城西水库大坝安全监测分析与评价系统研究

阚乃立 陈新建

城西水库大坝安全监测分析与评价系统研究

阚乃立 陈新建

一、概述

城西水库位于安徽省滁州市清流河支流小沙河上游，紧靠滁城和津浦铁路。水库控制流域面积168km2,总库容7112万m3，是一座集防洪、城市供水、灌溉、抽水蓄能及水产养殖等综合利用的重点中型水库。工程于1958年动工兴建，1965年8月完成最初设计标准，1976年对水库进行除险加固，达到现有规模。水库于2004年又结合一次除险完成了大坝渗流自动化监测采集系统建设，主要监测项目分如下3部分：

（1）1个库区水位点和1个坝区降水观测点，实现于水库水情自动化采集系统中，采集数据可自动入库；

（2）55只坝体内部渗流观测孔隙水压力计，所有点采集可自动入库；

（3）坝体表面变形监测点包括水平位移与竖向位移监测，人工观测，手工入库。

由于施工过程和仪器本身性能不稳定，在系统整体投入运行前，部分渗流观测仪器已损坏或者不能正常采集现场数据。2008年4月，结合水利部科技成果重点推广计划项目“土石坝安全监测分析评价系统”，更换0+700关键断面部分已损坏仪器，同时添加2处下游水位监测点，以满足系统分析评价的硬件需求，并结合水库原有自动化采集系统建设成果，实现水库大坝安全监测在线分析与系统评价。

二、系统功能描述

安徽省大中型水库的数据库系统都是依据具体硬件环境建立起来的，所使用的数据库系统差异较大，考虑到软件系统的兼容性，此次“土石坝安全监测分析评价系统”具有独立的数据处理系统，以适应安徽省水库大坝具体数据处理环境。该软件的功能包括：

（1）能自动定时转储现地单元传送的数据，也能人工随时转储现地单元存储的定时采集数据；

（2）具有独立的数据转储程序，该程序可以集成在主程序中，也可以单独运行，可以根据使用者实际要求定制；

（3）系统采用B/S与C/S相结合模式开发，实现了专业性与易操作性的统一，也实现数据库服务器与客户端的分离；

（4）具有独立的数据采集、处理、数据查询、用户管理、数据分析、安全评价、资料整编功能；

（5）支持大坝监测资料规范化整编与智能化综合评价，实现了实用性与先进性的统一；

（6）通过分析成果信息网络发布，实现了系统的开放性；

（7）有人工采集数据输入接口，可以对人工采集的表面变形、测压管等数据进行分析处理，最终纳入到系统数据库中，参与整个系统的分析、评价和数据管理；

（8）开发基于模糊综合评价技术、灰色关联度技术与神经网络技术的智能型坝体综合评价技术；

（9）可为不同类型闸坝提供安全监测自动化解决方案，尤其对除险加固闸坝进行自动化监测改造具有继承性和发展性的特点；

（10）对通过自动化采集到的表面变形数据和水文数据留有数据接口，最终对自动化采集到的表面变形数据和水文数据进行更进一步的分析和处理；

（11）运用软件技术解决数据采集系统长期运行效率的问题,一台计算机即满足数据采集、分析与发布的要求。

三、系统数据流程

软件系统将采集到的数据进行处理后，分别保存在相应的数据库中，这些数据由大坝安全监测数据管理信息子系统管理，并最终形成完整的安全监测数据库。软件系统数据流程见图1。

大坝安全监测分析评价子系统对在安全监测数据库中的数据进行分析和系统评价，最终形成分析曲线、分析报告、整编资料、报表、存档数据和安全评价报告等。

四、安全监测系统软件模型、参数和分析方法

1.外部变形模型、参数和分析方法

对于已建闸坝，外部变形观测主要是表面变形，包括表面竖向位移和水平横向位移，主要包括以下模型、参数和分析方法：（1）竖向位移模型；（2）漏测竖向位移量估算；（3）竖向位移率与速率分析；（4）裂缝风险分析；（5）水平位移因子影响分析。

