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混凝土壩安全監(jiān)測(cè)指標(biāo)進(jìn)展

文檔作者：吳昭，何勇軍文檔來(lái)源：水利部大壩安全管理中心		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2024年02月21日
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西北水電·201 1年·增刊 4l
文章編號(hào)：1006-2610f2011)S1．-oo41_-04
混凝土壩安全監(jiān)測(cè)指標(biāo)進(jìn)展
吳 昭，何勇軍
(水利部大壩安全管理中心，南京210029)
摘要：安全監(jiān)測(cè)指標(biāo)是判別大壩安全性態(tài)的關(guān)鍵指標(biāo)。闡述了擬定安全監(jiān)測(cè)指標(biāo)的重要意義，總結(jié)了混凝土壩監(jiān)
測(cè)指標(biāo)研究現(xiàn)狀，論述了安全監(jiān)測(cè)指標(biāo)的定義和常用的監(jiān)測(cè)指標(biāo)及其擬定方法，指出了當(dāng)前研究中存在的一些問(wèn)題，
為混凝土壩安全監(jiān)測(cè)指標(biāo)的進(jìn)一步研究打下基礎(chǔ)。
關(guān)鍵詞：混凝土壩；監(jiān)測(cè)指標(biāo)；置信區(qū)間法；小概率法；極限狀態(tài)法
中圖分類號(hào)：TV698．1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
Progress in safety monitoring Index of concrete dam
WU Zhao，HE Yong—jun
(Dam Safety Management Center ofthe Ministry of Water Resources，Naming 210029，China)
Abstract：Dam safety monitoring index is the key index in evaluating dam safety status．In this paper，through reviewing the significance
of developing dam safety monitoring index，it summarizes the present development in concrete dam safety monitoring index，and describes
the definition of dam safety monitoring index，commonly used monitoring indexes and how to develop them．Meanwhile，certain shortcom—
ings in present research work are pointed out to lay a solid foundation for further research in this field．
Key words：concrete dam；safety monitoring index；confidence interval method；low probability method；limit state method
0 前言
自20世紀(jì)50年代以來(lái)，中國(guó)共修建了8．5萬(wàn)
多座各類大壩¨J。這些大壩工程為中國(guó)水利水電
建設(shè)奠定了基礎(chǔ)，在防洪、發(fā)電、灌溉、供水、航運(yùn)、旅
游和養(yǎng)殖等多方面已經(jīng)或正在繼續(xù)發(fā)揮著巨大的社
會(huì)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。然而，由于水文地質(zhì)、工程地
質(zhì)、設(shè)計(jì)施工以及結(jié)構(gòu)老化等原因，部分大壩存在著
