大坝安全监测详解

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1、论述大坝安全监测分析与数值模拟在水工结构中的应用及新进展一、 大坝安全监测分析1. 大坝监测的内容大坝安全监测的范围应根据坝址、枢纽布置、坝高、库容、投资以及失事后果等确定，根据具体情况由坝体、坝基、坝肩，推广到库区及梯级水库大坝；监测的时间应从设计时开始至运行管理；监测的内容包括坝体结构、地质状况、辅助机电设备及消洪泄能建筑物等。1.1 大坝安全监测的分类11.1仪器监测仪器监测是选择有代表性的部位或断面，按需要使用或安装、埋设仪器设备，对某些物理量进行系统的观测，取得反映建筑物性状变化的实测数据。仪器监测的项目主要有“变形监测”、“渗流监测”、“应力、应变及温度监测”和“环境量监测”。随着

2、监测范围的扩展，诸如水力学监测、地震监测、动力监测等一些新兴监测项目不断涌现。巡视检查监测技术人员通过目视或借助一些专用设备（如在某些部位安装摄像头，辅设人工巡视专用栈道等） 对建筑物现场包括坝体、 坡脚、坝肩、廊道、排水设施、机电设备、船闸、航道、高陡边坡等部位进行查看、比较、分析，进而发现建筑物在施工、挡水、运行中可能危及工程安全的异常现象。它弥补了监测仪器仅埋设在指定部位的不足。而且能直观1地发现某些监测仪器不易监测到的非正常现象 提供有关建筑物安全等一些重要信息，是监测系统的组成部分。巡视检查和仪器监测是不可分割的。巡视检查也要尽可能利用当今的先进仪器和技术对大坝特别是隐患进行检查，以

3、早发现早处理。如土石坝的洞穴、暗缝、软弱夹层等很难通过简单的人工检查发现，因此，必须借用高密度电阻率法、中间梯度法、瞬态面波法等进行检查从而完成对其定位及严重程度的判定。因此，在大坝监测中多数采用两种监测手段结合起来的方法。1.2 大坝安全监测的目的和意义掌握大坝的工作状态。指导工程的运行管理通过大坝的安全监测及时获取大坝安全的第一手资料掌握大坝工作状态，实现对大坝的在线、实时安全监控。在发生异常现象时，分析产生的原因和危险程度，预测大坝的安全趋势。及时采取措施，把事故消灭在萌芽状态中，保证工程安全。12.2验证坝工设计理论和选用参数的合理性到目前为止。因实际情况复杂多变，水工建筑的设计尚不能

4、完全与实际情况相吻合，作用在建筑物上的荷载除水压力和自重力，都难以精确计算。因此在水工设计中不得不采用一些经验系数和简化公式进行计算。通过大坝安全监测认识监测物量变化规律，检验坝工基本理论的正确性、设计方法和计算参数的合理性。验证施工措施、材料性能、工程质量的效果。212.3了解施工期建筑物的状态以保证施工质量分析施工期观测资料。可以了解大坝在施工期间的结构性态变化为后续施工采取合理措施提供信息据此指导施工，保证工程质量。此外施工期的原型监测，不仅服务于施工期，更重要的是它记录了建筑物初期的工作状态。 这对研究大坝工作状态发展的全过程提供了极为宝贵的资料。检验设计与施工。促进坝工科技发展目前研

5、究水工建筑物结构性态的主要手段是理论计算和模型试验。由于影响因素及复杂性，研究时均须作一些假定或简化，致使设计与实际存在差异。通过大坝安全监测的监测资料反映各种因素的影响，其结果可弥补前两种方法之不足，据此对设计理论和方法进行修正，以进一步提高坝工建设技术水平。2. 监测资料分析以及数学模型在获得监测数据后必须进行资料分析。资料分析可以分为定性分析与定量分析两部分。定性分析通常包括：对实测资料中有代表性的主要测值信息进行基本特征值统计进行对比分析，如将新监测值与历史同条件侧值进行对比，等等；绘制实测仍变化防线及相关测项对应曲线，并以这些为基础对被监侧体的状态进行初步定性识别，同时可考察测值的真

