（水利工程专业论文）堤防和大坝安全监测信息分析评价系统研究.pdf

原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：扬! 纽筮立 日 期：型丝：乞：涩 关于学位论文使用授权的声明 本人同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的印刷件 和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：亟：塑丕导师签名： 日期： ， 1 2 b 第二章我国堤坝安全监测技术现状7 2 1 概述7 2 2 堤坝监测技术现状调查7 2 3 小结2 9 第三章堤坝安全监测信息分析评价系统的体系结构3 1 第四章系统的数模建模原理4 3 第五章不同监测量的统计建模方法5 7 第六章堤坝监测数据分析系统结构设计与实现1 0 5 1 2 1 l 3 5 1 2 3 3 3 4 4 ，一 一 一法一 ： 一一 一方一 av 一 一 一现一一化一实一一能一的一一智征成一一与特集一 一成件件一 一集软组一 述统统统结概系系系小 1 2 3 4 5 3 3 3 3 3 3 3 4 5 4 4 5 5 t_卜一 一 一法一 ： 一 一方一 一一一 一 一归一一法回一一归步一一回逐一 述步限结概逐门小 1 2 3 4 4 4 4 4 7 7 o 6 8 0 6 1 4 5 5 7 7 8 9 9 0 o1l，上 一型型一型一一 一一模模一模一一一一 计计一计型一 一 一一统统一统模一型一一的的一位计一模一一点量，一水统一计一 一测测一管压型统一 一形观型压渗模的一 一变形模测坝计度一一坝变计坝堤统合一 一土坝统堤土量开一 述凝石力石凝流缝结概混土应土混渗裂小 1 2 3 4 5 6 7 8 9 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 7 9 o 5 o 0 0 0 1 1 一一求一一 一 一 一要一 一 一 n u 雨 呈 秀 一 一流一 一 一一发一一一 r r 了 一 一统一 一 一 一 一系一现 一一析一实一 一 一分一与 一 一息一理一一信一原一一型测计块一一模监设模一一构全构能一一结安结功一 述统坝统要结概系堤系主小 l 2 3 4 5 6 6 6 6 6 6 6 山东大学硕十学位论文 第七章系统应用测试1 1 7 7 1 概述1 1 7 7 2 用户认证1 1 7 7 3 图形管理模块1 1 7 7 4 特征值统计1 1 8 7 5 建模功能模块1 2 1 7 6 内观分析功能模块1 2 4 7 7 小结1 2 6 第八章结论1 2 7 参考文献1 2 8 致谢1 3 1 攻读学位期间发表的学术论文目录1 3 2 2 山东大学硕： 学位论文 摘要 本项目在对堤防和大坝安全监测数据分析系统需求分析的基础上，对系统实 现的原理、方式、方法等问题进行了研究分析，主要内容如下。 项目通过调研，弄明了目阿堤坝安全监测的常见项目、仪器设备以及基于监 测资料的分析需求，并在此基础上提出了堤坝安全监测信息分析评价系统的逻辑 模型。对建立实用、开放、易扩展的堤坝安全监测信息分析评价系统具有一定的 指导意义。 从软件的业务逻辑划分的角度，论述了采用b s 与c s 集成的混合式三层结 构，使系统在实用性、开放性和灵活性之间达到良好的平衡。 研究了基于组件技术的软件集成，实现了巨型复杂系统模块分解的合理性和 科学性。这种分解具有向下目标分解和向上功能集成的特点，各组件之间互相通 讯、合作，并按一定的方式组合，完成复杂诊断和分析评价任务。同时，给出的 组件的运行阶段装配机制，对功能扩充具有重要作用。较好地实现了系统的可重 构、可重用、可扩展的功能。 探讨了逐步回归模型的原理和编程实现步骤，在理论分析的基础上建立了逐 步回归模型的建模框图。借鉴门限自回归模型的门限思想，在常规回归模型中引 入门限因子和门限值，利用提出的最佳拟合相关分析法确定门限因子和门限值， 在此基础上提出了门限回归模型。 结合堤坝不同监测指标受外界作用反应的机理，探讨了不同情况下模型的适 用条件和建模方法，就变形、应力、应变、渗流等测量指标，建立了相应的监测 数据模型。 在堤坝安全监测信息分析系统软件需求分析的基础上，研究了该系统的程序 结构、开发流程，并在此基础上进行了结构设计，并利用可视化语言实现了上述 结构。 