水工建筑物安全监测与健康诊断ebook.docx

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水工建筑物安全监测与健康诊断ebook

课程编号:

S205C196

水工建筑物安全监测与健康诊断学时:

24,学分:

1.5

授课单位:

建工学院任课教师:

徐国宾

参考教材:

吴中如.水工建筑物安全监控理论及其应用.高等教育出版社,2003

主要参考书:

1.*赵志仁.大坝安全监测的原理与应用.天津科学技术出版社,1992

2.王德厚.大坝安全监测与监控.中国水利水电出版社,2004

3.郦能惠.土石坝安全监测分析评价预报系统.中国水利水电出版社,2003

4.吴中如,顾冲时.大坝安全综合评价专家系统.北京科学技术出版社,1997

绪论

§0-1大坝安全监测与健康诊断必要性

大坝安全监测与健康诊断就是收集大坝观测数据和解释这些数据。

在水利界,“大坝”一词,有时也具有“水库”、“水利枢纽”、“拦河坝”等综合性含义。

所以大坝安全监测与健康诊断,实际上也可以理解为以大坝为中心的各种水工建筑物的安全监测与健康诊断。

我国目前已建成8.5万多座大坝,由于历史原因和当时的经济、技术条件,一些大坝的安全度较低或者设计标准偏低等,以及多年运行,年久失修,约有33%的大坝存在较多的隐患和老化病害,尤其是中小型水库病坝更为严重,影响着这些工程效益的发挥,甚至威胁下游人民的生命财产安全。

另外,随着水能资源的深入开发,一些新建或待建的大坝坝址的地质条件越来越复杂,大坝的规模也越来越大,增加了大坝出事的风险因素。

如近些年来我国已建坝高在150m以上的工程,有二滩、龙羊峡、乌江渡、白山、三峡等,正在建设和准备建设的如小湾、拉西瓦、锦屏一级、溪洛渡等高拱坝均为300m级的超高坝。

因此,大坝的安全已引起人们的普遍关注。

水工建筑物的特点,不仅表现在投资大、效益大,设计施工复杂,也表现在其失事后果严重。

大坝建成后,随着结构老化以及其它随机性的原因,出现事故,也难于完全避免。

但是可以采取措施减免事故发生,或将事故发生所造成的损失减至最小,特别是减少人员伤亡还是能够做到的。

可以采取的措施包括:

①改进大坝设计方法;②加强大坝安全监测;⑧重视工程的规划和勘探,特别是水文分析和地质、地基工作;④严格大坝运行管理、除险加固。

大坝的寿命可分为运行初期、正常运行期和老化期三个阶段。

大坝运行初期和老化期,最容易出现问题。

见图1-1。

图1-1大坝各龄期失事概率示意

根据世界大坝的统计资料,几乎60%左右的大坝失事,都是在水库蓄水后头几年内发生的。

在大、中型水电工程中,常常提出“提前发电”的要求,即在主体工程尚未全部竣工之前,水电站便开始投入运行,大坝便开始工作。

此刻水库尚未形成,工作条件可能比设计情况更恶劣,最容易出现问题。

所以,在运行初期,要加强监测及时排除故障。

大坝在正常工作的龄期内,产生洪水漫顶导致垮坝的,属随机事故。

这类事故在失事坝中的比重,各国统计数字均占首位,在我国占51.5%。

漫顶失事的概率密度与大坝寿命和质量关系不大,主要随遭遇洪水而定,表现为随机失效特点。

漫坝失事主要是土石坝。

漫顶,主要是入库流量超标,溢洪道故障,闸门操作失灵等原因。

持续漫顶,会增加失事致灾的可能。

大坝由于材料老化,混凝土受冷热交替、气候变化影响,地下水浸蚀,泥沙作用,逐步丧失强度和稳定,同时附属设施等也会出现老化现象。

在老化期,容易出现问题。

目前对大坝老化有如下几点认识:

