运行期大坝安全评价

秦 朋，谭恺炎，张志奎，张金杰，刘国彦

（葛洲坝集团试验检测有限公司，湖北宜昌，443002）

运行期大坝安全评价

秦 朋，谭恺炎，张志奎，张金杰，刘国彦

（葛洲坝集团试验检测有限公司，湖北宜昌，443002）

当前大坝安全评价以定性为主，定量并直观地评价大坝安全运行状态的方法不多。文章提出一种定量的评价方法，以历史监测资料为数据库，对大坝近期监测值进行分析评价，得到大坝综合安全评价值。以冶勒大坝为例，在确保自动化监测数据可靠的前提下，对大坝渗流渗压、应力监测、坝内水平位移、坝内垂直位移、基座裂缝监测5个监测项目分别进行分析评价，最终得到大坝整体安全状态评分。各监测项目分析结果与监测成果吻合，验证了评价方法合理。

冶勒大坝；系统误差；回归分析；定量安全评价

0 引言

水库大坝在给人们带来经济效益的同时也蕴藏着巨大的风险。我国建坝数量较多，随着坝龄增长，大坝失事的潜在危险也在加大[1]。因此，通过大坝安全监测资料对运行期大坝的安全状态进行评价非常必要。有关专家提出一系列的安全评价方法，如杨泽艳等比较洪家渡大坝渗流量实测值与设计值，得出运行指标结论[2]；傅世平将白溪大坝各项指标实测值与有限元计算结果对比，与类似工程进行对比[3]。与前述评价方法类似，目前大多数水电站运行期安全监测报告主要是将当前观测结果与历史值进行对比，得出一个定性的评价。黎佛林提出一种定量的评价方法，统计大量类似工程的各分项指标，计算水布垭工程分项指标在统计的数据库内的评分，最后得到一个大坝安全状态的定量评分[4]。但类似工程仍然存在坝体结构、水文地质条件等差异，尤其是不同时段不同的筑坝技术水平，以不同工程之间的相对变化作为安全运行状态评价数据得出的结论只能作为参考。在运行期，大坝本身的监测资料是一个庞大数据库，基于历史值的变化规律对当前观测结果做出评价最能说明大坝安全状态[5]。这种分析方法的前提是确保数据的可靠性，但多数大坝运行期存在的问题是，早期自动化的不成熟或者自动化系统本身的问题导致一些监测结果达不到要求。笔者以冶勒大坝为例，对自动化的监测资料进行可靠性分析，局部修正自动化系统误差，在确保数据可靠前提下提出一种基于历史数据库的大坝安全运行状态评价方法，得到冶勒大坝运行期安全状态综合评分。

1 工程简介

冶勒沥青混凝土心墙坝是南桠河梯级电站的龙头水库，坝高125.5 m，总库容2.98亿m3。坝址所处地形不良，河谷左右两岸不对称，岩石结构相异，且河床覆盖层深厚[6]。为监控大坝运行状态，冶勒工程设计了一套完整、可靠的大坝安全监测系统，主要包含坝体表面和内部水平、垂直位移监测、心墙和防渗墙应力应变监测、坝体和坝基渗流监测等，其中一些重点监测项目采用多种监测技术，为监测的可靠性提供了多重保障。

2 监测资料整理

自动化已经成为大坝安全监测的发展趋势，但电子产品结构复杂，电子产品测量与人工测量可能存在一定系统误差，加之电子产品本身的脆弱性，容易受到干扰，某些自动化测量的数据甚至失真。人工比测是校核自动化监测系统精确性和系统可靠性的有效方法。冶勒大坝安全监测自动化系统人工比测方法是采用方差分析作为比测指标，取同时刻自动化测量Xzi与人工测量Xri的数据系列，计算各自的方差σz、σr。取同一时刻人工测量与自动化测量系列值的差值δi=|Xzi-Xri|（式1），若该差值满足控制标准，则认为该自动化测点满足观测要求。

若计算结果不能满足要求，则对两组测值序列进行规律研究，判断是否存在系统误差。规范DL/T 5272-2012对σz、σr的定义分别为自动化测量精度和人工测量精度[7]。人工测量仪器经过具有资质的部门率定后，可以将人工测量精度作为评判标准。在满足测量精度的前提下，对两组数据进行回归分析，寻找同一测次和同一监测物理量人工测量和自动化测量由于初始值问题而引起的常差，对自动化测量系列扣除该常差后，再将修正后的数据代入式（1）、式（2），若满足控制标准，则认为该常差为自动化测量的系统误差，否则判定该自动化测量数据失真。

