大壩安全監(jiān)測(cè)論文
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(huì)議“關(guān)于水壩和水庫惡化”小組委員會(huì)記錄的1100座大壩失事實(shí)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(jì)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(yáng)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(jì)、施工和自然因素引起，它沒有一個(gè)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(jì)洪水位偏低、混凝土標(biāo)號(hào)過低、未考慮地震荷載等；第二類是在運(yùn)行、管理過程中逐步形成的，有一個(gè)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(jì)、施工中的不完善在運(yùn)行中得不到改正，或者說隨著時(shí)間的推移和運(yùn)行管理的不力使設(shè)計(jì)、施工中的隱患發(fā)展為破壞。就目前而言，大壩安全監(jiān)測(cè)主要是針對(duì)后兩種情況。下面將從設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行維護(hù)3個(gè)階段來討論，著重強(qiáng)調(diào)目前大壩安全監(jiān)測(cè)容易忽視的一些方面。
1.1設(shè)計(jì)階段
眾所周知，在設(shè)計(jì)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(duì)泄洪水霧飄移危害認(rèn)識(shí)不夠所致�？κ惨患�(jí)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(jì)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(shí)，迎水面滑落庫中，其原因是壩體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理。綜上所述，大壩的許多安全隱患是由設(shè)計(jì)階段留下的，特別是水文計(jì)算及地質(zhì)勘探和處理兩個(gè)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(jì)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(jī)電安裝等都將直接影響大壩的安全。喀什一級(jí)大壩在1982年施工中，其壩體及防滲墻都未進(jìn)行碾壓，致使密實(shí)度降低，在強(qiáng)震時(shí)容易液化和沉陷，這也是1985年地震時(shí)引起大壩整體破壞原因之一。
1.3運(yùn)行管理
運(yùn)行管理涉及水庫調(diào)度、大壩及附屬機(jī)電設(shè)施檢查、監(jiān)測(cè)手段及資料分析方法、大壩安全狀況評(píng)價(jià)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?yàn)槊つ孔非蠊喔刃б妫雌诓贿m當(dāng)?shù)靥Ц哌\(yùn)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(yùn)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(shí)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(duì)大壩進(jìn)行全面的巡視檢查、儀器監(jiān)測(cè)和及時(shí)的資料分析了。這里還要強(qiáng)調(diào)的一點(diǎn)就是聯(lián)合調(diào)度問題，在梯級(jí)水庫調(diào)度中這一點(diǎn)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(cè)的目的和意義
眾所周知，大壩安全監(jiān)測(cè)有校核設(shè)計(jì)、改進(jìn)施工和評(píng)價(jià)大壩安全狀況的作用，且重在評(píng)價(jià)大壩安全。筆者認(rèn)為，大壩安全監(jiān)測(cè)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(cè)不僅是為了被監(jiān)測(cè)壩的安全評(píng)估，還要有利于其他大壩包括待建壩的安全評(píng)估。
3大壩安全監(jiān)測(cè)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(shí)間跨度大(從設(shè)計(jì)施工到運(yùn)行管理)；大壩安全監(jiān)測(cè)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(shí)現(xiàn)大壩安全監(jiān)測(cè)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(jìn)行理解。
3.1監(jiān)測(cè)范圍和內(nèi)容
規(guī)范［4］［5］規(guī)定“大壩安全監(jiān)測(cè)范圍，包括壩體、壩基、壩肩，以及對(duì)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(shí)，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(dòng)的原因就是因?yàn)殡x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�？梢姡P(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(jí)水庫的運(yùn)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(cè)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(jìn)行確定，根據(jù)具體情況由壩體、壩基推廣到庫區(qū)及梯級(jí)水庫大壩，大壩安全監(jiān)測(cè)的時(shí)間應(yīng)從設(shè)計(jì)時(shí)開始直至運(yùn)行管理，大壩安全監(jiān)測(cè)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(jī)電設(shè)備及泄洪消能建筑物等。
