监测资料的整理整编和分析Word文档下载推荐.docx
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大坝建成后，在外界和内部各种因素的作用（或影响）下随时间发生复杂的变化，接受实际的检验。
这就需要对设计的正确性、经济性和措施的有效性进行验证。
随着科学技术的进步，在大坝的设计和施工中，采用新的结构形式、新的筑坝工艺、新的设计计算方法，不少大坝的坝址处在自然条件差、地质条件也复杂的地区，这对坝工建设带来了新的课题：
（1）如何了解在不利条件下所建大坝的实际工作性态？
（2）如何评价所采用新的结构形式和方案是合理的，所采用的设计新理论和计算方法是符合实际的？
（3）如何鉴定所采用新的筑坝施工工艺是正确的？
1
以上这些方面，目前只有依靠原形观测取得最可靠的第一手资料来揭示大坝性态，扩大人们对它的认识，并进行对比分析，找出差异，做出修正，从而达到提高现有坝工技术水平。
综上所述，通过对监测资料的整理分析，可达到下述目的：
1为保障大坝安全运用提供依据；
2为验证施工设计提供依据；
3为工程施工和维修或加固提供信息；
4为提高（或改进）大坝设计、施工、运行和科研的现有技术水平提供依据。
总之，监测工作可分为监视性和专门性两大类。
实际上这两者是不能严格分离的。
这在很大程度上取决于人们对监测成果的重视、整理分析和运用的程度。
显然，资料整理分析是实现安全监测根本目的的最后和最重要的一个环节。
规X第11章的基本任务是为实现大坝安全运行而服务的。
1.2监测资料分析成果在坝工实践中的作用
资料分析成果在评价大坝安全、监视大坝的运行、发挥已有工程效益、推动坝工建设的发展等方面发挥了明显的作用，现作如下简介。
（1）为大坝安全评价提供依据
根据“水电站大坝安全管理暂行办法”、“水电站大坝安全检查施行细则”、“混凝土大坝安全监测技术规X”的要求，在大坝鉴定时应进行资料分析，并提出报告。
如陈村大坝第一次安全定期检查时，在分析成果中提出了“下游坝面105m高程水平裂缝，对105m高程以上坝体位移有明显影响。
从长期观测过程来看，1976-1978年期间105m高程水平裂缝开度及坝体位移有一次小突变；
1983-1985年期间坝体位移又有一次小突变；
105m高程以上坝体向上游的时效位移尚未完全稳定；
…”。
最后大坝安全评价：
“根据本次定期检查所做大量工作以及各专题报告的成果和结论，专家工作组经再三斟酌讨论，鉴于坝体裂缝众多，有的裂缝对大坝结构有明显影响，…。
对照《水电站大坝安全检查施行细则》，陈村大坝符合该细则第四十一条评价条件，本次定期检查将陈村定为病坝。
”专家组还提出了处理裂缝的建议：
“对坝体裂缝进行专题研究，对危害性裂缝应尽早落实处理措施。
”这是由于资料分析成果客观地描述和反映了大坝的运行性态，有且对大坝安全评价的一个实例。
（2）掌握运行规律监视大坝安全运用、改善运行状况
在通常设计情况下，混凝土大坝以承受高水位作为监视大坝安全的重要工况，而根据许多大坝的资料分析表明，高水位低气温才监视大坝实际运行的重要工况。
这是由于环境温度是影响大坝性态变化的主要因素。
通常在高水位低气温季节里：
坝顶水平位移值最大，并偏向下游；
坝体上游面和坝踵部位的压应力减少或出现拉应力；
坝基扬压力和渗流量增加，这是由于低温引起的变形使缝隙扩大；
纵缝和施工缝的缝隙增大或出现裂缝，减弱大坝整体性，等等。
在这季节里应加强监测和及时分析资料。
在认识温度作用基础上，因设法减小温度影响。
如在桓仁大头坝上采用封腔保温措施，效果显著。
