（水工结构工程专业论文）姚河坝电站水闸安全监测管理系统研究.pdf

四川大学硕士学位论文 姚河坝电站水闸安全监测管理系统 研究生：文斌 水工结构工程专业 指导教师：陈建康 摘要 水闸作为重要的水利基础设施，在防洪、挡潮、灌溉、供水、环保、航运 和水力发电等方面具有十分重要的作用。然而，在运行过程中由于受到空气、 冻融、水流、污染、风、浪、雨和雪等的长期作用以及施工质量和老化等原因， 水闸安全问题一直是各国政府关注的焦点之一。随着大坝运行时间的增加和安 全监测资料的积累，其资料处理和分析的工作量会随之快速增加。以往由于各 种条件的限制，水电站和水库管理单位的技术人员很难对资料进行及时处理， 一般要委托有关高校、科研单位用较长的时间来完成，难以及时发现工程隐患 并予以处理，以至有可能延误时机，造成重大损失。因此，利用计算机技术， 网络技术和现代坝工理论，建立一套科学、合理的水闸工程安全监测管理系统， 对水闸实施科学、快速动态管理，保证其安全运行，具有十分重大的意义。 本文在收集姚河坝水闸长系列观测资料的基础上，采用比较法、作图法、 特征值统计法和逐步回归等分析方法对该水闸进行了系列的监测资料分析研 究。并结合水闸运行和工程地质条件，对其目前的工作性态作出了评价。 依托四川省姚河坝水电站工程，本文提出并构建了含信息管理系统、监测 资料分析系统、安全分析系统、综合评价系统、输入输出系统等五个子系统的 水闸安全监测管理系统。经笔者查询，类似水闸安全监测管理系统尚未见报道， 具探索性。同时，根据中小型水闸的特点，提出了其安全监测管理单项关键指 标评价体系及三层次、五大类、含2 3 项单因子的综合评价指标体系。针对每个 单项关键指标，根据相关规范及参考类似工程资料，研究确定了其相应的控制 标准。鉴于综合评价指标体系含众多定性、定量因子的特点，提出了水闸安全 监测模糊综合评价数学模式，研究并确定了各因子隶属度的推求方法及采用德 尔斐法与层次分析相结合的指标权重确定原则。 四川大学硕士学位论文 根据姚河坝水闸的工程特点，采用本文研发的安全管理系统软件对典型时 段模拟表明，该工程各单项指标均满足要求，综合评价标度值为0 9 3 0 ，为一 类闸，工作性态正常，与姚河坝水闸近年定检结论是一致的。 本文利用s q ls e r v e r 数据库技术，采用v i s u a lb a s i c 语言，研发了基于 w i n d o w s 环境的姚河坝电站水闸安全监测管理系统软件。该软件具有界面友好， 操作方便，扩展功能优良的特点，具推广实用价值。 关键词：水闸安全监测指标体系综合评价管理系统 四川大学硕士学位论文 t h e s a f e t ym o n i t o r i n ga n dm a n a g es y s t e m o fy a o h e b as l u i c e m a j o r ：h y d r a u l i cs t m c t u r ee n g i n e e r i n g p o s t g r a d u a t e ：w e nb i n a d v i s o r ：c h e nj i a n k a n g a b s t r a c t s l u i c e p r o j e c t s a r ei m p o r t a n tw a t e rr e s o u r c e si n f r a s t r u c t u r ea n dp l a y i n g i m p o r t a n tr o l ei n t h e f l o o dc o n t r o l 、b l o c kt i d e 、i r r i g a t e 、s u p p l yw a t e r 、t h e e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n 、s h i p p i n ga n dh y d r a u l i cp o w e re t c h o w e r e r ，d u r i n gt h e p e r i o do fc i r c u l a t el o n g - t e r mf u n c t i o ns u c ha sa i r ，f r e e z i n g - t h a w i n g ，f l o w ，p o l l u t e ， w i n d ，w a v e ，r a i n f a l l ，s n o w ，c o n s t r u c t i o nq u a l i t ya n da g i n ge t c ，m a n ys l u i c ep r o j e c t s e x i s tas a f ep r o b l e m a l o n gw i t ht h eo p e r a t i o no ft h es l u i c e ，m o n i t o r i n gd a t ai sm o r e a n dm o r e ，a n a l y s i st h e s ed a t ai s v e r yd i f f i c u l t y f o r m e r l yb e