萌山水库大坝安全管理评价研究

王 扬，张 珂

（1.山东省土木工程防灾减灾重点实验室，山东青岛，266590；2.淄博市萌山水库管理中心，山东淄博，255318）

0 引言

近年来，随着恶劣天气和自然灾害的频繁发生，国家对水库大坝安全的重视程度越来越高。但调研发现，在实际管理过程中，许多中小型水库管理部门仍采用较为粗犷、偏向传统的安全管理模式，仅仅停留在人工巡查、观测、调度、处理等方面，没有积极践行水利改革发展的总基调，忽视了信息化建设对水库大坝安全管理能力的提升与优化。而事实证明，水库信息化系统的建设不仅与水库管理单位的安全管理水平有密切联系，同时也对流域范围内的社会稳定和经济发展具有十分重要的影响，因此，开发建设水库信息化系统具有十分重要的意义。

1 萌山水库“智慧水库”综合平台建设内容

萌山水库位于淄博市文昌湖省级旅游度假区、孝妇河一级支流范阳河中游，控制流域面积为288 km2，大坝为砾石砂壳黏土宽心墙坝。2010年对大坝进行了除险加固，2017年又实施了水库增容工程，拆除重建溢洪闸，兴利水位抬高至83.00 m，总库容达9 993万m3，兴利库容达5 840万m3。目前，工程运行情况良好，设计洪水标准为重现期100年，设计洪水位84.11 m；校核洪水标准为重现期2 000年，校核洪水位86.81 m，水库淹没线高程为83.54 m。自2019年第9号台风“利奇马”经过山东产生暴雨洪水后，萌山水库始终处于81.98～83.31 m的高水位运行状态，存在较大的安全隐患。2021年1月1日—2021年10月上旬，萌山水库降雨量为952 mm，同比增长52.56%。其中6—9月汛期降雨量为748 mm，体现出春旱、夏涝、降雨集中的特点，反映出近年来受复杂多变的自然天气影响，安全事故发生的概率也随之增加。

萌山水库于2015年起立项实施萌山水库信息化开发建设，经过5年努力，逐步建成了水库水情测报系统、水库渗流监测系统、洪水自动预报系统、地表水自动检测系统、溢洪闸门自动化控制系统、视频监控系统等，在提高水库安全管控能力方面取得了一定的成效。为进一步提高水库大坝的安全管理水平，响应国家在“提升信息化管理能力”方面提出的“健全水库安全运行监测系统，做好大坝安全监测和雨水情数据汇集，强化监测数据分析研判，健全预警发布机制，及时发布预警信息”的要求，2020年11月，萌山水库管理单位决定实施萌山水库“智慧水库”综合平台建设，有针对性地完善萌山水库大坝信息化系统，以切实提高水库大坝的运行管护能力。主要建设内容包括：

（1）在原有信息化系统的基础上，部署新一代大坝安全自动监测信息管理系统——水库安全运行综合监测分析管理系统。

（2）建成大坝表面变形监测系统和溢洪闸变形监测系统。实现对大坝、溢洪闸的垂直与水平变形的实时监测、动态分析，监测数据自动上传至大坝安全监测管理系统，为水库关键部位增加预警频次，弥补人工观测频次少的缺陷。

（3）升级改造大坝渗流监测系统。实现对大坝坝体、坝基浸润线等关键参数的实时监测，智能感知坝体、坝基内水面的位置并跟踪水面变化，快速将水面位置信息转换为水位数据上传至大坝安全监测管理系统，改善原有的渗流观测设施设备老化、淤积严重等问题，确保采集的数据准确可靠。

