从水工观测资料分析大坝的安全稳定性

从水工观测资料分析大坝的安全稳定性

刘伟

东江水力发电厂湖南郴州423400

摘要：本文阐明了从水工观测资料分析大坝的安全稳定性的对策措施，从观测数据的误差处理和分析、观测资料正分析，说明了从水工观测资料分析大坝的安全稳定性的意义及措施，对从水工观测资料分析大坝的安全稳定性具有一定的指导意义。

关键词：大坝安全；观测资料；安全稳定性

一、前言

近年来，我国从水工观测资料分析大坝的安全稳定性无法得到保证，而且存在一些问题和不足需要改进，笔者对从水工观测资料分析大坝的安全稳定性进行研究，对确保国家财产和居民生命安全意义极其重大。

二、大坝安全监测的内涵及意义

大坝安全监测是人们了解大坝运行状态和安全状况的有效手段和方法。它的目的主要是了解大坝安全状况及其发展态势，是一个包括由获取各种环境、水文、结构、安全信息到经过识别、计算、判断等步骤，最终给出一个大坝安全程度的全过程。此过程包括：通过各种信息的获取、整理和分析，给出大坝安全评价，控制大坝安全运行；校核计算参数的准确性和计算方法的实用性；反馈施工方法的正确性，改进施工方法和施工控制指标；为科学研究提供现场资料，检验各种理论、校正各种模型和参数，协助找出实测规律和辅助成因分析等。大坝安全监测的意义在于：

（一）、水库大坝监测与安全评价相辅相成，是水库大坝安全评价中不可分割的两部分。大坝安全监测通过对坝体、周岸及相关设施的巡视审查和仪器监测，可以为大坝的安全评价提供基本资料和数据。通过对这些监测资料的可靠性分析，就可以完成坝体与坝坡的稳定性分析、渗流稳定分析、工程运行评价等大坝安全评价工作。

（二）、有助于认识各种观测量的变化规律和成因机理，确保大坝安全。延长大坝寿命，提高大坝运行综合效益。对大坝安全监测资料及大坝的结构与基础性态进行分析计算和模拟，有助于认清各种观测量的变化规律以及各种变化的物理成因，从而能及时发现隐患并采取相应措施，以确保大坝安全，延长大坝运行时间，提高效益。

（三）、有助于反馈大坝设计、指导施工和大坝运行，推动坝工理论的发展。由于大坝及其坝基的工作条件比较复杂，相关荷载、计算模型及有关参数的确定总是带有一定的近似性，因而现有的水工设计还难以与工程实际完全吻合。因此，利用大坝安全监测资料进行正、反分析，及时评价大坝和坝基的工作性态，依据设计、施工方案，对在建或拟建大坝提出反馈意见，以达到检验和优化设计、指导施工的目的。

三、观测资料的误差处理与分析

变形观测资料的分析，包括验证变形是否存在，分析产生变形的原因，推求变形值同影响因素之间的函数关系。对于前者主要用统计检验方法；对于后者，多应用回归分析方法，求得的函数关系称为回归方程。回归方程不仅可用来定量分析变形的规律，还可以作变形预报。

通过对监测数据及检查、资料的定性和定量分析，对大坝的状态做出及时的分析、解释、评估和预测，为有效地监控大坝的安全提供可靠依据；积极发挥检验设计和指导施工的作用，并为专门的科研问题提供有价值的成果；观测记录人员必须做到：依据可靠、分析及时、全面反映、突出重点、技术先进、人机结合、讲求实效、作好管理。

在利用大坝水工安全观测资料进行正反分析前，首先应对原始测值资料进行误差处理与分析，一般可将大坝安全监测数据的误差分为系统误差、随机误差和粗差三类。在测量过程中，应当剔除粗差，消除或削弱系统误差，使观测值中仅含随机误差。测量误差分析的方法一般有测值范围检验分析法、数学模型分析法及统计检验法等。系统误差可分为定值系统误差和变值系统误差。