c a u s eo fv a r i o u s c o n d i t i o n a l r e s t r i c t i o n ，t h et e c h n i c a lp e r s o n n e lo ft h ep o w e rs t a t i o nc a nh a r d l y h a n d l ei nt i m e g e n e r a l l yt h e yw i l le n t r u s ti tt oc o r r e l a t i v ed e p a r t m e n t ，a n dc o m p l e t e w i t hl o n gt i m e s o ，n o r m a lm e t h o dc a n tm a n a g et h e s em o n i t o r i n gd a t ai nt i m e ，a n d c a n tf i n da n dd e a lw i t hh i d d e nt r o u b l e s s oa st od e l a yo p p o r t u n em o m e n t ，r e s u l t i n g i nu n w a n t e dl o s s t h e r e f o r e ，s e tu pas c i e n t i f i c 、r e a s o n a b l e s a f e t ye v a l u a t i o na n d t h es a f e t ym o n i t o r i n ga n dm a n a g es y s t e mo fs l u i c ep r o j e c t s ，c a ne v a l u a t et h es a f e t y i nt i m e ，i no r d e rt of i n d 、h a n d l e 、r e s o l v ep r o b l e me a r l y ，a n di ti sv e r yi m p o r t a n tt ot h e s a f e t yo p e r a t i o no ft h es l u i c e t h en e t w o r ke n g i n e e r i n ga n da r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e t e c h n i c a l ，p r o v i d e se s s e n t i a lc o n d i t i o nf o rc o m p l e t et h es a f e t ye v a l u a t i o na n dt h e s a f e t ym o n i t o r i n ga n dm a n a g es y s t e mo fs l u i c e b a s e do ng a t h e r i n gt h el o n gs e r i e sd a t ao fy a o h e b as l u i c e ，m o n i t o r i n gd a t a a n a l y s i sw a sd o n eu s i n gt h en o r m a lr e g u l a t i o n sm e t h o ds u c ha sc o m p a r i s o n ，c h a r t ， t h ec h a r a c t e r i s t i cv a l u es t a t i s t i ca n ds t e p r e g r e s s i o na n a l y s i s r e f e r e n c et h er u n n i n g o ft h es l u i c ep r o j e c t sa n dg e o l o g i c a lc o n d i t i o n ，e v a l u a t et ot h ep r e s e n tw o r k s t a t u s w a sd o n e a c c o r d i n gt oy a o h e b as l u i c ep r o j e c t ，s e tu pt h es a f e t ym o n i t o r i n ga n dm a n a g e 四川大学硕士学位论文 s y s t e mo fy a o h e b as l u i c e ，m a i n l yi n c l u d e sa sf o l l o w i n g ：i n f o r m a t i o nm a n a g e m e n t s y s t e m ，t h em o n i t o rd a t aa n a l y s i ss y s t e ma n ds a f ea n a l y s i ss y s t e m ，c o m p r e h e n s i v e e v a l u a t i o ns y s t e m ，i os y