关键词：堤坝、监测信息、分析系统、逐步回归模型、多元门限回归模型 山东大学硕一f ：学位论文 a b s t r a c t t h ep r o j e c tb a s e do nt h ed a ms a f e t ym o n i t o r i n gd a t aa n a l y s i ss y s t e mr e q u i r e m e n t sa n a l y s i s ， t h ep r i n c i p l eo ft h es y s t e mi m p l e m e n t a t i o n ，w a y s ，m e t h o d ss u c hi s s u e sa sr e s e a r c ha n da n a l y s i s t h ef o l l o w i n gm a j o re l e m e n t s t h ep r o j e c tt h r o u g hr e s e a r c h ，g e tu n d e r s t a n d i n go ft h ec u r r e n td a m s a f e t ym o n i t o r i n go ft h e c o m m o ni t e m s ，i n s t r u m e n t sa n de q u i p m e n t ，a sw e l la sm o n i t o r i n gd a t ab a s e do nt h ea n a l y s i so f n e e d s ，a n do n t h i s b a s i s ，t h ei n f o r m a t i o np r e s e n t e da n a l y s i sa n de v a l u a t i o no fd a ms a f e t y m o n i t o r i n gs y s t e m ，t h el o g i c a lm o d e l t h ee s t a b l i s h m e n t o fp r a c t i c a l ，o p e na n ds c a l a b l e i n f o r m a t i o na n a l y s i sa n de v a l u a t i o no fd a m s a f e t ym o n i t o r i n gs y s t e mh a sac e r t a i ns i g n i f i c a n c e d i v i s i o no ft h eb u s i n e s sl o g i cf r o mt h es o f t w a r ep o i n to fv i e w , d i s c u s s e st h eu s eo fb sa n d c sh y b r i di n t e g r a t e dt h r e e - t i e rs t r u c t u r e ，s ot h a tt h es y s t e ma v a i l a b i l i t y , o p e n n e s sa n df l e x i b i l i t y t oa c h i e v eag o o db a l a n c eb e t w e e n s t u d yt h ec o m p o n e n t b a s e ds o f t w a r ei n t e g r a t i o nt e c h n o l o g yt oa c h i e v et h ed e c o m p o s i t i o no f l a r g ec o m p l e xs y s t e m s ，m o d u l e sa n dr e a s o n a b l ea n ds c i e n t i f i c t h i sd e c o m p o s i t i o nh a s a d o w n w a r da n du p w a r dt a r g e td e c o m p o s i t i o no ft h ec h a r a c t e r i s t i c so f f u n c t i o n a li n t e g r a t i o n ，a m o n g t h ev a r i o u s c o m p o n e n t so fc o m m u n i c a t i o n ，c o o p e r a t i o n ，a c c o r d i n gt o t h ew a yac e r t a i n c o m b i n a t i o no fd i a g n o s i sa n da n a l y s i sa n de v a l u a t i o no fc o m p l e xt a s k s a tt h es a m et i m e ，g i v e n t h eo p e r a t i o n a lp h a s eo ft h ec o m p o n e n ta s s e m b l ym e c h a n i s m ，p l a y sa n i m p o r t a n tr o l ef o r f u n c t i o n a le x p a n s i o n a c h i e v eb e t t e rs y s t e mr e