大坝及工程监测资料分析的几个问题

彭 虹

（国网电力科学研究院，江苏南京210003）

0 引 言

大坝及工程安全监测资料分析总体上可分为两类，一类是施工和首次蓄水期的资料分析，另一类是运行期的资料分析，两者在分析方法和目的方面有一定的区别。关于施工和首次蓄水期的资料分析问题，作者在另文[1]已有论及，本文主要讨论运行期资料分析的几个问题。

大坝及工程安全监测资料分析的目的是，借助于实测资料，对于正常运行中的工程，综合分析其安全运行性态，并通过实测资料的分析，寻找和发现工程中可能存在或即将产生的不安全因素，未雨绸缪，防患于未然；对于工程中已存在的问题，通过全面、系统的分析论证，做出合理、客观的解释，并提出可能的解决方案。

监测资料分析最重要的是前期的实测数据处理工作，模型和分析则是借助于工具对这些数据进行程式化的演绎。数据的处理包括数据的考证、数据的衔接、误差的检验等。大量的数据处理工作在模型分析前进行，这是一项看似平常且技术含量不高的工作，但却极其关键，直接影响到分析成果质量，且只有具备丰富工程实践经验和对监测系统、监测资料分析非常了解的分析人员才能胜任。资料分析报告的质量往往取决于分析人员对工程对象和监测数据的把握程度，只有基于可靠的数据和合理的解析，才能从各种分析理论和模型方法中得到符合工程实际、对改进工程安全管理有价值的资料分析报告。

1 资料考证

运行期监测资料通常系列较长，资料积累较多。由于工程施工及竣工交接等诸多原因，监测资料难免存在混乱、缺失，甚至有错。监测资料分析的首要任务就是对监测数据进行考证。考证的内容包括甄别仪器埋设部位、仪器编号（有时需要通过测值过程线对比分析来判别。特别是内观仪器，如应变计组，其编号错乱往往只能在分析的过程中进行检查和处理），查阅仪器定期检查资料，了解现场工作状况（如仪器、仪表的使用、故障和维修情况等）。

疏于考证不仅会降低资料分析报告的质量，甚至还会导致资料分析得出错误的结论。现举例如下。

某拱坝为底宽27.3 m、顶宽5.0 m的中厚双曲拱坝，坝高88 m，坝顶弧长260 m。工程于1970年4月截流，1973年3月浇筑到坝顶，1975年基本建成蓄水。大坝变形监测设有坝顶沉陷、拱冠径向位移、左右坝肩切向位移的视准线观测；位于拱冠8号坝段的垂线观测，设有2条倒垂线、1条正垂线共5个测点（如图1所示），用以监测大坝基础位移和拱冠梁向挠度变形。垂线观测仪器为CG803型光学垂线坐标仪，采用人工观测。

图1 拱冠梁垂线布置Fig.1 Distribution of perpendiculars at arch crown cantilever

在分析IP1、IP2倒垂线1980～1987年的位移过程线时，发现自1982年夏季开始，坝基出现向上游的变形，直到1984年4月才恢复趋向下游的变形，并一直保持正常变化（见图2）。针对这种异常现象，管理单位对此进行了认真、周密的查证，得知此段异常测值系由一次观测时仪器被碰撞造成，直至1984年4月仪器送检才调整过来。但该分析报告不仅不怀疑此段数据异常，而且坚持认为这种变形 “明白无误显示出坝基已经经历过滑动”，并为此做了大量的理论分析论证。在管理单位提供了详实的现场考证报告后，该报告作者并不以为然，仍以该拱坝作为其坝基滑动和滚动破坏理论的典型实例进行宣讲。这给工程管理单位带来了困惑，使大坝安全评估和处理陷入了困境，造成了不良影响。

图2 坝基径向位移过程线Fig.2 Graph of radial displacement of dam foundation

2 数据处理

众所周知，任何监测数据都含有误差，必须进行必要的处理后才能引用。不同监测方法的监测数据接续时需要进行衔接处理，同一监测系统的监测数据则要进行数据的误差处理。数据处理的内容就是剔除粗差，修正系统误差，采用概率统计方法处理偶然误差。

2.1 新老系统衔接

变形监测系统，特别是坝顶水平位移监测系统，经常会存在初期采用人工视准线法观测，后期改用引张线监测或自动监测系统。为确保前后两个监测系统的监测数据较好地连接，通常会安排一段并行测量的时间，这种状况通常发生在工程竣工、初期蓄水阶段。运行期资料分析时应全面了解当时的情况，充分利用已有的资料，进行尽可能平顺的连接。抛弃前期人工观测的数据固然不可取，但直接硬性连接也将损失一些有用的信息，甚至导致失真。以下为一例。