3 大坝运行状态评价方法

大坝运行期通常积累了大量的监测资料，自蓄水后或者在给定期限内，若坝体运行状态良好，且未经历除险加固，认为该时间段大坝处于安全运行状态，累积的监测资料可以作为安全评价分析数据库。若当次观测数据超过历史值，则判定大坝运行出现异常；若未超标，则按照下述步骤进行安全运行状态评价。

（1）根据大坝安全监测系统特点，将系统分为几类主要的一级监测项目，如图1所示，按照各监测项目重要性分配各自权重。若各一级项目有多种监测手段（如坝内垂直位移监测项目包含水管式沉降仪、电磁式沉降环、垂直位移计），则对各种监测技术进行二级项目分类，以此类推直至测点，同样逐项分配各自权重。

图1 大坝安全监测系统划分方法Fig.1 Classification method of dam safety monitoring system

（2）依次对每个测点3年以上的数据进行统计分析，以主要影响因子（若有2个或者2个以上则取多个）对历史数据进行多种关系统计回归，取最优回归方程式。如图2所示，将方程式的预测值与实测值的差值作为样本，以该样本的1倍方差、2倍方差为常数将回归曲线平移，得到5个评分划分区间，分别为好、较好、正常、较差、差。将上述5个区间进行刻度划分，以0为起点，1为终点，根据当次测值分布位置计算该测点的评分。

图2 测值评分方法Fig.2 Scoring method of measurement data

（3）平行测点的权重平均分配，根据各测点评分计算该监测项目评分，依次类推得到大坝安全状态总评分。少数测点失效，或在资料整理阶段被判定失真，在未超历史值前提下认为是正常状态，统一给定评分0.5。

4 冶勒大坝安全状态评价

冶勒大坝安全评价以2013～2015年监测资料为数据库，取2015年12月监测数据为分析对象。根据冶勒大坝安全监测系统特点，将整个系统分为坝内水平位移、坝内垂直位移、渗流渗压监测、应力应变监测、基座裂缝监测5个一级项目，再将各一级逐项继续划分，直至测点。

以冶勒大坝坝体渗流量为例，取渗流量为因变量，库水位为自变量（转换后的相对库水位），得到各种回归曲线见图3，各回归曲线方程式及相关系数见表1。

图3 冶勒大坝坝体渗流量与水位回归结果Fig.3 Regression results of seepage and water level of Yele dam

选相关系数最高的三项式y=-0.0016x3+ 0.1925x2-2.5398x+77.64为数学模型分析，对三项式的常数项分别代入两个置信区间的上下限，总共拟出5条曲线，如图4所示，计算当次测点的坐标位置离两侧曲线的垂直距离，得到当次测值评分为0.66。

图4 三项式评分区间划分结果Fig.4 Division result of marking interval of trinomial

通过该方法计算得三级逐项大坝渗流量子项目中右岸施工廊道渗流量、右岸8号沟、坝基、坝体渗流量各自评分矩阵为[1,0.64,0.71,0.66]，根据各指标相对重要性取权重矩阵[0.2,0.2,0.2,0.4]，得到三级逐项大坝渗流量安全性态评分0.73。采用同样的方法计算出渗流渗压监测项目中三级逐项、二级逐项及大坝渗流渗压总体评分见表2。

运用上述方法，对冶勒大坝渗流渗压、应力监测、坝内水平位移、坝内垂直位移、基座裂缝监测5个监测项目得到的评分矩阵为[0.72,0.77,0.76,0.82,0.73]。将笔者提出的方法运用到冶勒大坝，可以得到如下结论：

（1）渗流渗压变化未发现超历史值测点，选择库水位为主要影响因子，大部分测点测值与库水位回归结果并非线性相关。少数测点的渗流量或渗压与库水位成线性相关，测值分布在历史值区间偏大范围，因此渗流渗压监测项目评分相对其他项目偏低；

（2）坝内各部位应力应变已经基本稳定，仅随库水位发生小幅度变化；

（3）水平位移变化整体趋势为：水位上升时向下游位移，下降时向上游位移，符合一般变形规律，但仍存在一定向下游位移的时间效应；

（4）坝体垂直位移趋于稳定，局部发生上抬现象，具体原因有待进一步研究。但从所述评价方法的计算过程可以看出，监测项目的评分与整体测值大小一定程度上呈反比，因此这种垂直位移变化使得坝体垂直位移监测项目评分相对最高；