c o n f i g u r a b l e ，r e u s a b l ea n ds c a l a b l ef u n c t i o n a l i t y t h es t e p w i s er e g r e s s i o nm o d e lt oe x p l o r et h ep r i n c i p l e sa n dp r o g r a m m i n gs t e p s ，t h e t h e o r e t i c a la n a l y s i sb a s e do nas t e p w i s er e g r e s s i o nm o d e l i n gd i a g r a m r e f e r e n c et h r e s h o l d t h r e s h o l da u t o r e g r e s s i v em o d e lo ft h o u g h t ，i nt h ec o n v e n t i o n a lr e g r e s s i o nm o d e li n t r o d u c e di nt h e t h r e s h o l df a c t o ra n dt h et h r e s h o l d ，m a k i n gu s eo ft h eb e s tf i n i n gc o r r e l a t i o na n a l y s i sm e t h o dt o d e t e r m i n et h et h r e s h o l df a c t o ra n dt h et h r e s h o l d ，i nt h i sb a s e do nt h e p r o p o s e dt h r e s h o l d r e g r e s s i o nm o d e l c o m b i n a t i o no fd i f f e r e n ti n d i c a t o r sf o rm o n i t o r i n gt h ed a mb yt h ee x t e r n a lr o l eo ft h e r e a c t i o nm e c h a n i s mo ft h ed i f f e r e n tm o d e l su n d e rt h ea p p l i c a b l ec o n d i t i o n sa n dm o d e l i n gm e t h o d s ， o nt h ed e f o r m a t i o n ，s t r e s s ，s t r a i n ，s e e p a g ea n do t h e rm e a s u r et oe s t a b l i s ht h ec o r r e s p o n d i n g m o n i t o r i n gd a t am o d e l i n f o r m a t i o na n a l y s i si nd a ms a f e t ym o n i t o r i n gs y s t e ms o f t w a r er e q u i r e m e n ta n a l y s i s ，b a s e d o nt h es t u d yo ft h es y s t e m ，p r o g r a ms t r u c t u r e ，d e v e l o p m e n tp r o c e s s ，a n do nt h i sb a s i st h e s t r u c t u r a ld e s i g n ，a n du s ev i s u a ll a n g u a g et oi m p l e m e n tt h ea b o v e - m e n t i o n e ds t r u c t u r e k e y w o r d s ：d a m ；m o n i t o r i n gi n f o r m a t i o n ；a n a l y s i ss y s t e m ；t h es t e p w i s er e g r e s s i o nm o d e l ； m u l t i - t h r e s h o l dr e g r e s s i o nm o d e l 2 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究的目的和意义 随着我国社会经济的发展，水利工程等基础设施建设发展迅速。据统计，截 止目前，我国已有各类堤防工程2 8 3 8 力k m ，已建成各类水库大坝8 51 0 8 座， 水库总库容56 2 4 1 0 8 3 m ，其中，大型水库4 7 0 座，总库容41 9 7 x1 0 8 m 3 。