大壩安全監(jiān)測的內(nèi)涵以及擴展

1、大壩安全監(jiān)測的內(nèi)涵以及擴展 從分析影響大壩安全的各種因素入手,在時空兩個方面拓寬了大壩安全監(jiān)測的概念,即大壩安全監(jiān)測應(yīng)在時空上將影響大壩安全的因素考慮在內(nèi)。在此基礎(chǔ)上,提出:(1)大壩安全監(jiān)測要有明顯的針對性;(2)重視對潰壩的分析;(3)大壩安全監(jiān)測應(yīng)和設(shè)計及大壩安全定檢結(jié)合起來,以方便資料分析和相互校核;(4)加強對大壩安全監(jiān)測(包括監(jiān)測系統(tǒng)),特別是自動化系統(tǒng)的效益評估,要求大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)成為水庫運行調(diào)度的依據(jù),真正為提高水庫效益服務(wù);(5)通過網(wǎng)絡(luò)技術(shù),實現(xiàn)大壩安全監(jiān)測的網(wǎng)絡(luò)化,以方便經(jīng)驗交流,提高監(jiān)測技術(shù)。 關(guān)鍵詞:大壩安全監(jiān)測;時空;運行管理;網(wǎng)絡(luò)? 眾所周知,大壩是一種特殊建筑

2、物,其特殊性主要表現(xiàn)在如下3個方面:投資及效益的巨大和失事后造成災(zāi)難的嚴重性;結(jié)構(gòu)、邊界條件及運行環(huán)境的復(fù)雜性;設(shè)計、施工、運行維護的經(jīng)驗性、不確定性和涉及內(nèi)容的廣泛性。以上特殊性說明了要準確了解大壩工作性態(tài),只能通過大壩安全監(jiān)測來實現(xiàn),同時也說明了大壩安全監(jiān)測的重要性。事實上,大壩安全監(jiān)測已受到人們的廣泛重視,我國已先后頒布了差阻式儀器標準及監(jiān)測儀器系列型譜、水電站大壩安全檢查實施細則、混凝大壩安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范、水庫大壩安全管理條例、土石壩安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范等,同時,國際大壩會議也多次討論過大壩安全問題1。 大壩安全監(jiān)測是人們了解大壩運行性態(tài)和安全狀況的有效手段。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展、管理水平的

3、提高及人們觀念的轉(zhuǎn)變,大壩安全監(jiān)測的內(nèi)涵也進一步加深。為此,筆者從分析影響大壩安全的因素入手,對大壩安全監(jiān)測的若干問題進行探討。 1影響大壩安全的因素 影響大壩安全的因素很多,據(jù)國際大壩會議“關(guān)于水壩和水庫惡化”小組委員會記錄的1 100座大壩失事實例,從1950年至1975年大壩失事的概率和成因分析中得出大壩失事的頻率和成因分別為:30%是由于設(shè)計洪水位偏低和泄洪設(shè)備失靈引起洪水漫頂而失事;27%是由于地質(zhì)條件復(fù)雜,基礎(chǔ)失穩(wěn)和意外結(jié)構(gòu)事故;20%是由于地下滲漏引起揚壓力過高、滲流量增大、滲透坡降過大引起;11%是由于大壩老化、建筑材料變質(zhì)(開裂、侵蝕和風(fēng)化)以及施工質(zhì)量等原因;12%是不同的

4、特有原因所致。 通過上面的數(shù)值可以作如下分析:大壩失事的原因很多、涉及范圍也很廣,但大致可以分成3類。第一類是由設(shè)計、施工和自然因素引起,它沒有一個從量變到質(zhì)變的過程,而是一旦大壩建成就已確定了的,如設(shè)計洪水位偏低、混凝土標號過低、未考慮地震荷載等;第二類是在運行、管理過程中逐步形成的,有一個從量變到質(zhì)變的發(fā)展過程,如沖刷、浸蝕、混凝土的老化、金屬結(jié)構(gòu)的銹蝕等;第三類是上述兩種混合情況,即設(shè)計、施工中的不完善在運行中得不到改正,或者說隨著時間的推移和運行管理的不力使設(shè)計、施工中的隱患發(fā)展為破壞。就目前而言,大壩安全監(jiān)測主要是針對后兩種情況。下面將從設(shè)計、施工、運行維護3個階段來討論,著重強調(diào)目

