水电站大坝安全群控的关键技术问题

杨海云，陈安逸，陈泽钦，何金平

（1.国网福建省电力有限公司电力科学研究院，福州350007；2.武汉大学水利水电学院，武汉430072；3.武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉430072）

0 引 言

根据2018年全国水利发展公报，截止2018年底，全国已建成各类水库98 822 座，水库总库容8 953 亿m3［1］；其中，由国家能源局监管的水电站大坝接近600 座，装机容量占全国总装机的75%，水库库容占全国总库容的47%，囊括了全国坝高在200 m 及以上的特高坝［2］。因此，水电站大坝安全问题在坝工安全领域占有重要地位，水电站大坝及设施一旦破坏，将造成严重的后果［3］。

流域梯级开发是国内外水电开发的主要模式［4，5］。流域梯级开发具有水流利用充分、工程滚动开发、电力协同调度等多重优越性，在我国水电建设实践中已逐渐形成了金沙江、雅砻江、大渡河、长江上游干流、澜沧江干流、乌江、怒江、南盘江及红水河、黄河上游及中游、湘西诸河、闽浙赣诸河、东北诸河等大型流域水电站开发基地。例如，金沙江干流规划了8 级梯级开发，雅砻江干流规划了11 级梯级开发，澜沧江干流规划了15级梯级开发等。即便是一些较小的流域或支流，也是主要采用梯级开发模式；例如，福建省主要分布有闽江、九龙江、汀江、穆阳溪、霍童溪等5 条流域，其中闽江流域及支流共布置了20 多座梯级水电站，分别表现为沙溪支流10 个梯级、金溪支流9 个梯级、尤溪支流4 个梯级、古田溪支流4 个梯级的梯级水电站开发模式。

电力生产企业是水电站大坝安全的责任主体。根据我国安全生产领域的相关规定，企业是本单位安全生产的责任主体，政府部门承担安全生产的监管责任。我国五大发电集团和中国长江三峡集团公司以及其他各流域水电开发公司大多设置有各自的大坝中心，负责所属水电站大坝（群）的安全管理。以雅砻江流域水电开发有限公司为例，该公司于2011年成立“大坝中心”，按照“流域化、集团化、科学化”的发展与管理理念，统筹流域梯级大坝群的安全管理，建立了流域集中管理与现场管理相结合的大坝安全分级管理机制［6］。

单座大坝安全监控仍是目前大坝安全监控的主要方式。安全监控是保障大坝安全运行的重要手段和主要途径。虽然各大发电公司在开发过程中逐渐形成了流域大坝群或区域大坝群，但我国现有的水电站大坝安全监控主要还是针对单座大坝，即一座大坝设置一套安全监控系统。虽然部分发电公司对所属的具有关联性的多座大坝建立了大坝群安全监控系统，但主要是实现多座大坝监测资料的集中管理和信息共享，并未涉及到大坝群监测数据之间的实质性融合，更未涉及到大坝群之间的安全关联性，因而本质上仍属于单座大坝的安全监控系统，不过是多个单座大坝监测系统的简单组合。仍以雅砻江流域水电开发有限公司为例［7］，公司于2011年启动雅砻江流域大坝安全信息管理系统的建设工作，系统定位为雅砻江公司流域大坝安全管理和技术管理的统一平台，主要功能是对各投运水电站大坝监测一级巡检维护、定检注册等大坝安全信息进行全面管理，并为安全监控项目的管理提供信息化手段；该系统2013年投入试运行，至2017年已接入二滩、桐梓林、官地、两河口、锦屏一级、锦屏二级和杨房沟等7 座水电站的监测数据，仅占全流域22座梯级水电站的一少部分，其余大坝仍采用单座大坝安全管理模式。

综上所述，我国目前已经形成了流域水电站大坝群和区域水电站大坝群的开发模式，但水电站大坝安全管理还停留在单座大坝单独监控的管理模式上。大坝群之间的安全性存在着相互影响，大坝群的安全管理难度比单座大坝的安全管理要复杂得多，目前针对单座大坝的安全管理模式远不能满足和适应大坝群控的需要。为此，本文对水电站大坝群的基本概念和大坝群控关键技术问题进行了探讨。

1 大坝群与大坝群控的内涵

与一般意义上的大坝安全监控相比，大坝群安全监控（大坝群控）有两方面的特殊性：一是研究对象是大坝群，而不只是单座大坝；二是研究内容是大坝群的健康诊断和安全监控，而不只是单座大坝的健康诊断和安全监控。因此，单座大坝的健康诊断和大坝群的健康诊断在研究思路和研究方法上具有明显的区别，在大坝群控研究过程中，需要明确大坝群的范围，明确大坝群控应纳入的具体内容，以及开展大坝群控研究需要采取的技术支撑等。