这 些堤坝在防洪、发电、供水、灌溉、航运、水产养殖、改善生态环境以及文化娱 乐等方面发挥了重大作用，社会、经济效益显著，成为我国防汛、抗旱保安工程 和国民经济发展基础设施的重要组成部分，尤其对当前建设社会主义新农村、构 建和谐社会发挥着不可替代的重要作用。然而，相当一部分堤坝已运行3 0 年以 上，坝体材料逐渐老化；有些大坝出现了危及其安全的裂缝和病变；有些堤坝的 基础地质条件复杂，导致堤坝安全度偏低；有些堤坝的防洪标准偏低等。这些不 安全因素不同程度地影响工程效益的发挥，甚至威胁着下游千百万人民的生命财 产安全。 通常，堤坝建造在复杂的水文地质和工程地质环境中，运行中的大坝不但承 受着巨大的水压力和温度荷载，甚至还会受到地震衙载的冲击，运行条件十分复 杂。随着时间的推移、坝龄的增长，堤坝运行的各种条件( 结构、基础、环境) 均发生变化，再加之堤坝的设计计算参数、计算模型等还难以精确模拟，或者受 历史原因和环境及人为因素的影响，使得堤坝在一定程度上存在着设计不周、施 工不良或管理不当等现象，导致了安全度和防洪标准偏低及材料显著老化、基础 渗漏、坝体结构性状衰减甚至恶化等影响大坝安全的问题。这些缺陷或隐患若不 能及时发现和消除，则可能引发事故甚至造成渍堤或溃坝。截止1 9 8 0 年的统计， 我国总溃坝率高达3 左右，其中大型水库有2 座失事，其溃坝率达o 6 ，而中 小型溃坝较多，约在4 左右，我国水库大坝的座数及溃坝率都居世界前列。近 年来大坝的安全已大有改进，国内外溃坝率已从本世纪初的高峰降至目前的 0 2 左右或稍低，但目前大坝的安全状况还有待进一步改善。因此除了进一步完 善大坝的设计和施工外，做好大坝安全管理和安全监测工作至关重要。 为监测堤坝的安全，常在堤坝内布置有变形、渗流及应力应变等多类监测仪 器，测点数多达成千上万个，因此，对监测数据的采集、处理和分析的工作量很 山东人学硕上学位论文 大。但由于受多种条件限制，工程管理单位的技术人员很难对采集的数据进行及 时处理分析，不能及时发现隐患，从而延误了时机，造成不必要的损失；尤其是 汛期需要及时了解大坝安全运行状况，这种矛盾显得尤为突出。因此，为使工程 建筑物能得到实时监控，除需布置一套自动化监测设备外，还需要研制一套健康 实时诊断的计算机软件系统，以使监测数据得到及时的分析处理，并实时评判工 程建筑物的安全状态。 随着现代通信、网络、计算机技术和人工智能的发展，为上述问题的解决提 供了一种方法，即建立基于网络的大坝远程健康诊断系统。利用这些先进技术建 立起的大坝远程健康诊断系统对大坝健康进行实时的评价和远程诊断，可以充分 利用现有的资源和条件，实现监测设备和数据资料的共享，从而更加及时、准确、 有效的评判堤坝的安全状况，并能够充分利用异地专家的知识和经验对大坝安全 状况和异常险情做出客观、专业的评价，实现“移动的是数据而不是人”，从 而改变一旦大坝发生险情，使专家或诊断人员疲于应付的被动局面，做到大坝一 边运行，一边就能监测、诊断，提高堤坝安全管理水平，推进大坝安全管理的现 代化和信息化。 对堤坝等水工建筑物进行安全监测及信息处理，是监控堤坝安全运行的重要 手段。运用现代先进的计算机软硬件技术实时采集监测数据，为快速诊断和分析 大坝安全状况提供了良好的基础。然而，由于资金、技术等各种原因的影响，目 前除少数大中型大坝和部分堤段( 含穿堤涵闸) 已建立了完善的安全监控和分析 系统之外，多数堤坝仪建立了监测系统，这样的监测系统仅仅是一种数据采集系 统，没有信息分析能力，无法根据监测数据及时判别堤坝处于何种工作状态，也 无法对未来发展趋势作出合理预测，对堤坝是否存在异常无法作出判断。因此， 利用堤坝安全监控理论，建立一套堤坝监测资料分析系统，对及时发现堤坝隐患 并及时采取有效措施，确保堤坝安全运行具有重要的理论意义和实用价值。 1 2 研究现状及问题的提出 1 2 1 堤坝监控系统的研究现状 由于i n t e r n e t 技术在全世界的迅猛发展和普及，计算机网络已广泛运用于医 疗、教学方面，己实现网上的远程医疗和远程教学。在开发堤坝安全监测系统方 面，工业发达国家特别是法国、意大利充分利用现代信息技术建立了较为完善的 2 山东大学硕一卜学位论文 堤坝安全监控系统，其开发的监控信息系统在国际上有一定的影响力。同时堤坝 安全分析评价和日常管理也越来越借助计算机网络来实现，通过监控中心的推理 诊断系统可在网上对各堤坝进行分析评价和异常诊断，并提出决策方案。 ( 1 ) 国外情况 自7 0 年代以来，意大利开发的堤坝安全监测系统田1 在国际上一直处于领先地 位。他们开发的主要监测系统有m a m s 、m i d a s 、i n d a c o 、m i s t r a l 、d a m s a f e 印吖制 等。 在2 0 世纪8 0 年代初，意大利开发了著名的混凝土坝微机辅助监测系统m a m s ， 实现了数据自动采集和在线监控。它利用意大利结构和模型研究所( i s m e s ) 开 发的m i d a s 安全信息管理软件进行管理。