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大壩安全監(jiān)測項目設(shè)置和測點布置研究

文檔作者：江偉國蘇玉蓮徐瑩文檔來源： 1．東南大學信息科學與工程學院 2．水利部南京水利水文自動化研究所 3．三明中銀斑竹水電有限公司		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年04月13日
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第3期
2008年9月
水利水文自動化
AutomHion in Water Resources and Hydrology
NO．3
Sep．，2008
大壩安全監(jiān)測項目設(shè)置和測點布置研究
江偉國 ，蘇玉蓮。，徐瑩
(1．東南大學信息科學與工程學院，江蘇，南京210096；
2．水利部南京水利水文自動化研究所，江蘇南京210012；
3．三明中銀斑竹水電有限公司，福建三明360000)
摘要：分析了我國大壩安全監(jiān)測設(shè)計的現(xiàn)狀，提出了以規(guī)范為基礎(chǔ)，以風險分析為補充，參考數(shù)值計算和模
型實驗結(jié)果的大壩安全監(jiān)測項目和測點布置方法。根據(jù)國際大壩委員會有關(guān)建議，結(jié)合新疆恰拉工程的具體情
況給出了風險計算成果并用于指導監(jiān)測設(shè)計，為大壩安全監(jiān)測項目和測點布置提供了參考。
關(guān)鍵詞：大壩安全監(jiān)測；監(jiān)測項目；測點布置；風險分析；監(jiān)測規(guī)范
中圖分類號：TV698．1 文獻標識碼：A 文章編號：1672—3279(2008)03—0006—08
監(jiān)測項目設(shè)置和測點布置是大壩安全監(jiān)測設(shè)計中
的基本內(nèi)容，對減少大壩安全風險、提高監(jiān)測系統(tǒng)的
有效性和針對性具有十分重要的意義。而目前大壩安
全監(jiān)測設(shè)計中許多都是照搬規(guī)范，因此有必要對此進
行深入研究。
1 基于規(guī)范的監(jiān)測項目設(shè)置和測點布置
到目前為止，有兩類規(guī)范對監(jiān)測項目和測點布
置進行了比較明確的規(guī)定。一類是通用監(jiān)測技術(shù)規(guī)
范，具體是DL／T5178—2003《混凝土壩安全監(jiān)測技術(shù)
規(guī)范》和SL60—94《土石壩安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》，這
兩本規(guī)范將監(jiān)測項目分成必選和可選兩類項目；另一
類規(guī)范是針對具體大壩，如大壩(分重力壩、拱壩、
土石壩等)、水閘、堤防等專用設(shè)計和施工，以及運
行管理和安全鑒定專用規(guī)范。專用規(guī)范中有些將監(jiān)測
項目分成一般性和專門性兩種，前者對應(yīng)必選監(jiān)測項
目，后者對應(yīng)可選監(jiān)測項目。專用規(guī)范針對大壩的具
體結(jié)構(gòu)、運行和安全特點，通用監(jiān)測技術(shù)規(guī)范是對專
用規(guī)范的有效補充和說明。顯然，在安全監(jiān)測設(shè)計過
程中應(yīng)該將兩類規(guī)范結(jié)合起來，才能使監(jiān)測設(shè)計具有
針對性。在規(guī)范使用過程中需要注意如下問題：
(1)兩類規(guī)范對監(jiān)測項目設(shè)置和測點布置只是規(guī)
定了一般原則，在具體設(shè)計時還需要根據(jù)大壩的具體
情況進行優(yōu)化設(shè)置；
(2)自動化技術(shù)規(guī)范和儀器系列型譜針對一般和
成熟的儀器及系統(tǒng)進行了說明，在具體設(shè)計時，僅熟
悉這些規(guī)范是不夠的，還要考慮規(guī)范制定的原因和技
術(shù)的發(fā)展；
f3)對于漿砌石壩(包括重力壩和拱壩)，按主
要建筑材料分類，應(yīng)歸于土石壩范疇，但實際上其結(jié)