5、前大壩安全監(jiān)測容易忽視的一些方面。 1.1設(shè)計階段 眾所周知,在設(shè)計階段,壩址的確定決定了地形、地質(zhì)、地震發(fā)生頻率及水文條件等;樞紐的總體布置、壩型及結(jié)構(gòu)、材料選擇和分區(qū)、水文資料的收集及洪水演算、地質(zhì)勘探等都將影響大壩的安全。1980年6月19日,烏江渡水庫泄洪水霧引起開關(guān)站出線相間短路跳閘、引出線燒斷、工地停電,類似情況1980年6月23日在黃龍灘、1986年9月3日在白山等也曾發(fā)生。以上事故的發(fā)生引起工地停電和泄洪閘門不能開啟的嚴重后果,均是由于整體布置不合理,對泄洪水霧飄移危害認識不夠所致?？κ惨患壌髩挝挥诟叩卣鹆叶葏^(qū),粘土斜墻壩的抗震性能差,而設(shè)計又將防滲膜放在斜墻下游側(cè),形成潛在的

6、最薄弱滑裂面,因而在1985年大地震時,迎水面滑落庫中,其原因是壩體結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理。綜上所述,大壩的許多安全隱患是由設(shè)計階段留下的,特別是水文計算及地質(zhì)勘探和處理兩個方面,如紀村壩基紅層問題,前期勘探工作不夠是重要原因之一2。 1.2施工階段 施工階段能否貫徹設(shè)計意圖、確保施工質(zhì)量,特別是有效解決施工中發(fā)現(xiàn)的新問題是確保大壩安全的關(guān)鍵因素之一,如混凝土壩的溫控措施、土石壩的碾壓及防滲排水結(jié)構(gòu)的施工、有關(guān)泄洪建筑物的機電安裝等都將直接影響大壩的安全?？κ惨患壌髩卧?982年施工中,其壩體及防滲墻都未進行碾壓,致使密實度降低,在強震時容易液化和沉陷,這也是1985年地震時引起大壩整體破壞原因之一。

7、 1.3運行管理 運行管理涉及水庫調(diào)度、大壩及附屬機電設(shè)施檢查、監(jiān)測手段及資料分析方法、大壩安全狀況評價等,其中每一環(huán)節(jié)都事關(guān)大壩的安全。佛子嶺大壩1969年發(fā)生的漫頂事故,其重要原因就是因為盲目追求灌溉效益,汛期不適當?shù)靥Ц哌\行水位所致;陳村大壩出現(xiàn)的105 m高程水平裂縫與大壩長期遭遇高溫低水位運行工況有關(guān)3;佛子嶺、磨子潭和溝后水庫等在泄洪閘門開啟的關(guān)鍵時刻都出現(xiàn)了電源中斷這一嚴重問題,說明了備用電源及汛前檢查有關(guān)泄洪設(shè)備(施)的重要性,更不用說對大壩進行全面的巡視檢查、儀器監(jiān)測和及時的資料分析了。這里還要強調(diào)的一點就是聯(lián)合調(diào)度問題,在梯級水庫調(diào)度中這一點顯得特別重要,如石漫灘水庫潰壩與

8、上游的元門水庫潰壩是密不可分的。 2大壩安全監(jiān)測的目的和意義 眾所周知,大壩安全監(jiān)測有校核設(shè)計、改進施工和評價大壩安全狀況的作用,且重在評價大壩安全。筆者認為,大壩安全監(jiān)測的淺層意義是為了人們準確掌握大壩性態(tài);深層意義則是為了更好地發(fā)揮工程效益、節(jié)約工程投資。大壩安全監(jiān)測不僅是為了被監(jiān)測壩的安全評估,還要有利于其他大壩包括待建壩的安全評估。 3大壩安全監(jiān)測的新內(nèi)涵 通過以上分析可知,影響大壩安全的因素很多(壩址選擇、樞紐布置、壩體結(jié)構(gòu)、材料特性、水庫調(diào)度等)、時間跨度大(從設(shè)計施工到運行管理);大壩安全監(jiān)測的目的是為了在確保工程安全的前提下,更好地發(fā)揮工程效益。隨著科技的發(fā)展、人們觀念的變化,

