大坝安全监控理论课程论文.doc

大坝安全监控理论中若干问题探讨
---大坝安全监控理论课程论文

【摘　要】 大坝安全监控就是保障它在服务期限内, 实现在给定条件下自身的职能。衡量大坝实现本身职能是通过一系列指标和特征来表达的。大坝安全监控指标有二级,第一级为大坝无故障监控指标, 第二级为大坝极限监控指标。其中第一级是正常状态和不正常状态之间的界限值,第二级是可以工作的和失去工作能力的界限值。评估大坝安全状态的方法较多，有风险分析、极限强度、数学预报模型、稳定分析的安全系数法、极值概率，灰色系统、模糊数学综合评判等方法。随着科学研究的不断深入，大坝安全的监控的理论及方法将不断完善,准确，安全，可靠。
【关键词】 大坝安全监控; 大坝安全监控指标; 安全标准; 大坝安全评估方
法; 监控模型; 反分析
近年来,水库高坝越来越多,有些高坝已达200～300 米,坝址地质条件复杂,对工程安全提出了更高的要求 。由于多种原因,这些大坝中有相当一部分存在安全隐患。在随着水利投入逐渐加大,坝工建设发展逐渐加快的同时,由于种种原因,大坝存在着某些不安全因素,出现危及大坝安全的裂缝和病变。其中最著名的两起溃坝事故分别是法国马尔帕塞拱坝和意大利瓦依昂拱坝。前者坝66.5m , 1954 年开始蓄水,1959年12月2日溃决。后者坝高262m ,1960 年蓄水后,坝前左岸滑坡体缓缓蠕动,至1964 年10月7日实测位移为429 cm ,其中最后12d 的位移速度高达48.3 mm/ d ,加速明显。10月9 日滑坡体(约2.4 亿m3 ) 突然高速滑入水库,70 m 高的涌浪翻坝而过,造成2600余人死亡。对大坝这种特殊建筑物必须准确地了解其工作性态,这只能通过大坝安全监测进而建立大坝安全监控指标来实现。
大坝安全监控就是保障它在服务期限内, 实现在给定条件下自身的职能。衡量大坝实现本身职能是通过一系列指标和特征来表达的。这些指标和特征就是描述大坝运行性态的监测量变形、渗流、应力等随时间变化过程中具有特征性的数值和特性, 以及表达有关大坝运行状态发生变化的特征。实行合理而系统的安全监控, 其任务可归纳为采集仪器观测、巡视检查和有关的数据存贮处理各类数据形成信息识别和判断信息有无异常反映大坝安全程度综合评价负责人员决策采取消除事故的措施等。
在大坝安全监控中，常常发生的坝体和基础发生异常表现和原因有：在坝基和坝肩发生不正常迹象，包括渗漏严重,基岩中夹层和裂隙内的充填物被冲刷,基础有较大的变形产生裂缝或不均匀变形等；大坝沿基础软弱面滑动在混凝土坝体发生不正常迹象， 混凝土表面有集中潮湿面或滴水，坝体发生深部裂缝或贯穿性裂缝等。发生这些现象的主要原因包括：坝基恶化，排水或防渗系统损坏，坝踵接缝张开，坝基裂缝、裂缝错动，坝体裂缝或接缝张开，坝基或坝体错动坝体稳定性差,超载或应力过大。引起大坝失事和局部破坏的主要因素有坝基不稳定，通过坝体、坝基及沿边墩的渗漏,温度和收缩裂缝，反复冻融和侵蚀性介质的存在。
大坝是由许多坝段含坝签组成的统一系统。只有对统一系统的各个组成部分的安全程度按综合评价要求作了研究, 才可确定大坝的安全程度, 同时亦确定了大坝统一系统的损坏程度。衡量大坝损坏程度可用损坏程度综合指标I表示。它可按下式计算：
（1）
其中：为大坝组成的各部分i(i=1,2,…,n)的损坏程度指标。
