土石坝安全监测的评判准则

土石坝安全监测的评判准则

自1996年年底以来，中国修建了84万座水库，其中90%以上的水库是土石坝。这些项目在防洪、灌溉、发电、交通运输、城市供水、水产养殖等方面发挥了重要作用。为了充分发挥项目作用，确保项目安全运行，加强对水库的安全监测非常重要。然而，与混凝土水库相比，土石水库的安全监测相对较低，主要体现在观测室不完善、部分观测设施老化、观测数据不及时、分析等方面。这种情况使安全监测工作难以进行，不仅失去了安全监测的应有功能，而且严重影响了水库的效率，威胁了下游人民的生命财产安全。从另一个角度来看，影响土坝安全的各种因素不仅复杂。如何使用现有的观测装置和观测数据，结合日常检查，全面分析和评估土坝安全，为运营和管理提供决策依据是非常重要的。要实现对土石坝安全监测的综合评价,除了评价方法本身要求正确之外,最重要的就是要有正确的评价标准,即准则.这些准则必须能够正确反映土石坝安全运行的基本要求.同时,也应与设计、施工、运行管理等相一致,并且要易于界定.根据这些要求,本文从分析国内外土石坝失事原因出发,结合土石坝安全监测项目的特点,提出了一系列评判准则.以这些准则为基础可以对土石坝的安全进行综合评判.1基本概念中的问题从总的来看,一切土石坝的安全问题都与水文、地质、勘探成果、设计、施工质量、筑坝材料、观测检查、养护维修和控制运用等密切相关.根据国内外水库失事情况分析,失事原因基本上可概括为:(1)勘测设计不当,如水文调查、地质勘探不细致,设计标准偏低以及设计指导思想上的主观片面所造成的认识错误和处理不当等.(2)施工质量不良,如违反设计要求、选用材料不合规定、施工方法不正确、碾压不密实、基础处理不彻底等.(3)运行管理问题,如观测设施缺乏、检查制度不严、操作不当、养护维修不及时、启闭设备运转失灵、溢洪道及输水洞(管)遭到破坏等.(4)自然因素,如超标准洪水、地震、库区发生大滑坡、生物破坏(如白蚁破坏)等.(5)特殊风险,如人为破坏、战争等.2土石坝坝安全监测的评判准则根据以上对影响土石坝工程安全问题的分析,结合当前土石坝安全监测工作现状和观测资料分析的成果,可以建立如下的土石坝安全监测的评判准则.参照这些评判准则,结合日常的巡视检查和大坝安全定期检查,就可以对大坝的安全作出评价——正常坝、病坝或险坝.2.1边坡枢纽工程等级根据水利水电枢纽工程等级划分及设计标准(山区、丘陵部分)及补充规定确定枢纽工程等级及相应有关建筑物等级.这主要是一部分水库土石坝修建年代较早,有关的设计标准变动所致.2.2坝区的确定是否符合计算洪水下泄流量的确定为这里的设计标准包括洪水标准、安全超高、水文地质和抗震设防.根据工程等级,按规范规定的正常运用洪水标准和非常运用洪水标准复核设计洪水标准是否符合规定.如果不符合,则视为病坝或险坝,应采取相应措施确保安全.根据洪水标准求出各频率设计洪峰流量和洪量,计算相应的下泄流量和上、下游水位,复核坝顶或防浪墙顶高程是否满足要求.如果不满足,则视为病坝或险坝,并应采取措施,加高坝顶高程.调查复核工程的水文地质资料,并与观测、运行情况相对照,对水文地质条件是改善还是恶化作出判断.根据地震实测资料,复核坝区的地震烈度.如果复核的地震烈度小于或等于设计地震烈度,则抗震设防满足设计要求.否则,需通过稳定校核作进一步判断.2.3坝坡最小稳定安全系数的计算按照设计规范,采用圆弧滑动法、折线法或毕肖普法等计算坝坡最小稳定安全系数.计算的最小稳定安全系数必须符合规范要求,否则为病坝或险坝,见表1.如果采用有限元法复核,可作为参考.2.4坝体防渗体及反滤层合格公民表达要求土石坝施工质量的优劣直接影响着工程的安全运行.根据坝体各部分的功能、有关质量检查和等级评定标准,我们采用如下定义:定义1坝体和坝基防渗体的质量合格率在95%以上为优,90%~95%为良,80%~90%为及格,低于80%为不及格.定义2坝体砂石料的合格率在90%以上为优,80%~90%为良,70%~80%为及格,低于70%为不及格.定义3排水体及反滤层的合格率达100%为优,95%~100%为良,90%~95%为及格,低于90%为不及格.2.5险坝区隔水坝体裂缝主要包括日常巡查、机械设备情况和泄洪消能等.日常巡查应重点巡查渗流、变形和裂缝出现异常的部位和时间,特别是遭遇特殊情况(如地震、特大洪水等)时应加强巡查.