1.1 大坝群的类型

大坝群控中的大坝群，主要包括两种类型：一是地理位置上的大坝群，主要为同一流域上的多座大坝组成的大坝群，可称之为“流域大坝群”；二是隶属关系上的大坝群，主要是同一发电公司所属的多座大坝组成的大坝群，可称之为“区域大坝群”。此外，还有一类与电网有关的大坝群，主要是某一范围内接入电网的多座大坝组成的大坝群，可称之为“电网大坝群”。

1.1.1 流域大坝群

我国规划的十三大水电基地中，绝大部分是以流域梯级开发形式呈现的。流域内高坝大库龙头水电站的建设，密集梯级的水电站开发，较好地解决了水资源时空分布不均的矛盾，极大地提高了流域水资源的综合利用［8］，因此流域内的梯级水电站群开发已成为我国流域水资源综合利用和能源供应基地建设的主要模式。

然而，流域内梯级大坝群在最大限度地实现水资源的综合利用的同时，梯级大坝群之间的安全性因存在着相互影响而导致大坝群蕴含着更加复杂的安全风险，因此，流域内梯级大坝群的安全监控比流域内任何一座单座大坝的安全监控都要复杂得多。

1.1.2 区域大坝群

华能、大唐、华电、国电和中电投是我国五大全国性发电集团，所属水电站大坝遍布全国各地，因而同一流域或同一区域存在着归属于不同发电公司的水电站大坝。除雅砻江流域由国务院授权雅砻江流域水电开发有限公司进行统一开发外，其他各大型流域上的水电站开发至少包含2家发电集团参与。

发电企业是水电站大坝安全的责任主体，因此同一区域内的不同大坝在安全监控上采取各负其责的管理模式，这也就在实际上将整个区域内的所有大坝按照其产权关系划分为隶属于不同发电公司的区域大坝群。

1.1.3 电网大坝群

发电公司与电网公司分开是我国目前电力行业的基本体制。我国电网分为国家电网和南方电网，两个电网不交叉。同一区域内的所有水电站均接入该区域的电网，因此，就某一范围而言，所有接入该电网的水电站大坝就在该范围内构成了一个电网大坝群［9］。

上述三类大坝群事实上是相互交融的。流域大坝群以流域为载体，包含该流域内的所有大坝，这些大坝可能属于一个发电公司或多个发电公司，大坝群控侧重于上下游水电站大坝安全之间的相互影响；区域大坝群以责任主体为载体，包含某一区域内某一发电公司所属的所有大坝，区域大坝群中的大坝属于同一发电公司，但在同一个区域可能存在分属于不同发电公司的区域大坝群，大坝群控侧重于大坝安全的集中管理和监控。电网大坝群以电网为载体，包含某一范围内接入电网的所有大坝，这些大坝分属于不同的发电公司，大坝群控侧重于大坝安全对电网安全稳定运行的影响。

1.2 大坝群控的内容

大坝群控涉及的内容十分广泛，既包括环境量，也包括效应量；既包括大坝的坝体及坝基，也包括近坝库岸和库区；既包括大坝主体结构，也包括闸门等附属结构；既包括工情监控，也包括水雨情监控。

1.2.1 群控对象

环境量是影响大坝安全的决定性因素，对环境量的监控是所有大坝必须开展的项目，特别是对库水位、坝址温度的监控。

监测效应量是对大坝运行性态的直接反映，是评价大坝安全状态的基本依据。对不同类型的大坝，监控的重点也不尽相同。比如，对混凝土重力坝，重点监控的效应量主要有坝体变形和坝基扬压力；对混凝土拱坝，重点监控的效应量包含坝体变形和坝肩变形以及温度荷载；对土石坝，重点监控的效应量主要为渗透压力，包括坝体浸润线和坝体及坝基渗透坡降等；对泄洪设施，则应重视对水力学方面效应量的监控。

除监测效应量外，大坝安全巡视检查也是保障大坝安全的重要手段。在大坝监控中，必须将仪器监测与巡视检查紧密结合。

单座大坝的监控是大坝群安全监控的基础。对大坝群控而言，在布置单座大坝的安全监控时，还需要关注不同大坝之间（特别是流域大坝群之间）效应量的关联性，为大坝群关联监控的实现提供可能。

1.2.2 群控范围

在大坝群控中，大坝是一种泛指，是坝体、坝基、坝肩、近坝库岸以及库区的总称。因此，大坝既包括主体结构，也包括近坝库岸和库区，还包括各种附属设备等。

大坝主体结构主要包括各类挡水建筑物，各类泄水建筑物（如混凝土坝的溢流坝段，土石坝的溢洪道、泄洪隧洞等），以及相应的发电建筑物（如地面厂房、地下厂房、输水管道等）等。