该坝处在我国东北严寒地区，封闭坝腔前大坝支墩最低月平均温度为-9.4℃,封腔后年平均温度提高6.8~8.8℃,使年平均温度达到10~11℃，温度变幅也减小，这对防止裂缝发生和发展创造了十分有利的条件。
（3）及时发现大坝运行异常，不失时机采取补救措施
1）梅山连拱坝于1962年11月6日库水位由运行以来的最高水位125.56m回降到124.89m时（相当于设计水头83%），经监测发现右岸基岩裂隙中突然有大量地下水涌出（主要集中在14#~16#拱坝基础岩缝），漏水量达70L/S，压力水头达31m（当时该处水头37m）；
大坝坝体产生多条裂缝，13号垛的水平位移值突然增大，向下游达19.56mm，向右达14.53mm，位移上下游向和左右向变化速率与以前的有着显著差异，见图1-6。
由于量测数据确切指出大坝已不能正常工作，于是采取了紧急措施：
立即放空水库，进行加固，从而避免了一场严重事故。
事后总结认为：
如果没有及时的监测资料，就可能贻误抢救时机。
2）佛子岭连拱坝13号坝段的沉陷量长期为9.6mm，较其它坝段约大2mm。
经查明该坝段下的基础有破碎带并有倾向下游的夹泥层，后将水库放空进行基础处理才使大坝能经受住1969年漫过坝顶高达成2.18m而持续25小时之久的特大洪水的考验，从而保证了下游安全。
3）丰满重力坝系日伪时期修建，工程质量极其低劣，解放初期的渗漏、变形都很大。
根据实测资料推算，在遇到百年一遇洪水时，坝有失去稳定的危险，于是进行了大量的加固修理，使扬压力、渗流量和位移值明显减小，有效果地提高了坝的稳定性，保障了安全运用。
（4）根据分析成果发挥已有工程效益
1）XX泉水拱坝在1976年蓄水前，因右岸地形单薄地质条件差且溢洪及排水洞混凝土衬砌有裂缝，担心不能承受全部设计水头。
但经过观测和分析，发现应力和变形正常，裂缝开度仅受气温影响，从而决定正常蓄水运用，使该坝发挥了应有的作用。
2）XX龚咀重力坝投入使用后，部分纵缝尚未灌浆，以致大坝未形成整体，不得不限制水位运行。
为了抬高水位，发挥效益，1978年决定在蓄水条件下进行高压灌浆。
灌浆压力的确定及在灌浆中坝体的安全都是通过分析观测资料基础上进行的。
（5）用于预报
长江上新滩滑坡监测，由于预报准确及时，因而在发生大滑波之前撤出人员，避免了巨大伤亡，这是监测预报的一次非常成功的应用。
（6）为提高（或改进）大坝设计、施工、运行和科研现有水平提供信息
1）美国垦务局和TVA从三十年代起，经过20多年的扬压力观测，证实了排水孔对降低扬压力的有效性，才于五十年代起改进了扬压力的计算图形：
从上下游直线变化改进在排水孔处折减，采用折减系数α=1/3~1/4。
2）根据采用柱状施工法建造的混凝土坝观测表明，该方法影响垂直应力分布，产生非线性应力分布。
美国在应力分析过程中已考虑了这种筑坝过程因素。
3）1974年，XX龚咀重力坝在施工期间，根据坝内埋设的温度计和测缝计资料，查明在该坝的具体条件下，纵缝开度在夏季最大，冬春较小。
于是修改原定的纵缝灌浆时间，确定夏季灌浆。
实施结果：
纵缝的灌浆质量和坝的应力状态都得到了改善。
4）根据国内外观测资料表明，由于大坝自重和库水荷载的作用，不仅对基岩，还对坝区岩体产生变形，从而对坝体变形、应力状况引起变化。
如美国、中国、苏联都观测到大坝所在区域的沉降，形成“漏斗形”，其影响X围可延伸到坝下游几公里。
此外苏联还观测到两岩“向中”或“向外”及有时两岸的边坡有移动等现象。
这种现象对狭窄河谷特别明显。
据资料所载，设计中考虑了空间效应，有可能降低造价20%。
我国陈久宇教授在分析X家峡重力坝外部观测资料时，亦证实坝体通过横缝的传力存在着三元作用（该坝按二元计算），因此相应地加强了它的稳定性。
5）根据国内外大量的坝内所得的实际应力资料表明：