（4）建成放水洞综合监测系统。监测放水洞供水涵管的过水流量；采用双频全息时间测量技术，监测放水管振幅和频率变化；采用超声波测量核心技术，准确测量放水洞的过流量。

2 基于“智慧水库”综合平台的萌山水库安全管理评价

萌山水库“智慧水库”综合平台自建成以来，经过2021年汛期的安全运行实践后，在防洪调度及保障民生等方面发挥了很大作用。萌山水库大坝安全管理单位为全面了解“智慧水库”综合平台的建设成效及萌山水库大坝的安全管理水平，于2021年9月组织专家、技术人员对水库大坝进行了安全管理综合评价。首先构建多层次大坝安全综合评价指标体系，然后利用层次分析法确定各因素指标权重，最后邀请专家对“智慧水库”综合平台建设前后两个阶段的大坝安全管理水平进行打分评价，并对所得结果进行对比分析。

2.1 构建萌山水库大坝安全管理综合评价指标体系

根据相关文献，结合水库大坝的特点及专家意见，建立了萌山水库大坝安全管理综合评价指标体系，由目标层（萌山水库大坝安全管理综合评价）、准则层（萌山水库大坝安全综合管理评价的一级影响因素）、方案层（准则层各指标下的二级影响因素）共3个层次组成。各准则层和方案层需要考虑的因素如下。

2.1.1 工程加固改造（B1）

水库大坝的工程质量是决定水库大坝是否安全的基础，坝基、坝体及其他建筑物都是影响水库大坝工程质量的关键部位。要进一步提升安全管理水平，定期对水库大坝进行安全巡查，及时对发现问题进行除险加固，对病险老化的工程部位进行维修改造。主要体现在：大坝坝基岸坡工程除险加固（C11）、大坝坝体工程除险加固（C12）、溢洪闸及放水洞工程维修改造（C13）。

2.1.2 安全运行管理（B2）

水库大坝的运行管理能力是决定水库投入运行使用后能否发挥既定效益的关键。要不断加强管理体制机制建设，完善管理制度，开展管理人员业务培训，更新管理设备，扎实做好各枢纽工程的日常巡检管护及实时调度等各项工作。主要体现在管理制度（C21）、业务培训及操控水平（C22）、管养维护频次（C23）、日常巡检效果（C24）。

2.1.3 防洪调度决策（B3）

水库大坝的防洪能力是工程加固改造成效优劣和运行管理能力强弱的直接体现。要定期做好防洪标准、设计洪水及大坝抵御洪水能力复核等工作，并在洪水来临时准确进行调洪计算，确保洪水来临时及时对水库库容进行合理调节，做出准确决策，避免因溃坝造成的不可估量的生命财产损失。主要体现在设计洪水复核（C31）、防洪能力复核（C32）、防洪调度决策水平（C33）。

2.1.4 渗流监测预警（B4）

水库大坝的抗渗性能和相应的控制措施是决定水库能否安全稳定运行的重要因素。要进一步提升大坝坝基、坝体及其他建筑物的渗流监测预警水平，同时定期巡查大坝的防渗设施和反滤排水设施，及时处置大坝渗流安全隐患初期状况，防止出现坝坡塌陷散浸、坝趾冒水翻砂、坝体与岸坡及其他建筑物连接处漏水等异常渗流现象。主要体现在大坝坝基渗流监测预警水平（C41）、大坝坝体渗流监测预警水平（C42）、溢洪闸及放水洞渗流监测预警水平（C43）、渗流控制措施（C44）。

2.1.5 结构监测预警（B5）

水库大坝的结构强度、变形、稳定是结构安全的主要内容。要进一步提升大坝坝体、溢洪闸及放水洞的变形及稳定监测预警水平，同时定期复核坝顶高程、上下游护坡及泄输水建筑物的相应基本参数是否满足规范要求，及时对运行中影响枢纽工程结构安全的裂缝、塌陷、滑坡等问题做紧急处理。主要体现在大坝坝体变形监测预警水平（C51）、大坝坝体稳定监测预警水平（C52）、溢洪闸及放水洞变形监测预警水平（C53）、溢洪闸及放水洞稳定监测预警水平（C54）。