構(gòu)和破壞形式與混凝土壩更加接近，因此在進行監(jiān)測
設(shè)計時通用監(jiān)測技術(shù)規(guī)范應(yīng)參照《混凝土大壩安全監(jiān)
測技術(shù)規(guī)范》；
(4)對于由多種壩型，如混凝土壩和土石壩組成
的水利樞紐，在進行監(jiān)測設(shè)計時應(yīng)分別參照相應(yīng)的通
用和專用設(shè)計規(guī)范。
2 以風險分析為補充的監(jiān)測項目設(shè)置和測點
布置
2．1 必要性和可行·陛分析
由于每座大壩在結(jié)構(gòu)、地質(zhì)、運行工況和周邊環(huán)
境等方面存在差異，且隨著時間的推移，大壩運行環(huán)
境和材料發(fā)生變化，大壩的安全狀況，特別是安全
風險會發(fā)生變化。即使工程等級相同的大壩，由于設(shè)
計、施工等的不同，其安全風險也可能存在很大的差
異。因此僅從工程等級上進行監(jiān)測項目設(shè)置和測點布
置，還難以達到安全監(jiān)測的目的。盡管在工程等級劃
分過程中已經(jīng)考慮到下游可能的損失，但是樞紐等級
劃分是以庫容等因素為主的，工程建成后，大壩材料
及基礎(chǔ)力學和滲流性能都會發(fā)生變化，其影響區(qū)域的
人口數(shù)量、資源和環(huán)境因素等也都在變化，而目前的
監(jiān)測設(shè)計難以全面體現(xiàn)這種差異和動態(tài)變化，同一工
程等級的大壩或同一座大壩不同時期失事概率和失事
后的損失都明顯不同。因此以減少結(jié)構(gòu)安全風險為目
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第3期 江偉國等：大壩安全監(jiān)測項目設(shè)置和測點布置研究 7
的， 以減少自動監(jiān)測系統(tǒng)工程(投資)風險為手段，
以此來指導大壩的安全監(jiān)測及其自動化工作十分必
要。風險分析方法將對結(jié)構(gòu)安全風險和監(jiān)測系統(tǒng)工程
風險結(jié)合起來，同時撇開了混凝土壩與土石壩之間的
人為分類，也有利于理論依據(jù)的統(tǒng)一。
2．2 風險分析
2．2．1 風險內(nèi)涵
風險包括建筑物安全風險和監(jiān)測系統(tǒng)風險。在具
體分析時，既要考慮各影響因素在時間上的先后和空
間分布， 同時也要考慮各因素之間的相關(guān)性和不相
容性。損失即包括投資和效益損失，也包括生命財產(chǎn)
損失、生態(tài)環(huán)境破壞和社會影響等因素。建筑物安全
風險是確定項目投資和規(guī)模的關(guān)鍵因素，各種風險的
大小直接對應(yīng)相關(guān)監(jiān)測項目的投資，風險大的大壩應(yīng)
該加大投資，風險小的大壩可減少安全監(jiān)測的投資。
建筑物各部分(細部結(jié)構(gòu))的安全風險大小將為測點
布置提供依據(jù)，風險大的部位設(shè)置較多的測點，風險
小的部分可以減少測點布置。從某種意義上講，安
全監(jiān)測系統(tǒng)不能增加大壩的安全性(如強度、穩(wěn)定性
等)，但能減少建筑物的安全風險。顯然，要使安全
監(jiān)測自動化系統(tǒng)真正達到上述目的，只有從監(jiān)測項目
設(shè)置、測點布置、自動監(jiān)測方法選擇、儀器和系統(tǒng)選
型、安裝調(diào)試和運行維護全過程加以把握方能實現(xiàn)。
(1)大壩安全風險
影響大壩安全的因素可以分成傳統(tǒng)和非傳統(tǒng)兩種
因素。傳統(tǒng)因素包括由于設(shè)計、施工、結(jié)構(gòu)、閘門控
制等機電設(shè)備， 以及氣候、地質(zhì)、高邊坡、運行等方
面原因造成的大壩安全失事；非傳統(tǒng)因素包括上游水
庫失事、戰(zhàn)爭、恐怖襲擊等。影響建筑物安全風險的
因素還包括工程投資及社會和經(jīng)濟效益、失事后的社
會和經(jīng)濟影響、運行管理規(guī)章制度和人員素質(zhì)、下游
人口分布及素質(zhì)、緊急預案與抗災救災措施等。
大壩風險分析方法包括定性和定量兩種。在風險
分析過程中，還必須考慮數(shù)值計算和模型實驗的成