①、实际应力值与设计计算值是不相同的。
它们之间的差异不仅在数量和符号上，甚至还在分布规律上。
②、实际应力包括了施工期应力、设计荷载引起的应力、温度变化引起的应力、附加应力（狭窄河谷中重力坝的空间效应，混凝土的湿涨应力）等。
③、实际应力中施工期应力占相当比重，往往是主要成分，超过自重和水压力所引起的应力。
这种应力在合理的施工程序和方式下才能产生有利的效果（如在最合宜的时机和方式下进行纵缝灌浆，可在坝上游面和坝踵造成足够大的压应力），否则成为不利的因素（如坝踵接缝开裂）。
研究和利用施工期应力，对改善坝体受力状况已得到了重视。
5）混凝土坝的温度状态是坝体应力和变形的主要影响因素，实测资料表明，设计中的边界温度条件和大坝实际边界条件有较大差别。
例如，X家峡水库深水水温比设计值高，下游坝面的太阳辐射升温也高出设计值1.6℃，致使坝底温度高出7.5℃，说明二期冷却过甚。
丹江口水库实测31坝段稳定温度比设计值高出3.5-8.1℃，为了使边界温度条件更符合实际这要改进边界温度的计算方法。
这样可避免坝体超冷，降低温控费用，提高施工速度。
6）运用实测资料反演大坝有关物理常数。
这对校核设计和进一步分析是很有作用的。
（7）为评价监测系统状况提供依据
监测数据的来源依赖于监测系统。
若监测系统先天不足，则通过这种系统采集到的资料就不可靠。
因此在资料分析过程中通过数据可靠性检查，可对有关监测项目的状态做出评价。
一般监测项目按其可使用程度分为以下3种类型：
①、数据基本可靠，精度满足要求；
②、数据中存在一定的问题，经过一定处理，尚能为评价大坝工作状态提供信息；
③、数据严重失真，无法使用。
通过对监测资料的检查分析，确定其所属种类，可为改进现有监测系统通过依据。
2．大坝安全监测资料分析方法及信息处理技术的若干进展
2.1概况
《混凝土大坝安全监测技术规X》（SDJ336-89）颁发后的十几年里，国内外大坝安全监测技术又有了很大的发展。
监测资料分析及信息处理是大坝安全监测工作的一个重要组成部分，大坝安全监测的主要目的是服务于大坝安全，这一目的最终要靠对监测资料的分析评价来实现的。
国内监测资料分析方法及信息处理技术是一个发展较快的技术领域，其发展得利于几方面的条件，其一是计算机技术的迅速发展，硬、软件条件的不断改善；
其二是国内水利水电建设的发展，特别是三峡、小浪底等一批大型工程的建设对监测技术提出了更高的要求，同时也为技术发展创造了条件。
例如，国家自然科学基金委员会和长江三峡总公司联合资助的“三峡水工建筑安全监测与反馈设计”项目中专门设立了“安全监测信息分析新理论与新方法”研究课题，多个单位参加了这个科研项目，推动了该领域的创新及发展[1]。
又如，二滩、小浪底等工程的大型安全决策支持系统的开发研制工作，为该类系统的开发提供了经验。
此外，国内各类工程的运行管理实践也不断对资料分析方法及信息处理技术的发展提出了新的要求。
受篇幅及作者水平的限制，本文不可能对资料分析方法及信息处理技术的发展做全面系统的介绍，仅能对几个主要研究方向的进展情况作简要介绍。
本文的主要参考文献为近几年来的有关研究的专著、重点刊物及学术交流会议上发表或交流的论文，受篇幅限制不一一列举。
2.2国外大坝安全监测信息处理技术的进展
法国电力公司近几年开发了称为PANDA的大坝监测信息管理系统，该系统可对各种类型的自动化或人工采集数据进行处理，利用Internet/Intranet进行通讯，实现对监测信息的分层管理（包括上层的专家分析中心及下设的各级控制中心）。
系统中对监测量的分析评价仍采用传统的统计模型，模型中仅用11个因子描述各分量。
法国人认为，该类模型虽然简单，但在长期使用中被证明是有效的。
