大坝安全监控理论与应用：4内容综述

水工建筑物安全监控理论及其应用——水工建筑物安全监控理论及其应用——内容综述大坝安全监测资料主要有通过仪器采集到的大坝监测效应量和环境量资料，以及通过人工巡视检查观察到的资料，分析一般有以下几项内容：1揭示并认识大坝效应量的变化规律分析大坝各效应监测量随时间变化的规律；分析它们在空间的分布；分析环境监测量的变化规律来了解各种外界环境因素以及内部因素对各效应量的影响和程度、主次关系。

水工建筑物安全监测与分析内容——水工建筑物安全监控理论及其应用——2.分析判断大坝结构性态存在的问题

根据大坝各类监测效应量随时间的变化过程，以及沿空间的分布规律，联系相应的环境量变化过程和坝基、坝体结构条件因素进行考查，分析效应量的变化过程是否符合正常变化规律以及相应的量值是否在正常的变化范围内，相应的效应量分布规律是否与坝体的结构状况相对应。如有异常，即分析原因，找出问题。水工建筑物安全监测与分析内容——水工建筑物安全监控理论及其应用——3.预测结构性态变化发展

根据所掌握的大坝效应量变化规律，预测未来时段内在一定的环境条件下效应量的变化范围；并且对于有异常变化的效应量可估计其发展变化的趋势、变化速率，以便预计相应的后果。

水工建筑物安全监测与分析内容——水工建筑物安全监控理论及其应用——4.对大坝安全状况做出判断

根据监测资料分析得出的大坝过去和现在实际结构性态状况，对大坝的安全情况进行判断，由此可对今后可能出现的最不利环境影响因素组合条件下的大坝安全做出预先判断。水工建筑物安全监测与分析内容——水工建筑物安全监控理论及其应用——1.观测数据和检查资料确实可靠2.计算和分析方法科学合理3.分析和反馈及时4.反映全面5.突出重点6.技术先进7.人机结合8.作好组织管理水工建筑物安全监测与分析要求组织好各层次间数据、信息和分析成果的流动，建立科学的工作秩序。有计划有步骤地进行各时期的分析工作，通过分期实施、逐步完善，建立健全监测分析系统，实现施工期、蓄水期和运行期全过程的监测分析任务。——水工建筑物安全监控理论及其应用——水工建筑物安全监控理论和方法包括以下几个方面：正分析理论和方法（1）定性时空分析；（2）定量数学模型分析反分析理论和方法（1）模型、参数、不利工况反分析（2）运行工况优化反分析（3）监控指标反分析综合评价理论和方法专家系统——水工建筑物安全监控理论及其应用——1比较法、作图法、特征值统计法2分析了解各监测物理量的大小、变化规律、趋势及效应量与原因量之间（或几个效应量之间）的关系和相关的程度。3

解释监测量的变化规律，判断变化和趋势是否正常、是否满足设计等技术要求。有异常时，解析异常成因机理。评估大坝工作状态，预报将来的变化。定性分析方法定性分析主要对监测资料进行特征值分析和有关对照比较，考察测值的变化过程和分布情况，从而对其的变化规律以及相应的影响因素有一个定性的认识，并对其是否异常有一个初步判断。

常用方法有：——水工建筑物安全监控理论及其应用——比较法（1）监测值与监控指标相比较

监控指标是指在某种工作条件下（如基本荷载组合）的变形量、渗漏量及扬压力等设计值，或有足够的监测资料时经分析求得的允许值（允许范围）。在蓄水初期可用设计值作监控指标，根据监控指标可判定监测物理量是否异常。（2）监测物理量的相互对比

将相同部位（或相同条件）的监测量作相互对比，以查明各自的变化量的大小、变化规律和趋势是否具有一致性和合理性。（3）监测成果与理论的或试验的成果（或曲线）相对照

比较其规律是否具有一致性和合理性。定性分析方法——水工建筑物安全监控理论及其应用——

作图法

画出相应的过程线图、相关图、分布图以及综合过程线图（如将上游水位、气温、监控指标以及同坝段的扬压力和渗漏量等画在同一张大图上）等。由图可直观地了解和分析观测值的变化大小和其规律，影响观测值的荷载因素和其对观测值的影响程度，观测值有无异常。由过程线图可以分析趋势、变化速率等。特征值统计法