6、实性，识别内仪器失效、观测失误等因素造成的明显不合理资料。定量分析则需要从力学、数学等方面人手。从定量角度较为深入、详细地揭示资料所含的信息，描述内在规律，进行顶测、评判和反演等。大坝及其基础是开展安全监测分析最为系统的工程对象之一。作3为具有悠久建筑史的大坝其安全从古至今一直备受关注。随着测录技术、观测方法的发展，这些技术逐步应用到大坝工程使大坝的安全监测工作发挥出巨大作用，如今大坝的建设、运行和安全监测已经密不可分。在大型工程中，安全监测的系统实施往往成为一项关键工作。与同类程相比，大坝安全监测的发展相对完善、技术也较为先进。先进性体现在监测项日的设置及其配套仪器的开发应用 以及收测资料分

7、析处理的系统性方面。在监测项目上，大坝主要设置有：变形状测渗流监测，应力应变监测，温度监测，工作条件监测，以及地震、坝区岸坡稳定等共他监测项口。大坝的变形监测包括水平位移与挠度、竖直位移、倾斜、裂缝及接缝、土体因结等。水平位移挠度监侧采用较多的是基准线法，包括垂线、引张线、视准线和激光准量线另外，也有采用边角网与交会点法、导线法等大地测量方法，以及采用相对位移计、测斜仪等设备进行监测。坝体垂直位移监侧经常采用的是几何水准测量法和静力水准测量法。 在坝基中，经常采用多点位移计监测沿测孔方向的位移。倾斜监测会直接法和 N接法，直接法是采用气泡倾斜仪或遥测倾斜仪测量大坝的倾斜角，间接法是通过坝体其他

8、种类位移监测来间接获得大坝的倾斜员。 裂缝及接缝的除测可以采州设置金属标点及洲缝计等方式： 十石坝坝体的固结和沉降可以采用沉降仪测量坝体高程点的高群变化 进而计算坝体固结度和沉降量。常见的大坝渗流监测项目有：扬压力监测、渗流压监测、绕坝渗流4监测、渗流量监测和渗流水质监测等。扬从力指水头对坝基面上产生的渗透尺力从足水对坝基间卜产生的浮托力。对于混凝土坝从扬压力的大小可以判断灌桨和排水系统的效果，如果超过设计值，对大坝安伞是个利的。观测扬压力一般采用测压管或孔隙压力计。目前大坝监测资料分析及安全监控中所采用的模型方法主要是统计模型、混合模型和确定性模型。针对单点模型的局限性 ，张进平等提出了分布

9、模型的概念 。以处理同一监测量多个测点的监测信息。这一模型方法在因子集的确定、 模型评价方法等方面已形成了较完整的建模体系目前 ,多测点模型已得到了较广泛的应用。结构材料所在传统监控模型的完善、改进多方面取得了研究成果。例如，对监测量影响因素因子集的扩充 。各种类型时效分量的因子设置 , 考虑渗流滞后影响因素渗流分析模型等。 这些研究成果提高了传统模型的分析能力 ，有利于监测数据的深入分析。又如 ，传统模型大多针对运行期 , 为满足施工期安全监测的需要 , 开展了适用于施工期监控数学模型的研究 。例如针对二滩、龙滩等大型工程施工期监控模型的研究 。这些研究成果扩大了监控数学模型的应用范围。 张

10、进平等还提出了冻胀因子进行变形监测资料分析，其拟合效果优于或接近传统模型 ；模型的物理意义更为明确合理 ，可以对季节性冻胀的影响进行直接分析 。对变化量值进行一定的估计 ，与传统模型比较 ，冻胀模型回归结果中的水位分量、时效分量相差不大。对于东北地区例如丰满这样冻胀问题较为严重的大坝及地处高寒地区的混凝土坝 ，有必要采用考虑冻胀因子的模型进行分析，以了解及评价冻胀对变形性态的影响 ，对其老化评估也很有意5义。3大坝安全监测分析及数值模拟的发展历程3.1 有限元法与监测模型在 1943年，Courtant 第一次尝试应用在三角形区域上的分片连续函数和最小势能原理相结合来求 St.Vena 扭转问