为发生在部分的损坏对大坝安全程度影响的权系数。
，是根据监测资料或计算的结果及表征结构不能正常运行的特征来确定的。
据此，大坝工作状态分为：当I（或）,则规定为正常状态；当I（或）,则规定为基本正常状态；I（或）,则规定为异常状态； I（或）, 则规定为险情状态。
由吴中如院士等人完成的《大坝与坝基安全监控理论和方法及其应用研究》项目主要包括三部分内容:一是建立了完整的监控模型体系，首次建立了坝基扬压力和土石坝浸润线、渗流量、应力与裂缝开度以及土石坝和洞室变形等统计模型, 变形与应力测点、空间位移场和扬压力等确定性模型和混合模型, 施工期特殊监控模型并发展了常规变形统计模型,即模型中引人裂缝因子。首先融合时间序列、灰色系统、模糊数学、突变理论和混沌理论等理论和方法, 结合实测资料, 建立了相应的预报和预测模型。二是发展了大坝及坝基的反分析理论和方法，有些大坝如陈村和佛子岭等在低水位高温或低温时也是设计荷载控制工况、坝踵湿胀应力和坝体混凝土温度的准稳定温度场要高于设计值等有重要科学和应用价值的信息。为设计施工和运行等提供准确的计算模型、参数和控制荷载等。三是创建了拟定变形监控指标的理论和方法，变形监测是监视大坝安全的最主要和可靠项目, 其准确的变形监控指标又能有效地快速判断大坝的安全状况, 所以拟定变形的监控值是坝工界的热点和难点。四是开发了大坝安全综合评价专家系统。融汇坝工理论、数学力学、人工智能、现代测控技术、网络技术如和现代计算机技术等, 并集成以上分析理论和方法, 在国内外创建了一机四库体系的物理模型及网络上, 实现了 “ 实时分析” 和“ 综合评价” 两大功能。
总的来说，大坝及坝基安全监控模型包括七部分,一是统计模型,建立了变形等监测量的统计回归模型,据此分析、评价和监控大坝和坝基的工作状态;二是施工期特殊监控模型,用黏弹性理论模拟坝基开挖和混凝土浇筑全过程,建立施工期特殊监控模型;三是监控大坝和坝基安全状态和变化规律的时序分析预测模型;四是分析大坝结构稳定性的灰色系统预测模型;五是模糊数学预测模型,用以动态监视大坝的安全状况,并对大坝的安全度进行综合评估;六是实时监控坝肩稳定性的拱坝稳定分析监控模型;七是混沌预测模型,应用混沌理论,并依据实测资料,分析坝肩和库区岩土边坡的稳定性等。根据统计资料,大坝从建造到失效,通常经历三种状态:正常状态、不正常状态(故障状态) 和失效(极限) 状态。破坏是失效状态的一种特例。不正常状态和失效状态有很多症状和标志,这些症状和标识的界限值为状态特征值,在监控系统中即为监控指标。大坝安全监控指标有二级第一级为大坝无故障监控指标, 第二级为大坝极限监控指标。其中第一级是正常状态和不正常状态之间的界限值,第二级是可以工作的和失去工作能力的界限值。目前研究的重点和难点是对大坝变形监控指标的确定。大坝变形监控指标拟定主要有置信区间法、典型监控效应量的小概率法、极限状态法、等。工程实践中建议用统计法和参照设计值的设计比拟法相结合的方法;运行初期观测数据不足时,则主要参照设计值来拟监控定指标;有了相当多的的观测资料时,以统计法和数学模型为主; 对不同条件的大坝应考虑影响大坝工作性态的主要监控指标,对同一监测项目,逐渐要拟定带有风险意识和可靠性分析的大坝监控指标,包括大坝运行及其灾害评价等。其整体分析思路框图可见图1，大坝及坝基安全监控理论和方法及其应用研究内容框图。
大坝及坝基
监测系统