不安全因素。其它大壩，尤其是修建于20世紀(jì)70
年代以前的大壩，普遍存在老化和病變等問(wèn)題l2 J。
大壩所攔蓄的水在正常利用時(shí)會(huì)帶來(lái)顯著的經(jīng)濟(jì)效
益和社會(huì)效益，但一旦潰壩，突然失控的水流將給下
游人民的生命財(cái)產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境帶來(lái)巨大的災(zāi)害。
國(guó)內(nèi)外潰壩事件表明，潰壩是個(gè)從漸變到突變
的過(guò)程，開(kāi)始時(shí)大壩出現(xiàn)一些缺陷或故障，當(dāng)這些缺
陷和故障發(fā)展到一定程度時(shí)，大壩安全性態(tài)迅速惡
化，潰壩隨即發(fā)生 J。因此，若能及時(shí)收集監(jiān)測(cè)資
收稿日期：2011m8_28
作者簡(jiǎn)介：吳昭(1987一)，男，碩士研究生，主要從事大壩安全
監(jiān)控研究工作．
料，并對(duì)大壩的安全性態(tài)進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，就可以避免
潰壩的發(fā)生。為正確分析評(píng)價(jià)大壩的安全狀態(tài)，需
要對(duì)大壩進(jìn)行時(shí)空規(guī)律評(píng)判、力學(xué)規(guī)律評(píng)判、數(shù)學(xué)模
型評(píng)判、監(jiān)測(cè)指標(biāo)評(píng)判、日常巡查評(píng)判及關(guān)鍵問(wèn)題評(píng)
判等6項(xiàng)評(píng)判 J，其中，監(jiān)測(cè)指標(biāo)作為一種最主要的
大壩安全的評(píng)判準(zhǔn)則，是評(píng)價(jià)和監(jiān)測(cè)大壩安全的重
要指標(biāo)，對(duì)于監(jiān)測(cè)大壩等水工建筑物的安全運(yùn)行具
有相當(dāng)重要的作用。在制定一座大壩的安全監(jiān)測(cè)指
標(biāo)后，可以將大壩的監(jiān)測(cè)值與安全監(jiān)測(cè)指標(biāo)進(jìn)行對(duì)
比，若監(jiān)測(cè)值小于安全監(jiān)測(cè)指標(biāo)，則大壩是安全的；
若監(jiān)測(cè)值大于安全監(jiān)測(cè)指標(biāo)，則大壩可能出現(xiàn)安全
問(wèn)題。此時(shí)，需分析安全問(wèn)題出現(xiàn)的原因，并采取對(duì)
應(yīng)措施，確保大壩安全。
國(guó)內(nèi)外一些重大的潰壩事件大多都無(wú)監(jiān)測(cè)指
標(biāo)。對(duì)于國(guó)外，法國(guó)的Malpasset拱壩和意大利Va．
Jonl拱壩潰壩就是著名的實(shí)例 。對(duì)于中國(guó)國(guó)
內(nèi)，河南板橋、石漫灘土壩漫頂失事 J，青海溝后水
庫(kù)失事 可以作為例證。與此相反，一些大壩因制
定了安全監(jiān)測(cè)指標(biāo)及時(shí)發(fā)現(xiàn)安全隱患，有效地保證
了大壩安全，如安徽佛子嶺大壩¨ 。
因此，制定科學(xué)合理的監(jiān)測(cè)指標(biāo)是大壩安全監(jiān)測(cè)
42 吳昭，何勇軍．混凝土壩安全監(jiān)測(cè)指標(biāo)進(jìn)展
體系的核心和關(guān)鍵所在 。能否制定合理的安全監(jiān)
測(cè)指標(biāo)，關(guān)系到大壩的安全、運(yùn)行決策和工程效益。
如標(biāo)準(zhǔn)過(guò)寬會(huì)遺漏險(xiǎn)情信號(hào)，導(dǎo)致災(zāi)變；標(biāo)準(zhǔn)過(guò)嚴(yán)則
可能釀成謊報(bào)險(xiǎn)情，干擾正常運(yùn)行，甚至影響工程效
益的正常發(fā)揮。對(duì)于在建或運(yùn)行的大壩，必須針對(duì)其