果，具體原因如下： 、
① 對于采用新材料、新結(jié)構(gòu)或建立在復雜地質(zhì)
條件下的超大型大壩，數(shù)值仿真和模型實驗是了解建
筑物各部分安全度和破壞過程的有效方法。利用上述
兩種方法有利于初步判定結(jié)構(gòu)可能的失效模式、參數(shù)
靈敏性、失事過程及其后果模擬。
② 從防災減災的角度，安全監(jiān)測重在發(fā)現(xiàn)安全
隱患。針對具體的工作環(huán)境，結(jié)構(gòu)最有可能開始破壞
(進入塑性區(qū))部位、最敏感反應(yīng)物理量等都需要數(shù)
值仿真計算和模型試驗確定。另外從滿足監(jiān)測設(shè)計假
設(shè)的角度，如混凝土內(nèi)應(yīng)變計組布置需要滿足小應(yīng)變
梯度假設(shè)，這些也需要數(shù)值計算加以證實。
③ 在儀器量程、安裝方位的確定過程中，雖然
可以參照類似工程，但由于大壩的個體差異較大，針
對具體工程的數(shù)值計算結(jié)果，對確定儀器量程等參數(shù)
具有十分重要的參考價值。
(2)監(jiān)測系統(tǒng)風險
監(jiān)測系統(tǒng)風險從小的方面講是監(jiān)測系統(tǒng)失效概率
及其投資的乘積，從大的方面講是由于系統(tǒng)失效或達
不到預期功能而使大壩安全風險未能降低的值。由于
后者計算比較困難，本文只考慮前者。但在自動監(jiān)測
系統(tǒng)建設(shè)過程中，必須認識到后者的重要性。
2．2．2 風險分析的簡化方法
(1)建筑物安全風險
嚴格按照荷載、結(jié)構(gòu)和地質(zhì)條件的概率分布及
功能函數(shù)，并在此基礎(chǔ)上考慮失事?lián)p失的風險分析
方法過程比較復雜，且許多損失難以采用定量的方
式加以描述， 因此考慮結(jié)構(gòu)體系失效及其損失的風
險分析方法目前尚缺乏實用性。為此采用國際大壩
委員會第41期會刊推薦的風險度方法對大壩進行風
險分析，風險指數(shù)估算表中考慮的大壩風險因素如
表1所示。表1從環(huán)境、庫容、大壩設(shè)計施工運行和
下游情況等方面評價大壩風險，基本考慮到失事概
率和損失兩個方面內(nèi)容。
根據(jù)各因素的不同程度、大小，可由式(1)～(4)
計算建筑物安全總風險指數(shù)：
1 5
E=÷ ×Σas (1)
J J=1
1 9
F：÷ ×Σ嘶 (2)
葉 J=6
1 11
R=÷ × Σ嘶 (3)
= 1O
總~ ag=EFR f4)
其中嘶的取值區(qū)間為1～6的整數(shù)，如對水庫庫容
的規(guī)定 。。的取值分別為1、2、3、4、5，各自對應(yīng)庫容
為<10 、10 ～10 、10 ～10 、10 ～10 和>10 m 。
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8 水利水文自動化 2008．3
其它 具體含義及取值可以參見國際大壩委員會41期
會刊。由于該方法為大壩安全風險分析的簡化方法，
因此在嘶分級取值時大都采用了定性描述，各指標的
權(quán)重也取為相同。
(2)監(jiān)測系統(tǒng)風險
監(jiān)測系統(tǒng)風險可以用系統(tǒng)失效概率與投資乘積加
以表示。其中系統(tǒng)投資包括系統(tǒng)在整個生命周期中的
費用，包括設(shè)計、施工、配套土建、運行維護、人員
培訓及工資、系統(tǒng)故障排除及升級等費用。系統(tǒng)的失
效概率采用1與系統(tǒng)可靠度的差表示，其中系統(tǒng)可靠
度采用集散控制系統(tǒng)(DCS)的可靠度指標來衡量，
系統(tǒng)可靠性總指標R 可以表示為：
R× × (5)
式中：R為可靠性；A為可用性； 為可維修性。則系
統(tǒng)風險可以簡化如下：
= (1一R ×， (6)
式中： 為系統(tǒng)風險， 為系統(tǒng)總投資。顯然，要減
少系統(tǒng)風險必須從增加系統(tǒng)可靠性(具體從監(jiān)測項目
設(shè)置、測點布置、儀器和系統(tǒng)選型、系統(tǒng)配置、通訊
方式、施工安裝和運行維護等方面全面把握)和降低