监测资料

（1）监控模型
时序分析法

坝工理论和力学

灰色系统

有限单元法
统计数学

模糊数学

突变理论
统计模型

确定性模型和混合模型

混沌理论

监控模型

设计，施工和运行等反馈分析
计算模型，参数，工况等反演分析
（2）反分析

（3）综合评价专家系统
（包括综合推理机，知识库，方法库，数据库和图库等一机四库）

（4）大坝及坝基安全监控（工程应用）

图1 大坝及坝基安全监控理论和方法及其应用研究内容框图
大坝的安全体现在它本身和环境中不存在任何使它恶化或破坏的条件。监控中评判大坝安全的标准有：1，真实极限标准，这是依据大坝的实际极限工作状态作为判断的标准。为了确定该标准, 必须了解所有作用在大坝上的荷载, 及由于它们的作用引起大坝内部所产生的各种过程和大坝的极限, 以及过程随时间而发展的规律。但是, 目前的水工技术尚未达到可以建立这种标准值的水平。2，计算或仿真计算极限标准这是指按设计规范要求计算出大坝由正常工况转向异常工况时的一系列指标和特征作为极限标准。这标准意味着大坝的安全储备已减少, 但大坝经过维修或加固仍能恢复运行, 因而它不是大坝失事破坏的标准。3，设计允许标准，这是指按设计规范要求计算出大坝处在正常运行工况下的一系列指标和特征作为允许标准。4，运行允许标准，这是指大坝处在正常运行前题下的最不利工况时如高水位, 低气温, 将所监测到的一系列指标和特征经过统计分析作为运行允许标准。5，正常运行标准，这是指在大坝正常运行条件下, 将所监测到的一系列指标和特征作为实际正常运行标准。
评估大坝安全状态的方法较多，有风险分析、极限强度、数学预报模型、稳定分析的安全系数法、极值概率，灰色系统、模糊数学综合评判等方法。其中1，对于材料极限控制法，混凝土是一个多级二相复合材料，宏观上可当作均质弹性体，但微观上为非均质的复合体，与金属材料大不相同，但根据实际大坝工程，其尺寸较大，仍可按照混凝土的抗压、抗拉强度及极限变形作为监控指标来监控。当控制大坝安全关键部位的实测值大于材料允许破坏强度时，可视为不安全。材料允许破坏值主要有材料强度允许值、材料变形允许值、钢筋混凝土结构中钢筋应力允许值，由于考虑混凝土徐变和弹模影响，其应力精度性较低，但其应变测值是可靠的，因此利用应变进行监控是可行的。如何从大量的观测资料中反映大坝工作状态及评定大坝安全状态是最为关心的问题了，国内外多采用决定论模型、统计模型、混合模型等方法进行大坝安全监控，这种方法是将监测值和模型预报值作比较，看监测值与预报值的差值是否在允许的容差范围以内，总的称为数学预报模型控制法。混凝土的安全是由强度和稳定控制的，安全系数法中安全系数的计算方法和判据如下：
(2)
式中，---抗剪强度计算的抗滑稳定安全系数；
---坝体混凝土与基岩抗剪摩擦系数；
---坝体混凝土与基岩抗剪断凝聚力；
---作用于坝体上全部荷载对滑动平面法向应力；
---作用于坝体上全部荷载对滑动平面切向应力；
---坝基接触截面面积；
---规范要求的安全系数依荷载组合确定，一般取3.0～4.0。
对于原型观测中可用下式计算安全系数：

其中，---各仪器测点在滑动面上的正应力；
---各仪器测点在滑动面上的剪应力；
---各仪器测点在滑动面上的线段长度，可取仪器之间的一
半距离计算；
---坝底总长度或滑动面长度。
原型观测资料的整理大多数仅限于单项物理量的观测资料分析以监测大坝的工作状态，但是对于复杂的大坝此种方法仍存在明显的问题，即单项观测量之间的相关性有时难于解释异常现象，在没有埋设观测设施的地方发生事故，需要定期巡回检查，施工质量问题，混凝土老化等因素无法定量表示等等因素使得单项监测方法的局限性非常明显。因此，需要对各种资料经过综合分析，才能全面认识大坝的结构性态和运行工况，从而对大坝进行监控。综合评判法是通过对大坝各种资料，包括设计、施工、观测及巡视检测等资料进行不同层次的分析，如反馈分析，混合分析及非确定性分析，找出原因量与效应量之间的关系，运用演绎、归纳的逻辑方式找出问题所在，依此提出决策和解决方案。
总之，随着科技的不断进步，科学研究的不断深入，大坝安全的监控将不断走向更加准确，安全，可靠。随着监测仪器和技术的不断更新,资料分析处理和综合评判方法的改进,将有力的促进大坝安全监控的自动化发展,大坝的安全监控和管理水平会迅速提高,在减灾防灾中发挥更大的作用。

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