大壩安全監(jiān)控理論課程論文

1、大壩安全監(jiān)控理論中若干問題探討 -大壩安全監(jiān)控理論課程論文【摘要】 大壩安全監(jiān)控就是保障它在服務期限內(nèi), 實現(xiàn)在給定條件下自身的職能。衡量大壩實現(xiàn)本身職能是通過一系列指標和特征來表達的。大壩安全監(jiān)控指標有二級,第一級為大壩無故障監(jiān)控指標, 第二級為大壩極限監(jiān)控指標。其中第一級是正常狀態(tài)和不正常狀態(tài)之間的界限值,第二級是可以工作的和失去工作能力的界限值。評估大壩安全狀態(tài)的方法較多，有風險分析、極限強度、數(shù)學預報模型、穩(wěn)定分析的安全系數(shù)法、極值概率，灰色系統(tǒng)、模糊數(shù)學綜合評判等方法。隨著科學研究的不斷深入，大壩安全的監(jiān)控的理論及方法將不斷完善,準確，安全，可靠?！娟P(guān)鍵詞】 大壩安全監(jiān)控; 大壩安全

2、監(jiān)控指標; 安全標準; 大壩安全評估方 法; 監(jiān)控模型; 反分析 近年來,水庫高壩越來越多,有些高壩已達200300 米,壩址地質(zhì)條件復雜,對工程安全提出了更高的要求 。由于多種原因,這些大壩中有相當一部分存在安全隱患。在隨著水利投入逐漸加大,壩工建設發(fā)展逐漸加快的同時,由于種種原因,大壩存在著某些不安全因素,出現(xiàn)危及大壩安全的裂縫和病變。其中最著名的兩起潰壩事故分別是法國馬爾帕塞拱壩和意大利瓦依昂拱壩。前者壩66.5m , 1954 年開始蓄水,1959年12月2日潰決。后者壩高262m ,1960 年蓄水后,壩前左岸滑坡體緩緩蠕動,至1964 年10月7日實測位移為429 cm ,其中最后

3、12d 的位移速度高達48.3 mm/ d ,加速明顯。10月9 日滑坡體(約2.4 億m3 ) 突然高速滑入水庫,70 m 高的涌浪翻壩而過,造成2600余人死亡。對大壩這種特殊建筑物必須準確地了解其工作性態(tài),這只能通過大壩安全監(jiān)測進而建立大壩安全監(jiān)控指標來實現(xiàn)。 大壩安全監(jiān)控就是保障它在服務期限內(nèi), 實現(xiàn)在給定條件下自身的職能。衡量大壩實現(xiàn)本身職能是通過一系列指標和特征來表達的。這些指標和特征就是描述大壩運行性態(tài)的監(jiān)測量變形、滲流、應力等隨時間變化過程中具有特征性的數(shù)值和特性, 以及表達有關(guān)大壩運行狀態(tài)發(fā)生變化的特征。實行合理而系統(tǒng)的安全監(jiān)控, 其任務可歸納為采集儀器觀測、巡視檢查和有關(guān)的

4、數(shù)據(jù)存貯處理各類數(shù)據(jù)形成信息識別和判斷信息有無異常反映大壩安全程度綜合評價負責人員決策采取消除事故的措施等。在大壩安全監(jiān)控中，常常發(fā)生的壩體和基礎(chǔ)發(fā)生異常表現(xiàn)和原因有：在壩基和壩肩發(fā)生不正常跡象，包括滲漏嚴重,基巖中夾層和裂隙內(nèi)的充填物被沖刷,基礎(chǔ)有較大的變形產(chǎn)生裂縫或不均勻變形等；大壩沿基礎(chǔ)軟弱面滑動在混凝土壩體發(fā)生不正常跡象， 混凝土表面有集中潮濕面或滴水，壩體發(fā)生深部裂縫或貫穿性裂縫等。發(fā)生這些現(xiàn)象的主要原因包括：壩基惡化，排水或防滲系統(tǒng)損壞，壩踵接縫張開，壩基裂縫、裂縫錯動，壩體裂縫或接縫張開，壩基或壩體錯動壩體穩(wěn)定性差,超載或應力過大。引起大壩失事和局部破壞的主要因素有壩基不穩(wěn)定，通