s t e m a f t e rm yq u e r y , n o tf i n dt h es i m i l a r i t yr e p o r t ，i ti s e x p l o r e d b a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i co f m e d i u ms m a l ls c a l e ds l u i c e ，s e tu pt h e s i n g l e i t e mk e yi n d e xe v a l u a t i o ns y s t e m a n dc o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o ns y s t e m w h i c hi n c l u d e3l e v e l 、5s p e c i e s 、2 3s i n g l eg e n e s a n dc o n f i r mt h ec o n t r o ls t a n d a r d o f e a c hs i n g l e i t e mk e yi n d e xc o n s u l t i n gt h ec r i t e r i o na n dp r o j e c t si n f o r m a t i o n a l s o ，c o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o no f y a o h e b as l u i c ei nt y p et i m ew a sd o n e ，a n d t h ee v a l u a t i o nv a l h ei so 9 3 4 t h i si n d i c a t et h a ty a o h e b as l u i c es t a n di nf i r s tl e v e l ，i s s a f e t ys l u i c e u s e ds o f t w a r ei s “m i c r o s o f tv i s u a lb a s i c ”t h ed a t a b a s eu s e d ”m i c r o s o f fs q l s e r v e r2 0 0 0 ”t h eo p e r a t es y s t e mi s ”m i c r o s o f tw i n d o w s2 0 0 0 p a p ”t h es o f t w a r e h a sa m i t yi n t e r f a c e ，c o n v e n i e n c eo p e r a t i o n ，f i n ee x p a n df u n c t i o n ，a n dh a ss p r e a d 、 p r a c t i c a l i t yv a l u e k e yw o r d s ：s l u i c e ，s a f e t ym o n i t o r i n g ，i n d e xs y s t e m ，c o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o n ， m a n a g es y s t e m 四川大学硕士学位论文 1 绪言 1 1 水闸安全监测系统研究的目的和意义 我国现有各类水闸5 0 0 0 0 余座。水闸作为重要的水利基础设施，在防洪、 挡潮、灌溉、供水、环保、航运和水力发电等方面具有十分重要的作用。然而， 在运行过程中由于受到空气、冻融、水流、污染、风、浪、雨和雪等的长期作 用以及施工质量和老化等原因，很多： 程存在安全问题。比如混凝土构件外表 开裂、剥落碳化，钢筋锈蚀等老化现象；启闭设备磨损严重，开启不灵活，电 气设备老化，绝缘性能差，启闭能力降低；地基不均匀沉降引起建筑物或构件 开裂、变形、错动；环境水的侵蚀造成表面剥落等。不仅影响着这些工程效益 的发挥，甚至威胁着下游干百万人民的生命财产的安全“。因此大坝的安全监 测对保证大坝的安全运行具有重大意义。 随着大坝的运行，观测资料积累了很多，处理和分析的工作量很大。以往 由于各种条件的限制，水电站和水库管理单位的技术人员很难对资料进行及时 处理，一般要委托有关单位用较长的时间来完成。因此，常规的方法不能对观 测数据做出及时分析，也就不能及时发现隐患并且进行处理，以至有可能延误 时机，造成不必要的损失。 因此，建立一套可靠的、先进的水闸工程安全评价与安全监测管理系统， 能够实时对水闸的安全进行评价以便有问题早发现，早处理，早解决，对于保 证水闸的安全运行，具有十分重大的意义。特别是在汛期出现险情时，系统对 水闸工程的安全运行更能起到关键作用。同时，现代的软件工程、网络工程以 及人工智能技术的快速发展，也为实现水水闸程安全评估与安全监控管理系统 提供了必要的条件。 1 2 国内外研究现状 水利水电工程为国家基础设施，其大坝枢纽安全对国民经济影响重大，因 此，世界各国政府历来都很重视大坝的安全监测管理工作。