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混凝土壩安全監(jiān)測指標(biāo)進展

文檔作者：吳昭，何勇軍文檔來源：水利部大壩安全管理中心		點擊數(shù)：	更新時間： 2024年02月21日
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西北水電·201 1年·增刊 4l
文章編號：1006-2610f2011)S1．-oo41_-04
混凝土壩安全監(jiān)測指標(biāo)進展
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)測指標(biāo)的重要意義，總結(jié)了混凝土壩監(jiān)
測指標(biāo)研究現(xiàn)狀，論述了安全監(jiān)測指標(biāo)的定義和常用的監(jiān)測指標(biāo)及其擬定方法，指出了當(dāng)前研究中存在的一些問題，
為混凝土壩安全監(jiān)測指標(biāo)的進一步研究打下基礎(chǔ)。
關(guān)鍵詞：混凝土壩；監(jiān)測指標(biāo)；置信區(qū)間法；小概率法；極限狀態(tài)法
中圖分類號：TV698．1 文獻標(biāo)識碼：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，中國共修建了8．5萬
多座各類大壩¨J。這些大壩工程為中國水利水電
建設(shè)奠定了基礎(chǔ)，在防洪、發(fā)電、灌溉、供水、航運、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、經(jīng)濟和環(huán)境效益。然而，由于水文地質(zhì)、工程地
質(zhì)、設(shè)計施工以及結(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題l2 J。
大壩所攔蓄的水在正常利用時會帶來顯著的經(jīng)濟效
益和社會效益，但一旦潰壩，突然失控的水流將給下
游人民的生命財產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境帶來巨大的災(zāi)害。
國內(nèi)外潰壩事件表明，潰壩是個從漸變到突變
的過程，開始時大壩出現(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，大壩安全性態(tài)迅速惡
化，潰壩隨即發(fā)生 J。因此，若能及時收集監(jiān)測資
收稿日期：2011m8_28
作者簡介：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，并對大壩的安全性態(tài)進行分析評價，就可以避免
潰壩的發(fā)生。為正確分析評價大壩的安全狀態(tài)，需
要對大壩進行時空規(guī)律評判、力學(xué)規(guī)律評判、數(shù)學(xué)模
型評判、監(jiān)測指標(biāo)評判、日常巡查評判及關(guān)鍵問題評
判等6項評判 J，其中，監(jiān)測指標(biāo)作為一種最主要的
大壩安全的評判準(zhǔn)則，是評價和監(jiān)測大壩安全的重
要指標(biāo)，對于監(jiān)測大壩等水工建筑物的安全運行具
有相當(dāng)重要的作用。在制定一座大壩的安全監(jiān)測指
標(biāo)后，可以將大壩的監(jiān)測值與安全監(jiān)測指標(biāo)進行對
比，若監(jiān)測值小于安全監(jiān)測指標(biāo)，則大壩是安全的；
若監(jiān)測值大于安全監(jiān)測指標(biāo)，則大壩可能出現(xiàn)安全
問題。此時，需分析安全問題出現(xiàn)的原因，并采取對
應(yīng)措施，確保大壩安全。
國內(nèi)外一些重大的潰壩事件大多都無監(jiān)測指
標(biāo)。對于國外，法國的Malpasset拱壩和意大利Va．
Jonl拱壩潰壩就是著名的實例 。對于中國國
內(nèi)，河南板橋、石漫灘土壩漫頂失事 J，青海溝后水
庫失事 可以作為例證。與此相反，一些大壩因制
定了安全監(jiān)測指標(biāo)及時發(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)測指標(biāo)是大壩安全監(jiān)測
42 吳昭，何勇軍．混凝土壩安全監(jiān)測指標(biāo)進展
體系的核心和關(guān)鍵所在 。能否制定合理的安全監(jiān)
測指標(biāo)，關(guān)系到大壩的安全、運行決策和工程效益。
如標(biāo)準(zhǔn)過寬會遺漏險情信號，導(dǎo)致災(zāi)變；標(biāo)準(zhǔn)過嚴(yán)則
可能釀成謊報險情，干擾正常運行，甚至影響工程效
益的正常發(fā)揮。對于在建或運行的大壩，必須針對其
自身特點，設(shè)置特定的安全監(jiān)測項目，對其變形與穩(wěn)
定等進行全面監(jiān)測與分析，實現(xiàn)大壩安全性態(tài)的綜合
評價，以保證土石壩的安全施工與運行¨ 。
1 研究現(xiàn)狀
由于混凝土材料結(jié)構(gòu)單一、時間空問可復(fù)制，國
內(nèi)外許多專家學(xué)者都對混凝土壩安全監(jiān)測指標(biāo)進行
了深人的研究，且取得較大的進展。吳中如，顧沖
時、鄭東健等根據(jù)原型觀測資料反饋大壩的安全監(jiān)
測指標(biāo)，提出了安全監(jiān)測指標(biāo)的理論與方法，并在深
入分析混凝土壩的漸進破壞機理的基礎(chǔ)上，提出了
一
、二、三級變形監(jiān)測指標(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
計算出相應(yīng)的壩體變形上、下限值，進而提出壩體變