1土石坝与混凝土坝、砌石坝相比,其老化速率较慢,但洪水漫顶是土石坝的致命危险。

2筑坝技术对堤坝老化和事故影响很大,随着筑坝技术的发展,坝的技术性能在不断提高,其老化和破坏率也随之减小。

3随着坝龄增加,坝坝遭受各种外力作用及意外考验的概率增高,使坝坝老化加剧。

也就是说除了坝自身外,水库蓄泄的频次和幅度以及地震、洪水、异常气候、生物侵害等不利影响均随坝龄增长而增大,这就是坝坝老化的外因。

4加强管理、维修工作,保持堤坝承载能力,可延缓堤坝的老化过程。

大坝最严重的失事就是垮坝。

水库垮坝是一种特殊的灾种,一旦发生,后果十分严重。

例如:

1975年河南板桥、石漫滩两座大型水库、两座中型水库和58座小型水库垮坝,致使29个县市1100万亩农田遭受毁灭性灾害,冲毁铁路102km,直接经济损失100亿元,死亡人数达9万人。

这次垮坝堪称是世界最大垮坝惨剧;1963年海河大水,5座中型水库垮坝,死亡达1000多人;1993年青海沟后小（一型水库垮坝,死亡320余人。

随着经济与社会发展,城市化、人口与财产高度集中,垮坝所造成的后果也会越来越严重。

水库垮坝悲剧,如同阴影,伴随着人类自进入“工业革命”时代以来的水库兴建史,一再重演。

下面为国外部分水库垮坝事故一览:

1864年,英国戴尔戴克水库在蓄水中发生裂缝垮坝,死亡250人,800所房屋被毁。

1889年,美国约翰斯敦水库洪水漫顶垮坝,死亡4000-10000人。

1959年,西班牙佛台特拉水库发生沉陷垮坝,死亡144人。

1959年,法国玛尔帕塞水库因地质问题发生垮坝,死亡421人。

1960年,巴西奥罗斯水库在施工期间被洪水冲垮,死亡1000人。

1961年,苏联巴比亚水库洪水漫顶垮坝,死亡145人。

1963年,意大利瓦伊昂拱坝水库失事,死亡2600人。

1967年,印度柯依那水库诱发地震,坝体震裂,死亡180人。

1979年,印度曼朱二号水库垮坝,死亡5000-10000人。

大坝失事的原因虽然多种多样,但在大多数情况下,总与不能及时掌握建筑物及其基础的实际运行状状有关。

事实上,绝大多数建筑物的破坏过程都不是突然发生的,一般都有一个缓慢的从量变到质变的发生过程。

即使建筑物存在一定的缺陷,或在设计理论和施工技术上有一些未确定因素,运行中有一定的风险,

但只要在建筑物施工和运行中通过认真仔细的检查、监测、分析,就能了解和掌握建筑物及相关岩体的性状变化和出现的异常症状,及时发现事故前兆,防患于未然。

大坝安全监测最初是为验证设计,由设计部门提出的。

然而,一系列重大水工事故使人们认识到,大坝监测工作对于监视大坝安全来说是必不可少的。

这是因为人类对客观规律的认识有局限性,水工建设中的地质勘探、设计施工难以做到完美无缺、万无一失。

况且近几年在地质条件复杂的条件下兴建的大库高坝越来越多,使水工建设中的各个环节包含着一定的风险因素,虽然人们可以精心设计、精心施工,提高大坝的安全度,把失事的概率减低到最小程度,但监视大坝性状变化仍是不可缺少的。

因此,对任何施工、蓄水和运行中的水库大坝及其它水工建筑物都应布设监测系统,量测坝体及基础的变形（位移、渗压渗流、应力应变状态等,以了解大坝和基础性状的演变趋势,发现危及安全的异常因素。

事实上很多失事的坝在事前的监测资料中都可找到前兆反映,但是,监测仪器的布设和量测频度,很难做到空间与时间上的连续性。

从目前的监测水平来看,监测系统反映出来的各效应量的变化,只是一些分散的不连续的现象。

一些重要的异常迹象可能被遗漏,在某些出事的部位又恰好没有布置监测仪器,或者虽然布置了仪器,但因仪器本身有缺陷或老化,输出的是错误的信息,这些都影响了监测系统的可信赖性。

§0-2大坝安全监测与健康诊断系统概况

一、大坝安全监测系统

大坝安全监测是指直接或借用专门的仪器设备,对建筑物本身及相关岩体,从施工之前开始包括对施工、蓄水、运行整个过程,对其性状变化所进行的量测与分析。

这一过程包括三个基本环节:

数据量测、数据采集和数据分析。

一个完整的大坝安全监测系统也应该由这三部分组成。

1.数据量测:

数据量测的目的是通过量测手段从监测仪器取得实测数据。

即在选定的建筑物若干部位,根据监测设计的要求,在土建施工中预先埋设或安装监测仪器或设施,按照规定的观测频率进行量测,获取反映建筑物及相关岩体性状变化的数据和资料。

监测仪器应重点布置在工程地质条件或结构形式相对薄弱的部位,或对工程安全评价比较敏感的部位,区分为三种:

关键监测部位或断

面、重要部位或断面、一般部位或断面。

按监测物理量类型可分为两大类、环境（原因量和效应量。

环境量主要包括:

气温、水温、降水量等,效应量监测项目分为常规监测、专项监测和日常目试检查三大类。

常规监测主要有变形监测、渗流渗压监测、应力应变和坝体温度监测;专项监测是指为常规监测提供必要的控制数据、基准数据、环境参数及其他一些辅助|生监测项目,例如:

坝区变形控制网、地应力监测、水力学监测、振动爆破监测等;另一类监测是指对大坝坝体、廊道、坝肩、泄水设施、发电设施、通航建筑物、高陡边坡等通过目视检查和一些辅助手段进行的日常或定期检查。

2.数据采集:

数据采集（包括传输是指定时或定期把量测得到的数据或资料通过数据自动采集装置或人工手段或半自动半人工的方式采集起来作短时存放,或使用互联网、电话线或专用电缆集中传送到近坝区或远方的监测中心。

3.数据分析:

数据分析（包括数据管理、分析解释、安全评价和辅助决策的主要功能是对传输来的各类监测数据和资料进行有序管理,建立数据库、图库、分析方法库、数学模型库和相关知识库等,并应用一系列数据分析软件,通过对测点监测数据的时序分析、相关分析,对建筑物及相关岩体的性状变化和安全状态作出评价。

在出现可能危及建筑物安全的异常状况时,及时作出预报,进行分类分级报警,并提出应对措施的建议,为主管部门决策提供依据。

二、监测方法

通过现场观测及数据处理得到大坝性态（如实测渗水量、位移、应力的实测值,以其与监测模型求得的预测值进行比较,若两者之差小于容许值,属正常,否则,属:

①大坝性态异常;②荷载或结构条件变化;⑧观测系统不正常。

此刻都需要采取措施或找出原因。

这个过程的实现需要建立一整套观测与分析系统。

这个系统能够在计算机辅助下,实现大坝观测数据自动采集、处理、分析与计算,能对大坝性态正常与否作出初步判断和分级报警的观测。

这种自动化的观测系统是保证大坝安全的重要手段,和人工观测系统相比,具有:

①快速、及时、多样、反复比较;②可靠性大;⑧费用低等特点。

三、监测模型

对大坝安全进行定量评估,在于建立安全评价的数学模型和大坝观测的数据库。

在我国,一般应用分析软件包对原始观测数据库进行处理和计算。

大坝安全监测能够采集到大量的实测资料,但如何对大坝工作状态和对大坝安全性进行定量评价,关键是建立安全评价的数学模型。

用这些数学模型计算出理论参考值,再与实测资料进行比较,对大坝的工作状态和大坝安全性作出合理评价。

目前我国多采用:

统计模型、确定性模型和综合二者建立起来的混合模型计算理论参考值。

（1统计模型:

根据正常运行状态下某一效应量（也是因变量,如位移的实测数据,通过统计分析建立起效应量与原因量（也是自变量,如水位、温度之间相互关系的数学模型。

只要原因量在运行变化范围内,则可预测今后相应关系的效应量。

回归分析是建立统计数学模型的一种主要方法。

统计模型建立后,将模型计算值与实测值进行比较,即可对大坝工作状态和大坝安全性进行评价。

（2确定性模型（决定论模型:

是以水工结构分析的方法为基础,建立起来的原因量与效应量之间的因果关系式。

对坝的结构分析计算一般采用强度理论或三维有限元法。

当在同种条件下某一效应量的实测值与模型预报值之差,处于容许的范围之内时,则认为该部位处于正常状态,否则为不正常。

（3混合模型:

在考虑原因量与效应量之间的因果关系时,一部分采用力学计算方法,另一部分采用统计分析方法。

统计模型、确定性模型和混合模型各有其适用范围,选用何种模型应根据效应量和实测资料的具体情况确定。

从实用的观点来看,在施工和第一次蓄水阶段以采用确定性模型为宜,而在正常运行阶段,统计模型可以用于各种因变量的分析。

到目前为止,确定性模型仅对混凝土坝的位移分析取得了较好的结果,但就大坝安全而论,位移不一定是最重要的,比如:

渗流量就常常是衡量大坝安全状况的一个非常重要而敏感的效应量,但是至今还未能建立起比较理想的确定性模型,而只能利用统计模型。

至于对复杂地基和土石坝变形,由于存在强非线性成分,更难以采用确定性模型。

除了上述3种模型以外,还有基于灰色系统理论、模糊数学理论、遗传算法、人工神经元网络、突变理论、混沌理论及其他非线性动力学理论建立的各种预测模型。

数据库用于对观测资料进行整理和保存。

对一个工程来说要求数据库和软件包具有广泛的适用性和针对性。

一座混凝土坝的安全监测数据库系统,需要有一个仪器观测数据库（坝体变形、温度、接缝、基岩变形、应力及应变、扬压力等分库;和工程情况库（上、下水位、气温及水温、闸门、发电钢管等分库。

应用软件能够对大坝观测数据的各类数据库文件进行管理。

通过以上简要论述可以看出:

建立一个完整的大坝安全监测监控系统,涉及水工结构、岩石力学、监测技术、仪器仪表、数字技术、计算机技术等专业,涉及的学科包括工程学、数学、力学、物理学、人工智能、计算机科学等,很多问题涉及学科的前沿,因此它是一个跨学科跨专业的领域,需要多方面的专家共同研究和探索。

四、大坝安全监测与健康诊断目的

通过对大坝进行安全监测与健康诊断,主要达到下面三个目的:

（1为了短期（水库第一次蓄水和长期大坝及基础统一体的安全,对运行性状进行监测。

（2为了提高将来设计水平,将实际状况与设计预测的进行对比。

（3掌握施工过程中坝与基础的实际性状,据以修改、补充设计或施工技术方案。

要达到第一个目的,首先要能准确、及时地提出监测资料;特别要能及时检测出反常性状。

完成第二、三个目的所要求的任务,必须要由有经验的工程技术人员掌握一个比较符合实际的设计模型或预报模型,通过预测与实测值的对比,来检验和判断设计所采用的参数和假设与实际相差的程度,做出相应的修改、补充,达到提高设计和施工水平的目的。

国内外大坝安全监测的经验教训,有不少大坝出现险情的部位并不发生在装设仪器监测的断面上;也有监测仪器装设齐备的大坝然而却失事了。

因此,安全监测系统并不能包揽大坝的安全,这是必须正确认识的,因为不论安全监测部位如何周到,监测项目如何齐全,但就枢纽整体而言,仍属局部;而且人们对事故类型、可能发生的部位和时间,尚不可能预料。

为了确保枢纽整体的安全,纵使有了符合枢纽建筑物及其基础实际、具体条件比较周全的量测系统,也还必须有掌握和熟悉建筑物及其基础全面情况的监测人员或设计人员,进行经常的或定

期的全面、深入、认真的现场目视检查,与之紧密结合,对整个枢纽的安全状况以及在后续运行中应该注意的事项或需采取的措施,作出可靠的评价。

§0-3大坝安全监测及关键技术问题

安全监测的主要目的是及时发现大坝运行中（特别是在洪水、汛期、非常规条件下出现的异常征状并进行分析和评估,对可能出现的事故前兆进行报警并提出处理建议,包括工程处理措施、水库调度方案以及下游紧急疏散方案和防洪、泄洪预案等。

这就是大坝安全监控的真正含意。

显然它不是一种实时监控系统,而是一种监测信息反馈决策支持系统。

它应该建立在对监测数据进行快速采集、传输、分析、处理的基础上,实际上是一个依托监测数据量测、传输、管理、分析工作及一系列计算机软件和硬件设备,为工程管理部门服务的安全决策支持系统。