5、過壩體、壩基及沿邊墩的滲漏,溫度和收縮裂縫，反復凍融和侵蝕性介質(zhì)的存在。大壩是由許多壩段含壩簽組成的統(tǒng)一系統(tǒng)。只有對統(tǒng)一系統(tǒng)的各個組成部分的安全程度按綜合評價要求作了研究, 才可確定大壩的安全程度, 同時亦確定了大壩統(tǒng)一系統(tǒng)的損壞程度。衡量大壩損壞程度可用損壞程度綜合指標I表示。它可按下式計算： （1）其中：為大壩組成的各部分i(i=1,2,n)的損壞程度指標。 為發(fā)生在部分的損壞對大壩安全程度影響的權(quán)系數(shù)。 ，是根據(jù)監(jiān)測資料或計算的結(jié)果及表征結(jié)構(gòu)不能正常運行的特征來確定的。據(jù)此，大壩工作狀態(tài)分為：當I（或）,則規(guī)定為正常狀態(tài)；當I（或）,則規(guī)定為基本正常狀態(tài)；I（或）,則規(guī)定為異常狀態(tài)； I

6、（或）, 則規(guī)定為險情狀態(tài)。 由吳中如院士等人完成的大壩與壩基安全監(jiān)控理論和方法及其應用研究項目主要包括三部分內(nèi)容:一是建立了完整的監(jiān)控模型體系，首次建立了壩基揚壓力和土石壩浸潤線、滲流量、應力與裂縫開度以及土石壩和洞室變形等統(tǒng)計模型, 變形與應力測點、空間位移場和揚壓力等確定性模型和混合模型, 施工期特殊監(jiān)控模型并發(fā)展了常規(guī)變形統(tǒng)計模型,即模型中引人裂縫因子。首先融合時間序列、灰色系統(tǒng)、模糊數(shù)學、突變理論和混沌理論等理論和方法, 結(jié)合實測資料, 建立了相應的預報和預測模型。二是發(fā)展了大壩及壩基的反分析理論和方法，有些大壩如陳村和佛子嶺等在低水位高溫或低溫時也是設計荷載控制工況、壩踵濕脹應力和

7、壩體混凝土溫度的準穩(wěn)定溫度場要高于設計值等有重要科學和應用價值的信息。為設計施工和運行等提供準確的計算模型、參數(shù)和控制荷載等。三是創(chuàng)建了擬定變形監(jiān)控指標的理論和方法，變形監(jiān)測是監(jiān)視大壩安全的最主要和可靠項目, 其準確的變形監(jiān)控指標又能有效地快速判斷大壩的安全狀況, 所以擬定變形的監(jiān)控值是壩工界的熱點和難點。四是開發(fā)了大壩安全綜合評價專家系統(tǒng)。融匯壩工理論、數(shù)學力學、人工智能、現(xiàn)代測控技術(shù)、網(wǎng)絡技術(shù)如和現(xiàn)代計算機技術(shù)等, 并集成以上分析理論和方法, 在國內(nèi)外創(chuàng)建了一機四庫體系的物理模型及網(wǎng)絡上, 實現(xiàn)了 “ 實時分析” 和“ 綜合評價” 兩大功能。 總的來說，大壩及壩基安全監(jiān)控模型包括七部分,一

8、是統(tǒng)計模型,建立了變形等監(jiān)測量的統(tǒng)計回歸模型,據(jù)此分析、評價和監(jiān)控大壩和壩基的工作狀態(tài);二是施工期特殊監(jiān)控模型,用黏彈性理論模擬壩基開挖和混凝土澆筑全過程,建立施工期特殊監(jiān)控模型;三是監(jiān)控大壩和壩基安全狀態(tài)和變化規(guī)律的時序分析預測模型;四是分析大壩結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的灰色系統(tǒng)預測模型;五是模糊數(shù)學預測模型,用以動態(tài)監(jiān)視大壩的安全狀況,并對大壩的安全度進行綜合評估;六是實時監(jiān)控壩肩穩(wěn)定性的拱壩穩(wěn)定分析監(jiān)控模型;七是混沌預測模型,應用混沌理論,并依據(jù)實測資料,分析壩肩和庫區(qū)巖土邊坡的穩(wěn)定性等。根據(jù)統(tǒng)計資料,大壩從建造到失效,通常經(jīng)歷三種狀態(tài):正常狀態(tài)、不正常狀態(tài)(故障狀態(tài)) 和失效(極限) 狀態(tài)。破壞是失

