大坝安全监测及其特征浅析

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大坝安全监测及其特征浅析

魏德荣

(电力部大坝安全监察中心　310014　杭州)

摘　要　从大坝安全监测的发展过程,分析了大坝安全监测的本质属性,并且详细分析了大坝安全监测的各种特征。文中着重阐述了当前大坝安全监测已进入技术监测阶段,而大坝安全监测自动化是技术监测的最理想形式。

关键词　大坝　安全监测　特征　浅析

0　前言

60年代,国际上观测界发生了一件大事,大坝原型观测经过几十年的经验积累和技术发展,有了一个质的飞跃,大坝原型观测进入了大坝安全监测新阶段。对这件事的发生和由此产生的影响,目前研究尚不多。与大坝原型观测相比较,大坝安全监测究竟有哪些特征,为把握大坝安全监测技术的发展,做到与国际上先进监测技术同步,并指导大坝安全监测工作,对这些问题的研究是非常必要的。

1952年,卡尔逊又发明了混凝土应力计,从此,卡尔逊的一次仪表(传感器)进入了比较完善的阶段。

与此同时,钢弦式仪器也形成了一个完整的系列,开始在(前)苏联及英、法、意等欧洲国家使用。

变位观测方面在40年代发展了正垂线,50年代发展了倾斜仪,60年代发展了倒垂线和引张线,从而使位移测量精度大大提高。开始采用的大地测量法能达到的位移精度大约为±2mm左右,而倒垂为基准的水平位移及引张线的测量精度可以达到±0.3mm。

在观测资料成果分析方面,广大工程技术人员借助原型观测开展了一系列混凝土施工温度控制、混凝土徐变性能、自生体积变形及渗透压力等专题研究,到40年代,就建立了一套从应变计资料计算混凝土应力的方法。国外提出了大古力、夏斯塔、方坦等大坝的观测成果。通过对这些观测成果的研究和应用,发展了混凝土坝的设计理论和施工技术。

可见,随着观测技术的发展和完善,坝体原型观测日臻完整,形成了一个具有特定内容和目标的相对稳定的系统。

第2阶段是大坝安全监测阶段。这一阶段从本世纪60年代中期开始,直至现在尚未结束。这一阶段的监测对象是大坝(包括坝体和坝基),技术特征是技术监测,主要目的是监控大坝的安全。进入60年代,西方国家相继出现了大坝失事,如:1959年,法国高60m的玛尔帕塞双曲拱坝溃决;1963年,美国高71m的波尔德温山土坝失事,以及意大利高276m的瓦依昂双曲拱坝失事。这一连串的垮坝提醒人们:大坝不可能做到百分之百的安全。大坝失事的原因很多,而且其中不少原因是很难在事前靠计算来估算的。因此,应该在大坝上安装1　大坝安全监测的发展过程

大坝安全监测经历了两个发展阶段:

第1阶段是原型观测阶段。时间从本世纪初至60年代初。本阶段的观测对象是坝体,技术特征是观测技术,主要目的是验证和发展大坝设计理论。

20世纪初,由于采用钢筋混凝土建造大坝,给施工、设计提出了诸如混凝土水化热、本构关系及计算方法等许多技术问题,为了解决工程中这些迫切问题,发展了温度观测、变位观测、扬压力观测和应力应变观测。

1903年,美国在布恩顿重力坝首开温度观测。1908～1909年,为了验证拱坝试荷载分析方法,在澳大利亚南威尔士州的巴伦杰克溪进行了薄拱坝变位观测。

1925年,美国垦务局开始对爱达荷州高25m的瓦美利加-佛尔兹坝进行扬压力观测。

1926年,美国开始对混凝土坝的应变进行观测,直至1937年,卡尔逊仪器经反复试制,在大古力坝上取得了较好的观测结果,同时,卡尔逊仪器稍加改进,在30年代发展了接缝及裂缝观测。

1997-04-23收稿。　　　　　　　　　　　　　　大　坝　观　测　与　土　工　测　试　　　　　　　　　　　　　2

观测设施,对大坝的运行情况进行观测,随时了解大坝的安全情况。

当时,仪器水平及条件已经具备承担监视大坝安全的重任。经过第1阶段的发展,传感器已基本成熟、配套。60年代后,随着晶体管的问世,观测仪器的测量装置更加为之一新。许多仪器实现了数字化、智能化、遥测化和小型化。