相关学者及工程界 一直高度关注大坝安全监测资料的分析工作，在大坝安全监测资料分析理论与 方法领域进行了深入而卓有成效的研究。早在1 9 5 5 年，意大利的法那林( f a n e l i ) 和葡萄牙的罗卡( r o c h a ) 等就开始应用统计回归方法来定量分析大坝的变形观 四川大学硕士学位论文 测资料。1 9 7 7 年，法那林等又提出了混凝土大坝变形的确定性模型和混合模型， 将有限元理论计算值与实测资料有机地结合起来，以监控大坝的安全状况。近 2 0 年来，随着计算机技术的快速发展，大坝观测资料的正分析研究也取得了很 大的进步，统计模型、确定性模型及其混合模型在生产实践中取得了广泛的应 用。此外，法国在资料分析方面采用了m d v 方法，即在测值序列中分离出水压分 量和温度分量后，然后对时效和残差的变化规律进行分析，进而评判大坝的安 全状况“”。目前，葡萄牙、法国、意大利、西班牙和奥地利等国家在大坝安全 监测以及相关的各项研究方面不同程度处于国际领先水平。 我国的大坝安全监测资料分析工作起步较晚，最初只以定性分析为主，通 过绘制过程线和最大、最小值等简单特征值的统计来分析大坝的运行性态。1 9 7 4 年以后，在河海大学陈久宇教授等人的开创下，应用统计回归法分析原型观测 资料，并将分析成果加以物理成因的解释。同时对统计模型中因子群，进行深 入研究。根据正常大坝时效的变化规律为初期变化较快，后期渐趋稳定，提出 了各种时效数学模型，如指数模型、双曲线函数模型、对数模型、线性模型等。 8 0 年代初中期，吴中如等从徐变理论出发推导出了坝体顶部时效位移的表达式， 用周期函数模拟水压等周期荷载，并用非线性二乘法进行参数估计。同期还提 出用组合流变模型研究时间效应。近年来，对大坝原型观测资料分析的多种监 控模型相继提出，国内外资料分析工作也逐渐向纵深方向发展。 8 0 年代以来，模糊数学、灰色理论、人工神经网络、遗传算法、虑波法、 小波分析、混沌动力学等各种新理论和方法也逐渐被引入到大坝安全监测资料 分析中来，并取得了一定的成果。 在大坝安全评价方面，我国以往都偏重于工程结构安全系数k 的复核评判。 美、加等国己用s e e d 法及风险值的概念来加以计量。加拿大大坝安全协会( c d s a ) 还制订了全国导则，计算在某时段某一座水坝发生地震、洪水和其他类事件的 总概率：还建议将风险值分解为生命损失和经济损失，成为一个涉及若干技术 学科和多项社会经济领域的十分复杂的课题，需要大量动态信息的数据库和多 种复合数学模型才能较可靠地算出风险值。美国v o nt h u n 提出的风险除了某种 功能失效概率和因此引起的损失两因子外，还增加了不同破坏型式( 如漫顶溃 坝、溢洪道或其他辅助设施破坏等) 发生的概率。我国南京水利科学研究院李君 四川大学硕士学位论文 纯等人在水库大坝总体安全度评价方法中采用水坝总安全度来作为评判标准， 其考虑了坝工结构安全性对社会经济的影响，在一定程度上避免了单纯强调结 构可靠性的片面性，取得了一定的成果。 同时，大坝结构性态数学模型法、层次分析法、模糊综合评价法等方法也 在大坝实测性态安全评价中得到了很好的应用。 1 3 主要研究内容 ( 1 ) 收集姚河坝水电站水闸安全监测资料，采用比较法、作图法、特征值 统计法和逐步回归分析方法等该水闸进行监测资料分析研究，结合其运行情况 与地质条件，评价水闸工作性态。 ( 2 ) 结合姚河坝水闸工程，研发水闸安全监测管理系统，主要包括两大部 分：含信息管理予系统、监测资料分析予系统及安全分析子系统等的水闸安全 监测资料分析系统和中小型水闸安全综合评价系统( 含中小型水闸单项关键指 标评价系统和中小型水闸安全综合评价系统) 。 ( 3 1 研究中小型水闸单项关键指标评价系统和中小型水闸安全综合评价系 统的评价方法和指标的分类、分层及选取原则，并对姚河坝水闸进行安全评价。 ( 4 ) 利用s q ls e n r e r 数据库技术，采用v i s u a lb a s i c 语言，研发姚河坝水电 站水闸安全管理系统软件。 四川i 大学硕士学位论文 2 安全监测内容与分析方法 2 1 安全监测内容 2 1 1 闸坝与基础变形监测 随着水利事业的发展，水利工程的建设加快，水闸安全监测的技术和方法 的发展也日新月异。这其中有在许多大坝中正在使用的常规监测方法，同时随 着科学和技术的发展，出现了很多具有自动化和智能化的仪器和观测手段。所 有这些仪器和观测手段为实现实时监测水闸的安全运行提供了条件。 水闸安全监测系统监测的物理量主要分为原因量和效应量两类。其中原因 量主要包括上下游的库水，温度，自重以及降水等因素。水闸按其本身物理力 学性质对这些影响作出不同的反应，这些反应量也就反映了水闸的运行性态， 我们把这些反应量称为效应量。对这些物理量进行观测得到信息，通过分析就 可以判断大坝的工作性态，及时发现异常情况，以便采取措施，避免事故的发 生。因此水闸的安全监测的内容主要包括以下几方面：闸坝变形监测，基础渗 流量的监测，温度及应力的监测，其他有关量的监测。 通过对这些效应量和原因量的监测，获取观测值并以此为依据对大坝的运 行性态进行实时分析和正确评价是水闸安全监测的主要任务。 一座大坝的构成包括有挡水建筑物、泄水建筑物、引水建筑物等。