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龙羊峡大坝安全分析专家系统实例分析龙羊峡水电站位于黄河干流上,是综合治理黄河的龙头水库,坝址以上集水面积为131420km2,是以发电为主,兼顾防洪、灌溉等综合效益的大型工程。

水电站枢纽由混凝土重力拱坝、左右岸混凝土重力坝副坝、泄水建筑物、引水建筑物和水电站主副厂房等组成。

挡水前沿总长1226m,其重力拱坝主坝长396m,最大坝高178m,底宽80m。

水库校核洪水位、正常高水位、汛前限制水位和死水位分别为2607m、2600m、2594m、2530m,总库容247亿m3,总装机1280MW,年发电量59.42亿Wh,系陕甘青宁电网的主力电站。

工程1978年7月开工，1979年12月截流，1986年10月开始蓄水，1987年9月底第一台机组发电，1992年全部机组投运。

坝址位于龙羊峡峡谷进口下游1.5km处，两岸山坡陡峭，谷深约150m，整个河谷横断面呈“V”型。

河流自西向东，平水期水深约10m，水面宽3040m。

河谷顶部宽约200m。

坝轴线下游约300m处，有宽100m的大断层横切河床，形成冲沟。

两岸坝肩山体较为单薄。

除右岸副坝局部坝段外，建筑物基岩为坚硬的花岗闪长岩，但断裂较为发育。

坝址区有8组断裂，主要为北西向横贯两岸的压扭性断层和北东向斜穿大坝上下游的张扭性断裂。

近坝库区右岸是超固结粘性土为主的河湖相地层，岸坡高达300500m。

坝址区受河西系构造影响，地震基本烈度为8度，主要水工建筑物按9度设防。

由于坝址有10条大断层，因此进行了大规模的处理工作。

坝基处理的主要措施有：

调整拱坝体形，使坝肩向两岸适当深嵌，避开坝肩被断裂割切的不利影响，使拱端推力方向与可能滑移面近于正交；对近坝断层采用网格式混凝土置换洞塞；对较宽的断层及其交汇带采用混凝土传力洞塞和传力槽塞，传力洞断面达60m2；在F73断层上，设置网格式混凝土抗剪洞塞；对断层周围岩石和近坝未经置换处理的断层进行高压固结灌浆；对两岸局部不稳定岩体，采用抗剪洞塞，预应力锚索、锚桩、锚杆、表面衬护、排水等方法加固；坝基防渗帷幕和排水幕延伸至两岸深部并在坝前用混凝土封堵、高压固结灌浆、化学灌浆等方法拦截渗流。

帷幕灌浆孔为2排，谷底孔深80m，左岸孔深160m。

基础处理总工程量为：

地下岩石洞挖18万m3，回填混凝土12万m3，帷幕灌浆16.4万m，固结灌浆26.1万m，化学灌浆1.45万m，排水孔5.3万m，岩锚7万t，喷锚护面2万m2结合龙羊峡工程的实际情况，尤其是关键问题，建立了“一机四库”的体系。

总体上实现了“实时分析”的目标。

1995年6月在青海省电力局安装，推理分析了运行中出观的疑点，并进行改进和完善。

然而，龙羊峡大坝尚属运行初期，最高库水位为2577.59m,尚未达到设计工况的荷载。

尚未进行工程验收和定期检查，有待进一步完善和补充知识库和推理机的知识。

龙羊峡大坝安全分析专家系统龙羊峡水电站1986年下闸蓄水运行至2001年经历了三次较高水位、三次3级左右的水库诱发地震活动期和两次里氏4.0级以上的构造地震影响，总的来说近坝库岸、大坝和两岸坝肩岩体、引水系统和发电厂房等工作状况正常。

大坝径向和切向变位绝对值较小，基础和深部断层变位较小，坝体防渗效果好，大坝和基础工作状态正常；主坝及基础处理整体质量合格，断层带高压固结灌浆后变形模量满足要求；设计技术方案合理、可靠，满足规范要求。

尚未经过正常蓄水位的考验，应对近坝库岸稳定和滑坡涌浪问题、泄洪安全与下游防护问题、工程抗震、下游坝面裂缝问题给予高度重视。

2001年7月10日至12日，国家电力公司受国家经贸委委托组成专家组对龙羊峡水电站枢纽工程进行竣工验收。

龙羊峡大坝地力学模型试验表明，坝基处理后的大坝超载破坏安全系数达到了设计要求。

十余年初步运行表明，基础处理设计符合实际。

大坝使用的原则和方法，后期国内主要高坝或特高拱坝有所采用。

龙羊峡近坝库岸滑坡涌浪问题的研究，贯穿于水电站的设计、施工和运行的全过程。

水电站初期运行实践表明，该项研究基本上是成功的。

所采取的运行措施是适当的。

龙羊峡水电站获国家优秀设计金质奖。

历史最高蓄水位是年的海拔2581.08m，除此之外，龙羊峡水库长期在低水位运行。

2005年7月18日至11月19日库水位上升至2597.62m，水位上升幅度达27.33m。

先后召开了三次高水位运行专家会，对水位在2585、2593、2597.62三个高程下的运行提出了评价意见:

