基于监测反馈的土石坝实时安全评价系统开发及应用

刘贤鹏，蒋买勇，张艺清，李恳亮

（1.长沙县水利局，湖南 长沙 410100；2.湖南水利水电职业技术学院，湖南 长沙 410131；3.武汉大学水利水电学院，湖北 武汉 430072）

引 言

我国是全球大型水利设施最发达的国家，现有水库近9.9万座，数量居世界首位。据第一次全国水利普查公报，已建水库中约40%为病险水库，病险水库数量大、分布地域广、涉及坝型多、病害险情各异、处理技术复杂[1]。其中，土石坝在我国现有水库大坝中占比达81.77%，大部分水库大坝安全鉴定集中在2008年前后完成，目前正面临新一轮大规模的安全评价任务，而现有安全评价和设计体系中，常规的阶段性安全评价存在间隔期间原始资料缺失、勘探损坏坝体整体性、安全鉴定工作繁重等问题。以基于监测信息实时反馈的土石坝渗透系数的反演分析，获取计算参数，结合FEMFDM水力耦合分析方法，开发了满足监测数据记录、稳定计算、反演分析有效连接，集大坝实时健康管理、安全评价一体的考虑土石坝实时性能演化的综合安全评价系统，并实现工程应用。

1 基于监测反馈的土石坝实时安全评价方法

按照《水库大坝安全鉴定办法》（水管〔1995〕86号）和《水库大坝安全评价导则》（SL 258-2017），水库大坝安全评价工作包括现场安全检查、工程质量评价、运行管理评价、防洪标准复核、渗流安全评价、结构安全评价、抗震安全评价、金属结构安全评价、大坝综合评价等内容[2～3]。其中渗流安全评价、结构安全评价是土石坝安全评价的重点，需根据国家现行规程规范对土石坝进行评价。基于监测反馈的土石坝实时安全评价方法，主要包括以下三个部分：

1）实时监测信息的采集及其分析评价。大坝安全监测资料分析的目的是通过水位、气温、降水量等环境量与变形、裂缝开度、应力应变、渗流压力、渗流量等效应量监测资料的分析，评估大坝安全性态是否正常或发生转异。其分析内容包括监测系统完备性评价、监测资料可靠性分析、监测资料正反分析以及大坝安全性态评估。

2）基于监测反馈的土石坝渗透特性多目标反演分析。结合正交设计[4]、非稳定渗流正分析、BP神经网络[5]以及NSGA-II多目标优化算法[6]，首先以渗透压力、渗透流量等渗流监测数据为变量，建立多目标函数，通过正交设计优化数值计算方案，从而降低反馈分析的计算量；采用抛物Signorini型变分不等式方法对正交设计方案进行非稳定渗流正分析，计算坝体中渗流场的动态演化特征，得到渗透压力和测流点的计算时间序列数据；建立基于BP神经网络的渗透系数输入与渗透压力、流量时间序列输出之间的隐式映射关系，该神经网络可靠性的验证使用拉丁超立方抽样法进行；最后基于NSGA-II多目标优化算法，计算得出坝体渗透系数的Pareto最优解集。该方法针对渗流反分析的唯一性和可靠性问题，将渗流监测数据的实时变化纳入演算范围，引入多目标算法弥补了传统单目标反演方法的不足。

3）实时工程结构性态计算分析评价。根据规范对土石坝工程的渗流稳定、结构稳定及坝坡稳定等进行分析。以规范、标准及专家经验为评判依据，对分析结果进行评价。此部分主要包括土石坝渗流稳定评价和结构稳定评价。

2 土石坝实时安全评价系统的开发设计

2.1 系统功能分析

土石坝实时安全评价系统面向水库管理部门，可用于收集管理土石坝实时监测资料，多维度分析实时监测数据，从而对土石坝实测性态做出评价。

土石坝实时安全评价系统功能包括土石坝实时监测资料的录入、修正、查询、分析以及评价土石坝实测性态等，主体功能如下：

1）监测资料的录入，包括测点编号、监测项目、监测日期、监测值等。

2）监测资料的修改，查询等。

3）基于监测反馈的土石坝渗透特性的多目标反演分析。

4）实时的渗流及变形稳定计算分析。

5）计算分析结果的显示及保存。

6）利用建立的土石坝实时安全评价模型进行预测预报。

7）土石坝实测性态的综合评价。

8）安全评价报告的自动生成。

此外，出于对系统安全性的考虑，还需实现系统用户的管理功能，对用户进行安全认证，管理功能如下：用户名密码登录认证；用户管理，包括新用户注册，用户资料修改，注销用户等。

2.2 系统功能模块设计

根据系统所要实现的功能，按照结构化程序设计的原则将整个系统划分为如图1所示的若干功能模块。

图1 实时安全评价系统结构图

2.3 系统应用程序设计

搭载土石坝实时安全评价系统的应用程序采用结构化设计方法，逻辑上自上而下进行设计，通过可选式下拉菜单调用各独立的功能模块。为保证程序稳定性，利于程序运行维护，各功能模块采用独立式设计，输入输出数据均直接与数据库进行链接，进行可视化处理后指向显示器，不影响其他模块功能。程序模块的编写采用事件驱动编程以简化编程逻辑、减少编程工作量，同时可优化程序结构，提升代码可读性，进一步保证程序质量，降低运维难度。下面简要介绍本系统各模块的功能和设计。