m i d a s 是一个管理和处理监测数据的系 统，系统有1 4 个模块和8 个配套的辅助程序，由f o r t r a n 语言编写，可实现大容量 监测数据的实时存储、更新、恢复和图形显示，还能建立统计回归模型、确定性 模型和混合模型，并进行简单的对比分析，可被多用户同时使用。在上世纪9 0 年代，意大利又相继开发了i n d a c o 、m i s t r a l 、d a m s a f e 等系统。 i n d a c o 是一个模块化的自动化采集系统，可进行观测数据采集( 包括采集数 据、在线检验和超限报警) 、绘制过程线、数据记录存贮、数据通信( 标准电话线、 广域网、无线通信、卫星等) 、监测网的远程操作和维护等，数据采集通道数量 可达l 力个，采用i b m 或兼容的3 8 6 、4 8 6 级微机，操作系统用m s d o s 或i b m 一0 s 2 。 m i s t r a l 是一个应用于结构自动化监测( 专门处理自动化监测超界值) 的专 家系统，可提供大坝性态的在线解释，以减少对专家干预的需要。它是软件 d a m s a f e 家族的一员，采用产生式专家系统的开发模式，在m s w i n d o w s 平台上运 行。m i s t r a l 与堤坝的数据采集系统相连接进行实时操作，它对观测数据作检验 并建立结构的解释模型，然后对堤坝的性态做出评价及过滤警报，它在屏幕上以 图像表示评价结果及报警信号，用颜色表示对象的状态。在m i s t r a l 中有通信模 块、评价模块、解释模块、数据库管理模块、人机界面等。 d a m s a f e 是一个对结构进行安全管理的决策支持系统。它将人工智能技术应 用于堤坝安全管理中并与国际互联网络i n t e r n e t f h 连接，可使多个专家通过共享 他们的知识和共享分布于计算机网络上的不同种类数据资源来实现对大坝安全 协调管理。d a m s a f e 包括可提供数据库数据的信息层，基于i n t e r n e t 技术的综合 层，用于管理、解释和显示数据的工具层。d a m s a f e 提供了一个平台，用户通过 3 山东大学硕士学位论文 这个平台可以访问不同数据库的资源，检索设计报告、图纸、照片、监测及试验 数据以及专家对坝的评价等资料。d a m s a f e 设置必要的对象并与计算机地区网或 i n t e r n e t 网上的数据库或程序相连接。d a m s a f e 可用专家系统来处理数据，它和 一些不同种类的信息系统也设有连接的接口，这些系统有m i d a s ( 提供观测数据、 数学模型) 、k a l ( 提供物理试验数据) 、d a m s ( 提供意大利各大坝基本数据) 、 i s m e s ( 提供技术报告) 等。d a m s a f e 要求一台具有公共w e b 浏览器的微机或工作站 来供用户访问。 法国电力公司早期开发的堤坝监测处理系统管理着1 5 0 多个堤坝的实测数 据。该系统对监测数据进行检查时采用m d v 模型方法，将统计模型的剩余量和效 应量合并在一起重新构造一个一元线性模型，可直接对监测量的趋势性变化速率 进行估计。该系统以发现结构性异常为主要目的，是一个较大型的堤坝安全监控 系统。 可见，目前国外堤坝安全监控系统正在借助计算机网络及现代通信手段，通 过建立区域性或全国性的堤坝群安全监控中心，实现数据的远程传输、远程分析 评价、远程会诊反馈和远程决策，以及提供网上查询及报表发布等，对堤坝实现 集中统一和高效的管理。 ( 2 ) 国内情况 由于种种历史原因，我国的安全监控信息系统的开发研制较晚。在上世纪8 0 年代和9 0 年代初期，我国的安全监测数据分析处理主要采用离线分析，即对长期 观测所得的监测资料应用回归分析法进行定量分析。 南京电力自动化研究院在国家“七五”科技攻关中开发研制了d s i m s 大坝安 全信息管理系统。该系统在d o s 环境下运行，采用当时最高效的系统软件和语言 开发分析软件，应用软件工程开发方法，集数据管理、在线监控、离线分析于一 体，为水电站的大坝安全管理提供了强有力的工具。进入9 0 年代以后，随着计算 机硬件技术以及网络通信技术的高速发展，功能强大，晃面丰富的w i n d o w s 操作 系统取代了8 0 年代界面单调，功能简单的d o s 系统。各科研单位和工程单位合作 开发出了基于w i n d o w s 环境下的大坝安全监控信息系统。如南京自动化研究院研 制开发了d a m s 大坝自动监测系统和d s i m s 大坝安全管理信息系统，南京水文自动 化研究院开发了d g 大坝自动监测系统，这些系统实现了观测数据的自动化采集和 管理等一些功能，但缺乏在线分析、实时监控和综合评价等功能。近年来，一些 4 山东大学硕士学位论文 科研院所开始开发具有综合评价和辅助决策功能的大坝安全监控专家系统。