在使用观测资料评估大坝的理论方面,这时也有了根本性的突破,1956年,意大利的托尼尼运用最小二乘法将观测资料中的作用量和效应量表示为函数关系,后经日本学者改进,引进了回归分析方法,从而为评估大坝安全提供了坚实的理论依据。　　这样,在19年第8届国际大坝会议上,第一次明确提出了原型观测与大坝安全的关系。在议题29中提出大坝理论计算尚不够科学,不够严密,强调直接进行原型观测比在小比例尺的模型上进行试验更为切合实际,它可以补充设计人员的理论依据。从此,大坝原型观测走出研究的“象牙之塔”,开始担负起监控大坝安全的重大使命。

70年代初,在号称科技先进的筑坝大国美国,短短5年内,竟接连发生8起溃坝事故,特别是1976年6月,爱达荷州93m高的提堂坝溃决,引起全美哗然,朝野震惊。总统和国会也不得不相继出面颁布改善大坝安全的法令,采取全国性的大检查,加强安全预防措施,从而把大坝安全提到了突出的地位。正如许多同行们所认为的那样,70年代可以看作是“意识到大坝安全的年代”。这期间,大坝安全监测的使命得到了进一步的认同和加强,从而,大坝原型观测进入了大坝安全监测新阶段。

灵魂,它体现在安全监测全过程中。从监测设计、施工、运行、维护、仪器性能鉴定、监测资料分析到监测系统更新改造,安全特征是一条红线,将它们紧紧联系在一起。

当然,安全监测本身并不能使大坝安全,大坝的安全要靠科学的设计和良好的施工,安全监测能提供大坝运行的信息,以便及时采取措施避免大坝失事。

2.2　法律特征

法律特征是指大坝安全监测需要依法开展工作的特征。

大坝安全是一项公共事业,需要许多人参与。大坝安全监测是监控大坝安全的专门技术,可是,由于人类知识的相对不足,而且许多因素不可能一下都认识清楚,至今,大坝安全监测远未进入自由王国。因此需要制订法规,大坝安全监测法规就是将大坝安全监测的范围、责任、任务以及做法,以法律形式固定下来,通过法规,提请有关领导和社会给予注意和重视,并做出决定,以便开展工作。

因此,许多国家的或大坝委员会纷纷制订了安全监测法规。例如,美国大坝委员会编制的“大坝和水库安全监测法规”于1971年开始正式执行,法国大坝安全管理常委技术委员会于1970年8月14日颁布了“法国坝工观测及监控法规”,(前)苏联电力部于1973年颁发了“电站水工建筑物安全监测条例”。1972年,国际大坝委员会曾以23号会刊形式发表“关于混凝土坝观测的一般意见”,可以视为这是指导开展混凝土坝观测工作的国际性规程;1982年,国际大坝委员会又以41号会刊形式发表“大坝安全控制的自动化观测”,进一步提出了关于监控设施和监测方案(包括测读频率等)方面的新建议。

我国(原)水电部于1987年颁发了“水电站大坝安全管理暂行办法”,于1990年颁发了“水库大坝安全管理条例”,都在有关条款对大坝安全监测作了规定。19年,(原)能源部和水利部联合颁发了“混凝土大坝安全监测技术规范”,1994年,水利部和电力部联合颁发了“土石坝安全监测技术规范”,这两个专门性的技术规范,对安全监测从设计、施工到运行都作了明确的规定。2.3　组织特征

组织特征是指需要有专门机构从事大坝安全监测工作的特征。

大坝安全监测不仅量大面广,而且责任重大,为了做好这项工作,必须建立职责明确、层次分明的管2　大坝安全监测的特征

与大坝原型观测相比较,大坝安全监测有如下

一些特征。2.1　安全特征

安全特征是指在大坝安全监测工作中,自始至终把大坝安全放在首位的特征。这是大坝安全监测的首要特征,它体现了安全监测的主要目的。安全监测有三个目的:一是及时发现大坝异常现象或隐患;二是掌握变化规律,指导运行;三是验证设计、检验施工、发展理论。其中首要的目的是保证大坝安全,许多国家对此都有明确规定。譬如法国立法规定监测的目的主要是“尽早了解影响大坝安全的所有事故,以防造成严重后果,同时应及时了解所有薄弱环节,以防恶化”。我国也有类似规定。

因此,安全特征是大坝安全监测的第1特征,是・专题报告・　魏德荣　大坝安全监测及其特征浅析

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理机构,使大坝安全监测在组织上得到保证。

意大利国家电力局对全国大坝安全监测实行三级管理,电力局下设8个地区管理中心,它们分别对本地区的大坝监测资料做分析,定期提出报告,并对本地区的大坝安全负责。8个地区又分为24个分区和166个小区,负责日常监测工作。