1）登录模块。为提高系统安全性，用户必须通过用户名密码登录认证才能使用本系统。

同时系统会识别用户账号并根据分配给用户账号的权限来启动相应的服务，防止发生越权使用现象。

2）主控模块。通过系统登录认证后，系统进入到主界面，在主界面上可以完成系统所有功能的操作，包括：用户管理、监测资料管理、监测资料分析、实时稳定计算分析、土石坝实测性态综合评价等。

3）用户管理模块。用户管理模块主要是为合理管理用户而设置的。主要功能有：新用户注册、用户注销（删除）、用户资料的修改等。

4）资料管理分析模块。资料管理模块可以完成监测信息采集、监测资料的录入、修改和删除，以及对监测的应力应变、渗流压力、渗流量等效应量监测信息进行分析评价。

5）土石坝渗透性能的多目标反演模块。通过系统实时自动采集的水位、渗漏量等获得渗压和流量测点上的计算时间序列数据，采用NSGA-II多目标优化算法获得土石坝坝体实时渗透系数值。

6）土石坝实时安全评价模块。基于实时监测信息反演分析获得的渗流参数值，通过系统内置的有限元渗流场与有限差分应力场的耦合计算功能，完成对土石坝实时渗流与变形计算分析评价。

7）安全评价报告自动生成模块。自动生成报告模块主要为Word写入功能。将用户所输入的监测资料，生成的关于渗流、沉降变形等计算内容，安全评价结果，根据规范的要求，填入预先设定格式的Word报告模板中，形成完整的报告。以供存档、打印。

3 土石坝安全评价系统的主要功能

基于监测反馈的土石坝实时安全评价系统开发具备以下主要功能：

1）监测信息自动采集与分析。通过计算机自动化对监测数据自动采集水位、气温、降水量等环境量与变形、裂缝开度、应力应变、渗流压力、渗流量等效应量监测信息，对监测资料进行分析，评估大坝安全性态是否正常或发生异常。

2）土石坝实时性态安全评价。通过数据库内置的土石坝渗透系数与力学参数演化模型，使用FEM渗流计算程序与FDM稳定计算程序对实时水位、降雨、气温等情况下的土石坝实时性态进行安全评价。

3）土石坝安全预警。对监测信息与土石坝实时性态稳定计算中出现的异常情况及时进行安全预警。

4）实时安全评价报告自动生成。自动生成报告模块主要为Word写入功能。将用户所输入的监测资料，生成的关于渗流、沉降变形的计算内容，安全评价结果，根据规范的要求，填入预先设定格式的Word报告模板中，形成完整的报告，以供存档、打印。

5）土石坝健康档案。通过预先设定好时间，自动对土石坝实时性态进行计算分析，并自动保存为安全评价报告。将生成的报告按时间存档，可随时查询查看，建成土石坝的健康档案库。

4 土石坝安全评价系统的工程应用

在已开发的土石坝安全评价系统基础上，根据某土石坝己有的实测资料和历史安全评价报告设定该水库大坝的安全评价系统。

1）系统登录界面。系统登陆界面如图2所示，系统通过正确的账号密码进入，默认的初始用户名为“admin”，密码为“admin”，可以进入系统进行密码修改。

图2 系统登录界面

2）系统主界面。系统主界面如图3所示，主界面集成了基本信息输入、渗流与力学计算模型选择、渗流、应力与变形稳定计算、计算结果展示与分析几个部分。

图3 系统主界面

3）工程概况介绍界面。工程简介界面如4所示，工程简介包括工程概况、工程基本资料、工程大事件以及全文检索四个部分。工程概况包括工程的一些主要特性以及介绍；工程基本资料相较于工程概况会更加详细；工程大事件包括土石坝的初建、除险加固、安全评价以及工程曾出现的一些较严重的问题等；全文检索提供了工程的详细资料，并提供了搜索功能供用户查询。

图4 工程概况界面

4）信息录入功能。信息录入模块包括监测信息自动采集与巡检信息的录入。监测信息的采集包括水位、渗流量、应力位移等信息，将各监测断面各监测点的监测值录入，系统可以将录入的信息保存成文档，并可以将输入的历史监测数据生成历史位移变化折线图。巡检信息的录入包括人工巡检结果的录入及土石坝巡检表的生成。见图5。

图5 监测信息采集

5）报告生成功能。报告生成界面如图6所示，在界面的左边，是土石坝的健康档案，包括系统在不同时间段的计算结果，系统默认每天对土石坝的渗流、应力与变形进行一次安全评价，并将安全评价结果保存在数据库当中，通过健康档案管理，管理者可以随时查看不同时间的安全评价报告，并可以通过界面右边的导出按钮，将安全评价结果保存为可供用户使用的安全评价报告。

图6 报告生成

5 结 论

通过土石坝监测资料的多目标实时反演分析，结合FEM-FDM水力耦合分析方法对土石坝渗流、应力与变形进行分析评价，使用Fortran、C#等语言进行编程，开发了基于监测反馈的土石坝实时安全评价系统，该评价系统具备土石坝监测信息自动采集与分析、土石坝实时性态安全评价、土石坝安全预警、实时安全评价报告自动生成、土石坝健康档案管理等主要功能。

开发满足数据监测、稳定计算、反演分析有效连接，集大坝实时健康管理、安全评价于一体的土石坝实时安全评价系统，并实现工程的信息化应用，能有效提高评价准确性和降低评价工作量，保证土石坝长期安全运行，具有广阔的应用前景和良好的示范作用。