自身特點(diǎn)，設(shè)置特定的安全監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，對(duì)其變形與穩(wěn)
定等進(jìn)行全面監(jiān)測(cè)與分析，實(shí)現(xiàn)大壩安全性態(tài)的綜合
評(píng)價(jià)，以保證土石壩的安全施工與運(yùn)行¨ 。
1 研究現(xiàn)狀
由于混凝土材料結(jié)構(gòu)單一、時(shí)間空問(wèn)可復(fù)制，國(guó)
內(nèi)外許多專家學(xué)者都對(duì)混凝土壩安全監(jiān)測(cè)指標(biāo)進(jìn)行
了深人的研究，且取得較大的進(jìn)展。吳中如，顧沖
時(shí)、鄭東健等根據(jù)原型觀測(cè)資料反饋大壩的安全監(jiān)
測(cè)指標(biāo)，提出了安全監(jiān)測(cè)指標(biāo)的理論與方法，并在深
入分析混凝土壩的漸進(jìn)破壞機(jī)理的基礎(chǔ)上，提出了
一
、二、三級(jí)變形監(jiān)測(cè)指標(biāo)的概念及其劃分標(biāo)準(zhǔn)，且
成功地應(yīng)用于丹江口、龍羊峽、佛子嶺等水電站工
程¨ 。李民、李珍照等根據(jù)荷載的可能不利組合
計(jì)算出相應(yīng)的壩體變形上、下限值，進(jìn)而提出壩體變
形的監(jiān)測(cè)指標(biāo) 。魏德榮論述了大壩安全監(jiān)測(cè)指
標(biāo)的含義、制定安全監(jiān)測(cè)指標(biāo)的意義、制定安全監(jiān)測(cè)
指標(biāo)的基本原則、制定大壩施工階段和首次蓄水階
段以及運(yùn)行階段安全監(jiān)測(cè)指標(biāo)的方法 。李步娟
等對(duì)重力壩在運(yùn)行期間變形極限監(jiān)測(cè)指標(biāo)的表達(dá)公
式、計(jì)算方法等作了有益的探討 。吳相豪等針
對(duì)碾壓混凝土壩薄層碾壓的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，引入滲流場(chǎng)
與應(yīng)力場(chǎng)耦合，提出了碾壓混凝土壩一、二級(jí)變形監(jiān)
測(cè)指標(biāo)的擬定方法，并應(yīng)用于沙牌碾壓混凝土拱
壩 。近年來(lái)，許多學(xué)者逐步將其它學(xué)科領(lǐng)域的
方法應(yīng)用到安全監(jiān)測(cè)指標(biāo)的擬定上來(lái)。叢培江等運(yùn)
用最大熵原理，直接根據(jù)樣本的數(shù)字特征值進(jìn)行推
斷，給出了大壩安全監(jiān)測(cè)指標(biāo)的計(jì)算方法 。谷艷
昌等將蒙特卡羅方法應(yīng)用于大壩安全監(jiān)測(cè)指標(biāo)擬定
中，不僅結(jié)合了大壩原型觀測(cè)資料，還考慮了基本變
量的隨機(jī)性，較傳統(tǒng)方法更加合理科學(xué) 。虞鴻等
將能夠擬合壽命和強(qiáng)度等隨機(jī)現(xiàn)象的威布分布應(yīng)用
于大壩變形監(jiān)測(cè)指標(biāo)的擬定中，在一定程度上體現(xiàn)
了大壩的工作狀態(tài) 。姚惠芹等根據(jù)強(qiáng)度儲(chǔ)備有
限元法的計(jì)算成果，建立相應(yīng)的安全監(jiān)測(cè)指標(biāo)并應(yīng)
用于飛來(lái)峽工程，為安全監(jiān)測(cè)指標(biāo)的研究指出了一
種新的方法_3 。陳龍等利用上包絡(luò)典型監(jiān)測(cè)效
應(yīng)量的小概率法確定水平位移的監(jiān)測(cè)指標(biāo)，并定義
和研究了碾壓混凝土壩的模糊監(jiān)測(cè)指標(biāo)和隨機(jī)監(jiān)測(cè)
指標(biāo) 。
2 定義與常用監(jiān)測(cè)指標(biāo)
監(jiān)測(cè)指標(biāo)是評(píng)價(jià)大壩安全的重要指標(biāo)，對(duì)于饋
控大壩等水工建筑物的安全運(yùn)行相當(dāng)重要。擬定監(jiān)