近坝库岸和库区的安全监控是大坝安全监控中容易忽视的部分。但是，已有的大坝失事实例表明，因近坝库岸崩塌导致的大坝失事、因库区滑坡和泥石流等灾害导致的大坝事故时有发生，有些导致了极其严重的灾难性后果，如著名的意大利瓦伊昂拱坝的失事。

大坝附属设备的运行安全监控也是大坝安全监控中比较容易忽视但确是十分重要的监控内容，其中闸门是大坝最主要和最重要的附属设备，因闸门不能正常工作而导致的洪水漫顶并最终导致大坝溃决的教训是惨痛的，比如著名的板桥大坝的失事等。

因此，在大坝安全监控中，不仅要重视对大坝主体结构的监控，而且要高度重视对近坝库岸和库区以及闸门等附属设备的监控。

1.2.3 群控系统

大坝群不同于单座大坝，大坝群之间的安全性具有关联性，安全因素具有相互影响，因此，大坝群控不仅要监控大坝结构的安全，而且要监控大坝群之间的安全影响因素。前者主要涉及到工情监控系统，后者主要涉及到水雨情监控系统。

水雨情监控系统主要包括对水库水位、库区降雨等进行的实时监控，其目的是为水库运行调度、水情预测预报等提供实时、准确的监测数据。

将工情监控系统与水雨情监控系统有机结合对大坝运行进行联合调度是未来大坝安全监控（特别是大坝群控）的发展趋势。工情监控系统提供了大坝运行性态的实时监控信息和安全预测信息，水雨情监控系统提供了大坝安全影响因素的实时信息和预报信息，两者信息的有效融合可实现对闸门调度、水位控制等主要安全手段的控制。

对于大坝群，流域水雨情系统则更为重要。流域内的雨情、上游水库的泄洪、下游大坝的制约等都是影响大坝群安全的重要因素。

大坝群控的基本内涵可以概括为图1。

图1 大坝群控的基本内涵Fig.1 The basic connotation of dam group safety monitoring

2 大坝群控关键技术问题

水电站大坝安全群控的研究目前还处于起步阶段，实质性的研究成果还不多，且主要集中在流域大坝群监测信息的集中管理和溃坝洪水对流域大坝群安全的影响等方面［10-12］。然而，大坝群控不只是对多座大坝的监测系统实施远程监控，或将多座大坝的监测资料集中起来进行统一管理，大坝群控的关键在于对大坝群监测资料进行深度融合，实现对大坝群的智能化健康诊断和安全监控。

2.1 大坝群控平台建设

大坝群控平台是实现大坝群监测信息深度融合的基础设施。就单座大坝而言，我国大中型水电站均布置有大坝安全监测系统，有比较完善的监测信息感知设施，能及时获得大坝变形、渗流和应力应变等监测资料。但是，这些监测资料主要分散在每座大坝，难以实现大坝群数据采集的远程控制、信息管理的多源融合和大坝安全的智能监控。为此，需要采用现代信息技术和新一代网络技术，开发适合于大坝群安全监控的系统和平台。

（1）平台的构建技术。基于分布式技术、虚拟化技术、信息共享技术和新一代网络技术的云计算平台，将信息存储空间、云计算能力和用户应用软件作为一种服务提供给用户使用，为大坝群控平台的建立提供了一种新模式和新技术，也是大坝群控平台未来的发展趋势。

（2）平台的功能。基于云平台的大坝群控系统，利用现有的单座大坝的安全监测系统作为大坝安全信息的感知系统，利用现代通信技术和网络技术实现监测数据采集的远程控制，利用云数据中心构建虚拟化的云基础设施和集成化的数据资源池以实现监测信息的共享与管理，因此，大坝群控平台的主要功能在于为实现数据深度挖掘、多源信息融合、智能健康诊断、安全监控预警等用户应用软件功能提供基础设施和数据资源。

2.2 智能化大坝群控技术

大坝群控不同于单座大坝的安全监控，除常规的技术手段外，更侧重于大坝群监测信息的关联、融合和挖掘，因而对智能化的要求更高。以人工神经网络、机器学习、模式识别、数据挖掘、大数据理论为代表的人工智能技术的飞速发展，为大坝群控提供了智能化技术支撑。

（1）多维度智能化安全监控。单座大坝安全监控智能化是大坝群控智能化的基础，无论是单座大坝还是大坝群，安全监控智能化在时间维度上需要贯穿建设期与运行期的全生命周期，在空间维度上需要覆盖全流域或全区域的范围，在应用维度上需要涉及到智能化监测仪器与数据采集系统、智能化工程病害识别与健康诊断、智能化安全预警与应急预案以及智能化的失事后果风险分析等全过程。智能化大坝群控涉及到工程学、仪器学、信息学、现代数学等多学科交叉与融合。