关停井复产并非高油价下的专利。油井停产还是不停产，效益是重要的参考指标。既要密切关注油价的变化，更要发挥企业内部的管理杠杆作用。华北油气分公司通过“人员资产轻量化、管理机构扁平化以及机关人员现场化”，大幅消减了成本费用支出。像这个企业一样，只要管理得到优化，就能减缓低油价带来的亏损的压力，做到低油价下也能复产。

某重力坝高 105.0 m，长 466.5 m，1959 年 9 月下闸蓄水，至1960年3月坝顶视准线临时系统起测时，水库蓄水仅约50 m，尚能获得蓄水初期难得的宝贵资料。其永久性位移观测系统于1963年9月启用，两套系统衔接两年多。某次资料分析时丢弃了衔接段，且未考虑基准的差异，直接将1963年9月的新数据和前期数据相连，导致出现了约9 mm的台阶，严重改变了过程线的形态（图3）。本来初期因库水对库盘的作用，将产生向上游的时效变形，并在此后近20年的中低水位运行期间，这一时效变形缓慢逆转，逐渐转向下游变形。但直连之后，模型分析时，最初几年的数据被作为巨大误差舍弃，时效变形以单调递增形式直接向下游发展，以致到2001年时达到19 mm。显然，这样的时效变形特性和这么大的时效变形值是值得怀疑的。水库初次蓄水，库盘岩体首次承受库水高压，岩体内部的节理、裂隙、软弱夹层等地质构造将产生一定的压缩变形，坝体也将随之向上游偏转。长期的中低库水位运行，水压荷载对大坝产生的倾覆力远不足以使之倾向下游，只有进入80年代，水库处于高水位运行，巨大的水压荷载通过坝体传到坝基，使坝基岩体产生持续的压缩变形，坝顶的水平位移才出现倾向下游的趋势性变形。从国内难得的几个水电工程重力坝，例如大朝山、刘家峡、八盘峡、青铜峡、三门峡等的初次蓄水监测资料中均发现，坝顶水平位移普遍存在倾向上游的时效变形。

图3 新老变形系统的衔接Fig.3 Link up of the new and old deformation systems

2.2 误差的检验和处理

监测资料定量解析前应对监测数据进行误差检验。外部监测仪器监测数据存在的误差，特别是系统误差可通过日常校测检查发现并及时更正和调整，实测数据则可根据记录进行处理和修正；内部监测仪器监测数据存在的系统误差既不容易发现也无法更正，它只能通过对长系列监测资料的数据分析才有可能被发现和得到适当的处理。

在内部监测仪器中，应变计的数据处理较之其他类型的仪器要复杂一些。例如，单支应变计系统误差的检验需要借助于无系统误差的人工气温资料[2]；同组应变计的温度存在差异时，需要进行误差的判断和处理；当无应力计与同组应变计的温差较大时，需采用应变计组的平均温度来重新构造一个无应力计测值序列；当应变计组的应变平衡检验超出范围时，有时需要从物理的层面来考虑修正，例如可能存在编号出错而试着调换仪器编号，调换仪器温度补偿系数。甚至可能因施工安装时，远离蜘蛛头的仪器、电缆在混凝土浇注过程中，各向应变计之间的角度产生一些偏差而需要加以调整。笔者在对新安江水电站大坝的应变计资料分析中，曾应用蒙特卡罗方法模拟调整应变计组各支仪器的角度，成功使应变平衡检验时超差很大的不平衡量调整到了限值范围以内[3]，表明施工过程中由于仪器、电缆的自重和振捣作用，这种情况是有可能发生的。

2.3 测值序列的时间间隔

测值序列的时间间隔应大致均匀，否则在定量解析时，参与回归分析的测值序列将具有不等权特性。这种情况容易出现在由人工观测改造为自动监测的系统。人工观测时，通常为每半月或一月测量一次，自动监测系统则通常为每天一次。人工观测20年的数据量相当于自动监测1年的数据量，采用这样的数据序列进行回归分析，相当于1年的自动监测数据与20年的人工观测数据具有相等的权重，也即在回归分析中，这1年的自动监测所反映的变化特性对回归模型的影响将远大于1年的人工观测测值的影响。这将导致回归分析成果偏离20年的运行规律，因此，在进行定量分析时，应适当控制测值序列的时间间隔，使之尽可能地均匀分布。