2.1.6 抗震监测预警（B6）

水库大坝的抗震性能和抗震措施是决定水库在突发地震情况下能否安全稳定运行的重要因素。定期复核结构强度是否满足抗震稳定要求，及时制定并根据实际情况调整完善抗震减灾应急处置预案。主要体现在大坝抗震监测预警水平（C61）、溢洪闸及放水洞抗震监测预警水平（C62）、抗震应急措施（C63）。

2.1.7 金属结构维修养护（B7）

水库大坝的安全运行与泄输水建筑物闸门、启闭机、压力钢管及其他影响大坝运行安全的金属结构是否稳定具有密切联系。要进一步提升安全管理水平，合理布置各金属结构并定期进行安全检查，定期做好闸门、启闭机、备用发电机等试车工作，及时对金属结构在强度、刚度、稳定性等方面存在的问题进行维修、更换、保养，为水库大坝安全运行提供保障。主要体现在金属结构质量（C71）、金属结构运行状况（C72）、配套设施及供电安全（C73）。

综上所述，萌山水库大坝安全综合评价指标体系分为3个层次，由准则层的7个一级因素和方案层的24个二级因素组成，如表1所示。

2.2 运用层次分析法确定各因素指标权重

层次分析法作为一种定性与定量相结合的评价分析方法，运用在水库大坝安全综合评价中，可通过逐一对比分析的方式，对综合评价指标体系中各定性因素进行定量处理。

在建立指标体系后，首先邀请专家、技术人员对每层中各因素进行两两相互比较，根据1-9标度法，构建判断矩阵。然后对每一个判断矩阵计算权重向量W=(w1,w2,···,wn)T和最大特征值λmax，并进行一致性检验，进行层次单排序，最后进行层次总排序。经计算，各指标权重如表1所示。

表1 萌山水库大坝安全管理综合评价指标权重Table 1 The weight of comprehensive evaluation indexes of Mengshan reservoir dam safety management

2.3 萌山水库大坝安全管理综合评价

采用专家直接打分法是目前较为常用、容易操作的安全管理评价方法之一，能够满足此次萌山水库管理单位对萌山水库大坝安全管理进行综合评价的需求。

2.3.1 萌山水库大坝安全管理方案层评价得分

邀请本单位专家、技术人员（研究员2人、高级工程师7人、工程师5人）共14人（均参与了“智慧水库”综合平台建设过程），根据萌山水库“智慧水库”综合平台建设前后两个阶段的安全管理水平情况，对方案层的24个因素在0～10分进行赋值，具体赋值范围及评价标准如表2所示，打分结果如表3所示。

表2 赋值（H）量化指标Table 2 Quantified indicators

表3 萌山水库大坝安全管理方案层评价得分Table 3 Evaluation scores of the scheme level of Mengshan reservoir dam safety management

2.3.2 萌山水库大坝安全管理准则层评价得分

将各方案层赋值情况与对应因素权重相乘后求和，再除以对应准则层因素权重，得出萌山水库大坝安全管理准则层评价得分，如表4所示。

表4 萌山水库大坝安全管理准则层评价得分Table 4 Evaluation scores of the rule level of Mengshan reservoir dam safety management

2.3.3 萌山水库大坝安全管理综合评价得分

“智慧水库”综合平台建设前得分为6.283，建设后得分为8.037。

2.4 “智慧水库”综合平台建成前后萌山水库大坝安全管理综合评价结果分析

（1）随着“智慧水库”综合平台建成，萌山水库管理单位进一步完善了各项管理制度，对管理人员开展了多轮系统培训，提升了业务能力，并在开展大坝日常管养维护及巡检工作时提出了更高要求，对各关键部位所发现的安全隐患及时进行维修养护，因此，管理制度C21、业务培训及操控水平C22、管养维护频次C23、日常巡检效果C24均得到提升。