除用于法国的250多个大坝的监测之外，PANDA系统还在阿根廷、多哥等多个国家得到实际应用。
意大利是最早将人工智能技术引入大坝监测信息处理领域的国家。
上世纪90年代，意大利开发了DAMSAFE的决策支持系统，它包括提供数据的信息层，用于管理、解释和显示数据的工具层，及基于Internet技术的综合层。
该系统采用定性因果关系网络模型对各类监测和结构信息进行综合分析，并采用了专家系统技术开发了针对自动化监测在线检查的MISTRAL子系统。
该系统已经得了较长时间的实际应用。
自动化数据采集系统在大坝监测中的日益广泛的应用对大坝安全监测信息处理提出了更高的要求。
国际大坝委员会2000年发表的第118号公报《大坝自动化监测系统--导则和实例》[3]中，对监测技术发达的几个国家在自动化监测信息分析管理方面的经验进行了总结。
从其中可以看到，采用人工智能技术，包括专家系统、神经网络技术等对自动化监测数进行处理分析是目前的一个发展趋势。
2.3国内资料分析方法研究的进展
（1）监测数学模型
1）单点数学模型包括统计模型、混合模型和确定性模型，目前仍然是大坝监测资料分析及安全监控中所采用的主要的模型方法。
针对单点模型的局限性，国内提出了“分布数学模型”的概念，以处理同一监测量多个测点的监测信息。
这一模型方法得到了较系统深入的研究，包括因子集的确定、模型评价方法等方面，已形成了较完整的建模体系。
广义的多测点模型中，除一维、二维分布的测点之外，还可以同时涉及到同一测点不同方向的监测量。
目前，多测点模型已得到了较广泛的应用。
2）除多测点模型外，国内对传统监控模型的完善、改进还有多方面的研究成果。
例如，对监测量影响因素的进一步描述，包括考虑材料蠕变特性的时效分量的因子设置、考虑到温度滞后作用的瑞利分布函数的应用，考虑渗流滞后影响因素渗流分析模型等等，这些研究提高了传统模型的分析能力，有利于监测数据的深入分析。
又如，传统模型大多针对运行期，为了满足施工期安全监测的需要，国内开展了适用于施工期监控数学模型的研究工作，例如针对二滩、三峡等大型工程的施工期监控模型的研究，这些研究成果扩大了监控数学模型的应用X围。
此外，回归分析方法的诸多方面，例如，偏回归分析、岭回归分析、主成分分析、回归递推算法等等，都有结合大坝监测资料分析的应用实例。
3）除去以回归分析为基础的传统监控数学模型之外，国内还对可用于大坝监测的其它方法进行了广泛的研究，包括时间序列分析、回归与时序结合的分析方法、数字滤波方法、非线性动力系统方法等传统方法，以及新的理论及方法，包括灰色系统、神经网络、模糊数学等，其中很多研究成果已经得到了实际应用。
在解决同一分析问题时，大多数研究人员重视在同等条件下的新方法与传统分析方法的比较工作。
例如，BP神经网络模型是近几年的一个研究热点问题，有关论文中将新的分析方法与传统统计回归方法受共线性影响的程度进行了较深入的比较分析，讨论了各种方法的适用场合，这样的研究成果有利于新方法得到实际应用。
（2）监测资料综合分析评价方法
大坝的安全监控、安全评价过程中，都需要对不同监测物理量进行综合分析。
将现代数学理论、信息处理技术应用于大坝监测的综合分析评价是近几年的一个发展趋势，本文就作者了解到的几种已有实际应用的方法作简要介绍。
1）层次分析法应用于大坝综合分析评价在文献[1]中得到了深入研究。
大坝监测的综合分析评价是一个由观测测点→观测项目→观测物理量→结构部位→大坝整体的多层次复杂递归体系，每一层次中有多个评价元素，每一层又是上一层的评价元素。
层次分析方法的基础是对同一层各元素的相对重要性所做出的判断，对此，国内学者有多方面的研究成果，例如，在元素权重的确定中采用主成分分析赋权法、层次分析法与主成分分析相结合的赋权法等。