从另一角度看，可以利用这一特点，对于一些重要的运行状态，如大洪水的汛期，大坝的变形、渗流、应力应变等可能会产生一些较大的变化。为了保留这些看似异常的测值，应当加密测次，即相当于对这种状态的测值加权。当无条件加密测次又希望能体现出某些特殊测点的作用时，可考虑在分析模型中对测值加入一个权系数来弥补。这样，在定量解析时，采用加权回归分析方法，这些测值所反映的状态就有可能较好地被保留下来。

3 对象分析

资料分析时，应充分了解分析对象的结构特点和监测布置特点，正确认识同一监测项目因不同布置可能产生的测量结果，并给予合理的解释。例如某坝，在坝顶上游侧布置有视准线，在9号坝段的坝体中部部位布置有垂线。1994年9号坝段坝顶水平位移的实测成果为：坝上3.6 m视准线测点的年变幅为8.4 mm，坝下11 m垂线测点的年变幅为4.85 mm，同一坝段相距14.6 m的两个测点的水平位移年变幅相差3.55mm。在对该坝进行的某次资料分析时，为了解释这一现象，曾进行了大量复杂的理论分析和有限元计算，并得出了坝体产生了某种扭转变形的结论。事实上，这种差异主要由温度造成。假定坝顶混凝土的线温度膨胀系数为1×10-5／℃，并假设坝顶混凝土年温度变化为24.5℃（这在浙江地区应该是可能的），则两测点间相距14.6 m的坝顶混凝土自由温度变形量应为3.58 mm。

从本例也可看出，在大坝监测资料分析中，经常看到温度分量所占的份额比水压和时效分量大很多的实例，似乎温度是引起大坝结构变形的主要荷载。事实上，这与变形监测布置有关，理论上应是位于断面形心处的位移才代表坝体整体的温度变形，偏离形心的坝顶位移测点不可避免地包含有附加的混凝土温度变形，这种附加温度变形对客观解析大坝变形特点是不利的[4]。

4 相互佐证

资料分析中，注意引用不同监测项目已有的成果来加以佐证，有可能加大分析的深度，揭示出实测数据的更多内涵。例如，在土压应力监测资料分析时引用渗压计监测资料相互比较，能更充分地说明渗透水压力在土压力计实测压应力中的影响。新疆某心墙堆石坝即为一很好的例证（图4），该图为心墙中部同一部位的土压力计和渗压计测值过程线。在填土中，土压力计通常反映的是土体的压力，但在土石坝中埋设的土压力计，不仅承受土体的压力，而且还有可能承受库水的作用。埋设在土石坝心墙中的土压力计，初期感应的是填筑土体的压力，大坝蓄水后，开始感应库水的压力。随着库水压力的增加，库水渗入心墙，粘土心墙土体逐渐被浸润成为饱和土体，其干容重变成为浮容重，土压力计感应的压应力随之减小。当库水压持续作用并继续增高时，心墙土体中的渗透压力逐渐增大，在土体自重不变的情况下，渗透水压力的变化就成了土压力计感应压应力变化的主体。图中的土压力计和渗压计实测过程线充分显示了这一相互作用的过程，并表明它们的测值也是可以信赖的。

图4 土压应力和渗流过程线Fig.4 Graph of soil compressive stress and seepage

5 无应力计分析

此外，无应力计还可以用于监视来自大坝内部的安全隐患。如所周知，大坝混凝土自生体积变形中包含有水泥水化和硬化过程产生的体积变形、湿度变形和可能的碱骨料反应等等。微量的碱活性膨胀变形是希望的，但大量的、不可控的碱骨料膨胀却是导致混凝土崩解破坏的元凶。美国Fantana坝、法国Chambon坝等就是受到碱骨料侵害的典型工程，后者已因坝体混凝土碱骨料膨胀而废弃[6]。大坝建造时通常会注意严格检控建坝材料，以避免产生大的混凝土碱骨料反应。但在库水等复杂环境因素的长期作用下，坝体混凝土是否有可能发生碱骨料反应，能否对其存在实施监视？笔者认为，无应力计可以担当此任。借助于无应力计的自生体积变形，可以有效地发现混凝土碱骨料反应的存在和发展的过程，为诊断大坝自身的健康状况提供有价值的信息。

6 模型及因子

大凡有一定深度的资料分析，在定性分析的基础上还会开展一些定量分析。显然，定量分析离不开数学模型。关于模型分析，曾经有过讨论[7]。与预报模型和监控模型不同，资料分析模型的最大特点是要求自变量因子间的多重相关性要小，即希望构成模型的水压、温度和时效这三个作用因素具有相对的独立性，以期获得较稳定可靠的分量分析成果。