工程不 但规模巨大，而且在施工及运营过程中，受到其自身的自重、上下游水压力、 温度变化等因素的影响也是巨大的、复杂的。因此，大坝本身及其上下游一定 范围内的地壳都会产生一定的变形。大坝发生的变形如果在设计范围内，使大 坝对外界影响的正常反映，如果变形过大，超出设计允许极限值，就会威胁到 大坝的正常运行。变形监测资料是对大坝运行性态进行评价的比较直观的数据。 因而，变形监测是安全监测系统中最重要的部分之一。 总的来说大坝的变形监测的内容有这几种：水平位移、垂直位移、挠度变 形等。由于库区范围相对较大，建立大坝变形监测系统时，考虑到测量精度的 要求及库区的地壳形变两方面的因素，通常的做法是首先在由于建设水利枢纽 而引起的地壳形变范围之外，设立测量大坝变形的基准点；在水利枢纽附近设 置量测变形的工作基点；在坝体上设置变形观测点，构成有层次的一个监测网。 变形量测工作也是由测量绝对变形和测量相对变形的两个相互补充的部分组 四川大学硕士学位论文 成。 测量绝对变形部分的任务是以基准点为依据，在施工期和运行期内，测量 大坝及其基础在大坝自重、温度、上下游静水压力作用下所产生的绝对变形。 为量测大坝及其基础的绝对变形，一般采用大地测量方法，建立整体联系监测 网，包括测量工作基点的水平位移的平面监测网和测量工作基点垂直位移的高 程监测网。 测量相对变形部分的任务是：在各阶段内，测量大坝及其基础在各种荷载 作用下相对于工作基点的相对变形；或者测量相邻两点或相邻接缝间的相对变 形。相对变形的表现形式有水平方向的位移及张合；垂直方向的升降；挠曲和 转动。为此常规采用的监测方法是在大坝内部设置正垂线、倒垂线、以倒垂线 为工作基点的引张线、测缝针、基岩变形计、垂直位移观测点等。2 。 2 1 1 1 水平与垂直位移变形监测方法 大坝水平方向的变形的监测通常是采用大地测量方法建立平面变形监测 网。即在由建设水利枢纽而引起的地壳形变范围以外选择恰当位置，建立固定 点作为基准点，在此基础上，将所有变形观测基准点和工作基点联系为一个整 体。水平位移监测网首先应保证可获得稳定的绝对基准，这就要求水平位移监 测网的固定点应在距离大坝较远的变形区外。一般距离大坝大约在2 3 公里 外。因此，整个平面变形监测网的施测的工作量就很大，受外界气候条件及累 积误差的影响也大，然而，为了满足位移之中误差不超过2 3 m m 的要求，又必 须限制监测网的规模。所以，在保证测量精度的前提下，常将平面监测网分层。 将一些最重要的工作基点组成简网，以便达到既保证测量精度又及时掌握主要 部位的变形性态，而工作量及费用相对降低的目的。 垂直位移观测是利用专用的仪器设备，连续定期测量水闸工程上的特定测 点在垂直方向上的变化，据以分析水闸垂直方向的状态变化。一般规定，向下 的垂直位移为正值，向上的垂直位移为负值。影响水闸垂直位移的因素很多， 作用在闸身上的各种荷载都有可能引起垂直位移量的变化，也影响垂直位移的 准确性。水闸垂直位移是由于水闸荷重引起的地基沉陷、自重作用下的闸体压 缩变形，以及温度、湿度变化而引起混凝土的涨缩等原因所造成的垂直位移的 四川大学硕士学位论文 异常变化，预示着某种原因或综合影响的发展。以此配合其他有关项目( 上、下 游水位，过闸流量及气温等) 的观测资料进行分析、可以掌握水闸地基的异常状 态，及时发现险情。因此，这是水闸安全监测的基本项目，对判断水闸工程是 否安全和评价其设计施工质量具有重要的意义。 垂直位移观测一般用几何水准测量法，即以起测基点高程为基准，引测水 闸变形前后的测点的高程变化，即为该点的垂直位移。垂直位移观测采用三级 点位、两级控制。这是工程中常用的方法。垂直位移的三级测点必须有专门的 观测设施，即设置水准基点、起测基点、垂直位移标点三种测点。两级控制即 由水准基点校测起测基点，由起测基点观测位移标点。 观测前，先校核水准基点高程、然后将水准基点与起测基点组成水准环线 或水准网进行双环接测。 2 1 1 2 基础岩体变形监测 大坝底部基础岩体的变形，反映了坝体及基础的抗剪能力及整体抗滑能力 的变化，变形过大可能产生向下游的滑动。因此基础岩体的变形监测是很重要 的。通常基础岩体的水平位移分为绝对水平位移和相对水平位移两类。绝对水 平位移是以建立在变形范围以外的固定点为基准的水平位移量，能比较直观地 反映岩体在水平方向的变化，是判断安全程度的重要数据。相对水平位移是以 测点所处位置的初始状态为基准，或者以某个指定点为参照点的水平位移量， 也能反映所在部位基础岩体的运行性状。通常岩体的绝对水平位移量的监测采 用测量设置在坝内倒垂点的绝对水平位移量的方法，它代表了倒垂点锚固处基 岩的绝对水平位移量。而相对水平位移量的监测采用三向测缝计的方法，量测 主要剪切带主滑动面的相对错动位移。 处于一个整体坝块下的基础从浇筑混凝土起，其承受的荷载逐步增加，随 着荷载增长的过程，测量各个测点的高程变化全过程可以掌握各点的垂直位移 量的变化。通常也将基础岩体的垂直位移量分为绝对位移和相对位移两类。绝 对垂直位移指测点对于水准基准点的高程变化，相对垂直位移是测点所在处， 一定厚度的岩体的压缩变化量。绝对垂直位移的监测采用以高程监测网的基准 点为依据，以一等水准的精密水准测量方法进行。相对垂直位移采用埋设基岩 四川大学硕士学位论文 变形计的方法测量，由于考虑到一定的可靠度，埋设变形计要有一定的冗余量。 