又如，提出“正常度”的概念来描述测点乃至整个结构监测性态正常程度。
对基础元素采用模糊分析方法处理，通过模糊综合评判方法求出各层对上一层的模糊隶属度，从而得到测点监测性态的评价。
层次分析法将定性因素定量化，并在一定程度上减少了主观因素的影响，为大坝监测性态的综合分析评价提供了定量标准。
层次分析法应用于大坝监测分析的效果决定于权重的分析。
大坝结构监测性态的恶化常常是从某一部位开始而最终导致大坝失事的，恶化征兆可以被部分监测量所反映，这种情况下，若按常规的权重确定方法则有可能掩盖真实的监测性态，因此，对某些重要元素应给予绝对的评价权。
2）基于知识的综合分推理方法属于人工智能的一个研究领域，已较广泛的应用于各类工程的诊断、评价系统中。
知识的含义比较广泛，包括专家经验、根据物理计算或试验所得到的对工程认识等等。
以下就大坝监测综合分析中应用得较为广泛的几种方法作简要介绍。
专家系统对知识有多种描述方式，其中产生式专家系统将知识表达为规则树，其优点在于知识表达式形式容易描述实际综合分析推理过程，也易于被人理解。
规则树的宽度和深度分别对应了解决问题的X围及难度，使该类系统有强的适用性。
意大利的MISTRAL系统，国内开发的二滩、小浪底等工程的信息处理系统中都采用该类专家系统技术进行综合分析推理。
对大坝监测性态进行结合分析时，可以针对不同的问题、不同的环节组成综合分析推理对象，根据专家经验或一般工程经验形成规则集（知识树）。
监测分析问题一般采用正向推理机。
推理过程中，需要考虑事实部分（实测数据或加工后的信息量）与知识（规则）的不确定性。
因果关系网络模型是一种基于深知识的定性综合分析推理模型，领域知识是由表示结构对象的各种状态的结点和结点间的联系关系所构成的。
意大利最先将这种模型应用于大坝安全监测的综合分析。
所使用的模型是系统开发人员在研究大坝失事及事故的基础上，与大坝设计与运行领域的专家进行广泛讨论之后形成的。
因果关系模型分别针对大坝基础、坝体、防渗体系等5个部位，共涉及到90个物理量及物理过程，包括现场检查的结果。
模型可用于在线或离线的综合分析。
国内小浪底工程信息处理系统中也采用了这种综合分析模型。
例如，对渗流、渗压及主要影响因素建立因果关系网络进行在线的综合分析推理。
基于物理过程描述的综合分析模型是将结构对象的各种功能关系用一系列算子表示，各种功能关系由确定性方法，例如有限元计算得出，各算子之间有一定的约束条件。
这种模型可以给出结构异常情况下各算子之间的定性（增加减小）及定量描述，例如，对某一工程的转异特性进行有限元计算时不断恶化基础内的材料参数，对应于每种计算工况可以得到相应变形监测项目各测点之间的关系，利用这种关系对实测变形的时效变化进行综合检查，一旦发现有对应的关系（定性或定量），可以以一定的可靠性确定异常情况及物理原因。
该类模型方法实际上在国内已得到了较广泛的应用，只是不同的研究或应用中的表达方式不同。
3）国内学者还从多个角度、多种途径对监测性态的综合分析方法进行了研究，包括模糊评判与层次分析相结合的方法、模糊模式识别方法、模糊积分评判方法、多级灰关联方法、突变理论方法、属性识别理论方法等，这些方法研究中应用了现代数学领域的系统工程方法，得到了很多有价值的研究成果。
这些方法的应用有助于从多方面解决复杂的大坝监测性态综合分析评价问题。
（3）反分析方法
反分析问题得到国内学者的广泛、深入的研究，在反分析问题的应用X围、计算方法等方面都取得了一定的进展。
以下就大坝及基础安全监测工作中应用较多的变形的反分析研究的若干进展做一简要介绍。
1）传统单点混合模型、确定性模型的建立中已包含反分析的内容。
