大坝安全预警信息管理系统的应用

摘 要：水电站大坝安全自动预警一直是从事安全监测人员较为关注的问题，华能澜沧江水电有限公司联合国内知名院校和勘测设计单位开发了一套工程安全评价与预警信息管理系统，通过内置监测模型和嵌入数值计算及反演分析，实现了大坝安全监测数据分析、趋势预测、数值计算及反演分析、安全监控指标预警等功能。结合该系统的实际用用情况，介绍该系统的组成、功能、特点及实际应用效果。

关键词：大坝安全指标；预警；趋势预测；嵌入式数值计算

前言

水电站大坝的安全历来备受重视，某工程作为云南省内最大的水电站，各项技术指标超出国内现行规范，为确保大坝安全，共布置有多种类型的观测仪器，已实现自动化采集，但监测数据信息量大，如何及时有效的发挥监测数据的作用，减少监测数据基础处理和人工分析的工作量，在监测数据发生异常时能够及时提醒和预警，是迫切需要加以解决的现实问题。为此，针对该工程的特点，开发符合实际需要的安全预警信息管理系统是必要的。

1 系统概述

该系统创新性地将监测数据管理、嵌入式数值计算和反演分析、安全评价和预警预案等有机地集成于一体，利用网络与信息化的手段，将科研、设计、管理、数据监测与施工生产紧密结合。嵌入了数值计算模块和反演分析模块，包含大坝稳定分析、静动力结构分析、渗流分析和裂缝等计算分析和反演分析功能。建立多层次、多级别、多来源和多目标的安全指标体系，开发了简明实用且综合完备的大坝安全预警及应急预案模块。

该系统主要由7个模块构成，系统结构如图1所示：系统管理模块，是本系统的枢纽；监测数据与工程信息管理模块、数值计算模块和反演分析模块，是本系统的核心；安全预警模块和应急预案模块，是本系统的目标；巡视记录与文档管理模块，是对系统基本信息的重要补充；数据库与数据管理模块，是本系统的资料基础。

2 各模块的功能及应用

2.1 系统管理模块

系统管理模块主要实现本系统各使用单位、部门以及各单位、部门下用户的规范化定义，通过对角色的权限进行定义，对用户赋予不同角色，实现用户不同权限范围的授权访问，确保系统使用安全。

2.2 监测数据和工程信息模块

该模块可以对大坝的PBS结构、大坝安全监测规划的监测断面、安全监测所用的仪器类型以及监测仪器的埋设路径等基础信息进行定义，实现基础业务数据的维护功能，为安全监测的综合分析提供基础数据。同时，根据编入的数据分析模型，对大坝各类动态信息（环境量、效应量及工程信息等）进行查询、统计分析、可视化展示及报表编制等。重点实现内容包括：

（1）实现仪器埋设参数的统一维护、管理。（2）支持各类人工监测数据的批量导入；制作高度复杂和格式多变的报表。（3）可制作年、季、月、旬、周、日报表，可以输出单点测值、多点测值和相对取值，取值方式丰富。（4）监测数据分析图形的动态绘制：包括过程线图、分布图、相关图、方块图、浸润线图等，各种图形都可随意定制，设置和生成简便快捷，可供选用的外观风格丰富；图形坐标的范围、比例可根据绘图数据自动确定，还可依需要手动设定和更改。（5）实现基于三维可视化模型的监测成果交互式查询与分析；支持监测成果的导出，包括图片、CAD或Excel数据表格等。

该模块内嵌有多种监测资料定量分析计算方法：如多元线性逐步回归、全回归、偏最小二乘回归等；可建立监测量的物理模型：包括统计模型、人工神经网络模型，可建立变形监测系统的分布模型；可分解监测量物理模型中的各组成成分，分析分量间的对比关系，揭示监测量的变化规律和原因；可根据监测结果的预报模型和预计的环境量数据，预测监测量的估计值；提供监测数据合理性判断与趋势预测功能。