形的監(jiān)測指標(biāo) 。魏德榮論述了大壩安全監(jiān)測指
標(biāo)的含義、制定安全監(jiān)測指標(biāo)的意義、制定安全監(jiān)測
指標(biāo)的基本原則、制定大壩施工階段和首次蓄水階
段以及運行階段安全監(jiān)測指標(biāo)的方法 。李步娟
等對重力壩在運行期間變形極限監(jiān)測指標(biāo)的表達公
式、計算方法等作了有益的探討 。吳相豪等針
對碾壓混凝土壩薄層碾壓的結(jié)構(gòu)特點，引入滲流場
與應(yīng)力場耦合，提出了碾壓混凝土壩一、二級變形監(jiān)
測指標(biāo)的擬定方法，并應(yīng)用于沙牌碾壓混凝土拱
壩 。近年來，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)測指標(biāo)的擬定上來。叢培江等運
用最大熵原理，直接根據(jù)樣本的數(shù)字特征值進行推
斷，給出了大壩安全監(jiān)測指標(biāo)的計算方法 。谷艷
昌等將蒙特卡羅方法應(yīng)用于大壩安全監(jiān)測指標(biāo)擬定
中，不僅結(jié)合了大壩原型觀測資料，還考慮了基本變
量的隨機性，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度等隨機現(xiàn)象的威布分布應(yīng)用
于大壩變形監(jiān)測指標(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)強度儲備有
限元法的計算成果，建立相應(yīng)的安全監(jiān)測指標(biāo)并應(yīng)
用于飛來峽工程，為安全監(jiān)測指標(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)測效
應(yīng)量的小概率法確定水平位移的監(jiān)測指標(biāo)，并定義
和研究了碾壓混凝土壩的模糊監(jiān)測指標(biāo)和隨機監(jiān)測
指標(biāo) 。
2 定義與常用監(jiān)測指標(biāo)
監(jiān)測指標(biāo)是評價大壩安全的重要指標(biāo)，對于饋
控大壩等水工建筑物的安全運行相當(dāng)重要。擬定監(jiān)
測指標(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，來評估和預(yù)測抵御可能發(fā)生
荷載的能力，從而確定該荷載組合下監(jiān)測效應(yīng)量的
警戒值和極值。由于有些大壩可能還沒有遭遇最不
利荷載，同時大壩和壩基抵御荷載的能力在逐漸變
化，因此監(jiān)測指標(biāo)的擬定是一個相當(dāng)復(fù)雜的問題，也
是國內(nèi)外壩工界研究的重要課題。
監(jiān)測指標(biāo)的擬定主要以強度與穩(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。對于強度條件，是不同
工作階段的抗拉、抗壓強度；對于穩(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。對于強度條件，是拉應(yīng)力、壓應(yīng)力；對于穩(wěn)
定條件，是滑動力。故若要保證大壩安全，荷載效應(yīng)
F必須小于抗力 。對于一座特定的大壩，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)測項目和測點數(shù)很多，數(shù)
據(jù)量大。為保證安全監(jiān)測的及時性與有效性，應(yīng)當(dāng)
選擇一些具有代表性的項目和測點建立監(jiān)測指標(biāo)。
常見的監(jiān)測指標(biāo)有變形監(jiān)測指標(biāo)、滲流和揚壓力監(jiān)
測指標(biāo)、應(yīng)力監(jiān)測指標(biāo)等 。根據(jù)國內(nèi)外大壩安全
監(jiān)測的實踐經(jīng)驗，變形易于觀測，精度高 ，是大壩
安全最主要的監(jiān)測量 。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)測大壩安全的主要監(jiān)測量。揚壓力與滲
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)測大壩安全的主要監(jiān)測量，可以作為滲流
監(jiān)測指標(biāo)_4卜 ?？紤]到隨著時間的推移，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)上的動態(tài)模型 。
3 監(jiān)測指標(biāo)常用擬定方法
擬定混凝土壩監(jiān)測指標(biāo)應(yīng)以監(jiān)測數(shù)據(jù)為依據(jù)，
各類設(shè)計規(guī)范為準(zhǔn)則，由滲流、穩(wěn)定等作為控制條
件，通過復(fù)雜的力學(xué)分析和反分析，并結(jié)合設(shè)計、運
行單位根據(jù)長期經(jīng)驗而確定的控制值，充分反映混
西北水電·201 1年·增刊 43
凝土壩的安全性態(tài)。
從國內(nèi)外大壩安全監(jiān)測領(lǐng)域的實踐經(jīng)驗來看，變
形與滲流監(jiān)測是大壩長期安全監(jiān)測的重要監(jiān)測項目，
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)測項目。其中揚壓力和應(yīng)力的監(jiān)測指標(biāo)
可以依據(jù)規(guī)范和設(shè)計值擬定，滲流量可以用依據(jù)有關(guān)
流體力學(xué)理論結(jié)合監(jiān)測資料擬定 。大壩變形受壩
型、筑壩材料、地質(zhì)條件和運行管理等諸多因素的影
響，又與強度和穩(wěn)定緊密相關(guān)，致使擬定運行中壩的