从成熟和实用的角度考虑，统计模型仍然是大坝监测资料分析中应用最广的模型方法。尽管从模型因子的构成方法上有确定性模型、混合模型和通常的统计模型之分，但模型的建立离不开概率统计方法，因此，仍然属于数理统计范围之内。

为了获得较好的因子独立性和较稳定的分析模型，大坝安全监测界的专家学者多年来进行了大量的应用研究，取得了很多成果和较大的进展，从最初的多元回归模型到逐步回归模型，还发展了消元（差值）回归方法、极小最小二乘回归方法等，进一步引进了主成分分析、岭回归分析等诸多分析方法。这些统计分析方法在一定程度上改善了因子的多重共线性问题，但仍存在一些效果欠佳、使用不便等问题。

上世纪末，统计分析领域出现的偏最小二乘回归是一种新型的多元统计数据分析方法，它集多元线性回归分析、典型相关分析和主成分分析的基本功能于一体，将建模预测类型的数据分析方法与非模型式的数据认识性分析有机地结合了起来[8]。

偏最小二乘回归方法主要提供多因变量对多自变量的回归模型，特别当各变量集合内部存在较高的相关性时，用偏最小二乘回归进行建模分析比对逐个因变量做多元回归更加有效，其结果更加可靠，整体性更强。偏最小二乘回归方法利用对系统中的数据信息进行分解和筛选的方式，提取对因变量解释性最强的综合变量，识别系统中的信息与噪声，从而更好地克服变量多重相关性在系统建模中的不良作用。工程应用实例表明，该方法不仅理论完整、应用方便，而且很适用于因子间存在多重共线性的监测资料的分析。因此，可以预期，偏最小二乘回归方法将有望成为大坝监测资料分析的主要分析方法。

在大坝监测分析模型构建时，除了水压、温度因素外，时效因素是一项不可或缺的组成部分。通常时效因子由一个或一组单调函数构成。前已述及，对于在初期蓄水已建立变形监测的工程，必须慎重考虑坝体初期蓄水的特殊变形性态，考虑到蓄水初期库盘变形造成大坝向上游倾斜的可能性，大坝的时效变形曲线不大可能是一条单调曲线。另外，时效因子中的时间变量，无论其分析是从何年何月开始，不少分析报告的起始时刻都是从0开始，这说明分析者尚未理解“时效”的含义。对于大坝变形监测，无论其监测设备何时安装，大坝的基础自坝体施工之日起即已开始承受坝体的荷载，坝基岩体内部构造在荷载作用下将产生相应的压缩和调整，此变化过程初期较明显，后期变平缓，并将持续延伸下去，此谓之时效过程。一般情况下，大坝的时效变形主要部分来自坝基。因此，考虑到时效的产生机理，无论分析是从何时开始，时效因子中的起始时间均宜前移至该处坝段的施工初期。

7 结 语

（1）监测资料的考证，特别是运行期监测资料的考证非常重要，它关系到分析成果的可靠程度。

（2）数据处理应认真、细致、到位，对监测数据误差的正确处理可以提高资料分析报告的质量。

（3）全面掌握工程情况，充分了解分析对象的结构特点和监测布置特点，必要时到现场进行考察，这是确保资料分析成果更贴合工程实际的重要途径。

（4）充分利用不同监测项目的已有成果来相互佐证，可提高资料分析报告的可信度，并有可能揭示出监测资料中更多的有用信息。

（5）加强无应力计的资料分析，对于改善混凝土性能、降低工程造价、提高大体积混凝土工程的质量和监视坝体混凝土本身的健康状况均具有很大的意义。

（6）偏最小二乘回归方法能更好地克服变量多重相关性，很适合用于大坝监测资料的定量分析。变形时效因子建模时应考虑到初期蓄水对大坝变形的影响，时效的起始时间宜从建坝时开始。

[1]彭虹.施工期安全监测及其工程应用[J].大坝与安全，2008（4）.

[2]彭虹.原体观测中单支仪器系统误差的检验方法[J].大坝观测与土工测试，1981（2）.

[3]彭虹.新安江大坝实测温度及应力分析[J].大坝观测与土工测试，1988（4）.

[4]彭虹.再谈变形监测自动化中的几个问题[J].大坝与安全，2008（5）.

[5]彭虹.混凝土无应力变形中几个问题的探讨[J].大坝观测与土工测试,1983（2）.

[6]刘崇熙，文梓芸.混凝土碱-骨料反应[M].广州：华南理工大学出版社,1995（12）.

[7]彭虹.大坝监测资料分析模型的研究[J].大坝与安全,1989（4）.

[8]王惠文.偏最小二乘回归方法及其应用[M].北京：国防工业出版社,1999.