基本作法是在假定的材料参数（变形模量、线胀系数等）的条件下，通过正分析得到变形量与荷载变化的关系，利用这种关系通过对变形实测数据的回归分析对材料参数进行调整，使正分析的结果更真实地反映实际情况，以利于进一步的安全监控。
单测点的变形测值具有一定的局限性，利用不同的测点的测值信息可能得到不同的反分析结果。
目前，国内在变形的反分析中已经较普通的采用多测点的混合或确定性模型，文献[1]中给出了多个工程变形反分析的应用实例。
除去上述基于监测数据测值序列、通过传统回归分析方法进行变形反分析之外，文献[2]中还提出利用变形测值的“差状态”，通过刚度矩阵分解法、改进和优化方法对位移场进行反分析的方法，这些方法可以解决多参数（例如多个材料分区）的反分析问题。
2）大坝及基础的变形反分析的另一个应用场合是对大坝变形监控指标的确定，文献[2]中有深入的研究。
具体方法是：
根据工程的具体问题，选择正分析的本构模型，利用变形监测数据反演计算各类材料参数，在此基础上进一步确定变形的监控指标。
（4）监控指标拟定方法
大坝及基础监控指标的确定问题一直得到国内较广泛的重视。
一般情况下，应力、渗压等项目的监控指标较容易在设计阶段确定，而变形监控指标问题较为复杂，施工期和蓄水期常采用设计值作为技术警戒值，在积累足够的监测资料后，通过监测资料的分析进一步拟定监控指标。
目前国内拟定运行期监控指标的几种主要方法如下：
通过监测量的数学模型并考虑一定的置信区间所构成的数学表达式来确定；
根据数学模型代入可能的最不利原因量组合并计入误差因素推求极限值，以极限值作为监控指标；
通过符合稳定及强度条件的临界安全度或可靠度来反算出监测量的允许值作为监控指标。
文献[2]中对变形监控指标的理论和方法作了进一步深入的研究。
根据大坝安全评价分为正常、异常和险情三种情况，将变形监控指标也分为三级，分别对应大坝的线弹性（或粘弹性）、弹塑性和失稳破坏三种结构性态。
针对实际工程问题，确定级别及计算物理模型，通过实测变形资料的反分析调整力学参数，最后确定具体的变形监控指标。
目前监控指标的确定主要针对单个监测量而言的，当利用监控指标对监测量进行检查发现测值异常时，还要进行多个监测物理量的综合分析评价，以确定物理原因、结构异常程度以及得出总体安全评价。
前面介绍的几种综合分析评价方法在这个技术环节上可以发挥一定的作用，提供一定的技术支持。
从目前的实际情况来看，对于许多重大的或复杂的安全评价问题，仍需要多方面专家的直接参与，以及开展进一步的专题研究工作之后才能得到最终的判断或解决方案。
2.4大坝安全监测信息处理系统的开发
国内开展大坝安全监测信息处理系统的研制开发工作已有十几年了，随着信息管理系统（MIS）、决策支持系统（DSS）开发的基本理论方法以及大坝监测技术的不断发展，该类系统的开发也有了较大的进展。
目前，国内已开发了多个同类的系统，多数已得到实际应用并在大坝安全监测工作中发挥了作用。
这些系统各具特色，共同提高了国内开发该类系统的整体水平。
国内大型工程的监测信息处理系统一般是按照决策支持系统的模式开发的。
决策支持系统由数据库、模型库、知识库、方法库及各自的管理系统组成，通过人机界及多库协同系统为用户提供数据支持、模型支持以及具有一定智能化的扩展支持。
随着国内大坝监测自动化采集系统日益广泛的得到应用，对系统开发也提出了更高的要求。
在分析处理大量的自动化观测数据过程中，有些环节易于实现自动化，如日常管理中的图表绘制、利用定量标准对数据进行检查等等。
有些环节则涉及到半结构化或非结
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