變形監(jiān)測指標(biāo)較復(fù)雜 ，因此目前研究的重點和難
點仍是大壩變形監(jiān)測指標(biāo)的擬定。對于缺少監(jiān)測資
料的施工期和蓄水期，尤其是首次蓄水期，其安全監(jiān)
測指標(biāo)一般僅能根據(jù)設(shè)計荷載進行分析。鈞 。
目前研究監(jiān)測指標(biāo)的方法主要有數(shù)理統(tǒng)計法和
極限狀態(tài)法。
數(shù)理統(tǒng)計法有置信區(qū)間法和典型監(jiān)測效應(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)用簡單，易于掌握，但缺乏對大壩的實際工作
性態(tài)的分析，也不能對監(jiān)測指標(biāo)本身的級別與重要
性作出說明。朱劭字根據(jù)混合模型擬定了飛來峽壩
頂水平位移監(jiān)測指標(biāo)，為樞紐工程安全運行及防洪
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)測指
標(biāo) 。陳紅梅等采用典型監(jiān)測效應(yīng)量的小概率法
擬定大壩滲漏量安全監(jiān)測指標(biāo) J。馬福恒等采用
典型監(jiān)測效應(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監(jiān)測指標(biāo) 。葉攀采用典
型監(jiān)測效應(yīng)量的小概率法和置信區(qū)間法擬定了古田
溪一級大壩水平位移監(jiān)測指標(biāo)，并對2種方法進行
了對比 。
極限狀態(tài)法是從大壩的穩(wěn)定和強度要求出發(fā)，
根據(jù)大壩安全條例和監(jiān)測規(guī)范，將大壩的安全性態(tài)
分為正常、異常、險情三大類，與此相對應(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)測指標(biāo)也相對應(yīng)地分為一級、二級、
三級3個等級。根據(jù)這3個等級的監(jiān)測指標(biāo)的力學(xué)
定義，可用黏彈性理論來擬定一級監(jiān)測指標(biāo)，用小變
形的黏彈塑性理論來擬定二級監(jiān)測指標(biāo)，用大變形
的黏彈塑性理論來擬定三級監(jiān)測指標(biāo)。此外，根據(jù)
計算抗力尺與效應(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
事的原因和機理，物理概念明確，并可以模擬一些從
沒有遭遇過的荷載工況，解決了大壩觀測值序列較
短、資料不全的問題，是確定大壩安全監(jiān)測指標(biāo)最有
效，也是較常用的方法。鄭東健、金秋等用典型監(jiān)測
效應(yīng)量的小概率法和極限狀態(tài)法擬定了古田溪一級
大壩水平位移監(jiān)測指標(biāo)，建議古田溪一級大壩向下
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)測效應(yīng)量的小概率法確定 。 。陳紅等分別
用數(shù)理統(tǒng)計法和極限狀態(tài)法對古田溪二級大壩水平
位移監(jiān)測指標(biāo)進行研究，并對2種計算方法的結(jié)果
進行對比 引。朱濟祥、劉健等用極限狀態(tài)法提出
了李家峽高拱壩一、二、三級監(jiān)測指標(biāo) 。包騰
飛等利用監(jiān)測資料和有限元計算成果，用典型監(jiān)測
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)測指標(biāo) 。仲琳等利用典
型監(jiān)測效應(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安全監(jiān)測
指標(biāo)，通過比較確定極限狀態(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)測指標(biāo)，并比較各種方
法擬定結(jié)果，提出意見和改進方法 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)測指標(biāo) J。
4 存在的問題
雖然很多專家、學(xué)者對混凝土壩變形監(jiān)測指標(biāo)
的擬定方法進行了大量研究，但是還有一些問題有
待于進一步研究。① 當(dāng)前研究和應(yīng)用較多的主要
是單個典型測點的監(jiān)測指標(biāo)的擬定，然而點的變形
狀況難以從宏觀上準(zhǔn)確表達大壩結(jié)構(gòu)整體的變形性
態(tài)，多測點監(jiān)測指標(biāo)方程的應(yīng)用還有待研究和發(fā)展。
② 大壩在運行期間由于環(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)特性隨時間而變化，
進而引起大壩變形性態(tài)的時變性。目前，變形監(jiān)測
指標(biāo)的計算沒有考慮大壩彈性參數(shù)的時變特性，尚
需要進一步完善。③ 工程中存在眾多不確定性影
響因素，這不可避免會影響大壩監(jiān)測模型和參數(shù)反
演的分析成果，并影響變形監(jiān)測指標(biāo)的計算。
5 結(jié)語
作為大壩安全監(jiān)測中的一個重要環(huán)節(jié)，混凝土
壩監(jiān)測指標(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)測指標(biāo)進展
前監(jiān)測指標(biāo)在實際工程應(yīng)用中并不臻于完美，有必
要作進一步深入研究。
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