3.2大壩安全監(jiān)測(cè)的針對(duì)性
大壩安全監(jiān)測(cè)是針對(duì)具體大壩的具體時(shí)期作出的，一定要有鮮明的針對(duì)性。
(1)時(shí)間上的針對(duì)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(shí)期，因此在前一個(gè)階段監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)應(yīng)是設(shè)計(jì)參數(shù)的復(fù)核和施工質(zhì)量的檢驗(yàn)，而后者則應(yīng)是針對(duì)材料老化［7］和設(shè)計(jì)復(fù)核進(jìn)行。
大壩的破壞機(jī)理研究至今還是一個(gè)薄弱環(huán)節(jié)，關(guān)鍵是原型破壞試驗(yàn)作不了，因此，加強(qiáng)對(duì)潰壩的分析是非常有必要的。這就要求大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在關(guān)鍵時(shí)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(duì)性。
針對(duì)具體的壩址、壩型和結(jié)構(gòu)有針對(duì)性地加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，如針對(duì)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(qiáng)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(duì)霧化的監(jiān)測(cè)和汛期對(duì)備用電源的檢查等。再者，大壩監(jiān)測(cè)應(yīng)和大壩設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)行管理互相補(bǔ)充，特別是在設(shè)計(jì)中運(yùn)用新結(jié)構(gòu)、新方法、新材料，施工時(shí)發(fā)現(xiàn)新的地質(zhì)構(gòu)造和地質(zhì)條件。運(yùn)行遇到不利工況時(shí)，大壩安全監(jiān)測(cè)理應(yīng)成為檢驗(yàn)設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)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(cè)手段和方法
大壩安全監(jiān)測(cè)包括巡視檢查和儀器監(jiān)測(cè)［4］，筆者認(rèn)為巡視檢查和儀器監(jiān)測(cè)是分不開的。前者也要盡可能的利用當(dāng)今的先進(jìn)儀器和技術(shù)對(duì)大壩特別是隱患進(jìn)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(jìn)行檢查［6］，從而完成對(duì)其定位及嚴(yán)重程度的判定。人工巡查和儀器監(jiān)測(cè)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(cè)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(shí)，由于材料的非線性(特別是土石壩)，從而使監(jiān)測(cè)的難度增大；另一方面，目前儀器監(jiān)測(cè)還只能作到“點(diǎn)(小范圍)監(jiān)測(cè)”，如測(cè)縫計(jì)只能發(fā)現(xiàn)通過測(cè)點(diǎn)的裂(接)縫開度的變化，而不能發(fā)現(xiàn)測(cè)點(diǎn)以外裂(接)縫開度的變化；變形(滲流)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)到的是壩體(基)綜合反應(yīng)，因而難以進(jìn)行具體情況的原因分析。正是由于上述原因，監(jiān)測(cè)手段和方法必須多樣化，即將各種監(jiān)測(cè)手段和方法［4］［5］結(jié)合起來，將定性和定量監(jiān)測(cè)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(cè)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(cè)量系統(tǒng)”——光纖測(cè)量系統(tǒng)即將面世，水科院、國電公司成都院等單位已對(duì)此作了大量的研究，也曾在三峽作過試驗(yàn)。該系統(tǒng)將光纖既作為傳感部件，又作為信號(hào)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(cè)走向立體和全方位。
目前，自動(dòng)化系統(tǒng)還存在費(fèi)用高、可靠性難以保證、監(jiān)測(cè)項(xiàng)目不全、安裝調(diào)試?yán)щy、實(shí)時(shí)化程度低等問題，筆者認(rèn)為一種費(fèi)用低、安裝調(diào)試簡單、易維護(hù)、可以進(jìn)行大范圍監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)性高的系統(tǒng)才是發(fā)展方向。同時(shí)，監(jiān)測(cè)方法、監(jiān)測(cè)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(cè)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(cè)資料交由專職單位去分析，這樣做要花費(fèi)大量的時(shí)間，不利于及時(shí)有效地掌握大壩性態(tài)和進(jìn)行最優(yōu)的運(yùn)行調(diào)度。