目 前，国内的大坝安全监控系统已由单机系统发展n c s 结构的局域网监控系统， 在一机四库( 推理机、数据库、知识库、方法库和图库) 基础上建立的大坝安全 综合评价专家系统，应用模糊识别和模糊评判，通过综合推理机，对四库进行调 用，将定量分析和定性分析结合起来，实现了对大坝安全状态的在线实时分析和 综合评价。如河海大学和原福建省电力局合作开发的“福建省水电站大坝安全决 策支持系统”，北京水利科学研究院与黄河水利委员会合作丌发的“小浪底水利 枢纽工程安全监测系统”，成都勘测设计院、河海大学和中国科技大学联合开发 的“二滩拱坝在线监控系统”等。在这些系统中计算机网络通信技术和人工智能 技术引入了大坝监测数据处理和分析评价中，取得了良好的应用效果。 1 2 2 问题的提出 对国内外堤坝安全监测技术的分析表明，虽然近几年来，一些科研院所开始 开发具有综合评价和辅助决策功能的安全监控专家系统，将人工智能技术引入堤 坝监测数据的处理和分析评价，取得了良好的效果。但这些分析系统都具有明显 的定制色彩，且系统复杂，移植性和通用性不佳。从目前实际需求来看，大量的 中小型大坝管理单位和具有定检资格的设计院( 所) 需要的是一款界面友好、操 作方便、具有数据建模分析评价以及测点监控指标拟定与测值预报能力的资料分 析系统。此外，根据我国大坝安全管理规范，各类大坝经过1 0 - 2 0 年均需按时定 检，但目f j i 各级定检机构，特别是中小型定检单位缺乏专用的资料分析系统，一 般只是采用e x c e l 等常规数据处理手段进行多项式建模分析，成果水平不高，影 响了大坝定检水平和成果。因此，该系统的研制在堤坝定检安全评价方面也具有 重要的推广使用价值。通过本项目的实施，经过创新研究，期望能丌发一款比较 通用的堤坝监测资料建模分析和评价软件。 1 3 项目研究的主要内容 ( 1 ) 调研当前堤坝监控系统的检测项目、仪器类型和测试原理，了解目前大坝 监测资料的读取、存储方式和格式，收集整理各类原始监测数据资料。在调研基 础上对堤坝运行管理单位、大坝定检资料分析评价单位的需求进行总结，归纳出 堤坝监测资料分析系统的一般需求，以使丌发的系统可以满足大部分用户的需 求。 5 山东大学顾七学位论文 ( 2 ) 在系统需求分析的基础上，利用堤坝安全监控理论建立系统开发框架，制 定系统开发流程；根据需求分析，确定测点监控模型建立方式以及系统主要功能， 制定堤坝安全监测资料分析评价系统丌发设计方案。 ( 3 ) 根据系统功能划分、系统丌发方案和操作控制界面可视化设计的要求，对 系统主要功能逐步分解，构建系统功能开发模块，利用高级系统语言进行模块代 码丌发和调试，并完成设计文档。 ( 4 ) 进行总体界面设计、将各功能模块进行集成调试。最后根据收集的大坝监 测实测资料，从用户需求角度，测试系统功能，发现程序开发设计过程中出现的 错误和疏漏，提高系统产品质量。 6 山东大学硕士学位论文 2 1 概述 第二章我国堤坝安全监测技术现状 我国目前有各种大坝8 50 0 0 多座，各类堤防2 8 3 8 1 0 4 k m 。近年来，随着工 农业、经济、人口的发展，水库下游和堤防外围地区的水患风险也越来越大。在 此基础上不少大坝以及部分重点堤段逐步安装上了各种监测设备，开始对堤坝进 行现场连续观测。本章将通过对部分堤坝调研情况的分析，弄清这些监测量的主 要监测手段和仪器设备。 2 2 堤坝监测技术现状调查 2 2 1 池潭拦河大坝 2 2 1 1 工程简介 池潭拦河大坝| l 2 位于泰宁县池潭村上游3 k m 的峡谷中。坝址以上集雨面积 4 7 6 6 k m 2 ，流域内雨量充沛，多年平均降雨量1 7 9 3 m m ，水库最大库容8 5 4 亿 m 3 。电站枢纽由拦河大坝、坝后溢流式厂房、埋设于坝内的输水系统、泄水底 孔及过木筏等组成。工程以发电为主，兼顾防洪、航运和养鱼等效益。枢纽布置 见图2 2 1 。 图2 - 2 1 水库枢纽平面布置图 拦河大坝为混凝土重力坝，二级永久建筑物，坝顶高程2 8 0 m ，最大坝高7 8 m ， 7 山东人学硕_ 上学位论文 坝顶全长2 5 3 m ，共分1 3 个坝段，从左往右编号为2 1 4 # 。其中河床中部6 l l j f j 坝段设有6 孔溢洪道，每孔净宽1 3 m ，闸墩厚7 m ，以弧形门控制，堰顶高程 2 6 1 m ；5 孔中，左岸3 孔为厂顶堰流，右岸2 孔为坝体鼻坎挑流。在1 3 群1 4 # 坝段布置过木筏道，1 0 # 坝段布置有泄水孔。河床4 个溢流坝段为宽缝重力坝， 其余档水坝段为实体重力坝，见图2 2 2 。横缝间距，溢流段一般为2 0 m ，挡水 段一般1 8 m 。坝体最大底宽6 2 m ，顶宽6 m 。坝体设有一条纵缝，其中：引水坝 段为斜缝，其余坝段为直缝。坝内2 0 8 5 m 高程设有灌浆廊道，并在其下游沿基 岩面没有基础排水廊道。电站水库为不完全年调节水库，溢流次数多。水库正 常水位2 7 5 o m ，设计洪水位( p = i ) 为2 7 5 6 m ，校核洪水位( p = o 1 ) 为2 7 8 3 m ， 死水位2 4 5 o m 。 