（2）由于此次升级改造了大坝渗流监测系统，能够实时智能感知坝体及坝基内水面位置并跟踪水面变化，实现测压管水位数据的自动监测及数据采集传输，因此，大坝坝基渗流监测预警水平C41、大坝坝体渗流监测预警水平C42、渗流控制措施C44均得到提升。

（3）由于此次新建了大坝表面变形监测系统和溢洪闸变形监测系统，能够实现对大坝、溢洪闸的垂直与水平变形的实时监测、动态分析，监测数据自动上传至大坝安全监测管理系统，因此，大坝坝体变形监测预警水平C51、溢洪闸及放水洞变形监测预警水平C53均得到提升。

（4）由于此次新建了放水洞综合监测系统，能够实现对放水洞各关键参数的自动实时监测预警，因此，溢洪闸及放水洞渗流监测预警水平C43、溢洪闸及放水洞稳定监测预警水平C54均得到提升。

（5）“智慧水库”综合平台建设前后，大坝安全管理工作部分方面保持一致。一是由于萌山水库大坝已于2010年完成大坝除险加固工程验收，已于2017年实施水库增容工程，对原溢洪闸进行了拆除重建，且对放水洞进行了维修改造，多年来始终安全稳定运行，未发生任何安全事故，因此，大坝坝基岸坡工程除险加固C11、大坝坝体工程除险加固C12、溢洪闸及放水洞工程维修改造C13、金属结构质量C71均未发生变化；二是由于此次未涉及洪水预报系统的升级改造，仍沿用2001年投入使用的洪水预报系统，且多年来相关参数的复核计算、相关指令的指挥调度始终与上级主管部门保持密切联系，因此，设计洪水复核C31、防洪能力复核C32、洪水调度决策水平C33均未发生变化；三是由于此次未涉及大坝、溢洪闸关于环境变量、压力、应力等方面的监测预警，因此，大坝坝体稳定监测预警水平C52未发生变化；四是由于萌山水库地处相对稳定的地质区域，相关地震参数始终依据上级相关部门提供，因此，大坝抗震监测预警水平C61、溢洪闸及放水洞抗震监测预警水平C62、抗震应急措施C63均未发生变化。

综上所述，在运用层次分析法、建设萌山水库“智慧水库”综合平台、分析“智慧水库”综合平台对萌山水库大坝安全管理水平的影响的基础上，得出萌山水库大坝安全管理综合评价结果。“智慧水库”综合平台建成前，萌山水库大坝安全管理水平按照量化指标，综合评价最终得分为6.286，安全管理水平达到“合格”标准；“智慧水库”综合平台建成后，萌山水库大坝安全管理水平按照量化指标，综合评价最终得分明显提升，达到8.029，安全管理水平从“合格”标准提升到“良好”标准。

由此可看出，“智慧水库”综合平台建成后，通过建设多项子系统，部署新一代大坝安全自动监测信息管理系统，实现了多系统整合和数据资源共享，使萌山水库信息化系统进一步完善，萌山水库大坝安全管理水平得到显著提升。但同时反映出，萌山水库在洪水监测预警、地震监测预警、内部监测预警等方面仍存在短板不足，监管存在盲区，可能导致安全隐患不能及时得到处理解决。萌山水库管理单位应尽快补齐这些短板，在下一步的信息化系统建设过程中，加快建设完善洪水预报分析、地震监测、内部监测等子系统，并整合至大坝安全自动监测信息管理系统中，进一步完善萌山水库“智慧水库”综合平台的安全监测设施及应用功能，提高萌山水库大坝安全管理水平。

3 结语

萌山水库“智慧水库”综合平台信息化系统建设完成后，进一步完善了萌山水库信息化系统，使萌山水库的信息化建设实现了质的提升。通过部署新一代大坝安全自动监测信息管理系统，建设多项子系统，实现了多系统整合和数据资源共享，有效解决了数据分析功能不够深入等问题，更好地实现了对水库大坝等关键部位的实时监测和预警，对水库大坝的安全隐患做到“早发现、早预警、早处置”，避免发生重大安全事故。