包括各物理量历年的最大值和最小值（包括出现时间）、变幅、周期、年平均值及年变化趋势等。通过特征值的统计分析，可以看出监测物理量之间在数量变化方面是否具有一致性和合理性。包括空间上和时间上。定性分析方法——水工建筑物安全监控理论及其应用——数学模型法

用数学模型法建立效应量（如位移、扬压力等）与原因量（如库水位、气温等）之间的关系是监测资料定量分析的主要手段。它分为统计模型、确定性模型及混合模型。运行期的数学模型中包括水位分量、温度分量和时效分量三个部分。时效分量的变化形态是评价效应量正常与否的重要依据。定量数学模型分析——水工建筑物安全监控理论及其应用——大坝原型反分析：

材料参数反分析、监控指标反分析、运行工况分反析、仿真计算模型反分析，设计和施工反馈。反分析方法大坝安全综合评价专家系统

集成实测资料及其正反分析成果、设计和施工资料和专家知识等，建立大坝安全综合评价专家系统。该系统可以对大坝安全进行全过程的实时分析评价，评价大坝的安全级别。——水工建筑物安全监控理论及其应用——安全评价体系——水工建筑物安全监控理论及其应用——安全监控模型安全监控模型体系——水工建筑物安全监控理论及其应用——安全监控模型

（1）统计模型

对各监测量的统计模型的因子，应用坝工理论和数学力学，进行科学分析和演绎；用多种统计数学，结合实测资料，建立上述监测量的统计回归模型。变形除单测点的模型外，还建立了空间位移场的统计模型。

（2）确定性模型和混合模型

用粘弹性或粘弹塑性有限元计算各种荷载组合工况的测点位移（或应力）或空间位移场的水压、温度和时效分量所建立的表达式，并与实测值的残差进行范数的最小二乘拟合，从而建立了位移（或应力）测点和空间位移场的确定性模型；当水压分量用有限元计算值所建立的表达式，而温度——水工建筑物安全监控理论及其应用——和时效分量用统计模式，同理建立混合模型。对渗压同理建立渗压的确定性模型或混合模型。其紧密联系了大坝和坝基的结构性态或渗流特性，可考虑了极限荷载组合工况，从而能较强地分析评价大坝的安全状态，更有效地监控大坝的安全运行。

（3）施工期特殊监控模型

结合三峡泄洪2、18坝段，用粘弹性模型模拟坝基开挖和混凝土浇筑的全过程，建立了施工期特殊监控模型，监控施工期大坝的安全，确定变形初始值。

安全监控模型——水工建筑物安全监控理论及其应用——（4）时序分析预测模型

对等间距采样的时间序列进行改进，及其滤波和非线性变换，据此建立有效的时序预测模型，监控大坝的安全状态和变化规律。（5）灰色系统预测模型主要应用动态GM(2,M)，建立预测模型，分析大坝结构的稳定。（6）模糊数学预测模型主要建立逐步聚类分析法和似然推理法等的预测模型，动态监视大坝的安全状况，对大坝的安全度进行模糊综合评估。安全监控模型——水工建筑物安全监控理论及其应用——

（7）拱坝稳定分析监控模型用有限元计算水位、温度等荷载组合工况下的滑动面上的抗滑力、滑动力，建立坝肩稳定分析的确定性模型，在已知实测水位和温度荷载后，即可求出坝肩稳定的安全系数，实时监控坝肩的稳定。用突变理论建立尖点型突变模型，据此分析坝肩稳定性。（8）混沌预测模型

依据实测资料，建立分形几何理论和Lyapunov函数分析岩土边坡稳定的预测模型，并用Lyapunov指数建立其稳定判据。安全监控模型——水工建筑物安全监控理论及其应用——大坝原型反分析

大坝工作条件极为复杂，由于设计参数、计算模型等不确定因素，使大坝设计与实际有差距。需要利用监测资料和计算力学等对计算参数、计算模型等进行反分析。并用结构分析和小概率法等拟定大坝变形监控指标。反分析可归纳为反演分析和反馈分析两个部分。大坝原型反分析——水工建筑物安全监控理论及其应用——大坝原型反分析——水工建筑物安全监控理论及其应用——反演分析