測(cè)指標(biāo)的主要任務(wù)是根據(jù)大壩和壩基等建筑物已經(jīng)
抵御經(jīng)歷荷載的能力，來(lái)評(píng)估和預(yù)測(cè)抵御可能發(fā)生
荷載的能力，從而確定該荷載組合下監(jiān)測(cè)效應(yīng)量的
警戒值和極值。由于有些大壩可能還沒(méi)有遭遇最不
利荷載，同時(shí)大壩和壩基抵御荷載的能力在逐漸變
化，因此監(jiān)測(cè)指標(biāo)的擬定是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的問(wèn)題，也
是國(guó)內(nèi)外壩工界研究的重要課題。
監(jiān)測(cè)指標(biāo)的擬定主要以強(qiáng)度與穩(wěn)定等作為約束
條件，一般地，大壩安全準(zhǔn)則定義為尺一F≥0，其中：
R為不同工作階段的抗力。對(duì)于強(qiáng)度條件，是不同
工作階段的抗拉、抗壓強(qiáng)度；對(duì)于穩(wěn)定條件，是不同
工作階段的抗滑力。F為不同荷載組合作用下的總
效應(yīng)量。對(duì)于強(qiáng)度條件，是拉應(yīng)力、壓應(yīng)力；對(duì)于穩(wěn)
定條件，是滑動(dòng)力。故若要保證大壩安全，荷載效應(yīng)
F必須小于抗力 。對(duì)于一座特定的大壩，在建成
之后，抗力變化不大，保證大壩安全主要靠控制荷載
效應(yīng)。
通常情況下，工程上監(jiān)測(cè)項(xiàng)目和測(cè)點(diǎn)數(shù)很多，數(shù)
據(jù)量大。為保證安全監(jiān)測(cè)的及時(shí)性與有效性，應(yīng)當(dāng)
選擇一些具有代表性的項(xiàng)目和測(cè)點(diǎn)建立監(jiān)測(cè)指標(biāo)。
常見(jiàn)的監(jiān)測(cè)指標(biāo)有變形監(jiān)測(cè)指標(biāo)、滲流和揚(yáng)壓力監(jiān)
測(cè)指標(biāo)、應(yīng)力監(jiān)測(cè)指標(biāo)等 。根據(jù)國(guó)內(nèi)外大壩安全
監(jiān)測(cè)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，變形易于觀測(cè)，精度高 ，是大壩
安全最主要的監(jiān)測(cè)量 。在所有方向的變形中，以
上下游方向的水平位移最為重要l40 J。應(yīng)力在施工
階段，是監(jiān)測(cè)大壩安全的主要監(jiān)測(cè)量。揚(yáng)壓力與滲
流量不僅直接影響壩體的穩(wěn)定，還反映壩基的滲透
性態(tài)，是監(jiān)測(cè)大壩安全的主要監(jiān)測(cè)量，可以作為滲流
監(jiān)測(cè)指標(biāo)_4卜 。考慮到隨著時(shí)間的推移，大壩發(fā)生
老化，筑壩材料的力學(xué)性質(zhì)劣化，可以采用建立在遞
歸方法的基礎(chǔ)上的動(dòng)態(tài)模型 。
3 監(jiān)測(cè)指標(biāo)常用擬定方法
擬定混凝土壩監(jiān)測(cè)指標(biāo)應(yīng)以監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為依據(jù)，
各類設(shè)計(jì)規(guī)范為準(zhǔn)則，由滲流、穩(wěn)定等作為控制條
件，通過(guò)復(fù)雜的力學(xué)分析和反分析，并結(jié)合設(shè)計(jì)、運(yùn)
行單位根據(jù)長(zhǎng)期經(jīng)驗(yàn)而確定的控制值，充分反映混
西北水電·201 1年·增刊 43
凝土壩的安全性態(tài)。
從國(guó)內(nèi)外大壩安全監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，變
形與滲流監(jiān)測(cè)是大壩長(zhǎng)期安全監(jiān)測(cè)的重要監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，