9、實現(xiàn)大壩安全監(jiān)測的手段和目的都有了一定程度的變化,筆者認為可從如下幾方面進行理解。 3.1監(jiān)測范圍和內(nèi)容 規(guī)范45規(guī)定“大壩安全監(jiān)測范圍,包括壩體、壩基、壩肩,以及對大壩安全有重大影響的近壩區(qū)岸坡和其它與大壩安全有直接關(guān)系的建筑物和設(shè)備”。眾所周知,瓦依昂(vajont)拱壩就是由于庫區(qū)發(fā)生大滑坡引起了潰壩;1961年3月6日,我國柘溪水電廠首次蓄水時,在大壩上游右岸1.55 km處也曾發(fā)生大滑坡;佐齊爾拱壩1978年12月份發(fā)現(xiàn)拱冠向上游移動的原因就是因為離壩1.5 km的地方在比壩低320 m處開挖了一條排放地下水的隧洞所致?？梢?關(guān)系大壩安全的因素存在的范圍大,包括的內(nèi)容多,如泄洪設(shè)備及

10、電源的可靠性、梯級水庫的運行及大壩安全狀況、下游沖刷及上游淤積、周邊范圍內(nèi)大的施工特別是地下施工爆破等。 大壩安全監(jiān)測的范圍應(yīng)根據(jù)壩址、樞紐布置、壩高、庫容、投資及失事后果等進行確定,根據(jù)具體情況由壩體、壩基推廣到庫區(qū)及梯級水庫大壩,大壩安全監(jiān)測的時間應(yīng)從設(shè)計時開始直至運行管理,大壩安全監(jiān)測的內(nèi)容不僅是壩體結(jié)構(gòu)及地質(zhì)狀況,還應(yīng)包括輔助機電設(shè)備及泄洪消能建筑物等。 3.2大壩安全監(jiān)測的針對性 大壩安全監(jiān)測是針對具體大壩的具體時期作出的,一定要有鮮明的針對性。 (1)時間上的針對性。 由于大壩施工期、初次蓄水期和大壩老化期是大壩安全容易出現(xiàn)問題的時期,因此在前一個階段監(jiān)測的重點應(yīng)是設(shè)計參數(shù)的復(fù)核和

11、施工質(zhì)量的檢驗,而后者則應(yīng)是針對材料老化7和設(shè)計復(fù)核進 行。 大壩的破壞機理研究至今還是一個薄弱環(huán)節(jié),關(guān)鍵是原型破壞試驗作不了,因此,加強對潰壩的分析是非常有必要的。這就要求大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)在關(guān)鍵時候能發(fā)揮作用,能得到關(guān)鍵數(shù)據(jù); (2)空間結(jié)構(gòu)上的針對性。 針對具體的壩址、壩型和結(jié)構(gòu)有針對性地加強監(jiān)測,如針對面板堆石壩面板與趾板之間的防滲、碾壓混凝土壩的層間結(jié)構(gòu)、高強震地區(qū)均質(zhì)土壩的液化、薄拱壩壩肩的穩(wěn)定、破碎地基及深覆蓋層上筑壩的基礎(chǔ)處理及防滲、多泥沙河流的泥沙淤積、庫岸高邊坡的穩(wěn)定等。由于總體布置不合理,泄洪水霧有可能引起跳閘等問題,應(yīng)注意對霧化的監(jiān)測和汛期對備用電源的檢查等。再者,大壩監(jiān)

