于不同的监控等级；

(t)——监控模型估计值。

则评判的结果是正常，不满足则为异常。

（4）变化速率控制准则：根据待评估的测值变化速率与标准时段内测值的平均变化速率进行比较判断测点测值是否正常。

当监测量的变化速率Vi满足下列不等式时：

式中：——标准时段内的平均变化速率；

δv——标准时段内变化速率标准差。

则评判的结果为正常，不满足则为异常。

（5）专家经验值控制准则：根据待评估的测值有没有超出专家经验设定的允许范围判断测点测值是否正常。

当监测量y满足下列不等式时：

式中：[σ1]、[σ2]——允许的最小值和最大值。

则评判的结果为正常，不满足则为异常。

3 准则权重分析

在进行上述检验和分析时，可能会出现矛盾，即用某些准则评判结果为异常，而另一些准则评判为正常。为解决取舍问题，需要进行评判准则的权重分析。

根据《混凝土大坝安全监测技术规范》和国内外专家的经验，以及各评判准则的内涵和重要性，对各评判准则的权重分析如下。

3.1 监控指标评判准则分析

该准则是变形、扬压力和应力的监控指标准则。它依据实测资料，并结合大坝的工作特性，尤其是关键部位，又依据了有关设计和监测规范等综合拟定的指标。同时，在监控应用时，运行单位使用又十分方便，只要判别监测量是否超过监控指标，就可立即识别正常或异常点测值。因此，可作为评判的第一依据。

3.2 特征值（历史极值、变化速率）准则分析

这两个准则主要依据实测资料和大坝长期运行的经验。使用时，只要给出测值过程线以及特征值等随时间和空间分布，就可以非常直观地掌握各监测量的时空分布，从而及时发现异常点测值的时间和部位。

这个准则比较容易掌握，使用也十分方便，在当监测量超过历史极值或变化速率，且又不按原规律变化或产生突变时，就可判断为异常点。因此，在未拟定监控指标时，也可以将此准则作为第一准则。

3.3 监控模型评判准则分析

该准则是目前国内外常用的准则。利用监控模型可以在非最不利荷载组合时及时发现测值出现的异常。但是，实际应用时要求首先建立监控模型，当监测数据不具备建模条件时，该准则就无法应用。

综上分析，评判准则以监控指标（如有）为第一依据；监控模型（如有）为第二依据，特征值（历史极值、变化速率）为第三依据。权重的大小可按其重要性顺序依次赋予。

4 应用实例

某水利枢纽主要由混凝土拱坝、表孔、放水深孔、引水式岸边厂房和过鱼设置等组成。电站装机容量220MW。挡水建筑物为混凝土抛物线双曲中厚拱坝，最大坝高94.0m，为Ⅱ等大（2）型工程。水库正常蓄水位646.0m，总库容2.22亿m3。坝址区地震基本烈度为Ⅶ度。

该拱坝的安全监测项目主要包括：环境量监测、变形监测、渗流监测、应力应变和温度监测、高边坡监测等。

应用南瑞DSIMS大坝安全评估与决策支持系统软件对该枢纽混凝土拱坝进行安全评判[8-10]。采用层次分析法，建立监测成果异常评判、监测项目异常评判、结构部位异常评判以及整体安全性态评价的多级评价体系。

监测量成果评价准则包括历史极值准则、监控指标准则、监控模型准则、变化速率准则、专家经验准则。基于各准则评价结果及准则权重标准，进行综合加权评判，形成“正常”和“异常”的第四级评价结论；基于第四级评价结论和三级评价综合加权标准，形成“正常”“异常”的第三级评价结论。依次向上评价至最高级，根据监测项目异常百分比，评价整体结构物安全性态，评价结论为“正常”“基本正常”“局部异常”“严重异常”“失常”五个等级。部分系统界面截图见图2～图6。

图2 综合评判层次结构展示界面Figure 2 Display interface of comprehensive evaluation

图3 评判准则指标配置界面Figure 3 Configuration interface of evaluation criteria and index

图4 监测量评判结果界面Figure 4 Interface of monitoring quantity evaluation results

图5 监测项目（部位）评判成果界面Figure 5 Interface of project （site） evaluation results

图6 工程安全评判成果界面Figure 6 Interface of project evaluation results

评判层级可以随工程规模及实际需要设置若干层，当评判结果出现异常时，可逐层追溯至底层检查，快速定位到引起异常的原因。

在实际应用中，有些指标（如监控指标上下限、各测点的权重等）很难一次性准确给出，可由专业人员在系统中先设定初值，然后随着对工程结构物认识水平的提高、结合系统运行情况，对这些指标进行动态调整，以期达到最优的效果。

5 结语

基于原型监测成果对某拱坝综合安全评估体系及监控准则、指标选取进行了研究，主要内容如下：

（1）从拱坝的监测项目及结构、受力特点入手，采用层次分析法，建立了拱坝综合安全评估体系。

（2）对监测量评估准则及其具体设置方法进行设计，通过对各准则的重要性分析，形成各准则权重设置的基本原则与思路。

（3）应用南瑞DSIMS安全评估与决策支持系统对某拱坝进行安全评判，可迅速查找到结构异常问题，并通过追溯检查快速定位到发生异常的原因。由于系统具有良好的开放性，今后可根据工程实际情况、理论知识的不断深化、实践经验的不断积累以及工程结构物内外部条件的变化动态调整该评价标准体系，以获得最优评判效果。