2 1 1 3 挠度变形监测 测量坝体的挠度变化，在用在若干个重要的部位设置竖井，在竖井中自坝 顶至基础廊道，每隔一定高度设置一个测点或在指定部位发置测点，测量每个 测点相对于基础廊道地板上的那个测点的位置变化。以往大坝挠度的测量通常 采用一线多测点式的正垂线法。目前采用测斜仪代替垂线以便于实现观测数据 在线采集。 21 1 4 变形监测量基准值 变形监测是大坝安全监测中最重要的组成部分。其中，监测水平位移和垂 直位移是最为关键的项目，坝体挠度次之。获取这些监测量的主要意义就在于 求出大坝外形的相对变形量有多大，因此监测量的基准值的意义是很重大的。 因此，这些监测项目的相应的测量设施应按照设计和规范的要求，随着大坝的 施工建设及时埋设完毕，并在竣工后，及时测量相应的基准值。 测量大坝及其基础绝对垂直位移量的高程监测网，应在工程开始施工之前 设置好，测量它的初始值作为基准值。 测量大坝及其基础水平位移量的平面监测网、引张线、视准线、激光准直 线、正垂线等，均应在开始蓄水前埋设安装完毕，测量它们的首次值作为基准 值。用于观测正、倒垂线的坐标仪，要测定它的零点差的首次值，作为以后进 行零点差改正的基准值。观测正、倒垂线的坐标仪，不能无故更换。 测量大坝相对垂直位移量的设施，要随着建筑物施工，同步进行埋设安装， 取得首次值作为衡量该部位垂直位移量的基准值。测缝计的基准值选择混凝土 开始升温时有规律变化的测值作为基准值。 2 1 - 2 基础渗流及水位量测 闸坝及基础在竣工后蓄水后，由于受到上游库水压力，下游水压力，坝体 混凝土温度，时效等因素的影响，大坝本身会受到渗透水流的作用，而这种作 用对建筑物的稳定来讲是不利的，如混凝土坝身渗流产生的i l 隙水压力对坝体 四川大学硕士学位论文 稳定产生影响；通过有缺陷的混凝土的渗透也会影响坝体的抗渗性能：又如坝 基扬压力的大小直接影响坝体的稳定，它抵消了坝体的有效重量等。渗流要素 ( 渗流水头、渗流坡降等) 一旦超过允许值，就会威胁大坝的安全。 大坝的渗流安全监测是为了实时掌握坝身及坝基的渗流状态，判明变化趋 势，及时发现问题，以保证大坝的安全运行。渗流监测的主要注意力集中在剪 切带的演变趋势和渗透稳定性，强透水带的灌浆处理效果及基础渗压力的分布 规律。所以渗流量、渗压力既是渗流监测的基本测试项目，同时也是大坝及其 基础安全监测的主要内容。 通过对大坝建立对渗流量，渗压力以及水质分析等的实时监测，希望能达 到以下目的： ( 1 ) 全面掌握渗流量、渗压力、渗透水质的可能变化及渗透水可能挟带的固 体物质和分泌物的性态，为判断渗透稳定性提供依据。 ( 2 ) 掌握大坝及基础抗滑稳定控制层面处的渗压力分布，据以评价大坝及其 基础岩体的抗滑稳定的安全度。 ( 3 ) 全面掌握基础防渗、排水设施的工作状态及其效果，以便及时维修和作 出必要的处理。 为此，大坝渗流安全监测的项目主要有： ( 1 ) 基础渗流量的测量及水质分析： ( 2 ) 基础渗压力的监测； ( 3 ) 某些关键部位( 如剪切带) 的渗流量、渗压力的大小及演变趋势以及渗透 水的水质分析。 在这些项目中，由于大坝的具体情况，对渗流监测的具体方案有所不同， 但重点通常是剪切带的演变趋势和渗透稳定性、强透水带的灌浆处理效果和基 础渗压力的分布规律。 g y y 型扬压力仪，可用于量测扬压力，精度为测量范围的百分之一；渗流 量监测仪，可用于量测排水管，集水井的渗流量等仪器。渗流量的监测仪器的 埋设及联结质量的好坏都直接影响以后的监测资料的可靠性和准确性，因此应 特别注意。渗压计首先应在实验室内鉴定，埋设后基准值的确定则视具体坝段 的实际情况而定。 四川大学硕士学位论文 大坝在蓄水之后，上下游水位落差，是坝体、坝基产生渗流的原因。同时 水位高度的变化对大坝的变形也有着很大的影响。因此对水位的观测是分析和 预报大坝变形、渗流、应力等情况必不可少的因素。水位观测分地表水位观测 和地下水位观测两部分，常用的观测仪器设备有点测水位计，和遥测水位计以 及水尺等。 2 1 3 应力及温度监测 应力应变的监测是大坝安全监测的主要项目之一。是研究水利工程工作状 态以及估计工程安全状况的重要方法。它和变形监测是大坝安全监测相辅相成 的两个方面。 测量大坝的应力状态，主要采用在要求测量应力变化的部位、构件或钢筋 上埋设各类相应仪器的方法。需要观测的内容一般包括混凝土应力观测；土应 力观测；坝体及坝基渗透压力观测；岩体应力及工程荷载的观测等。 常用的应力应变仪器有：差动式应力计、钢弦式应力计、电阻式应力计等。 施工期混凝土温度实测资料，是有计划地组织混凝土浇筑、并缝、接缝灌 浆等项施工的依据，也是对已有裂缝进行必要处理的依据；混凝土温度变化资 料，更是研究大坝结构、以及基础的变形所必不可少的。因此，必须建立大坝 及其基础的温度测量系统，以便掌握大坝及其基础内的温度分布与温度变化规 律。为有利于分析大坝及基础的变形中由温度变化引起的变形分量，以及分析 大坝及基础的应力状态的变化规律，温度的观测应和变形监测、应力监测相互 配合。 温度的观测内容主要包括气温、水温、以及混凝土温度。常用的仪器有自 计式温度计、电阻温度计等。 2 14 外观变形监测的新方法 近几年来，随着现代测量仪器的发展，许多高新测量仪器和测量方法在大 坝监测中逐渐发挥其优势，如g p s 技术和自动全站仪的在变形监测中的应用， 这些方法大大提高了大坝外观变形监测的自动化程度“”。 