12、測應(yīng)和大壩設(shè)計、施工和運行管理互相補充,特別是在設(shè)計中運用新結(jié)構(gòu)、新方法、新材料,施工時發(fā)現(xiàn)新的地質(zhì)構(gòu)造和地質(zhì)條件。運行遇到不利工況時,大壩安全監(jiān)測理應(yīng)成為檢驗設(shè)計、施工及運行效果的必要手段,從而為采取必要的工程措施以確保大壩安全創(chuàng)造條件。 3.3監(jiān)測手段和方法 大壩安全監(jiān)測包括巡視檢查和儀器監(jiān)測4,筆者認為巡視檢查和儀器監(jiān)測是分不開的。前者也要盡可能的利用當今的先進儀器和技術(shù)對大壩特別是隱患進行檢查,以便作到早發(fā)現(xiàn)早處理,如土石壩的洞穴、暗縫、軟弱夾層等很難通過簡單的人工檢查發(fā)現(xiàn),因此,必須借用高密度電阻率法、中間梯度法、瞬態(tài)面波法等進行檢查6,從而完成對其定位及嚴重程度的判定。人工巡查和儀

13、器監(jiān)測分不開的另一條原因是由于大壩的特殊性和目前儀器監(jiān)測的水平所決定的。大壩邊界條件和工作環(huán)境較為復(fù)雜,同時,由于材料的非線性(特別是土石壩),從而使監(jiān)測的難度增大;另一方面,目前儀器監(jiān)測還只能作到“點(小范圍)監(jiān)測”,如測縫計只能發(fā)現(xiàn)通過測點的裂(接)縫開度的變化,而不能發(fā)現(xiàn)測點以外裂(接)縫開度的變化;變形(滲流)測點監(jiān)測到的是壩體(基)綜合反應(yīng),因而難以進行具體情況的原因分析。正是由于上述原因,監(jiān)測手段和方法必須多樣化,即將各種監(jiān)測手段和方法45結(jié)合起來,將定性和定量監(jiān)測結(jié)合起來,如將傳統(tǒng)的變形、滲流、應(yīng)力應(yīng)變及溫度監(jiān)測同面波法、彩色電視、超聲波、ct、水質(zhì)分析等結(jié)合起來。隨著科技水平的

14、發(fā)展,一種真正的“分布式測量系統(tǒng)”光纖測量系統(tǒng)即將面世,水科院、國電公司成都院等單位已對此作了大量的研究,也曾在三峽作過試驗。該系統(tǒng)將光纖既作為傳感部件,又作為信號傳輸部件埋設(shè)于壩體中,使每一根光纖成為大壩的神經(jīng),感受大壩性態(tài)的變化并具體定位,從而使監(jiān)測走向立體和全方位。 目前,自動化系統(tǒng)還存在費用高、可靠性難以保證、監(jiān)測項目不全、安裝調(diào)試困難、實時化程度低等問題,筆者認為一種費用低、安裝調(diào)試簡單、易維護、可以進行大范圍監(jiān)測、實時性高的系統(tǒng)才是發(fā)展方向。同時,監(jiān)測方法、監(jiān)測量的變化(如由標量到矢量、由數(shù)值分析到圖象分析)必將導(dǎo)致分析方法的變化。 3.4大壩安全監(jiān)測的網(wǎng)絡(luò)化、智能化、效益化 在過

15、去的許多年中,人們總是將觀測資料交由專職單位去分析,這樣做要花費大量的時間,不利于及時有效地掌握大壩性態(tài)和進行最優(yōu)的運行調(diào)度。同時,一般單位的資料分析總是在建立數(shù)學(xué)模型(特別是統(tǒng)計模型)的基礎(chǔ)上,缺乏與具體大壩的聯(lián)系及與設(shè)計標準(穩(wěn)定、強度)的比較,也不利于監(jiān)測技術(shù)的提高。近期,一些單位在專家系統(tǒng)、人工智能及決策支持系統(tǒng)開發(fā)中,直接將監(jiān)測資料(如庫水位、溫度、應(yīng)力、揚壓力等)與設(shè)計標準(穩(wěn)定、強度)對照起來用于壩體強度及穩(wěn)定校核是一種很好的思路。但是,目前的大壩安全監(jiān)測自動化水平多數(shù)還停留在部分監(jiān)測項目數(shù)據(jù)的自動采集上,難以滿足實際需要。事實上單憑監(jiān)控指標來判別大壩安全是不完善的,因為目前的監(jiān)