法国电力公司对全国大坝安全监测也实行三级管理。公司由所属水电局的技术改进处负责,下设4个地区监测中心,各个地区有若干座坝,其运行人员负责水电站大坝现场的监测工作,并对监测资料进行初步分析,同时,将监测资料送监测中心。技术改进处和地区监测中心负责大地测量、监测数据的搜集、管理和分析,定期提出大坝运行性态分析报告,并对事故提出处理建议和咨询。

美国无统一的监测管理机构,对联邦的坝采用谁建谁管的办法。因此,陆军部工程师团、内务部垦务局、田纳西流域管理局、农业部大地保持局均为监测管理机构。他们对自己所建的大坝均有现场观测站,负责日常观测、巡查、观测资料的初步加工、绘图和简单分析,并向总部报送观测结果,有的现场设有实时自动监测站,定期自动向总部报送监测数据信息。总部设有专门部门负责信息处理,如内务部垦务局下设丹佛中心,负责垦务局所建大坝的监测资料的整理和分析。

我国也已建立了有关监测机构。根据我国国情,经过几年的实践和努力,电力系统内已建起一个执行和监督相结合的三级管理体系,进行安全监测工作。

2.4　广义特征

广义特征是指安全监测的对象——大坝,不是狭义上的大坝,而是广义上的大坝。广义上的大坝是包括横跨河床的所有永久性的档水建筑物、泄洪建筑物、水库周围垭口的档水建筑物以及这些建筑物的地基和附属设施。

1974年,国际大坝委员会调查统计了43个成员国超过5m的大坝事故。1975年,国际大坝委员会下设的“坝和水库恶化委员会”又调查了33个国家1105座恶化坝的情况。这两份资料表明,大坝失事的起始部位有一半归咎于附属工程和基础的破坏,特别是土石坝。如1963年意大利瓦依昂双曲拱坝失事是因近坝库区发生大范围滑坡而引起的;1971年美国提堂坝失事是因右岸一个窄断层发生管涌而引起的。在长期实践中认识到,在大坝安全监测中,不仅要对坝体进行监测,而且要对广义上的大坝进行监测。

2.5　时间特征

安全监测中,时间特征是指安全监测在时间上要求一定及时的特征。

显然,及时是安全监测的前提,只有及时量测和及时分析评价,才能及时发现大坝异常现象,才能控制事故发生;只有及时量测和及时分析评价,才能掌握大坝规律,指导运行。离开及时,安全监测就失去意义。因此,时间特征又是一条重要特征。

然而,面对成百上千广泛分布于坝体多个部位的监测仪器,及时量测并非易事;面对浩瀚的监测数据,及时分析评价又谈何容易,这就要靠监测系统自动化,推行技术监测。

葛洲坝水利枢纽2号船闸,其闸室有效尺寸为34m×280m×5m(宽×长×槛上水深),最大水位差27m,可通过万吨级船队,船闸运行每天频繁充泄水,闸墙的变形及闸室基础扬压力变化规律是人们关注的重点。但是,过去采用人工监测方法,由于闸室水位变化快,测孔数目多,人工观测很难做到同步,因此,难以了解闸室充泄水与基础扬压力变化之间的关系。为搞清这一问题,1991年1月8日至10日,电厂组织了一次专门的基础扬压力同步人工观测。8日,2号船闸正常运行,自早8时至晚20时,每0.5h观测1次,各测孔同时观测,测得25次数值;9日上午,2号船闸停止运行,闸室充水,由早8时至12时,每小时观测1次,共观测5次;10日上午2号船闸停止运行,闸室放空,仍由8时至12时每小时观测一次,共观测5次,电厂第一次获得了基础扬压力和闸室水位之间变化的资料。就是这样,化了大量人力,由于人工监测的间隔不可能太密,观测仍可能未获得峰值等典型值。1994年电厂引进国外基美星系统和基康渗压计(水位计)进行基础扬压力和闸室水位自动化在线监测试验。为确保观测值的完整性,系统的运行方式采用长期全天24h连续自动监测,平均读数间隔为15min/次,结果获得了较为满意的成果。成果显示,基础扬压力变化与闸室水位是同步变化,变化周期很短,如用人工是无法监测的。