龙羊峡水电站大坝首次经受了水位抬升和低温高水位运行的考验。

坝体变形规律基本正常，坝基稳定，大坝整体性良好；坝体和基础帷幕的防渗性能达到设计要求；两岸坝肩坝肩岩体实测性态稳定，虎山坡未见异常；库水位升高未加剧水库诱发地震。

因此，高水位运行下的大坝是安全的，并处于有效的监控状态。

龙羊峡大坝安全分析专家系统实时分析知识库的知识主要依据各类规范和分析报告,并收集有关专家对大坝安全分析和评价的咨询意见,进行归纳总结而成的评判准则。

1.评判类知识评判准则

（1）时空分析评判准则首先,绘出荷载X和效应量y的过程线,统计各特性值（年最大值ymax和最小值ymin以及年变幅y和均值,本次测值yi的前一次测值yi-1以及在相同荷载条件下的前一次测值yj-1。

倍观测中误差1）突变值识别定义当本次测值与前一次测值之差大于时,则该测值为突变值。

即时,则该测值为突变;否则为正常。

2）趋势性识别定义当本次测值与环境量基本相同的前一次测值之差大于倍观测误差时,则有趋势性变化,即时,则该测值有趋势性变化。

若时,则该值正常,否则为疑点。

符号规定:

顺河流向水平位移或径向位移以向下游为正,向上游为负;垂直河流向水平位移或切向位移s以向左岸为正,向右岸为负;铅直位移z以下沉为正,上升为负。

2）应力评判准则符号规定:

以压应力为正,拉应力为负。

3）扬压力评判准则时,扬压力正常。

时,扬压力为疑点或异常。

实时分析-推理机的知识“实时分析”评判准则，若发现某测值为疑点时,则要进行综合成因分析。

即首先进行监测检查,若是观测因素,排除疑点；否则为异常,进行物理成因分析,弄清真谛。

如果找不出物理成因,则进入专家综合评判。

最后提出防范措施的建议。

因此,推理机由3部分组成,即成因分析、综合评判和防范措施的建议。

龙羊峡大坝安全分析专家系统1.成因分析主要任务是弄清疑点是观测因素还是外荷和大坝结构变化所引起。

因此,发现疑点后，首先要检查资料的可靠性和监测系统。

若非,则进行物理成因分析。

定义1若是观测资料和监测系统引起的疑点，修正测值,则大坝为正常状态，排除疑点。

若非,则进行疑点的物理成因分析。

因此，本部分包括监测检查和物理成因分析。

实时分析-推理机的知识

（2）物理成因分析经监测检查,疑点是由非监测因素引起时，则为异常。

应用推理链对其进行物理成因分析，首先进行外因分析,然后进行内因分析。

1）外因（即环境影响量）分析检查水位是否骤升或骤降。

对薄拱坝及支墩坝,检查年气温是否超高温或超低温,寒流引起的气温骤降或夏天气温骤升。

检查坝区有否特大暴雨等恶劣气候;是否发生强烈地震或大爆破;地下水位是否发生大面积骤升或骤降;有否采取重大工程措施等等。

2）内因分析首先分析坝基，然后分析坝体。

在分析时,根据坝工理论，应用正反向推理链等方法,对产生异常的可能物理成因进行分析。

1）马尔巴塞坝模式地质问题。

在左岸有倾向下游的片理软弱面，并被倾向上游的断裂切割成楔形体，使其抗剪强度很低，在荷载作用下，沿楔形体下部表面产生滑动。

渗流场与应力场的耦合作用。

坝踵存在拉应力，使片岩节理裂开，渗流水进入，排水又不畅,沿断裂面产生过大扬压力,如此恶性循环。

与此同时，左岸坝基面倾角较缓,其滑动角大于摩擦角。

由于上述综合因素，导致楔形体沿断裂层面和左侧地基滑移，从而加大左岸拱端推力传给重力墩，使其向上滑动约2.00m。

拱作用破坏。

在上述因素作用下,坝体拉应力区增大,并向下游坝面发展,拱作用破坏。

缺乏监测设施。

在坝基扬压力骤升、重力墩产生显著向上滑移等异常情况时,因缺乏观测设施,又没有日常巡视,所以未发现上述异常征兆。

因而.未采取快速降低水位的措施,从而产生灾难性后果。

2）梅山连拱坝模式3）Khadrakwasha坝模式该坝主要是设计洪水偏低,在特大洪水时漫顶,使下游面及坝趾处冲刷而破坏4）丰满坝模式该坝主要是老化问题。

从日伪时期修建至运行以来,已有50多年,表面混凝土由于高寒冰冻，强度降低，有效断面缩小，从而产生溢流坝面冲毁的事故。

5）VegaveTeva坝模式该坝为支墩坝,其中支墩用浆砌石,面板为钢筋混凝土。

由于两种材料的模量相差较大,使面板内产生很大拉应力,首先出现两条水平裂纹,渗流水进入,增大渗透压力,使支墩抵御水平剪力降低,导致失事。

6）Vajiont坝模式该坝主要是近坝区产生约2亿m3的塌方,引起水库雍浪（右岸约220m,左岸约120m），水库淤积,缺乏兴利库容，使下游一城镇遭受严重灾难。

大坝虽经高水头漫顶,但未引起大坝失事。

综合评价由“实时分析”的准则评判,发现疑点,并经上述成因分析,如仍无法弄清疑点的性质,则织有关专家,应用模糊评判原理对产生疑点的可能原因进行分析;并对大坝、坝基工作性态的影响及其防范措施进行综评价,求出安全指标ri和R。

采用多层次阈值模糊评判原理进行分析。

（1）评判模型1）基本原理将大坝安全评判分若干层次（一般为23个层次）。

首先从最低层次开始,进行单项模糊评判。

然后将其结果逐级向上一层次递推。

最后,对第一层进行评判。

在“实时分析”中,若主要观测量（如变形、渗流）的安全指标,或者在“综合评价”中的洪水标准、强度、稳定及危及大坝的库区滑坡等的安全指标达不到标准时,则视为异常或病险坝。

2）“实时分析”系统的评判模型3）“综合评价”系统的评判模型各专家权的隶属度。

垠据权威性和熟悉权表的隶属度应用模糊权矩阵,求出各专家对“实时分析”和“综合评价”的评判权。

5）专家评语集各专家对各项的评语分优、良、及格、不及格和差,各评语的评分隶属度见下表。

3.决策应急措施龙羊峡大坝安全分析专家系统综合评价知识库的知识“综合评价”系统主要结合大坝安全定期检查开发。

根据设计复核、审议施工、运行和长期观测资料分析等工作,以工程等级、设计标准、强度、稳定、施工质量、运行、原型工作性态和近坝库区危及大坝安全的滑坡等标准,对大坝的安仝作出评价正常坝、病坝和险坝。

因此,综合评价的知识源主要来源于各类设计、施工、运行和监测规范等。

2.评判类知识评判准则根据大坝的安全标准,“综合评价”中的知识库有8大类准则。

（l）枢纽工程等级评判准则根据枢纽和建筑物等级划分规范确定分级。

龙羊峡水库库容247亿m3（正常蓄水位）、装机128OMW。

因此,龙羊峡枢纽工程为一等,大

（1）型,大坝为一级建筑物。

（2）设计标准评判准则设计标准包括洪水标准、安全超高和抗震设防。

根据枢纽工程等级评判准则确定建筑物级别。

（3）强度评判准则应力符号:

以压应力为正,拉应力为负。

拱坝以拱梁法、重力坝以材料力学法计算的应力值作为依据。

用有限元计算的应力作为参考,并且计算应力用高斯积分点的应力,结点应力用经高斯光滑化处理后的应力。

（4）稳定评判准则主要复核沿不利滑动面的滑动。

若两岸岩性不同,对拱坝还要复核上滑稳定。

计算公式一般采用抗剪断公式。

若有明显滑裂面,且坝高较低,也可用抗剪公式计算。

滑动面上的作用力,拱坝用拱梁法、重力坝用材料力学法计算的应力作为依据。

对复杂结构,可用有限元计算滑动面的应力（高斯积分点的应力）求和的值作为参考。

（5）施工质量评判准则混凝土坝（6）运行评判准则主要包括日常巡查、机械设备和泄洪及消能等。

其中,大坝日常巡查与“实时分析”中的日常巡查评判准则相同。

（7）大坝及坝基工作性态评判准则在定检时,一般要对监测资料进行一次全面地分析和反分析,重点用监测量的时空分布和时效分量,其次用弹性分量,以此来评价大坝及坝基的工作性态,对存在的不安全因素或疑点进行成因分析,并将建立的监测模型和监控指标,或者应用补充资料后修正的模型和指标对大坝今后运行进行监控。