16、控指標主要依靠經(jīng)驗和理論計算確定。前者人為因素大,后者由于計算理論、數(shù)學(xué)模型和邊界條件的假定,誤差也較大,實際應(yīng)用也值得商榷。如對于土石壩,當上游庫水位驟降時測壓管水位不會超過監(jiān)控指標,但此時上游壩體有可能失穩(wěn)。我國自1987年開始的水電站大壩安全定期檢查(鑒定),是對大壩結(jié)構(gòu)性態(tài)和安全狀況的全面檢查和評價,已得到廣大科技人員認可,實踐證明是有效的。它就是根據(jù)設(shè)計復(fù)核、壩基隱患、壩體穩(wěn)定、泄洪消能、庫區(qū)淤積及近壩庫岸滑坡等方面對大壩安全進行評價。因此,大壩安全評估軟件應(yīng)與大壩安全定檢內(nèi)容相適應(yīng),應(yīng)用專家系統(tǒng)和決策支持系統(tǒng)將大壩安全定檢的成功經(jīng)驗和監(jiān)測資料分析的有效方法結(jié)合起來,在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)與

17、大壩監(jiān)測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、閘門監(jiān)控系統(tǒng)、水庫自動調(diào)度系統(tǒng)、水雨情測報系統(tǒng)的有機結(jié)合,將大壩安全作為約束條件,效益的最大化作為目標函數(shù)才能適應(yīng)用戶和時代的需要。 最近,國家防總在建立全國防汛決策支持系統(tǒng)中將大壩安全監(jiān)測(工情監(jiān)測)作為整個系統(tǒng)的一個部分,從而突出水庫運行以效益為中心,大壩安全是約束條件的觀點。另一方面,在大壩失事或事故中,洪水漫頂占了相當大的比例。試想:如果大壩某些性態(tài)異?；蜷l門起閉機損壞,而又不知近期洪水情況,如何在洪水到來時確保大壩安全?同時,運行也會影響大壩安全,如陳村大壩105 m高程裂縫的出現(xiàn)及發(fā)展與不正確的運行方式有關(guān);碧口大壩1995年也因泥沙淤積在較短的時間內(nèi)將排沙洞

18、口淤堵,威脅了電站安全。故為充分發(fā)揮水庫效益,確保大壩安全,必須盡可能將流域水情、梯級水庫調(diào)度情況及洪水預(yù)報、大壩安全監(jiān)測和本水庫運行調(diào)度結(jié)合起來。 另一方面,目前自動監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集軟件均有巡測和選測功能,為適應(yīng)“無人值班,少人值守”的要求,設(shè)置自動進行巡測、在線診斷、自動報警是對系統(tǒng)的必然要求。由于許多測值超差均由于自動化系統(tǒng)本身引起,故筆者建議在數(shù)據(jù)采集軟件中應(yīng)增如下功能:即當某測值或其變化速率超過正常范圍時,系統(tǒng)應(yīng)立即對該測點進行多次重復(fù)測量或自動加密測次,以方便系統(tǒng)維護和資料分析。 /中國最強免費文秘網(wǎng)！/隨著信息化的推廣,大壩安全監(jiān)測應(yīng)主動適應(yīng)時代要求,走向網(wǎng)絡(luò)化、智能化,采用網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫、internet/intranet技術(shù),建立全國的大壩安全監(jiān)測信息網(wǎng)是時代的要求。 4結(jié)語 通過以上分析可知,大壩安全監(jiān)測實際上是一種管理,包括信息采集、處理、結(jié)論的得出、措施的制定、信息的反饋,其根本目的是為了工程效益。綜合起來可以得出如下幾點: (1)大壩安全監(jiān)測范圍空間上應(yīng)包