2.内部渗流模型、参数和分析方法

建立内部渗流观测数据分析评价模型，包括以下模型、参数和分析方法：（1）渗流数据项的选用方法；（2）滞后时间推算；（3）相关分析；（4）位势分析；（5）水力学浸润线分析；（6）流网法渗流场分析（7）渗流量分析；（8）渗透系数反演分析；（9）渗流安全综合分析。

3.坝体安全综合评价模型、参数和分析方法

建立坝体安全综合评价模型，主要包括以下模型、参数和分析方法：（1）评价体系构建；（2）评价准则的确定；（3）专家打分支持；（4）指标权重层次分析；（5）模糊综合评价模型；（6）灰色关联度评价模型；（7）人工神经网络模型；（8）坝体健康趋势分析；（9）坝体安全级别评价；（10）在线实时评价。

五、软件模块

根据建立的软件模型、参数和分析方法，开发的软件模块包括：自动化数据采集模块、硬件驱动模块、人工录入模块、数据管理模块、自动化接口模块、外部变形分析模块、内部渗流分析模块、图表绘制与资料整编模块、安全综合分析评价模块等。

六、数据分析原理

1.数据分析功能

数据分析的功能包括：（1）对现场采集数据进行定量分析，如实现查询分析、位势分析、过程线分析、分布图分析、相关分析、回归分析、反演分析、相关性检验等定量分析；（2）显示和打印查询结果、位势、过程线、分布图、相关系数、相关方程、回归方程、反演结果和相关性检验结果等；（3）为资料整编提供数据和图形，并生成整编资料和整编报告；（4）为安全综合评价提供基础数据，如位势、相关性及相关检验结果等；（5）直接为有经验的闸坝安全监测人员提供安全综合评价判断依据。

2.数据分析模型原理

数据分析模型原理主要以最小二乘法、相关系数和一元线性回归方程为数学依据。

七、安全综合评价原理

1.安全综合评价系统功能

（1）根据大坝安全评价导则建立评价体系，评价指标的量化，实现定期人工综合评价；

（2）完全针对闸坝监测数据构建评价体系和准则，根据当前监测数据，实现在线实时安全分析和评价，并生成指标评价报告。

2.安全综合评价系统模型原理

根据评价功能目标需求，本系统采用模糊综合评价方法和灰色关联度分析方法实现不同的评价分析功能。

八、系统分析与评价界面

系统开发采用面向对象可视化方式进行，界面设计中以操作简便、交互友好、尊重操作人员习惯为指导原则，实现专业性与易操作性的统一。尽量采用直观的图形用户界面技术，信息的表达形象、直观、简洁。系统操作以菜单栏与工具栏相结合的方式表现，充分利用菜单、图形、图标等形象化的界面元素为基础。系统界面主要包括：（1）数据维护；（2）数据查询；（3）坝体平面；（4）断面综合；（5）断面分析；（6）表面沉降；（7）沉降分析；（8）过程线分析；（9）位势分析；（10） 水位变化过程线分析；（11）水位相关过程线分析；（12）水位相关分析；（13）水位变化相关分析；（14）综合评价；（15）数据报表。系统的0+450断面分析界面如图2所示。

九、结束语

本文系统地阐述了城西水库大坝安全监测的分析与评价方法，很大程度上提高了水库的日常观测和数据处理效率，也是水库管理自动化的基础。从工程应用效果看，该系统运行稳定，分析和评价能直观反映水库大坝实际运行情况，效果良好。同时根据我国水库大坝的实际观测情况，提出如下建议：

（1）最能发现水库安全隐患的是现场巡视和监测数据分析，因此，在日常水库管理工作中，应加强现场巡视和监测数据分析；（2）目前，随着自动化、电子技术、水工、坝工理论技术、计算机信息管理技术的发展，国内外水库大坝安全评价的方法更倾向于用水库大坝的安全预警来代替水库大坝的安全评价，因为安全预警更实用且能迅速有效地反映大坝具体断面的实际情况

安徽省滁州市城西水库管理处 239000 安徽省水利科学研究院 233000）