而應(yīng)力應(yīng)變一般只作為控制性部位在施工期和蓄水
期的短期監(jiān)測(cè)項(xiàng)目。其中揚(yáng)壓力和應(yīng)力的監(jiān)測(cè)指標(biāo)
可以依據(jù)規(guī)范和設(shè)計(jì)值擬定，滲流量可以用依據(jù)有關(guān)
流體力學(xué)理論結(jié)合監(jiān)測(cè)資料擬定 。大壩變形受壩
型、筑壩材料、地質(zhì)條件和運(yùn)行管理等諸多因素的影
響，又與強(qiáng)度和穩(wěn)定緊密相關(guān)，致使擬定運(yùn)行中壩的
變形監(jiān)測(cè)指標(biāo)較復(fù)雜 ，因此目前研究的重點(diǎn)和難
點(diǎn)仍是大壩變形監(jiān)測(cè)指標(biāo)的擬定。對(duì)于缺少監(jiān)測(cè)資
料的施工期和蓄水期，尤其是首次蓄水期，其安全監(jiān)
測(cè)指標(biāo)一般僅能根據(jù)設(shè)計(jì)荷載進(jìn)行分析。鈞 。
目前研究監(jiān)測(cè)指標(biāo)的方法主要有數(shù)理統(tǒng)計(jì)法和
極限狀態(tài)法。
數(shù)理統(tǒng)計(jì)法有置信區(qū)間法和典型監(jiān)測(cè)效應(yīng)量的
小概率法。這些方法以概率理論為基礎(chǔ)建立數(shù)學(xué)模
型，應(yīng)用簡(jiǎn)單，易于掌握，但缺乏對(duì)大壩的實(shí)際工作
性態(tài)的分析，也不能對(duì)監(jiān)測(cè)指標(biāo)本身的級(jí)別與重要
性作出說(shuō)明。朱劭字根據(jù)混合模型擬定了飛來(lái)峽壩
頂水平位移監(jiān)測(cè)指標(biāo)，為樞紐工程安全運(yùn)行及防洪
調(diào)度提供重要依據(jù)_4 。孫學(xué)智等用典型監(jiān)測(cè)效應(yīng)
量的小概率法擬定了黃壇口重力壩水平位移監(jiān)測(cè)指
標(biāo) 。陳紅梅等采用典型監(jiān)測(cè)效應(yīng)量的小概率法
擬定大壩滲漏量安全監(jiān)測(cè)指標(biāo) J。馬福恒等采用
典型監(jiān)測(cè)效應(yīng)量的小概率法擬定了碗窯大壩典型壩
段壩頂水平位移的一級(jí)監(jiān)測(cè)指標(biāo) 。葉攀采用典
型監(jiān)測(cè)效應(yīng)量的小概率法和置信區(qū)間法擬定了古田
溪一級(jí)大壩水平位移監(jiān)測(cè)指標(biāo)，并對(duì)2種方法進(jìn)行
了對(duì)比 。
極限狀態(tài)法是從大壩的穩(wěn)定和強(qiáng)度要求出發(fā)，
根據(jù)大壩安全條例和監(jiān)測(cè)規(guī)范，將大壩的安全性態(tài)
分為正常、異常、險(xiǎn)情三大類，與此相對(duì)應(yīng)，根據(jù)大壩
的結(jié)構(gòu)性態(tài)可分為彈性、彈塑性、失穩(wěn)破壞三大工作
階段。因此，監(jiān)測(cè)指標(biāo)也相對(duì)應(yīng)地分為一級(jí)、二級(jí)、
三級(jí)3個(gè)等級(jí)。根據(jù)這3個(gè)等級(jí)的監(jiān)測(cè)指標(biāo)的力學(xué)
定義，可用黏彈性理論來(lái)擬定一級(jí)監(jiān)測(cè)指標(biāo)，用小變
形的黏彈塑性理論來(lái)擬定二級(jí)監(jiān)測(cè)指標(biāo)，用大變形
的黏彈塑性理論來(lái)擬定三級(jí)監(jiān)測(cè)指標(biāo)。此外，根據(jù)
計(jì)算抗力尺與效應(yīng)量F方法的不同，結(jié)構(gòu)分析法也
可歸納為安全系數(shù)法、一階矩極限狀態(tài)法、二階矩極
限狀態(tài)法三大類 。結(jié)構(gòu)分析法可以聯(lián)系大壩失
事的原因和機(jī)理，物理概念明確，并可以模擬一些從
沒(méi)有遭遇過(guò)的荷載工況，解決了大壩觀測(cè)值序列較