9、效狀態(tài)的一種特例。不正常狀態(tài)和失效狀態(tài)有很多癥狀和標志,這些癥狀和標識的界限值為狀態(tài)特征值,在監(jiān)控系統(tǒng)中即為監(jiān)控指標。大壩安全監(jiān)控指標有二級第一級為大壩無故障監(jiān)控指標, 第二級為大壩極限監(jiān)控指標。其中第一級是正常狀態(tài)和不正常狀態(tài)之間的界限值,第二級是可以工作的和失去工作能力的界限值。目前研究的重點和難點是對大壩變形監(jiān)控指標的確定。大壩變形監(jiān)控指標擬定主要有置信區(qū)間法、典型監(jiān)控效應量的小概率法、極限狀態(tài)法、等。工程實踐中建議用統(tǒng)計法和參照設計值的設計比擬法相結(jié)合的方法;運行初期觀測數(shù)據(jù)不足時,則主要參照設計值來擬監(jiān)控定指標;有了相當多的的觀測資料時,以統(tǒng)計法和數(shù)學模型為主; 對不同條件的大壩應考

10、慮影響大壩工作性態(tài)的主要監(jiān)控指標,對同一監(jiān)測項目,逐漸要擬定帶有風險意識和可靠性分析的大壩監(jiān)控指標,包括大壩運行及其災害評價等。其整體分析思路框圖可見圖1，大壩及壩基安全監(jiān)控理論和方法及其應用研究內(nèi)容框圖。大壩及壩基監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測資料（1）監(jiān)控模型時序分析法壩工理論和力學灰色系統(tǒng)有限單元法統(tǒng)計數(shù)學模糊數(shù)學突變理論統(tǒng)計模型確定性模型和混合模型混沌理論監(jiān)控模型設計，施工和運行等反饋分析計算模型，參數(shù)，工況等反演分析（2）反分析 （3）綜合評價專家系統(tǒng)（包括綜合推理機，知識庫，方法庫，數(shù)據(jù)庫和圖庫等一機四庫） （4）大壩及壩基安全監(jiān)控（工程應用）圖1 大壩及壩基安全監(jiān)控理論和方法及其應用研究內(nèi)容框圖大

11、壩的安全體現(xiàn)在它本身和環(huán)境中不存在任何使它惡化或破壞的條件。監(jiān)控中評判大壩安全的標準有：1，真實極限標準，這是依據(jù)大壩的實際極限工作狀態(tài)作為判斷的標準。為了確定該標準, 必須了解所有作用在大壩上的荷載, 及由于它們的作用引起大壩內(nèi)部所產(chǎn)生的各種過程和大壩的極限, 以及過程隨時間而發(fā)展的規(guī)律。但是, 目前的水工技術(shù)尚未達到可以建立這種標準值的水平。2，計算或仿真計算極限標準這是指按設計規(guī)范要求計算出大壩由正常工況轉(zhuǎn)向異常工況時的一系列指標和特征作為極限標準。這標準意味著大壩的安全儲備已減少, 但大壩經(jīng)過維修或加固仍能恢復運行, 因而它不是大壩失事破壞的標準。3，設計允許標準，這是指按設計規(guī)范要求