表1 各回归方程相关参数Table 1 Parameters of each regression equation

表2 大坝渗流渗压监测项目评分结果Table 2 Score results of dam seepage and seepage-pressure monitoring

（5）基座裂缝监测结果只有个别测值偏大，评分偏低，但该监测项目测点分布较少，因此整体评分也偏低；

（6）取渗流渗压、应力监测、坝内水平位移、坝内垂直位移、基座裂缝监测5个监测项目一级逐项权重矩阵[0.25,0.2,0.2,0.25,0.1]，最终得到冶勒大坝安全状况评分为0.76，处于较好水平。

5 评价方法实用性研究

文章提出的评分方法思路简单，但过程却非常繁琐，需要对每个测点进行回归统计，对当次测值进行评分，尤其是针对冶勒这种大型工程，安全监测项目涉及范围广、测点布置多，每次安全评价都按照上述程序进行不太现实。冶勒大坝运行期观测多年，各部位变形均趋于稳定，以年为周期发生小范围波动。本次计算选择近三年的数据库进行回归，均得到了相关性较高的数学模型。在不发生超历史值情况下，本次测值作为下次测值的回归数据库时，本次测值是否列入数据库对上述数学模型的影响可以忽略。因此，可以将该数学模型作为固定模型。给定模型后，评分过程仅通过Excel软件即可实现，适用于一般的资料分析人员。

6 结语

（1）针对运行期自动化大坝安全监测系统不足，文章提出自动化测量系统误差判别及修正方法，确保安全状态评价可靠性。

（2）大坝安全评价方法众多，在前人基础上，文章介绍了一种基于历史数据库的评价方法，对运行期大坝的安全状态进行定量评价。所述评价方法不仅可以宏观了解大坝整体安全运行状态，还可以定位到坝体某一区域的运行状态。

（3）将该方法应用于冶勒大坝，得到渗流渗压、应力监测、坝内水平位移、坝内垂直位移、基座裂缝监测5个监测项目的安全运行状态综合评分，评分值与监测成果是吻合的，认为该评价方法合理。冶勒大坝安全监测综合评分值为0.76，总体安全状态处于较好水平。 ■

[1]谭恺炎.高混凝土面板堆石坝安全监测若干问题的讨论[J].大坝与安全,2010(3):26-29.

[2]杨泽艳,蒋国澄.洪家渡200 m级高面板堆石坝变形控制技术[J].岩土工程学报,2008,30(8):1241-1247.

[3]傅世平.混凝土面板堆石坝监测资料分析和安全评价[D].杭州:浙江大学,2007.

[4]黎佛林,蔡德所,李玮岚,等.混凝土面板堆石坝安全评价及方法探讨[J].人民黄河,2014,36(4):104-107.

[5]秦朋,谭恺炎,胡升伟.300 m级高混凝土面板堆石坝安全监测技术讨论[J].大坝与安全,2016(1):57-60.

[6]苗君,何蕴龙,曹学兴,等.芦山地震冶勒大坝强震监测资料分析[J].岩石力学,2015,36(1):225-232.

[7]DL/T 5272-2012,大坝安全监测自动化系统实用化要求及验收规程[S].

作者邮箱：3426703@qq.com

Dam safety evaluation in operatinon period

by QIN Peng,TAN Kai-yan,ZHANG Zhi-kui, ZHANG Jin-jie and LIU Guo-yan
China Gezhouba Group Testing Co.,Ltd.

At present,dam safety evaluation is mainly qualitative,quantitative and intuitive evaluation method is rare.In this paper,a quantitative evaluation method is put forward,which based on the histori⁃cal monitoring data to analyze and evaluate recent dam monitoring value,and get the value of compre⁃hensive dam safety evaluation.Taking Yele dam as an example,under the premise of reliable automatic monitoring data,the seepage pressure,stress monitoring,horizontal displacement,vertical displacement of the dam and the crack monitoring of dam foundation are analyzed and evaluated respectively,and then the overall dam safety state is obtained.The analysis result of each monitoring item is consistent with the monitoring result,which proves that the evaluation method is reasonable.

Yele dam;systematic error;regression analysis;quantitative safety evaluation

TV697.1

A

1671-1092（2016）05-0014-04

2016-07-29

秦 朋（1987-），男，湖北黄冈人，硕士，工程师，主要从事大坝安全监测工作。