对于土坝,生物破坏也是巡查内容之一.日常巡查应建立制度,明确责任,严格要求.当漏水和渗流量增大、测压管水位升高、孔隙水压力上升、渗流水质发生变化、渗水温度变化明显不同于环境温度变化等出现一个或一个以上情况时,应视为异常.当某一部位变形过大、出现裂缝或裂缝明显扩大,则为异常.尤其当坝体出现贯穿性横缝或出现滑坡裂缝时,应当判断为险坝,需立即采取措施.当面板坝面板裂缝、接缝拉开、止水破坏,则应视为异常,需立即采取措施修复处理.当坝体护坡和排水设施遭到破坏,尤其排水设施失效,则视为异常,需采取措施.对各种控制闸门及其附属设备要求设备完好、启闭灵活.如果闸门及其附属设备完好、启闭灵活,则为优.如果闸门及其附属设备操作灵活,虽有轻度锈蚀,但满足强度和稳定要求,则为良.闸门启闭基本满足要求,有锈蚀,但基本满足强度和稳定要求,则为及格.闸门启闭不灵,有严重锈蚀,或不满足强度和稳定要求,则为不及格.溢洪道泄洪能力满足设计要求,无气蚀,消能效果好,冲坑稳定且对建筑物安全无影响,则评为优.溢洪道泄洪能力满足设计要求,有轻度冲磨、气蚀,冲坑基本稳定,对建筑物安全无影响,则评为良.溢洪道泄洪能力基本满足设计要求,有冲磨、气蚀,但仅对建筑物局部有影响,冲坑基本稳定,对建筑物安全无影响,则评为及格.若泄洪能力不足,或严重冲磨、气蚀,或冲坑不稳定危及建筑物安全,则为不及格.输水洞洞身无裂缝,无冲磨、气蚀,伸缩缝无老化、漏水现象,满足过流要求,出口消能充分,则为优.洞身无裂缝,有轻度冲磨、气蚀,伸缩缝有部分老化、漏水现象,满足过流要求,出口消能充分,则为良.洞身有少量裂缝,有冲磨、气蚀,但仅对局部有影响,伸缩缝有老化、漏水现象,基本满足过流要求,则为及格.洞身有较多裂缝,伸缩缝止水断裂、老化、漏水,造成射流,或冲磨、气蚀严重,或不满足过流要求,则为不及格.2.6土石坝坝坝体坝体安全监测一通道应视系统监测模式的实施原则—坝体及坝基工作性态评判准则土石坝安全监测综合评价离不开安全监测资料.土石坝安全监测项目有变形、应力、渗流、水流等.这些观测项目对定量分析和评价大坝的工作性态,起着至关重要的作用,不能忽视.通过对各观测项目观测资料的正、反分析,可以了解和评价坝体及坝基的工作性态,并建立相应的监控模型和监控指标.通过这些监控模型和监控指标就可以对大坝的运行进行监控.变形和渗流直接反映了土石坝坝体及坝基的工作性态,应作为安全监测的重点项目.对于面板坝,面板的变形和应力是该坝型的重要观测内容,它包括面板本身的挠曲变形、周边缝、面板接缝的变形、面板混凝土及钢筋的应力应变等.根据各观测项目、观测值及资料分析成果,可提出如下评判准则.2.6.1前一次测值yx,变幅ymm,这类准则又可分为过程线评判准则和分布图评判准则.过程线评判准则:绘制荷载X和效应量Y的过程线,统计各种特征值(如年最大值Ymax和年最小值Ymin,变幅ΔY和均值Y¯¯¯Y¯),通过测值Yi与特征值、前一次测值Yi-1及相同荷载条件下的前一次测值Yj-1的对比,判断测值Yi是否异常.分布图评判准则:绘制某一横断面或某一纵断面各测值的分布图,通过检查分析各相关测点测值的大小及变化趋势,可判断是否出现测值异常.如横断面上各测压管测值变化趋势是否与渗流分析相符合或出现异常等.2.6.2yy[2s]4.2s]yy2s2s2s.2s.2s.2s.2s.2s.2s.2s.2s.2s.5.2s.2s.2s.2s.2s.2s.2s.5.2.2s.5.2s.7.2s.7.2s.7.2s时测值是否正常?通过对影响土石坝各观测量的各因素的分析,利用观测数据可以建立统计模型、混合模型和确定性模型.对以上模型经检验校正后可以作为监控模型.当观测值Y在模型计算值YˆY^的两倍标准差s的范围内,即|Y−Yˆ|≤2s|Y-Y^|≤2s时,测值正常.当2s＜|Y−Yˆ|≤3s2s＜|Y-Y^|≤3s时,则需跟踪测值3~4次.若测值无系统变化,则测值基本正常,否则为疑点,需进一步判断.而当|Y−Yˆ|＞3s|Y-Y^|＞3s时,则测值为疑点,需进一步判断.2.6.3大坝正常运行评价安全监控指标是评估和监测大坝安全的重要指标.在拟定监控指标时,应以原型观测资料为依据,考虑各种可能不利荷载组合,用稳定、强度、渗流等作为控制条件最终拟定.监控指标可分为正常值、警戒值和危险值3种.