11、题。在 1956年， Turner ，C1ough等人在分析飞机结构时， 将刚架位移法推广应用于弹性力学平面问题，这次成功的尝试大大推动了有限元方法的应用，进而在1960年，Clough进步处理了平面弹性问题，并第一次提出了“有限单元法”的名称。有限单元法随着计算机技术的发展而迅速发展 到 20世纪 70年代初，有限单元法在理论上已基个成熟， 在当前连续介质力学研究领域应用极其广泛并陆续出现商业化的有限元分析软件，它们往往以功能强、使用方便、计算结果可靠和效率高等优势成为许多行业的分析工具， 同时，针对不同工程分析需要，一些专门有限元分析软件或模块也逐步开发。在水利、岩土及相艾工程中，有限元被

12、广泛用来处理多种岩土材料、不同的地质构造条件的问题，以及考虑开挖或填筑施工、安全运行期和加固处理小的分析问题，涉及重力坝、拱坝、土省坝、边坡，以及洞室、水闸、升船机等对象、实际上，对于几乎所有的复杂水利及岩土工程问题，有限元法已经成为设计、分析的主要选择对象。有限元的基本思想是把需要求解的连续区域离散化为有限数目、按一定方式相互联结在一起的单元进行求解。 单元的联结方式和形状可以不同，所以便于求解复杂几何形状的求解区域。有限元求解的一个特6色就是以单元内的假设近似函数来表示待求解的区域的未知场函数。 近似函数一般由未知场函数在单元的各个节点的数值和插值函数来表尔，于是将连续酌区域求解问题转化为

13、有限自由度求解的问题， 求解出这些离散后的未知量，就可以通过插值函数得到单元内场函数的近似值，从而扩展得到整个待求解区域的近似解。日前在有限元计算与监测模型结合方面，研究成果最多、应用最广的是大坝及其基础工程，对其他工程 ( 如边坡等 ) 也有研究，主要的思路与大坝及其基础工程是相似的，但针对具体对象时，数值计算的细节处理、监测模型具体构造和求解方法应视情况适当调整。例如，运行期的重力坝在结合有限元计算建立监测模型时， 考虑的主要荷载主要是水压、温度和时效，而目前应用最多的是水压确定性模型，也就是以不同水压高程为工况进行有限元分析，然后建立确定性监测模型；有限元计算和安全监测模型的结合应用主要

14、在于： 以有限元计算结果为基础，采用安全监测数学模型建模方法建立确定性模型；以确定性模型和实测信息建立混合模型；以监测模型、实测数据、数值计算结果进行参数反分析； 数值计算规律和实测结果及监测模型规律的对比分析、验证，等等。数值计算、监测模型和实测信息可以相互印让、 组合分析，在通常情况下， 由于目前对于材料力学参数和力学行为掌握的不完全性，因此数值计算的结果会有所偏差， 实测信息 ( 如位移 ) 是分析对象综合状态的实际反应，是验证数值计算结果的有效手段；由于实际工程监测范围和测点的布置是有限的，而数值计算可以得到整个计算范围的位移、应力等结果， 所以其分布规律等信息可以与有限个测点的信息相

15、互印证7补充；安全监测数学模型可以给出状态量和多个主要影响因素问的定量关系，可以进行后期预测，既可以直接在实测数据基础上建立，也可以结合数值计算结果建立，通过两者结合可以对某些材料参数( 如混凝土弹性模量等 ) 进行反演调整。3.2 安全监测灰色模型20世纪80年代邓聚龙提出灰色模型理论并应用。经过多年发展。形成了以灰色关联空间 ( 简称灰关联空间 ) 为基础的分析体系 以灰色模型GM为主体的模型体系 以灰色过程及其生成空间为基础与内涵的方法休系以系统分析、建模、预测、决策、控制和坪估为纲的技术体系。该理论提出以来， 不同研究领域的许多学者对其进行了大量的发展完善及应用推广工作，使其企在社会系

16、统、经济系统、生态系统、水利水文、岩土工程和灾害预测等领域得以成功应用并在进一步地拓展。灰色系统中所谓的“灰”是相对“黑”、“白”而言的。“黑”用来表示信息缺乏，“白”用来代表信息充分 当信息不完全、 不充分时，则用“灰”来表示。相应上述概念，信息未知的系统称为黑色系统、信息完全明确的系统称为白色系统，而部分信息明确、部分信息不明确的系统称为灰色系统。GM(1，1) 模型对应的是 1个变量的 l 阶灰微分方程，它是单序列建模，只用到系统的行为序列， 没有外作用序列。在模型中，称参数 a为GM(1，)（1）（2）模型的发展系数，它反映了x?及 ?x的发展态势。 b为灰色作用量，是从背景值挖掘出来