定值系统误差只引起随机误差在分布曲线位置上的平移，而不改变随机误差的分布规律，一般只能通过分析或试验的方法予以发现和消除。变值系统误差的发现、分离和消除方法与变值的规律有关，常见有残差代数和法、符号检验法、序差检验法等。系统误差一般通过数学模型结果进行判别，通常的处理方法是设法找出系统误差的函数表达式，然后在观测结果中加以扣除。随机误差由随机因素造成，其符号和绝对值大小无规律且不可预料，但随着测次增加，一般认为随机误差呈正态分布，具有零均值。粗差（过失误差）是由某些不正常因素所造成的与事实明显不符的一种误差，通常属于测量错误，这种误差较易发现，应予以剔除。目前，判别粗差常用莱因达准则，即凡剩余误差（残差）vi>±3的为过失误差。目前，国内外主要采用最小二乘法对大坝安全监测数据进行处理。

自从高斯（G.F.Gauss）在1794年提出最小二乘法以来，广大学者对测量平差理论和方法进行了大量的研究。1947年，田斯特拉（T.M.Tienstre）提出了相关平差法，把对观测值独立的要求推广到随机相关；1962年，迈塞尔（G.Meissl）提出秩亏自由网平差，把测量平差中的满秩阵推广到奇异阵；卡尔曼（Kalman）等提出了一种递推式滤波方法，已成功应用于航天、工业自动化等方面；1969年，克拉鲁普提出最小二乘滤波、推估与配置，把平差参数从非随机变量推广到随机参数。在具体研究工作方面，SerioGKoreisha和YueFang对滑动平均模型时序过程（ARMA）的测量误差影响进行了定量分析。

四、大坝安全监测应用实例

二滩双曲拱坝坝高240m，坝顶弧长778.9m，拱冠坝底宽度55.7m，坝冠坝顶宽度11m。坝身有七孔溢洪表孔，六孔溢流中孔和两孔底孔。坝内安全监测项目有位移、挠度、坝基基岩位移、混凝土应力应变、钢筋应力、闸墩预应力锚索张力、缝隙开合度、坝体坝基不均匀沉降、倾斜、坝基扬压力、坝体温度等。使用的监测仪器设备有应变计、测缝计、压应力计、锚索测力器、钢筋应变计、倾斜仪、垂线、岩石位移计、渗压计、温度计、引张线仪和静力水准仪等。（压应力计在混凝土浇筑时埋设的，钢筋计需要在安装钢筋计的钢筋上截掉一段然后把钢筋计的两端焊上去。应变计、钢筋计、渗压计、测缝计等仪器在计算物理量时都需要进行温度修正，所以需要同时测出仪器本身温度。）

五、大坝安全监测的发展

对大坝进行安全监测时，人工巡视检查和仪器监测要结合起来。要尽可能利用当今的先进仪器和技术对大坝物别是隐患进行检查，以便做到早发现早处理，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；人工巡查必不可少的原因是由于大坝的特殊性和目前仪器监测的水平所决定的。国内外大坝安全监测经过近几十年来的不断发展，已就有了长足的进步，主要表现在：

从原型观测发展为安全监测到现在的安全监控，研究领域和监测对象进一步扩大；大量程、高精度、智能化、无线化的观测仪器不断被应用，自动化监测系统发展日趋成熟，监测手段更加先进；安全监测数据处理在线实时监控和处理技术得到应用，监控分析的数学模型中统计模型、确定性模型和混合模型等传统模型不断被改进，时间序列、灰色理论、模糊数学、神经网络等多种新方法被引入大坝安全监测资料分析。

在大坝安全性态的评价研究方面，从单测点分析向多测点、多项目、多物理量的综合分析和评价发展，专家系统和人工智能技术为决策提供了更加准确及时的依据；大坝安全监测反馈分析的深入研究，有力地推动了坝工设计和施工技术的发展。

六、结束语

从水工观测资料分析大坝的安全稳定性至关重要，为此，在水利的后续发展中，要不断提高从水工观测资料分析人员的素质，加强从水工观测资料分析大坝的重视，严格从水工观测资料分析大坝体系，促进从水工观测资料分析大坝真正做到安全、可靠。