12、計算出大壩處在正常運行工況下的一系列指標和特征作為允許標準。4，運行允許標準，這是指大壩處在正常運行前題下的最不利工況時如高水位, 低氣溫, 將所監(jiān)測到的一系列指標和特征經(jīng)過統(tǒng)計分析作為運行允許標準。5，正常運行標準，這是指在大壩正常運行條件下, 將所監(jiān)測到的一系列指標和特征作為實際正常運行標準。評估大壩安全狀態(tài)的方法較多，有風險分析、極限強度、數(shù)學預報模型、穩(wěn)定分析的安全系數(shù)法、極值概率，灰色系統(tǒng)、模糊數(shù)學綜合評判等方法。其中1，對于材料極限控制法，混凝土是一個多級二相復合材料，宏觀上可當作均質(zhì)彈性體，但微觀上為非均質(zhì)的復合體，與金屬材料大不相同，但根據(jù)實際大壩工程，其尺寸較大，仍可按照混凝

13、土的抗壓、抗拉強度及極限變形作為監(jiān)控指標來監(jiān)控。當控制大壩安全關(guān)鍵部位的實測值大于材料允許破壞強度時，可視為不安全。材料允許破壞值主要有材料強度允許值、材料變形允許值、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋應力允許值，由于考慮混凝土徐變和彈模影響，其應力精度性較低，但其應變測值是可靠的，因此利用應變進行監(jiān)控是可行的。如何從大量的觀測資料中反映大壩工作狀態(tài)及評定大壩安全狀態(tài)是最為關(guān)心的問題了，國內(nèi)外多采用決定論模型、統(tǒng)計模型、混合模型等方法進行大壩安全監(jiān)控，這種方法是將監(jiān)測值和模型預報值作比較，看監(jiān)測值與預報值的差值是否在允許的容差范圍以內(nèi)，總的稱為數(shù)學預報模型控制法。混凝土的安全是由強度和穩(wěn)定控制的，安全系數(shù)法

14、中安全系數(shù)的計算方法和判據(jù)如下： (2)式中，-抗剪強度計算的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)； -壩體混凝土與基巖抗剪摩擦系數(shù)； -壩體混凝土與基巖抗剪斷凝聚力； -作用于壩體上全部荷載對滑動平面法向應力； -作用于壩體上全部荷載對滑動平面切向應力； -壩基接觸截面面積； -規(guī)范要求的安全系數(shù)依荷載組合確定，一般取3.04.0。對于原型觀測中可用下式計算安全系數(shù)： 其中，-各儀器測點在滑動面上的正應力； -各儀器測點在滑動面上的剪應力； -各儀器測點在滑動面上的線段長度，可取儀器之間的一 半距離計算； -壩底總長度或滑動面長度。原型觀測資料的整理大多數(shù)僅限于單項物理量的觀測資料分析以監(jiān)測大壩的工作狀態(tài)，但是

15、對于復雜的大壩此種方法仍存在明顯的問題，即單項觀測量之間的相關(guān)性有時難于解釋異?，F(xiàn)象，在沒有埋設觀測設施的地方發(fā)生事故，需要定期巡回檢查，施工質(zhì)量問題，混凝土老化等因素無法定量表示等等因素使得單項監(jiān)測方法的局限性非常明顯。因此，需要對各種資料經(jīng)過綜合分析，才能全面認識大壩的結(jié)構(gòu)性態(tài)和運行工況，從而對大壩進行監(jiān)控。綜合評判法是通過對大壩各種資料，包括設計、施工、觀測及巡視檢測等資料進行不同層次的分析，如反饋分析，混合分析及非確定性分析，找出原因量與效應量之間的關(guān)系，運用演繹、歸納的邏輯方式找出問題所在，依此提出決策和解決方案?？傊?，隨著科技的不斷進步，科學研究的不斷深入，大壩安全的監(jiān)控將不斷走向更加準確，安全，可靠。隨著監(jiān)測儀器和技術(shù)的不斷更新,資料分析處理和綜合評判方法的改進,將有力的促進大壩安全監(jiān)控的自動化發(fā)展,大壩的安全監(jiān)控和管理水平會迅速提高,在減災防災中發(fā)揮更大的作用。參考文獻：1 顧沖時,吳中如. 大壩與壩基安全監(jiān)控理論和方法及其應用M .南京: 河海大學出版社,2006.2 吳中如. 水