富春江水电站大坝变形监测系统,是一自动化监测系统,系统于1992年10月投运,投运后,电厂曾对该套系统进行人工比测。在达1年的比测中,人工测值过程线没有明显的年周期变化规律,而自动化测值的年周期变化规律却很强。它随着温度的变化而变化,夏季坝体向上游变位,冬季向下游回复,规律很好。人工测值不够精确的原因是富春江水电站大坝较“矮胖”,坝体水平位移年变幅较小(<1mm),而人工测值误差较大,因此很难获得如　　　　　　　　　　　　　　大　坝　观　测　与　土　工　测　试　　　　　　　　　　　　　4

此微小的位移变化规律。

大坝安全监测自动化系统的出现和发展是80年代坝工安全监测技术进步的一个重要方面,它是随着微电子技术、通信技术和控制技术的发展而发展起来的。与传统监测系统相比,自动化监测系统有许多优点,它不仅测读快,测读及时,能够做到相关量同步测读,能够迅速处理和分析监测数据,能够胜任多测点密测次的要求,提供在时间上和空间上更为连续的信息,而且测读准确性和可靠性高,并有利于在困难条件下进行监测,减轻劳动强度。因此,自动化监测系统在国内外都受到普遍欢迎。大坝安全监测工作孕育了自动化监测系统,自动化监测系统又有力地推进了大坝安全监测工作。2.6　有效特征

有效特征是指安全监测的内容必须有效的特征。大坝是一个大型空间结构。当采用四维时空全面连续监测方案时,显然不仅不经济,而且也无法实施,美国19年失事的巴勃文山坝曾安装了大量监测仪器,逐日监测,内容十分丰富,收集资料很多,致使工作量太大不能及时整理分析,结果失事时监测系统未能起到安全监测作用。因此,安全监测要讲重点,讲有效。不讲重点,不讲有效,什么都要监测,结果就不可能有安全监测。

以下几条作为有效的监测原则已形成共识:(1)安全监测的重点部位是那些最能反映大坝整体性状的部位(如拱坝的拱冠坝段、重力坝的最高坝段)、那些坝体结构复杂的坝段(如大开孔坝段、埋管坝段),以及复杂的坝基部位。

(2)安全监测的重要监测项目是那些最能汇集大范围内坝体性状的量,如位移监测和渗流监测。

(3)监测量应相互配套,尽量做到一种设施多种用途。

(4)预报模型简练,物理意义清晰,便于操作。2.7　可靠特征

安全监测的可靠特征是指安全监测系统要求长期稳定可靠运行的特征。

由于大坝监测环境较为恶劣,坝顶常年风吹雨打日晒,廊道终年潮湿,观测仪器故障率较高,从而常常导致观测资料不连续,给分析工作带来困难,有时,甚至无法进行分析。观测仪器故障率高,维修工作量大,技术要求高,因此要求安全监测系统长期稳定可靠。

为了提高安全监测系统长期稳定可靠性能,在实践中,总结了以下一些有效的办法:

(1)采用成熟的经过检验的监测和成果分析方法,只有在特殊情况下才十分谨慎地改变这些方法。(2)使用长期稳定性好、结构牢固、可靠性高、操作简单、维护方便的监测设备。

(3)采用在恶劣气候条件下仍然能进行观测的监测方法和仪器。

(4)监测设备应有必要的保护装置。

(5)对大坝重要部位上关键量的量测手段应有“备份”,或者在同一点上重复设置同样的仪表;或者通过不同的量测手段间接地以二三种方法得到同一点上的某个量的数据;自动化设备备有人工量测仪器,以此来降低因仪表失灵或其它原因而失去重要数据的可能性。

(6)对监测系统定期进行性能鉴定,根据情况及时进行更新改造,使监测系统始终保持良好的运行状态。

2.8　巡查特征

大坝安全的巡查特征是指不论何时,除仪器监测以外,还必须进行大坝安全巡查的特征。这一条对正在实施自动化监测系统的电厂或已实现自动化的电厂更要注意。不少电厂以为实现了自动化,从此万事大吉,这是不对的。

不论何时,都必须进行大坝安全巡查,这是因仪器监测有其局限性,虽然在监测设计过程中,对系统的布置经过千思百虑,使所设计的监测系统有效,但是,大坝情况各有不同,很难做到监测部位恰恰为大坝出事地点。如美国1971年提堂坝失事,当时在右岸的一个窄断层突然发生管涌,不到6h就造成垮坝,而仪器监测对此却没有记录;又如我国丰满水电站大坝,1988年溢流坝坝面在泄放洪水时被冲走混凝土2000m3,幸亏电厂管理人员及时发现,从而避免了一场恶性事故的发生。因此,只有仪器监测是不够的,必须同时开展安全巡查,二者相辅相成,相互补充。实践证明,许多建筑物上的问题,往往都是首先由安全巡查发现的。因此,各国对安全巡查都非常重视,都作了明确规定。2.9　注重新老特征