综合评价的专家知识基本同于“实时分析”系统的知识库。

即套用“实时分析”知识库中的各类评判准则，但是要补充弹性分量和时效分量评判准则。

1）观测值与设计值对比评判准则应力和扬压力的观测值与设计值（或试验值）比较,与“实时分析”的有关准则相同。

这里重点研究变形观测值与设计或试验值比较。

由于设计或模型试验主要给出水压荷载的变形,因此,在对比时,用观测资料建立的模型所分离的水压分量与设计、试验值比较,即用梁、水平拱或空间位移场进行比较。

2）时效分量评判准则由各监测物理量建立的各类数学监控模型分离出来的时效分量,依据其变化规律,并结合相应的监控指标,提出综合评判标准。

与此同时,根据各类监控物理量的特性,可归纳为两大类:

变形和应力应变、扬压力和渗流量。

变形和应力应变的时效分量评判准则,按其变化规律,可分为下列几种情况:

扬压力和渗流量的时效分量评判准则（8）近坝库区滑坡失稳评判准则在大坝定检时,一般要对滑坡的实测资料进行一次全面地分析,以此评价滑坡体的稳定状态。

并将建立的监控模型和监控指标或补充资料后修正的模型和指标对滑坡体的变形进行监控。

因此,综合评价系统的专家知识基本同于“实时分析”系统。

重点用时效分量进行评判。

3.评判准则的权重分析根据大坝设计规范,洪水标准、强度和稳定评判准则是必须满足的。

大坝及坝基工作状态主要用变形和渗流,若确定为危及大坝安全的不安全因素,其实质上反应了威胁大坝安全的坝体和坝基的隐患,因此根据大坝的安全条例,大坝及坝基工作性态评判准则也是必须满足的。

若确实存在大体积快速滑坡引起漫坝或影响大坝坝肩和坝基稳定的滑坡,则近坝库区滑坡失稳评判准则也应必须满足的。

运行评判准则中,若存在危及大坝、厂房安全的问题,也应满足。

因此,给出“综合评价”系统评判准则的权重。

定义1必须满足洪水标准、强度和稳定的设计要求。

这三个准则是大坝安全的必要充分条件,若不满足其中的一项,则大坝为病坝或险坝。

定义2若大坝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）,则大坝为病坝或险坝。

定义3若近坝区存在危及大坝安全的大体积滑坡,则大坝为病坝或险坝。

定义4若控制闸门存在损坏、缺陷和操作失灵,则应及时认真修复后,恢复功能。

定义5若泄洪建筑物的泄洪能力达不到设计要求,下游冲坑危及大坝安全,则为病坝或险坝。

产生气蚀的部位应认真修复。

综合评价-推理机的知识由“综合评价”的知识库中的评判准则,应用模式识别和模糊评判原理,对枢纽和大坝的等级、设计标准、强度、稳定、施工质量、运行管理、大坝及坝基工作性态以及滑坡等进行评价。

若判别大坝是病坝或险坝,则要确定报警级别,拟定控制运行水位,对可能出现的险情,提出紧急防范措施。

1.安全的定义2.报警级别当定检确定为病坝（或异常）或险坝（或险情）或遭遇特大洪水和地震等毁灭性灾害时,则要确定报警级别,并呈报上级主管部门和大坝安全监察中心审批后,供“实时分析”执行。

（1）一级报警当满足下列条件之一者,作为一级报警,为水电站领导提供决策依据。

（2）二级报警当满足下列条件之一者时,作为二级报警,为省局级主管部门决策。

（3）三级报警当满足下列条件之一者时,作为三级报警,为部级主管部门决策。

3.辅助决策措施当判别大坝是病坝或异常、险坝或险情时,由于其它因素（如降雨、地质、温度等）人为无法控制,因此,用库水位来控制。

1）降低水位运行的晴况经强度和稳定复核,按原设汁水位运行不满足规范要求。

在未补强加固前,按现有强度和稳定,拟定降低水位的数值。

洪水标准和安全超高不够,但可用降低水位控制时,由调洪演算,确定降低汛前限制水位的数值。

当危及大坝安全的滑坡体处于快速滑坡时,以不漫坝为控制条件,由观测的滑坡体方量及其在坝前的雍浪高,确定降低水位的数值。

2）快速降低水位情况当观测值或日常巡视达到三级报警时,则快速降低水位,直到恢复至一级报警指标或以下。

当出现特大洪水可能漫顶时.由预报洪水临时修正调洪方案,快速降低水位。

当遭到特大地震,观测值又达到三级报瞥指标时,则快速降低水位,直到恢复到一级报警指标或以下。

谢谢！