图2 - 2 2 大坝下游立视图 2 2 1 2 监测概况 为了了解池潭大坝的运行工作性态，监测大坝的安全状况，大坝布置了视准 线等人工监测系统，2 0 0 0 年对大坝的安全监测系统进行更新改造，增加了自动 化监测。相关布置情况如下： ( 1 ) 上下游水位的监测 在6 坝上游面和厂房尾水平台右侧设有上、下游自动水位计，并设有上下游 水位监测标尺。 ( 2 ) 温度监测 气温用当地气象站的测值。水温计布置在上游面，从v2 2 5 7 m v2 7 0 o m 布 设有1 6 支水温计，监测上游水温。 度、坝顶和坝基垂直位移等。 ，共1 2 个测点，其对应的测点 编号分别是a 0 2 - - a 1 3 。1 9 8 3 年开始起测，每月监测一次。 引张线 池潭大坝在3 j f j 6 1 2 # 坝段坝顶各布置一个引张线测点，共1 0 个测点。分别进 行人工监测和自动化监测。人工监测基本上每月监测4 次，自动化监测是每天监 测1 次。 正、倒垂线 在9 群和1 3 # 坝段分别布置一条正垂线，均采用了人工和自动化两种方法进行 监测。在2 # 坝段布置了一条双向的倒垂线，在9 撑坝段与1 3 # 坝段各布置一条三 向倒垂线，进行人工和自动化监测。人工监测周期基本上是每月4 次，自动化监 测是每天监测1 次。 几何水准 池潭大坝从左至右沿2 静1 4 # 坝顶布置了1 3 个几何水准监测点，其对应编号 为c 2 c 1 4 ，采用人工监测方式，基本上每月监测1 次。 双会属标 2 撑坝段布置有2 个双金属标测点，测点编号分别为s g l _ l 和s g l 2 ，采用自 动化方式监测，每日监测一次。 静力水准 静力水准沿2 拌1 4 群坝段坝顶共布置1 3 个测点，采用自动化方式进行监测， 对应编号为g l l 一g l l 3 ，每同监测一次。 ( 4 ) 内部监测 池潭大坝布置有温度计、应变计、无应力计和钢筋计等内部监测项目，分别 监测坝体温度、混凝土应力和钢筋应力变化情况。各坝段的内部监测布置见图 2 2 2 。 裂缝监测 9 山东大学硕：i ：学位论文 纵缝开度监测系统由1 9 支测缝计组成：6 j f j 及9 群坝段分别有3 支和5 支；7 j f | 、 8 撑坝段各有3 支；1 0 # 坝段有2 支；1 1 j f i 坝段有1 支；1 2 # 坝段有2 支。2 0 0 0 年后， 纵缝开度监测系统进行了自动化改造，人工监测停止，而保留了部分工作正常的 测点继续对纵缝丌度进行自动化监测。 坝体应力监测 在6 群坝段布置了1 支钢筋计，9 撑坝段布置了3 支钢筋计束监测坝体的应力情 况，编号为s 6 1 、s 9 1 、s 9 2 和s 9 3 ，但1 9 9 9 年后进行的自动化改造剔除了工 作异常的s 6 1 、s 9 1 和s 9 3 ，只保留s 9 。2 一个测点。 坝体应变监测 为了了解坝体内部的应变情况，在6 坝段布置了1 支三向应变计和1 支单向 应变计及1 支无应力计，9 j f i 坝段布置了1 4 支无应力计及相应的应变计。大坝1 9 9 9 年后的自动化改造剔除了异常的测点，保留了正常的测点。 混凝土温度监测 为了解大坝内部的温度场的情况，在6 j f j 1 2 # 坝段内埋设了1 0 0 多支温度计。 1 9 9 9 年以后，温度计进行了自动化改造，去掉了工作异常的测点，而保留了部 分工作可靠的测点。其中，1 2 # 坝段作为坝体温度的永久监测坝段在其中埋设了 5 4 支温度计，后经自动化改造共有5 2 支温度计在正常的工作。 ( 5 ) 渗流监测 池潭大坝渗流监测，主要包括坝基面扬压力及坝基渗漏量等的监测项目，测 点布置详见图2 2 3 及图2 2 - 4 。 坝基扬压力监测 坝基扬压力测点布置在3 群1 3 桴坝段的基础灌浆廊道，每坝段一个测孔，测 点编号u p 0 3 , - - 一u p l 3 。此外，在6 “坝段基础横向廊道设三个测孔，测点编号为 u p 0 6 2 - u p 0 6 4 ，9 岸坝段基础横向廊道设四个测孔，测点编号为u p 0 9 2 u p 0 9 5 。 渗漏量监测 渗漏量用量筒法测量，从1 9 9 9 年开始监测，共有排水孔3 2 个，分别布置在 1 0 # 坝段。坝基总渗漏量测点布置在8 撑坝段，共设有1 个测点，编号为w e ， 用三角堰进行坝基总渗漏量的监测。 l o 匝喇梧磊唧爆璐，r田辗醐野 山由匝 国吕 i d - 4 1 - o 冬 寸 o 墓 + o 卜 一 n 弋 台 昙 气r j 、 台 j ， 目 j ： o 9 + o ， 下 罗 固| l d 日譬 占盖 、 自 il 昌自j、j 舀 正 - - i 1 、v 。1 。 - 6 0 0 8 +口 il一f l 0 宝8 + 0 l 葛l扩 苫i 言i 苔i o 卜v - 卜 卜l 鲁 议 i 黛 o 。0t + 0 1 ii g 孽 孙 、 i - 自 匿威 叩vri 孙 0 。e z i + o i 西 岔枣 曼二 ：二。