同時(shí)，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(jì)模型)的基礎(chǔ)上，缺乏與具體大壩的聯(lián)系及與設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(穩(wěn)定、強(qiáng)度)的比較，也不利于監(jiān)測(cè)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(cè)資料(如庫水位、溫度、應(yīng)力、揚(yáng)壓力等)與設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(穩(wěn)定、強(qiáng)度)對(duì)照起來用于壩體強(qiáng)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(cè)自動(dòng)化水平多數(shù)還停留在部分監(jiān)測(cè)項(xiàng)目數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集上，難以滿足實(shí)際需要。事實(shí)上單憑監(jiān)控指標(biāo)來判別大壩安全是不完善的，因?yàn)槟壳暗谋O(jiān)控指標(biāo)主要依靠經(jīng)驗(yàn)和理論計(jì)算確定。前者人為因素大，后者由于計(jì)算理論、數(shù)學(xué)模型和邊界條件的假定，誤差也較大，實(shí)際應(yīng)用也值得商榷。如對(duì)于土石壩，當(dāng)上游庫水位驟降時(shí)測(cè)壓管水位不會(huì)超過監(jiān)控指標(biāo)，但此時(shí)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(duì)大壩結(jié)構(gòu)性態(tài)和安全狀況的全面檢查和評(píng)價(jià)，已得到廣大科技人員認(rèn)可，實(shí)踐證明是有效的。它就是根據(jù)設(shè)計(jì)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(duì)大壩安全進(jìn)行評(píng)價(jià)。因此，大壩安全評(píng)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(yàn)和監(jiān)測(cè)資料分析的有效方法結(jié)合起來，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)與大壩監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、閘門監(jiān)控系統(tǒng)、水庫自動(dòng)調(diào)度系統(tǒng)、水雨情測(cè)報(bào)系統(tǒng)的有機(jī)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(shí)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(cè)(工情監(jiān)測(cè))作為整個(gè)系統(tǒng)的一個(gè)部分，從而突出水庫運(yùn)行以效益為中心，大壩安全是約束條件的觀點(diǎn)。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(jī)損壞，而又不知近期洪水情況，如何在洪水到來時(shí)確保大壩安全?同時(shí)，運(yùn)行也會(huì)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(yùn)行方式有關(guān)；碧口大壩1995年也因泥沙淤積在較短的時(shí)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(jí)水庫調(diào)度情況及洪水預(yù)報(bào)、大壩安全監(jiān)測(cè)和本水庫運(yùn)行調(diào)度結(jié)合起來。
另一方面，目前自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集軟件均有巡測(cè)和選測(cè)功能，為適應(yīng)“無人值班，少人值守”的要求，設(shè)置自動(dòng)進(jìn)行巡測(cè)、在線診斷、自動(dòng)報(bào)警是對(duì)系統(tǒng)的必然要求。由于許多測(cè)值超差均由于自動(dòng)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(cè)值或其變化速率超過正常范圍時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)立即對(duì)該測(cè)點(diǎn)進(jìn)行多次重復(fù)測(cè)量或自動(dòng)加密測(cè)次，以方便系統(tǒng)維護(hù)和資料分析。
隨著信息化的推廣，大壩安全監(jiān)測(cè)應(yīng)主動(dòng)適應(yīng)時(shí)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(cè)信息網(wǎng)是時(shí)代的要求。
4結(jié)語
通過以上分析可知，大壩安全監(jiān)測(cè)實(shí)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(diǎn)：
(1)大壩安全監(jiān)測(cè)范圍空間上應(yīng)包括梯級(jí)水庫；時(shí)間上應(yīng)從設(shè)計(jì)開始。大壩安全監(jiān)測(cè)內(nèi)容應(yīng)包括與大壩安全有關(guān)的泄洪及機(jī)電設(shè)備；
(2)大壩安全監(jiān)測(cè)應(yīng)與氣象、水情、洪水預(yù)報(bào)及水庫調(diào)度結(jié)合起來，使之成為水庫運(yùn)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(cè)應(yīng)將大壩安全評(píng)估與設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計(jì)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(yàn)和方法，從而易于理解、掌握和應(yīng)用；
(4)大壩安全監(jiān)測(cè)應(yīng)充分利用科技進(jìn)步，走向即時(shí)化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化。
總之，大壩安全監(jiān)測(cè)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(yùn)行，實(shí)現(xiàn)效益的最大化。
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