大坝安全决策支持系统需要的数据类型比较多,有工程勘测设计数据、工程施工资料、监测仪器性能参数、埋设安装记录和大量的动态的实测数据、记录等,数据类型有数字、文字、图表、音像等,形式多样。

为了对这些数据进行有序管理并及时提出有用的信息,必须建立功能优越、查询高效的数据信息库,应用现代数据库管理技术,包括数据仓库、数据发掘技术等才能充分发挥数据的潜在作用。

监测系统有很多监测项目,对同一种监测项目又有多种仪器在多个部位监测,并提供多种类型的监测数据。

如何有效地利用这些数据得出安全评估的结论呢?

先要对原始监测数据做初步处理,包括对数据进行可靠性检查、一致性检查,以及数据的粗差、误差处理、数据滤波和统计分析等。

再对数据的规律进行分析,涉及很多对数据序列趋势的分析处理方法和技术。

一般使用建立数学模型即监控模型的方式进行。

为此提出了各种建模方法,风险评估方法和异常征兆分析方法。

有时还要使用数值计算方法（如有限元法进行仿真计算。

很多专家为此发挥了聪明才智,提出了大量有创意的研究成果。

建立数学模型为实现大坝安全监控提供了途径,但又提出了监控指标的问题,不同监测项目、监测数据和不同类型的监控模型都要求有相应的监控指标。

一般而言,在大坝设计文件中,除对大坝扬压力的要求可直接用于监测外,作为安全设计标准之一的安全系数,不是实测的效应量（如位移、应力、应变等,在

其间如何建立对应关系是一个需要研究的问题。

事实上根据大坝出现异常或失事前兆所反映的效应量（如位移值来制定监控指标是比较直观的,但非常缺乏这样的实测数据。

要真正解决这些问题,需要设计、施工和工程管理部门及有关专家积累经验、收集数据,共同探索。

安全监控系统在对大坝安全状态作出评估发现异常时,还应该为工程管理部门提出处理大坝异常症状的方案和措施。

为此,大坝病害诊断系统、大坝安全评估专家系统、安全决策支持系统包括专家会商系统的研究近几年得到很多专家的重视,并提出了一批有应用价值的研究成果和计算机软件。

§0-3大坝安全监测与健康诊断技术的发展趋势

随着世界各国水力资源的不断开发和利用,大坝及其它类型的水工建筑物的数量在不断增加。

因而,水库大坝及其它水工建筑物的安全问题也越来越引起社会公众的关心。

国际大坝委员会（ICOLD在第8、13、34、15、17届大会上都讨论了大坝及基础安全监测问题,并先后发表了第21、23、41、60、68号公报,对大坝及基础的监测提出了一系列的要求。

一些发达国家如美、意、法、日等国都设立了专门负责大坝安全的管理机构,建立了法规、法令和制度。

我国政府对大坝安全问题也非常重视,上世家60年代水电部主管部门编制出版了《水工建筑物观测技术手册》,80年代颁发了《水库工程管理通则》,近几年水利部、国电公司先后成立了大坝安全监察中心和大坝安全监测中心,各流域机构、各大网局、各大水利设计院和各省市的水利部门都有专门从事大坝安全管理和监测的机构和专业技术人员。

我国继人大常委会颁布《中华人民共和国水法》之后,水利部、能源部在1989年制定颁发了《混凝土坝安全监测技术规范（试行》,1990年水利部还编写印发了《土石坝安全监测技术要点》。