（2）信息深度融合。信息深度融合是大坝健康诊断和安全监控的主要手段和重点内容。对单座大坝，信息融合的重点是从多测点、多效应量监测资料中挖掘和提取表征大坝安全的关键信息；对大坝群，大坝群之间本身是具有一定关联性的，大坝运行条件、实测性态等方面也具有一定的关联性，因此信息融合的重点在于寻找能融合具有关联性的多座大坝监测信息的特征参数，采用诸如信息熵理论、互信息理论、联系度理论、机器学习等现代信息技术，研究大坝群信息关联方法，实现大坝群之间多源监测数据的信息融合，挖掘大坝群之间安全特性的规律性。

（3）大坝群控与智慧流域。大坝群控是智慧流域建设的基础。在流域大坝群、区域大坝群和电网大坝群三种类型中，最常见的还是流域大坝群。智慧流域以新一代网络技术、信息感知技术、人工智能技术等为基本技术手段［13，14］，以全面感知、实时监控和智能处理为基本运行方式，将全流域水雨情监控系统和工情监控系统融于一体，实现对全流域的高度智能化综合管理。流域大坝群控的实现，使得智慧流域的实施成为可能，为流域水资源综合利用、流域洪灾风险控制、流域工程效益充分发挥等提供了前提条件。

2.3 大坝群安全风险分析

大坝安全风险分析是一种以风险控制为核心的安全管理模式，主要包括风险识别、风险评估、风险标准和风险处置等方面的内容。风险分析使得大坝安全管理逐步从以工程安全管理为核心的传统模式向以工程风险管理为核心的现代理念转变，是未来大坝安全管理的主要发展趋势。目前对单座大坝的风险分析研究较多，但大坝群风险分析方面的研究成果还较少。

（1）流域大坝群风险分析。梯级开发能满足流域内多目标开发的需要，获取最大的梯级效益，但是流域梯级开发也不可避免地面临工程安全和管理调度两方面的风险［11］。其中，工程安全风险主要表现在：流域梯级内不同大坝的工程等级不一致，导致防洪标准不协调；上游干流甚至支流上的大坝一旦溃坝，将有可能引起下游大坝群发生溃坝的连锁反应。为此，流域梯级大坝群风险研究时，需要特别研究两类失事模式：一是寻找个体失事概率最高的薄弱大坝，这是梯级大坝群风险控制中的“短板”；二是寻找能降低溃坝风险传递效应或截断溃坝风险的控制性大坝，一般是流域中的高坝大库，控制着流域的整体风险水平。

（2）区域大坝群风险分析。区域大坝群的研究在水利领域有所研究，但在水电站大坝群中研究成果很少。这主要是由于目前的区域大坝群以省域划分为主，水利大坝在省域内管理职权比较明确，而水电站大坝在省域内则分属不同的发电集团。区域大坝群风险分析的目的目前主要是确定区域内各大坝的风险水平，进而确定大坝安全改造的资金强度和先后顺序［15］。

（3）电网大坝群风险分析。电网大坝群是一类比较特殊的大坝群，电网大坝群风险不仅关心大坝本身的风险水平，而且更关心大坝失事对电网的安全稳定运行带来的不利影响［9］。接入电网的大坝群，既包括流域上的大坝群，也包括某一区域内的大坝群，因此电网大坝群风险研究比流域大坝群和区域大坝群风险研究更为复杂。目前比较可行的研究方法主要有联系度方法和贡献度方法，即：将电网运行状态视为目标，将接入电网的各大坝视为影响因子，研究各座大坝失事导致电网故障的关联程度，或各座大坝失事对电网故障的“贡献”程度。

3 结 语

无论是流域上还是区域内的水电站大坝，主要表现为大坝群的形式。这些大坝群之间存在着相互联系和相互影响，因此，在大坝安全研究时需要特别重视对大坝安全群控的研究。本文在总结了我国水电开发模式和水电站大坝安全管控方法的基础上，对水电站大坝群和大坝群控的内涵进行分析，提出了水电站大坝群控研究的关键技术问题。

本文将水电站大坝群划分为流域大坝群、区域大坝群和电网大坝群三大类。流域大坝安全群控侧重于上下游水电站大坝安全之间的相互影响，区域大坝群控侧重于大坝安全的集中管理和监控，电网大坝群控侧重于大坝安全对电网安全稳定运行的影响。

水电站大坝群控的关键在于对大坝群安全信息的深度融合，对大坝群健康状态的智能诊断和监控，主要包括大坝群控平台建设、智能化大坝群控技术以及大坝群安全风险分析等关键技术问题。 □