随着大坝安全监测自动化的要求和全球定位系统( g p $ ) 的完善，这种新型空 四川大学硕士学位论文 闯测量技术在近几年被引入到大坝变形监测的应用当中来。g p s 技术相对于传 统的大坝变形监测技术，有着很多优点：观测时间短，操作简单，工作量小， 能全天候作业，且便于实现从数据采集到数据处理的全自动化等，在天气条件 较差或者在洪水期g p s 技术更能保证对大坝安全监测的准确和实时性。 g p s 技术在我国的水利工程的中已经得到了实际应用。武汉测绘学院利用 g p s 技术建立了自动化监测系统，将其应用在隔河岩水库大坝的外观变形监测 中。这个系统包括七台g p s 接收机，在大坝两岸建立基准点，其他五台设置在 大坝的变形监测点上，实现了全天候监测。通过采用短基线差分技术和其他一 定的措施，提高了g p s 的静态观测精度。同时，g p s 自动化监测系统还具有变 形分析和显示功能。 a p s + m r d 自动极坐标实时差分监测系统是郑州测绘学院在徕卡的a p s 自动 极坐标测量系统基础上研制开发的。这个监测系统由自动化全站仪，计算机及 相应的软件构成，已在三屯河水库大坝的监测中得到实际的应用。在大坝外观 变形监测过程中，外部环境的变化( 如大气折光等) 对监测精度是有影响的。而 监测系统是以t c a 2 0 0 3 自动化全站仪的极坐标测量系统为基础，虽然t c a 2 0 0 3 全站仪是当今测量精度最高的全站仪之一，它的标称测角精度为0 5 ”，测距 精度为( 1 m m + l p p m ) 自动目标识别在2 0 0 m 距离内优于l m m 。但系统的测量精度 会随着所测边长的加大而降低，不能保证达到大坝外观监测的精度要求。利用 由军测研制开发多重实时差分软件对距离、球气差、方位角进行因素进行了实 时差分改正后，系统的测量精度得到了提高。在2 0 0 m 距离上，坐标测量精度可 达到0 2 m m 。观测数据经过多重差分改正后，变形点的坐标测量中误差达到了 亚毫米，基本可以满足中型的混凝土坝的监测要求进精度。同时，系统还有一 定的数据分析功能。 相对于传统大坝变形监测方法，a p s 监测系统有着许多优点：可实现测量 自动化，操作简单，观测时间短，精度高。同时，相对于g p s 技术，又有着系 统成本较低，系统的的布设较为灵活等特点。因此这种新技术为大坝外观监测 提供了一种新的手段。 o 四川大学硕士学位论文 2 2 监测资料分析方法 监测资料分析内容：一是初步分析，重点判识有无异常观测值，二是根据 特定重点监测时段的工作需要，或上级主管部门的要求，开展较为系统全面的 综合分析。后一种是较深入的综合分析，采用数学物理模型，或地质、结构和 渗流等领域的专门性方法及理论知识，分析工作的成果将作为安全预报、安全 评估、对施工或运行的反馈和技术决策的基本依据和重要组成部分。 在工程出现异常和险情的时段，工程竣工验收和安全鉴定等时段，水库蓄 水、汛前汛期、隧洞通放水、工程本身或附近工程维修和扩建等外界荷载环境 条件发生显著变化的重点时段，通常需要对监测资料进行较深入系统的综合分 析，用以查找存在的安全隐患和原因，分析监测资料变化规律和趋势，预测未 来时段的安全稳定状态，为可能采取的工程决策提供技术支持“”“”。2 。 监测资料的分析方法可粗略分为以下几类： ( 1 ) 定性的常规分析方法。如比较法、作图法、特征值统计法和测值因素分 析法等。 ( 2 ) 定量的数值计算方法。如有限元分析法、反分析方法等。 ( 3 ) 数学物理模型分析方法。如统计分析模型、确定性模型和混合性模型等。 ( 4 ) 应用某一领域专业知识和理论的专门性理论方法。如：边坡安全预报的 斋藤法，边坡和地下工程中常用的岩体结构分析法( 块体理论分析法) 等。“。 2 2 1 监测资料分析的常规方法 ( 1 ) 比较法 通过对比分析检验监测物理量量值的大小及其变化规律是否合理，或建筑 物和构筑物所处的状态是否稳定的方法称比较法。比较法通常有：监测值与技 术警戒值相比较；监测物理量的相互对比；监测成果与理论的或试验的成果f 或 曲线) 相对照。工程实践中则常与作图法、特征统计法和回归分析法等配合使用， 即通过对所得图形、主要特征值或回归方程的对比分析作出检验结论。 f 2 ) 作图法 根据分析的要求，画出相应的过程线图、相关图、分布图以及综合过程线 图( 如将上游水位、气温、技术警戒值以及同坝段的扬压力和渗漏量等画在同一 四川大学硕士学位论文 张大图上) 等。由图可直观地了解和分析观测值的变化大小和其规律，影响观测 值的荷载因素和其对观测值的影响程度，观测值有无异常。 ( 3 ) 特征值统计法 可用于揭示监测物理量变化规律特点的数值称特征值，借助对特征值的统 计与比较，辨识监测物理量的变化规律是否合理，并得出分析结论的方法称为 特征值统计法。 岩土工程问题监测统计中常用的特征值一般是监测物理量的最大值和最小 值，变化趋势和变幅，地层变形趋于稳定所需的时间，以及出现最大值和最小 值的工况、部位和方向等。 ( 4 ) 测值影响因素分析法 例如，在地下工程监测资料分析中，事先搜集整理将爆破松动、开挖施工、 塌方失稳、空间效应、时间效应、各类不良地质条件、地下水作用、衬砌、锚 杆、预应力锚索加固等各重要因素对测值的影响，掌握它们单独作用下对测值 影响的特点和规律，并将其逐一与现有工程监测资料进行对照比较，综合分析， 往往有助于对现有监测资料的规律性、相关因素和产生原因的认识和解释。又 如在边坡工程中，将监测成果曲线归类为：稳定位移、滑动位移和岩体整体位 移、水影响、灌浆不密实、爆破影响、相对位错、岩体松散、钻孔埋深不足、 周期性变化等多种类型，有利于在边坡监测资料分析中分清情况，查明问题， 进行深入分析。 2 2 2 数值计算分析方法 2 2 3 1 统计分析方法 岩土工程的安全监测数据，由于影响因素复杂，不可避免存在的观测误差， 具有不确定性，可当作随机变量处理。统计分析方法就是采用概率论、数理统 计、随机过程等统计分析技术，把监测数据作为随机变量进行处理分析的数值 计算方法。在岩土工程监测资料分析中所引进的统计分析方法有统计回归、方 差分析、时序分析、模糊数学、灰色系统、神经元网格等，其中以统计回归分 析应用最为广泛，方差分析往往配合统计回归分析应用，时序分析在考虑周期 性函数、趋势分析和残差分析时有较明显的优越性，模糊数学、灰色系统、神 四川大学硕士学位论文 经元网络目前主要用于方法考证研究，工程中实际应用尚不多见“。 统计回归分析是目前岩土工程中应用最多的一种数值计算分析方法，它的 主要功能是： ( 1 ) 分析研究各种监测数据与其他监测量、环境量、荷载量以及其他因素的 相关关系，给出它们之间的定量相关表达式。 ( 2 ) 对给出的相关关系表达式的可信度进行检验。 ( 3 ) 笋1 j ) 3 1 影响监测数据各种相关因素的显著性，区分影响程度的主次和大 小。 ( 4 ) 矛f j 用所求得的相关表达式判断工程的安全稳定状态，确定安全监控指 标，进行安全监控和安全预报，预测未来变化范围及可能测值等。 常用到的统计回归分析方法有多元回归、逐步回归和差值回归分析。 2 2 3 2 有限元方法 有限元方法是当前连续介质力学应用最广泛的一种数值计算分析方法，它 可以处理各种岩土介质、不同的地质构造，考虑开挖旋工、安全运行和加固处 理等不同时段的环境及荷载条件，解决岩土工程中所能遇到的结构、稳定和渗 流等各种不同类型的工程实际问题。在岩土工程监测资料分析中，有限元方法 主要应用于：对所研究工程的工作状态、物理力学机理和工程特性的深入分 析；与监测资料做全面系统的对比研究；作为反分析方法和对施工设计反 馈计算的核一g , f n 基础算法；为确定性模型和混合性模型提供有关确定性因子 的基本算法。有限元方法是一种依据能量原理和变分原理，将复杂的连续性介 质力学问题离散化为有限数目的单元进行分析求解的数值计算方法。计算分析 中形成的有限元基本方程为： k 】 6 ) = f ( 2 - 1 ) 式中， k 】= ，。，【b 】r d d v 为总体刚度阵，由各单元刚度叠加得到。 6 、 f ) 分别为节点位移和荷载向量。 有限元计算分析的要点是，由已知条件确定 k 和 f ，然后求解有限元基 本方程，得到基本未知量节点位移 6 ) ，再根据其他力学关系，由 8 ) 计算单 元应力应变。 四i i 大学硕士学位论文 2 2 3 3 解析方法、半解析法和边界元法 在一些特定情况下问题存在解析解，如圆形洞室围岩应力应变，适用于普 氏理论松散岩体的塌落拱计算公式等，则由于解析解不仅简明直观，而且揭示 问题的物理力学机理，故应作为优先选择的计算方法。但是在绝大多数情况下， 由于推导解析解要遇到数学上的困难，目前常用的计算分析方法主要是数值计 算方法。除有限元法外，目前的数值计算方法尚有边界元法、半解析法和耦合 法等。 边界元方法将问题域内的微分方程转化为边界积分方程，借助类似于有限 元方法的离散技术离散边界后形成计算方法，由于离散化引起的误差仅来源于 边界，计算精度较高，并可从边界节点上物理量计算区域内的物理量，从而大 大减少输入数据准备的工作量。缺点是用于分析由多种材料组成的物体或材料 非线性问题时计算过程比有限元方法复杂，占用机时也多。在部分岩土工程弹 性反分析程序中，为了简化计算工程量，其正分析采用边界元方法。该方法在 其他情况下应用较少。 半解析法是为了充分发挥解析解的优点，而把解析和数值计算两种手段有 机结合。耦合法则是将两种不同的数值计算方法互相耦合。从原则上讲，两种 方法都是对原有解析法和有限元方法的改进和发展，但目前两者都仍处于研究 阶段，工程实际应用不多。 2 2 3 4 反分析方法 反分析方法的基本思想是根据现场监测资料，采用与传统力学计算方法相 反的途径，将原计算中假定为已知的物理力学参数作为未知量反解求出。这一 方法将具有宏观和全局效应的变形等监测资料作为物性参数选择和判断标准， 较为有效地克服了已有方法和手段( 包括室内试验和野外现场测试) 因所测取的 岩土材料物理力学参数一般受局部点位影响较大，无法正确在有限元计算中采 用的困难。目前常用的反分析方法可分为正算法和逆算法两类。 反分析方法在岩土工程监测资料分析反馈中的主要作用有：求解岩土介 质物理力学参数；在的基础上校核岩土介质物理力学模式；用于安全预 四川大学硕士学位论文 报和对施工、设计、运行和加固处理的反馈计算分析中。 2 2 3 数学物理模型法 借助数学工具和物理力学原理在监