在大坝安全监测中,注重新老特征是指安全监测应特别注重新坝和老坝。因为新坝和老坝是失事的高发区。

国际大坝委员会于1986年对大坝失事情况进行了调查。调查结果表明:1950年前共筑坝5268座,已有117座失事,1951～1986年期间已建造了12138座坝,其中58座失事,多数失事坝为新建造的坝,有的是在试运行的头一年失事,大约70%的大坝失事发生在运行的前10年。土石坝过了运行头5年,将出现较大的失事率。

(下转第11页)

・监测资料分析・　何金平等　多测点监控数学模型监控指标的分测点拟定

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给大坝运行带来不必要的麻烦和经济损失,漏报则使监测达不到甚至失去了监控大坝安全的目的,在大坝出现异常时不能及时提供警报。

4.3　大坝安全监控多测点数学模型安全监控指标的拟定是一个十分复杂的课题,本文仅就其中的一个方面进行了初步的探讨,许多工作还有待大家共同进一步研究。

本项目系国家自然科学基金和华中电力集团公司资助项目(59379383)

5　参考文献

作为多测点模型中的剩余标准差S值,既可保证对大坝安全的实际监控,又能充分发挥多测点模型的优越性;而当统计量Fi>FA(fe,fei)时,用总体剩余标准差S′作为多测点模型中的剩余标准差S值,就会使有的测点出现误报,有的测点出现漏报。误报将

1　何金平,李珍照.大坝结构性态多测点数学模型研究.武汉水利电力大学学报,1994,(2):134～142

2　李珍照.混凝土坝观测资料分析.北京:水利电力出版社,19

3　邓　勃.分析测试数据的统计处理方法.北京:清华大学出版社,1995

STUDYONTHEMONITORINGINDEXUSING

THEMATHEMATICALMONITORINGMODELOFMULTIPLESURVEYPOINTS

HeJinping,LiZhenzhao,XueGuiyu,LiMin

(WuhanUniversityofHydraulicandElectricEngineering,430072,Wuhan)

(上接第4页)

老坝由于长期挡水运行,历经洪水冲击冲刷,渗透侵蚀,材料老化,性能降低,随着坝龄增加缺陷越来越多;由于老坝是早期技术水平和管理条件下建造的坝,受历史条件的,许多指标往往满足不了现行规范的要求。因此老坝通常表现为故障缺陷多,失事率也高。

鉴于大坝失事规律呈现明显的“浴盆”现象,故在大坝生命周期中,新坝和老坝是安全监测的重点。

因此,要特别重视大坝蓄水初期的安全监测。如果监测系统没有形成,要增设临时监测设施,并要及时分析监测资料,对大坝的运行状态进行严密的监视。对于没有安全监测设施的老坝,需要增设必要的监测设施,使大坝在安全监控下运行。国外对这些老坝增设的监测系统都比较简单,它们只要求能监测影响老坝安全的异常现象即可,而不必用于提高对老坝性状的了解和认识。

对于已有监测系统的老坝,如仪器精度较难满足要求,或监测系统不合理,或仪器损坏,则需对原有的监测系统进行更新改造,有的使之实现自动化。

3　结语

60年代起,大坝监测工作已由简单的原型观测发展到了一个全新的大坝安全监测阶段。监测工作的目的作了重大的调整,由此,引发了监测技术和监测方法的深刻变化,形成了一系列显著的安全监测特征。这一系列特征是安全监测工作本质属性的反映。

大坝安全监测需要技术监测,从某种意义来说,大坝安全监测是一种技术监测,即普遍运用先进的技术手段对大坝进行安全监测。而大坝监测自动化是当前技术监测的最集中体现,是一种理想形式。

为了提高水力发电厂的管理水平和整体素质,尽快与国际先进水平接轨,电力工业部提出了水电厂实现无人值班(少人值守)的目标。最近,电力工业部又决定开展创建一流水力发电厂工作,并颁发了《电力行业一流水力发电厂考核标准》。各水电厂正紧密结合创建一流水力发电厂工作,把大坝安全监测设施搞上去。届时,与国外先进水平的差距将进一步缩小,监测大坝安全的能力将进一步增强。

DAMSAFETYMONITORINGANDITSCHARACTERANALYSIS

WeiDerong(LargeDamSafetySupervisionCenter,MinistryofElectricPower,310014,Hangzhou)