短、資料不全的問(wèn)題，是確定大壩安全監(jiān)測(cè)指標(biāo)最有
效，也是較常用的方法。鄭東健、金秋等用典型監(jiān)測(cè)
效應(yīng)量的小概率法和極限狀態(tài)法擬定了古田溪一級(jí)
大壩水平位移監(jiān)測(cè)指標(biāo)，建議古田溪一級(jí)大壩向下
游水平位移最大值由極限狀態(tài)法確定，最小值由典
型監(jiān)測(cè)效應(yīng)量的小概率法確定 。 。陳紅等分別
用數(shù)理統(tǒng)計(jì)法和極限狀態(tài)法對(duì)古田溪二級(jí)大壩水平
位移監(jiān)測(cè)指標(biāo)進(jìn)行研究，并對(duì)2種計(jì)算方法的結(jié)果
進(jìn)行對(duì)比 引。朱濟(jì)祥、劉健等用極限狀態(tài)法提出
了李家峽高拱壩一、二、三級(jí)監(jiān)測(cè)指標(biāo) 。包騰
飛等利用監(jiān)測(cè)資料和有限元計(jì)算成果，用典型監(jiān)測(cè)
效應(yīng)量的小概率法和極限狀態(tài)法為新安江典型壩段
壩頂水平位移擬定了監(jiān)測(cè)指標(biāo) 。仲琳等利用典
型監(jiān)測(cè)效應(yīng)量的小概率法和極限狀態(tài)法的混合模型
法擬定了水口水電站大壩水平位移的一級(jí)安全監(jiān)測(cè)
指標(biāo)，通過(guò)比較確定極限狀態(tài)法的混合模型法為
優(yōu) 。劉貝貝等分別采用置信區(qū)間法、典型監(jiān)測(cè)效
應(yīng)量的小概率法和極限狀態(tài)法擬定棉花灘大壩典型
壩段壩頂水平位移的安全監(jiān)測(cè)指標(biāo)，并比較各種方
法擬定結(jié)果，提出意見(jiàn)和改進(jìn)方法 2。 J。湯麗慧采
用置信區(qū)間法和極限狀態(tài)法擬定了碾壓混凝土壩的
位移監(jiān)測(cè)指標(biāo) J。
4 存在的問(wèn)題
雖然很多專家、學(xué)者對(duì)混凝土壩變形監(jiān)測(cè)指標(biāo)
的擬定方法進(jìn)行了大量研究，但是還有一些問(wèn)題有
待于進(jìn)一步研究。① 當(dāng)前研究和應(yīng)用較多的主要
是單個(gè)典型測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)指標(biāo)的擬定，然而點(diǎn)的變形
狀況難以從宏觀上準(zhǔn)確表達(dá)大壩結(jié)構(gòu)整體的變形性
態(tài)，多測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)指標(biāo)方程的應(yīng)用還有待研究和發(fā)展。
② 大壩在運(yùn)行期間由于環(huán)境的影響使得結(jié)構(gòu)性態(tài)
發(fā)生緩慢的變化，表現(xiàn)在其力學(xué)特性隨時(shí)間而變化，
進(jìn)而引起大壩變形性態(tài)的時(shí)變性。目前，變形監(jiān)測(cè)
指標(biāo)的計(jì)算沒(méi)有考慮大壩彈性參數(shù)的時(shí)變特性，尚
需要進(jìn)一步完善。③ 工程中存在眾多不確定性影
響因素，這不可避免會(huì)影響大壩監(jiān)測(cè)模型和參數(shù)反
演的分析成果，并影響變形監(jiān)測(cè)指標(biāo)的計(jì)算。
5 結(jié)語(yǔ)
作為大壩安全監(jiān)測(cè)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，混凝土
壩監(jiān)測(cè)指標(biāo)的研究已經(jīng)取得大量成果，但應(yīng)看到當(dāng)
吳昭，何勇軍．混凝土壩安全監(jiān)測(cè)指標(biāo)進(jìn)展
前監(jiān)測(cè)指標(biāo)在實(shí)際工程應(yīng)用中并不臻于完美，有必
要作進(jìn)一步深入研究。
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