17、的数据， 它反映数据变化的关系， 其确切内涵是灰的，灰色作用量的存在是区别灰色建模与一般输入输出建模(黑箱建模 )的8分水岭。GM(1，1) 模型的应用较为方便，这里选用水利工程建设中边坡监测分析为例加以说明。水利建设中经常形成临时或永久高边坡，其中，五强溪水电站和清江隔河岩水电站形成的边坡在第1章中已有介绍； 再如，三峡水利枢纽工程永久船闸为双线五级连续船闸，于工程左岸山体中深切开挖修建，从上至下各闸室底板建基面分别挖到1226m，11295m，922m，7145m，507m高程，捷闸室两侧形成人工岩质高边坡，第 3 闸室处最高可达 170 m。边坡在全强风化岩体、弱风化及微新岩体中开挖，坡

18、比分别为 1:1 ，1:0.5 和1:0.5 ，其中闸室段墙顶以下为直立坡，直立坡高 50一70 m。边坡失稳事件相对较多， 给工程带来诸如工期延误，财产、设备损央、人员伤亡，甚至改变设计初衷等不良后果。所以在重要水利工程中，边坡的安全监测分析同样被提到十分重要的地位。由于边坡工程力学行为十分复杂，不甚清楚的因素很多，实际位移通过监测是可以明确的 ( 这里还不计人误差产生的情况 ) ，但引起位移的力学机制和力学模划并不十分清楚，因此对这类灰色系统， GM模型提供了一种独特方法，可以利用它对监测数据进行分析、对该系统的发展状况给予估计。这种方法如今在边坡变形监测、滑坡预测等方面应用很广，其中最常

19、用的是 GM(1，1) 模型。3.3 安全监测神经网络模型20世纪80年代，对神经网络的研究开展了大量而深入的开拓性工作，发展了神经元网络的理论， 使人们对模仿大脑来进行信息处理充满了希望。 Kohonen于1981年提出自组织特征映射，该网络在无教师情况下，9通过对输入模式的反复学习，捕捉住各个输入模式中所含的模式特征，并对其进行自组织，在竞争层将分类结果出若干个神经同时表现出来。迄今为止，人工神经网络系统已经具有一些向人脑相类似的特点，在信息的分布式存储、数据的并行处理以及利用外来的信息进行自学习的能力等方面都同人脑很相似。人工神经网络应用极其广泛，涉及诸多行业，尤其在模式识别、 人工智能

20、、控制工程、优化计算和联想记忆、信号处理等领域有着很好的应用前景。在安全监测工作中，人工神经网络由于其自学习、自组织、自适应性的能力特征， 能够在输入因子与输出因子的数学关系不明确的情况下，对安全监测的数据进行分析，并具有很好的容错性，这些是许多情况下安全监测领域所需要的。因此，人工神经网络在这一领域向着十分广泛的应用前景。4 大坝安全监测与数值模拟的新进展4.1 智能化近 30年，随着电子计算机的发展，国内外广泛采用弹性理论的有限单元法来计算坝体应力。 这个方法是把弹性的连续体离散化为有限数目单元的组合体，并考虑组合体内单元之间的位移连续条件。对各种复杂的边界条件和坝体、坝基材料不均匀性都能

21、给以反映，是一种综合能力较强的计算方法。随着计算机附属设备和软件工程的发展， ANSYS中前处理和后处理功能方面有很大的进步，如网格自动划分、计算成果整理与绘图、屏幕显示等，更进一步推动了该计算方法的应用。将我们监测到的数据资料与利用数值模拟的结果进行对比， 就可以及发现里面的影10响因素以及作用规律。 一些计算处理复杂的新的分析方法更依赖于，如东武仕、岳城、陆浑等水库坝安全监测的计算机管理。结合对三门峡大坝多年的变形监测资料,选取确定性模型对影响大坝的物理因素从水压、 温度、时效三个方面进行有限元分析。在此过程中 ,充分考虑了山体压力、静水压力等因素的影响。利用有限元软件ANSYS 对大坝进

