大壩安全監(jiān)測

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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1100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(biāo)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(yán)重后果，均是由于整體布置不合理，對泄洪水霧飄移危害認(rèn)識不夠所致。喀什一級大壩位于高地震烈度區(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(jì)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。喀什一級大壩在1982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。

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(dāng)?shù)靥Ц哌\行水位所致；陳村大壩出現(xiàn)的105m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(yán)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(rèn)為，大壩安全監(jiān)測的淺層意義是為了人們準(zhǔn)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，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(rèn)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［4］［5］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1.55km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1.5km的地方在比壩低320m處開挖了一條排放地下水的隧洞所致。可見，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)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(rèn)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(dāng)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(yán)重程度的判定。人工巡查和儀器監(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［4］［5］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?yán)щy、實時化程度低等問題，筆者認(rèn)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(biāo)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(biāo)準(zhǔn)(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(biāo)準(zhǔn)(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(biāo)來判別大壩安全是不完善的，因為目前的監(jiān)控指標(biāo)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(dāng)上游庫水位驟降時測壓管水位不會超過監(jiān)控指標(biāo)，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(rèn)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(biāo)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(dāng)大的比例。試想：如果大壩某些性態(tài)異常或閘門起閉機損壞，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105m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(dāng)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。

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)包括梯級水庫；時間上應(yīng)從設(shè)計開始。大壩安全監(jiān)測內(nèi)容應(yīng)包括與大壩安全有關(guān)的泄洪及機電設(shè)備；

(2)大壩安全監(jiān)測應(yīng)與氣象、水情、洪水預(yù)報及水庫調(diào)度結(jié)合起來，使之成為水庫運行調(diào)度決策支持系統(tǒng)的一部分，真正為工程效益的最大化服務(wù)；

(3)大壩安全監(jiān)測應(yīng)將大壩安全評估與設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計參數(shù)(如安全系數(shù)，可靠度指標(biāo))等指標(biāo)結(jié)合起來，充分利用大壩安全定檢的成功經(jīng)驗和方法，從而易于理解、掌握和應(yīng)用；

(4)大壩安全監(jiān)測應(yīng)充分利用科技進步，走向即時化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化。

總之，大壩安全監(jiān)測就是利用一切手段，確保大壩以較少的投入來保證長期、穩(wěn)定、安全的運行，實現(xiàn)效益的最大化。

參考文獻

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