这些工作使我国的大坝安全监测工作逐步走上了正规的道路,也将进一步促进我国大坝安全监测技术的发展。

从近几年一些国家大坝安全监测与健康诊断技术发展来看,有下面一些动态和特点。

1.监测系统设计方面

（1普遍认为监测的主要目的是监视大坝安全,发现异常迹象。

因此,监测系统的设计更加强调监视安全这一条,其次是验证设计和指导施工。

（2监测布置应该把大坝及基础作为一个单元来考虑。

要加强对基础和坝肩

岩体的变形观测和渗流观测。

（3监测工作包括资料的量测采集、资料的处理、解释和管理,以及现场目视巡查。

因此,监测系统的设计应包括资料量测系统和资料管理系统的设计,还要对现场目视巡查所需的条件作出设计和安排。

（4监测系统必须有快速反应能力和应变能力,能适应不同阶段不同条件下监测工作的需要。

（5坝体及基础的位移监测,倾向于以正倒垂线与引张线相结合组成整体观测系统,辅以静力水准仪、滑动测微计、钻孔倾斜仪、多点位移计等仪器量测坝体转动和基础变形。

同时,在大坝外围布设多级控制网,以观测和控制坝体及两岸的整体位移。

（6对于混凝土坝,应变计只用在一些部位;关于渗漏量测,重要的是将一个有效的排水系统与这些仪表相结合。

2.仪器选择和仪器埋设方面

（1仪器的量程和精度必须满足监测要求。

（2仪器的元器件应长期耐用,运行可靠,能适应恶劣环境。

（3更多地选用在空间上和时间上能连续量测的仪器,如可沿深度连续测量位移的滑动测微仪（瑞士、测渗压的钻孔滑动测渗仪（法国、坝体和基岩的声波层析造影（意大利以及能在时间上跟踪量测的自动化仪器（日本。

（4注意发展垂线技术,包括垂线的安装和自动量测技术。

（5注意研制能沿钻孔直接连续量测基岩应力和残余应力的仪器。

（6强调仪器的安装或埋设必须严格按照正确的方法进行,以保证运行可靠。

3.自动化监测及遥测遥传技术方面

（1为了提高资料采集的效率和可靠性,使监测系统能及时起到监视安全的作用,应该发展自动化技术,尽量采用可靠的自动化仪器和计算机技术。

发展自动化量测技术是一种趋势,很多国家都在加速开发（如美国、意大利、日本。

（2目前发展的自动化监测技术有三种形式:

一是偏重数据量测记录自动化（日本、美国;二是只有资料分析解释自动化（葡萄牙;三是联机实时综合性的自动化系统（意大利。

（3对边远偏僻、自然环境恶劣的坝址,注意发展无线遥测技术（意大利

或利用通讯卫星遥测遥传监测信息（美国、加拿大。

（4资料的远距离传输多借用电话线或布设专用电缆（意大利。

4.资料的采集、处理、解释和安全监控方面

（1强调对大坝在整个施工期、水库第一次蓄水和运行初期（3~5年全过程的监测并分别对各个阶段提出监测要求和安全监控指标,以指导工程施工和管理。

（2以及时定量为目标,使资料处理及时迅速,资料解释定量化。

（3认为对资料进行定量分析,关键是建立数据监测模型,如意大利、西班牙特别重视建立确定性的数值模型。

法国对建立和使用统计学模型有深一步的研究。

（4西班牙采用渗流量、渗压力和位移三项指标,与库水位、温度和渗流量三项基本参数结合形成确定性模型,对监控资料进行解释。

（5发展反馈分析技术,利用实测资料,通过计算模型对设计参数进行反演和检验。

总的来看国外大坝监测技术的发展,以意大利取得的成就最大,水平最高,反映了大坝安全监测技术的当今发展趋势,主要表现在以下几个方面。

（1提出了对大坝进行实时定量安全监控的概念和方法,促使安全监测的各个环节,包括系统的设计、仪器布设,资料采集,处理、解释及预报等必须进行全面的变革。

（2对实际建筑物提出了比较确切的安全度概念。

也就是说,大坝及基础是否安全?

要看其在外部荷载（即原因量作用下所产生的反映（效应量变化幅度是否在其材料弹性性能变化幅度所允许的范围之内。

（3强调安全监测的成果并不意味着收集多少数据,关键是如何及时地解释这些数据。

这种解释并不纯粹是根据经验,而是依据理论模型对大坝及基础的性状作出定量的评价,进而对其安全状态作出正常或非正常的判断。

基本方法是对大坝及基础关键部位关键监测项目的监测数据建立理论模型,然后使用这一模型预测此后某一时刻在某一环境条件（如水位、温度下该效应量的值。

当在同样条件下取得的该效应量实测值与模型预报值之差（离差处于一个弹性允许范围之内时,认为大坝处于正常范围之内,否则认为不正常。

（4认为确定性模型能从本质上