系統(tǒng)投資(減小系統(tǒng)規(guī)模)兩方面入手(這也是測點
布置“少而精”的理論基礎(chǔ))。
2．3 安全監(jiān)測項目設(shè)置和測點布置中的幾個問題
綜上所述，大壩安全監(jiān)測項目的設(shè)置和測點布置
在滿足規(guī)范的前提下(原則)，應(yīng)結(jié)合數(shù)值計算(尤
其是采用新材料、新結(jié)構(gòu)和新施工方法的工程或超大
型大壩)和模型實驗結(jié)果，以風險分析為補充對大壩
監(jiān)測項目設(shè)置和測點布置進行優(yōu)化，再根據(jù)自動化技
術(shù)水平確定哪些項目和測點需要實現(xiàn)自動化。
2．3．1 監(jiān)測項目設(shè)置中應(yīng)注意的問題
由于變形和滲流監(jiān)測是一般大壩安全監(jiān)測必設(shè)的
監(jiān)測項目，這里只對應(yīng)力、應(yīng)變和溫度監(jiān)測項目設(shè)置
中需要注意的問題進行說明。
應(yīng)力監(jiān)測包括混凝土、面板、鋼板和鋼筋等應(yīng)力
監(jiān)測。 ，
應(yīng)力監(jiān)測的目的，首先是與材料強度指標進行比
較，以了解大壩的安全狀況；其次是與設(shè)計計算和模
型實驗進行相互校核， 以此檢驗設(shè)計計算理論的正
確性。應(yīng)力監(jiān)測可以分成空間、平面和單向受力等監(jiān)
測，空間和平面應(yīng)力(變)監(jiān)測一般是采用應(yīng)變計組
的方法實現(xiàn)的，根據(jù)彈性力學有關(guān)理論可確定需要埋
設(shè)應(yīng)變計組中的應(yīng)變計數(shù)量。由于同一組應(yīng)變計測量
的是同一“點”的應(yīng)力，因此應(yīng)變計組中的各只應(yīng)變
計是否屬于同一個應(yīng)力狀態(tài)，即點應(yīng)力狀態(tài)是影響應(yīng)
力監(jiān)測效果的關(guān)鍵因素之一，這也就是采用應(yīng)變計組
進行混凝土應(yīng)力監(jiān)測時候，不能將應(yīng)變計組埋設(shè)在應(yīng)
力梯度較大位置的原因所在。
在土石料結(jié)構(gòu)內(nèi)部， 由于材料本構(gòu)關(guān)系的復雜
性，一般不設(shè)置應(yīng)變計組進行應(yīng)力監(jiān)測，而是在土體
內(nèi)部或土體和混凝土的接觸面、土體與基巖接觸面上
采用壓應(yīng)力計直接測量壓應(yīng)力。
考慮到混凝土的徐變、溫度變形和自身體積變形
等因素，混凝土應(yīng)力監(jiān)測需要在應(yīng)變計(組)附近設(shè)
置無應(yīng)力計，并且確保無應(yīng)力計所測得的應(yīng)變是真正
的自由應(yīng)變，而且這種自由應(yīng)變必須與對應(yīng)應(yīng)變計組
處混凝土的自由應(yīng)變相等，因此在混凝土材料、濕度
和溫度等方面必須保證兩者一致。實際上由于在應(yīng)變
計組埋設(shè)時對骨料的剔除、混凝土物理性質(zhì)離散性、
儀器的超然性、測量誤差、初始值的確定等原因，使
得實測應(yīng)力也存在一定的誤差。
面板應(yīng)力是面板堆石壩中經(jīng)常進行的監(jiān)測項目，
一般將面板應(yīng)力看成平面問題進行儀器布置。從國外
賽沙那壩(Cethana)和阿里亞壩(Foz do Areia)的觀測
資料可知，面板撓曲的較大變形發(fā)生在壩高的4O％
～ 60％ 處，相應(yīng)部位的應(yīng)力也應(yīng)引起重視。
實踐證明，鋼筋應(yīng)力監(jiān)測具有較高的精度，鋼筋
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第3期 江偉國等：大壩安全監(jiān)測項目設(shè)置和測點布置研究 9
應(yīng)力監(jiān)測與無應(yīng)力監(jiān)測配合使用對分析結(jié)構(gòu)性態(tài)變化
具有一定的現(xiàn)實意義。
鋼板應(yīng)力監(jiān)測是直接在鋼板上安裝應(yīng)變計(鋼板