以统计模型、确定性模型和混合模型等分离的各个分量为依据，通过计算力学模拟计算上述的各个分量，由优化演绎，借以反馈和校准计算模型、参数等。（1）计算模型：计算范围、边界约束、有限元位移模式、单元形态对位移和应力的影响等。（2）有限元计算成果的反演优化处理。大坝原型反分析——水工建筑物安全监控理论及其应用——

混凝土坝的物理力学参数。土石坝Duncan-Chang模型的8个参数和徐变度。

混凝土坝的渗流扩散系数和土石坝防渗体的渗透系数等。

为设计和反馈分析提供准确的计算模型和参数。

（3）反演以下参数：大坝原型反分析——水工建筑物安全监控理论及其应用——反馈分析

融汇监控模型和反演分析成果，通过计算力学的分析计算和演绎，挖掘大坝的某些新规律和信息，及时反馈和优化设计、施工和运行。主要包括：

（1）建立施工期反馈分析的原理、方法及流程。（2）计算工况的馈控。重点研究了运行期出现的第三类裂缝产生和扩展的机理，及其控制裂缝稳定的荷载，发现了低水位高温或低温也是有些大坝的荷载控制工况；以及由于库水温的影响使坝体实际准稳定温度比设计值要高1℃～3℃。大坝原型反分析——水工建筑物安全监控理论及其应用——

（3）渗流影响的反馈分析，发现了坝踵由于渗入混凝土孔隙中水的湿胀作用，引起湿胀应力，据此提出了湿胀应力的计算方法；并研究了坝基应力场与渗流场的耦合分析及对坝体与坝基位移场的影响。（4）实际安全度的反馈分析，基于监测资料，建立了强度、抗裂和稳定的可靠度分析方法，据此分析大坝现状态实际安全度。大坝原型反分析——水工建筑物安全监控理论及其应用——监控指标

基于拟定大坝变形监控指标尚无规范所参考，其影响因素极其复杂，而其又能有效快速地判断大坝安全状况，所以是坝工界和监测界的热点和难点。对混凝土坝的三级监控指标进行力学定义，并提出基于强度、稳定和抗裂为控制条件的小概率法和结构分析法，以拟定坝顶和坝基面水平位移的监控指标，在监控佛子岭等大坝中产生了重大的作用。渗漏量的监控指标：小概率法、数值仿真计算法大坝原型反分析——水工建筑物安全监控理论及其应用——大坝安全综合评价专家系统

融汇坝工理论、数学力学、人工智能和现代计算等理论和方法及技术，集成实测资料及其正反分析成果、设计和施工资料和专家知识等，研发了由综合推理机、知识库、方法库、工程数据库和图库组成的大坝安全综合评价专家系统。该系统实现了对资料及专家知识进行全面科学的管理，对大坝安全进行全过程的实时分析评价，评价大坝的安全级别。——水工建筑物安全监控理论及其应用——逻辑模型的总体结构

大坝安全综合评价专家系统——水工建筑物安全监控理论及其应用——物理模型的总体结构大坝安全综合评价专家系统——水工建筑物安全监控理论及其应用——功能实时分析评价大坝安全、综合评价大坝安全状况。其中实时分析的主要功能是发现异常观测值，并对其进行成因解析，为辅助决策提供技术支持；综合评价是为大坝安全定期检查（5年一次）提供依据。系统结构、组成和主要内容主要由总控和一机四库组成。（1）总控。（2）知识库，“实时分析”的知识库由时空分析、力学规律、监控模型、监控指标、日常巡查和关键问题等六大评判准则及其权重分析，识别异常值；“综合评价”的知识库包括工程等级、设计标准、强度、稳定等八大评判准则及其权重分析，识别大坝各项的安全标准。大坝安全综合评价专家系统——水工建筑物安全监控理论及其应用——

（3）综合推理机，“实时分析”的综合推理机对识别的异常测值进行成因分析和反分析，对疑难杂症进行综合分析检查，对结构异常或险情进行报警，提出辅助决策的建议；“综合评价”的综合推理机科学评价大坝的安全级别，对病险坝提出控制水位的建议。大坝安全综合评价专家系统

（4）工程数据库，由工程档案、原始数据、整编数据和生成数据库组成，对资料及专家知识等进行科学有序地管理。（5）方法库，包括资料处理和正反分析软件、结构和渗流分析软件、综合评判和洪水计算等40多个各类程序。为处理资料，建立各类监控模型、力学规律、监控指标、洪水复核、强度和稳定复核等