+ 图2 - 2 5 南水大坝枢纽平面及变形观测点布置图 1 4 ( 2 ) 渗流观测系统 绕坝渗流观测 图2 - 2 6 渗流观测点布置图 山东大学硕士学位论文 布置在大坝两岸坝头下游，左岸2 孔，右岸3 孔，合计共5 测 1 9 7 5 年前采用矩形堰，1 9 8 4 年后采用直角三角堰观测，坝 目前只有坝后l 挣量水堰在观测，其余均已停测。 2 2 3 龙羊峡水库大坝 2 2 3 1 工程简介 龙羊峡水库f 4 5 具有多年调节性能。该水库的任务是以发电为主，兼顾防洪、 灌溉等综合利用效益。枢纽由主坝、两岸重力墩、两岸重力副坝、混凝土重力拱 坝、泄水建筑物、引水建筑物和水电站厂房等组成，见图2 2 7 。挡水前沿总长 度1 2 2 6 m ，其中主坝3 9 6m ，最大坝高1 7 8m ，最大底宽8 0m ，建基标高2 4 3 2 0 m ，坝顶高程2 6 1 0m 。水库校核洪水位2 6 0 7m ，坝前正常高水位2 6 0 0m ，汛期 限制水位2 5 9 4m ，死水位2 5 6 0m ，极限死水位2 5 3 0m 。正常高水位下库容2 4 7 1 0 8 m 3 ，有效库容1 9 3 5 1 0 8 m 3 。电站装机1 2 8 1 0 4 k w ，保证出力5 8 9 8 1 c k w ， 年发电量5 9 4 2 1 0 8 k w h ，系陕甘青宁电力系统的主力电站。 龙羊峡水电站予1 9 7 9 年1 2 月截流，1 9 8 2 年6 月河床混凝土丌始浇筑，1 9 8 6 年1 0 月15r 下闸蓄水，1 9 8 7 年9 月2 9 同第一台机组正式并网发电，1 2 月2 日第二台机组投入运行，1 9 8 9 年6 月4r 第4 台机组发电。 图2 - 2 7 龙羊峡水电站布置总平面图 1 5 山东大学硕士学位论文 2 2 3 2 监测概况 龙羊峡工程坝高库大，其运行安全直接关系到下游人民生命财产及其重要设 施的安危。龙羊峡工程的安全监测系统由大坝、泄水建筑物及其下游防护工程和 厂房等水工建筑物的工况监测，坝肩工况监测，坝肩山体水文地质情况观测，近 坝岸滑坡涌浪监测，水库诱发地震监测以及重大新构造断裂监测等组成。观测项 目和仪器设备按其主要任务可分为：监测安全运行；掌握施工期、蓄水期和运行 期工况；防范报警和预报；检查设计与施工的正确性；为科学研究提供资料等五 类，共4 0 0 0 点件( 其中大坝2 0 0 0 点件，泄水建筑物及其下游防护工程1 0 0 0 点 件，近坝库岸滑坡涌浪1 5 0 点件，主副厂房6 0 0 点件，水库诱发地震监测1 0 0 点件) 。以外部观测为主，结合内部观测。 ( 1 ) 水位观测 采用自记水位计，每天观测一次。 ( 2 ) 温度观测 在4 j f j 、5 样、6 群、9 群、13 # 、15 # 坝段等部位的坝体混凝土和皋岩内埋有温度 计，每月观测一次。 ( 3 ) 外部变形观测 共设3 9 4 点( 设计为5 8 3 个点) ，主要项目的测点命置可归纳为以下几种： 坝体平面变形 1 ) 垂线 主要用于监测主坝、重力墩以及f 2 1 5 断层的变形。包括主坝4 拌、9 撑、1 3 # 坝段，左重2 挣、右重2 j f j 重力墩，左、右岸顺河向排水廊道的i p 9 、i p l 0 以及通 过f 2 1 5 的i p l l 等八条垂线观测。 2 ) 激光导线 在主坝2 4 6 3 m 、2 5 3 0 m 层廊道内布置激光导线，主要用于测量这二层的弦长 变化。此外，在坝内2 4 6 3 m 、2 5 3 0 m 、2 6 0 0 m 高程的纵向廊道内布置有精密导 线，用于观测各点水平位移。另外，在两岸坝肩和拱布置有遥测倾斜仪。 岩体平面变形观测 1 ) 谷幅测量 在拱坝上、下游共设置三条测线，由于施工中破坏一条，现存上、下游各一 条测线，采用m e 3 0 0 0 测距仪。 1 6 山东大学硕士学位论文 2 ) 平面变形控制网 布置在坝址下游，主要观测两岸山体以及主要断层的变形，测点有七个( 野 花岗、河湾、饯线崔、东山嘴、虎丘山、望江亭、偿坝亭等) ，用t 3 经纬仪观 测，精度为l m m ，观测布置见图2 2 8 。 图2 - 2 8 龙羊峡水电站平面变形观测系统布置图 3 ) 岩体倾斜观测 在两岸纵、横排水廊道内( 隧洞) ，在较大断裂带顺河向及垂直方向布置有 水管式倾斜仪。在岸体垂线观测点上安装单点式遥测倾斜仪。 垂直位移沉陷观测 1 ) 坝体沉陷观测 在2 4 6 3 、2 4 9 7 、2 5 3 0 、2 6 0 0 m 三个高程布置精密水准测点；并于2 4 6 3 m 高 程的纵向廊道内设一条长4 6 0 m 的连通管静水准系统，精度为0 3 m m 。 2 ) 库岸沉陷观测 左岸水库库岸i i 等水准测量，监测左岸库岸变形。 3 ) 精密水准网 由三个水准基点，3 个工作基点，全长1 2 k m 。与下游地形的水准网及近坝 库岸精密水准支线相联系，用于测定大坝等建筑物的绝对垂直位移，精度为 1 m m 。 1 7 山东大学硕士学位论文 ( 4 ) 渗流观测 坝基和坝肩测压孔水位观测 在右副1 、右重l j !