22、行了应力应变分析,直观的表现了三门峡大坝现在的运行状态。4.2 精确化灰色模型提供了在贫息情况下解决系统问题的新途径，但其不足是比较适合解决具有指数增长趋势的实际问题，对于其他变化趋势，则有时拟合灰度较大，导致精度难以提高。由小波分析理论知，信号可以通过小波分解为不同的频率通道，由于分解后的信号在频率成分上比原信号单一，并且小波分解对信号作了平滑，因此分解后的平稳性比原信号要好得多。基于小波理论和灰色模型各自的特征，将二者有机的结合起来，即采用小波分析理论对监测数据序列进行小波分解，对分解的不同尺度下的数据子序列进行分析并利用相应的灰色模型进行预测，从而形成大坝安全监测数据处理的新方法，即基于

23、小波分析的灰色预测，并通过实例验证该模型可以达到良好的预测结果。4. 系统化现代科技发展带来了监测方法和仪器的革新，在得到更为丰富、全面监测信息的同时，也给监测工作带来海量监测数据的高效管理、监测信息可视化及功能集成等问题， 因此开发大坝安全监测系统就成为一项重要研究工作。白崇宇，黄铭等人提出了应用 visual Stuodio 平台构建11大坝安全监测系统的具有可视化设计界面，包含大量的工具平台供用户调用和设置，具备设计、开发、调试和部署等功能，并能调用ArcGISEngine 提供的 GIS控件，如制图控件、控件、框架控件等，并借助这些控件实现大坝模型的可视化显示、信息查询、数据管理及监测

24、数据分析处理功能。在我国基于GIS及类似平台的大坝安全监测系统已有不少研究，如应用 Visual Basic语言，以 GIS为平台开发了大坝安全监控信息管理系统，实现了大坝安全监测的信息化和可视化；利用Delphi 技术开发大坝监测系统，实现了大坝安全监控的实时监控和评判。5. 结论随着水利、水电事业的发展，大坝安全监测分析的新问题、新任务和新要求也随之而来， 促使人们对大坝安全监测进行更深入的研究和探讨，同时也使大坝安全监测与数值模拟在内容上、思维方向上、分析方法上、技术上都有了新的发展。( 1) 监测范围和内容上 ,由规定范围扩展到覆盖水库水电工程的设计、施工及运行的整个过程 ,监测内容涵

25、盖工程各阶段的主要任务与问题。( 2) 思维方向上 ,由重视宏观量的分析扩展到重视微观分析、重视大坝整体综合分析、重视风险分析与预案措施。( 3) 分析方法上 ,国内外关于采用最小二乘法对大坝安全监测数据的误差处理进行了多方面研究和改进,提出了一些可靠的算法,逐步实现剔除粗差 ,消除或削弱系统误差 ;对大坝监测数据的正反分析内容的研究也进一步深入。12( 4) 技术方法上 ,由传统的变形、渗流、应力监测和安全检查等项目转为自动化监测。应用新的理论、新的方法,采用网络数据库技术 ,建立大坝安全监测信息网,实现自动化、数字化、智能化。13参考文献1 黄铭 . 数学模型与工程安全监测 M. 上海；上

26、海交通大学出版社， 2008.2 李珍照 . 大坝安全监测 M 北京 ; 中国电力出版社， 19973 方卫华对大坝安全监测的几点认识J 大坝与安全， 2004.(6) ： 26284白崇宇，黄铭，等 . 基于 visual Stuodio平台的大坝安全监测系统构建与实现方法J.水电能源科学， 2013.5黄铭 . 水利及岩土工程新型安全监测数学模型研究. 上海交通大学博士后研究工作报告.6 李子阳，郭丽，顾冲时 . 大坝监测资料的时变 Kalman 预测模型 . 武汉大学学报， 2010.8 第35卷第 8期.7 李晓璐，李春雷，李德玉，王海波 . 基于多层次模糊分析法的大坝安全评价研究. 人民长江，2010.9 第 41 卷第 17 期 .8 张进平 , 黎利兵，卢正超 . 大坝安全监测研究的回顾与展望 J. 中国水利水电科学研究院学报,2008,6 （ 4） :317-322 .14