2.3 数值计算模块

该模块可对大坝性态进行分析预测，是本系统的关键部分之一。系统平台可对大坝在不同条件下的应力、变形、水压、渗流、裂缝、稳定性和动力响应等计算的输入数据及计算结果进行储存、查询、浏览、二三维可视化展示及报表等，并可操作嵌入计算。

提供针对静力计算、渗流计算、稳定计算、裂缝计算、动力计算等任务的管理；可进行各种计算模型的导入和管理；提供计算参数的调整；系统指定计算结果的统一格式，并提供计算结果的导入功能；可进行计算结果与监测数据过程曲线的对比；可进行数值计算结果查询，主要包括：过程线、分布图、相关图、包络图等分析和查询。

2.4 反演分析模块

根据所要反演参数的类型及数量，确定所需要的信息；通过有限元计算生成训练样本；训练和优化用于替代有限元计算的神经网络，并进行坝料参数的反演计算。将反演参数、误差以及必要的过程信息存入数据库供其他单元调用。

2.5 安全预警与应急预案模块

提出高心墙堆石坝渗透稳定、沉降、坝坡稳定、应力应变、动力反应等方面的控制标准，建立大坝的综合安全指标体系。根据动态监测信息以及计算成果，进行大坝安全分析，建立大坝安全评价模型；结合安全指标体系，针对不同的异常状态及其物理成因，对异常状态进行分级并建立预警机制。该模块可进行分级实时报警，并可给出预警状态信息。根据安全预警与预案判别分析结果，对可能出现的安全问题，建立相应的应急预案与措施，确保工程安全、顺利、高质量实施，并可人工修改应急方案。

本模块包括安全预警项目、安全指标体系、应急预案管理和安全预警信息四个部分。安全预警项目包括三类，即整体项目、分项项目和定制项目。整体项目是指从坝前蓄水位、渗透稳定、整体变形、坝坡稳定等宏观方面评价大坝安全的项目。此外，大坝裂缝在已见高土石坝中普遍存在，且是广受关注的可能造成安全隐患的诱因，因而在本系统中也被列为一个整体安全预警项目。分项项目与典型监测点对应，包括水平位移、沉降、渗流量、孔压、土压和裂缝等几个方面。对每个项目的管理均包括项目的添加、对应监测项目和测点的选取、判别基准值和安全指标的设定、应急预案的建议等。

通过设定好的设计监控指标，系统自动发出报警信号，报警信号可以采用桌面提醒、邮件提醒和短信提醒。不同级别的预警响应的应急预案不同，通过设定好的应急方案与预警级别之间的关系，系统自动提出应急方案以供运行人员执行。

2.6 巡视记录与文档管理模块

对大坝安全巡视过程中产生的视频、图片、文档等资料进行管理，并可进行查询操作。文档管理主要是对大坝建设和运行过程中各环节相关的图片、文档等资料进行管理，并可进行添加和查询操作。

2.7 数据库管理模块

主要用于数据的录入、修改及查询等操作，本模块仅限于系统管理员用户。包括系统基本数据和多个模块共用的公用数据。数据分为两类，一次数据（原始数据）为研究对象的基本信息；二次数据是经系统分析等对一次数据处理得到，以便于各模块的调用。

3 结束语

该系统的功能丰富，操作界面友好，特别是将监测数据管理、嵌入式数值计算和反演分析、安全评价和预警预案等有机地集成于一体，可以实现与现场其他的生产过程管理系统的紧密集成，支持计算分析结果的发布及大坝性态的动态反演，实现计算、计划、执行、反演与优化过程的闭环管理。纳入了数值计算模块和反演分析模块，包含了大坝稳定分析、静动力结构分析、渗流分析和裂缝等计算分析和反演分析功能，实现了大坝性态的安全分析及预警。从实际应用来看，非常适合水电站运行管理人员及时、深入的掌握大坝的工作性态。

参考文献

[1]张宗亮，等.工程安全评价与预警信息管理系统研究开发报告[Z].2003.

作者简介：徐小坤（1978-），男，工程师，主要从事水工建筑物运行、安全监测资料分析工作。