根据土石坝工作特点,可以从变形和渗流两个方面分别进行评判.如果某项变形值(如水平位移、沉陷)小于、等于监控指标正常值,则大坝运行正常.如果在正常值与警戒值之间,则大坝有异常.如果在警戒值与危险值之间,则大坝处于破坏阶段.如果变形值大于危险值,则大坝破坏,这种情况不允许出现.土石坝测压管水位最大值Hm、土石坝或堆石坝的孔隙水压力最大值Pm、渗流量最大值Qm和最大渗透坡降Jm低于或等于设计最大值Hd,Qd,Pd,[J]为正常.否则为异常或疑点,即Hm≤Hd‚Pm≤Pd‚Qm≤Qd‚Jm≤[J]‚为正常Hm＞Hd‚Pm＞Pd‚Qm＞Qd‚Jm＞[J]‚为异常或疑点Ηm≤Ηd‚Ρm≤Ρd‚Qm≤Qd‚Jm≤[J]‚为正常Ηm＞Ηd‚Ρm＞Ρd‚Qm＞Qd‚Jm＞[J]‚为异常或疑点2.6.4时效分量的确定时效分量的变化规律在一定程度上反映了大坝的工作性态.当时效分量突然增大或急剧变化时,一般是坝体或基础出现异常的征兆.因此,有些国家主要以时效分量来拟定监控指标.由于时效分量的影响因素比较复杂,在推求时效分量时,应根据各工程的特点,按照强度、稳定控制条件推求,也可以利用监控模型推求.对于变形,如果时效分量稳定不变或收敛,则变形正常.如果时效分量发散或时效分量有突变,则为异常,应作进一步分析.对于渗流量,如果时效分量稳定、收敛或由正变为零,则为正常,反之为异常.2.7滑坡体一般情况对库区可能影响或危及大坝安全的滑坡体亦应进行监测.如果滑坡体处于稳定状态,则为正常.如果滑坡体处于基本稳定状态,则为基本正常.如果滑坡体处于加速蠕变状态,则为险情,需采取措施.3坝体安全生产评价准则确定在应用上述各准则进行综合评判时,可能会出现不一致甚至相互矛盾的现象.出现这种现象正是反映了影响土石坝安全的因素是多方面的,必须进行综合评价,才能真正掌握大坝的实际工作性态.同时,以上各准则对土石坝安全的影响程度也是不一样的,为此,我们要分析各评判准则的权重.根据设计规范,洪水标准、稳定评判准则是必须满足的.前已述及,大坝及坝基的工作状态主要可用变形和渗流来反映,若通过变形和渗流判定为异常,其实质上反映了坝体和坝基的异常工作状态,因此,根据大坝的安全条例,坝体和坝基的工作性态评判准则也必须满足.另外,溢洪道泄洪能力不足、闸门操作失灵等危及坝体安全的问题也必须满足.因此我们可给出各评判准则的权重定义如下:定义1必须满足洪水标准及稳定的设计要求.若不满足其中任何一项,则大坝为病坝或险坝.定义2若坝体或坝基存在危及大坝安全的不安全因素(主要依据变形和渗流判断),则大坝为病坝或险坝.定义3若近坝库区存在危及大坝安全的滑坡体,则大坝为病坝或险坝.定义4若溢洪道泄洪能力不足,下游冲坑危及坝体安全,冲磨、气蚀严重,则大坝为病坝或险坝.定义5若闸门操作失灵或损坏,则为病坝,应及时修复,恢复功能.定义6若土石坝未养护维修或未及时养护维修,则应制定制度,加强养护维修工作.4模糊综合评判为使不同项目的评价有统一的标准,我们可以采取某种方式,将各项目指标转化成一个无量纲的数,如采用正常度(它反映某项指标相应于该指标的可能变化所具有的正常程度)表示,这样使对所有指标的评价都处于同一个基准之上.虽然监控指标分为正常值、警戒值与危险值3种,但考虑到某些监测项目指标量化困难(如运行评判准则)和便于与一般的分析判断相一致,我们将正常度分为4级,依次是:N1为正常,N2为基本正常,N3为轻度异常,N4为严重异常,从而构成评价向量N=[N1N2N3N4].在上面的评判准则里,我们定义大坝为病坝或险坝,或判定为正常或异常.实际上,对于某一个评判对象到底是属于哪一个状态,往往具有一定的模糊性,并不能简单地用属于或不属于来准确表示.因此,我们可采用模糊分析方法来处理.即先确定某项指标对于评价集的模糊隶属度,再通过模糊综合评判来确定它对于具体评价目标的模糊隶属度.为此,我们需根据每一座土石坝的实际状况,确定每一项评价指标的权重向量.假设我们取监控模型、时效分量、日常巡查3项,则可构造权重向量为F=[f1f2f3],f1,f2,f3三者之和等于1,各自的数值可根据具体情况确定,它们表示各自相对于大坝安全评价的权重.同时,对于每一个指标,如监控模型,可确定其评价向量(t11t12t13t14),它反映的是该指标的正常度,用模糊隶属度表示.从而得到一个模糊关系