計)實現(xiàn)的，同時也需要考慮鋼板溫度應(yīng)變的影響。
溫度是混凝結(jié)構(gòu)的主要荷載和安全影響因素，
溫度監(jiān)測主要包括混凝土、基巖和土石壩內(nèi)部的溫
度監(jiān)測。
2．3．2 測點布置應(yīng)注意的問題
有關(guān)規(guī)范對測點布置規(guī)定的比較少，一般只規(guī)定
測點“問距”和“重要部位”，因此在測點布置方面
更加需要借助于風險分析的相關(guān)理論， 以減少重要安
全信息的遺漏，避免不必要的重復。
通過有限測點實現(xiàn)對整個建筑物安全信息的采
集，要求測點必須具備代表性、最大風險顯示性和最
敏感性3個條件。代表性是指測點所在位置的監(jiān)測物
理量能夠代表一定區(qū)域的物理量的變化，同時通過所
有測點能對整個建筑物的安全狀況進行全面了解，這
就要求測點布置在典型部位(壩段)或測值突變部
位。最大風險顯示性是指在整個建筑物中各部分(壩
段)的安全風險是不一樣的，測點應(yīng)該布置在安全風
險最大的部位。建筑物性態(tài)的異常會通過不同的形
式反應(yīng)出來，其中有些形式難以監(jiān)測，而有些形式可
以通過監(jiān)測加以了解，選取那些敏感的部位和物理量
進行測點布置，可以在第一時間掌握結(jié)構(gòu)安全信息，
從而減少安全風險。因此測點布置沒有必要一定均勻
布置，在監(jiān)測物理量梯度比較大和安全風險較高的部
位則密，在監(jiān)測物理量空間變化率比較小和安全風險
較小的地方可較稀。
許多監(jiān)測項目的資料分析需要借助相鄰測點和相
關(guān)項目進行，因此在監(jiān)測項目設(shè)置和測點布置時必須
考慮到匹配問題。在土壩滲流監(jiān)測資料分析中，如果
某測壓管水位升高，可能是上游出現(xiàn)裂縫，也可能是
下游淤積，必須借助于上游測壓管和下游滲流量監(jiān)測
資料進行分析。因此應(yīng)在該測壓管測點上游設(shè)置滲壓
測點，在下游設(shè)置滲壓和滲流量測點。
功能性測點布置與結(jié)構(gòu)分析是離不開的，最典型
的例子就是滲流量排水孔的布置問題。排水孔具有降
低壩基滲壓的作用， 同時也是監(jiān)測壩基防滲的重要
監(jiān)測項目。不同的孔位布置，不但監(jiān)測效果不同，而
且降低揚壓力的效果也不相同。因此采用數(shù)值計算方
法，選擇對降低滲壓效果最好的位置布置測點也是測
點布置中必須考慮的問題。
2．3．3 不同時期監(jiān)測項目設(shè)置和測點布置的注意
問題
從時間上講，大壩失事概率較高的兩個時期分別
是蓄水期和老化期，在這兩個時期，結(jié)構(gòu)存在的風險
較高，因此在這兩個時期安全監(jiān)測的項目和測點布置
應(yīng)該更多一些(或測次更密集些)。
從監(jiān)測自動化工程實施時間上，可分成新建工程
的監(jiān)測自動化和老工程的監(jiān)測系統(tǒng)自動化改造兩類。
對于前者，由于新建工程處于高風險期，特別是人們
對真實結(jié)構(gòu)的安全狀況缺乏了解，也增加了建筑物安
全風險，此時監(jiān)測項目和測點布置就應(yīng)該多一些，對
目前條件(更多的是由于監(jiān)測儀器不可靠的原因)不
成熟的監(jiān)測項目和測點可以暫緩實現(xiàn)自動化。對于后
者，可以通過包括對人工觀測資料進行分析在內(nèi)的建
筑物安全狀況評估，對監(jiān)測項目設(shè)置和測點布置進行
優(yōu)化。如建筑物安全風險很小，就可以減少監(jiān)測項目
和測點；對目前不需要實現(xiàn)自動化，工作正常的內(nèi)部
埋設(shè)儀器可以采取暫時封存的方法，以便將來需要時
(如大壩安全風險增大時)再實現(xiàn)自動化；對測值難
以分析的測點可以不考慮實現(xiàn)自動化。
對于安全風險較大的大壩，除采取必要的工程加
固措施外，還需要增加必要的監(jiān)測項目和測點。如安
徽陳村大壩在實現(xiàn)自動化之前，根據(jù)大壩安全評價和
監(jiān)測系統(tǒng)可靠性評價的結(jié)果，增減了監(jiān)測項目和測
點，同時采取“總體規(guī)劃，分期實施”的方法確定先
實現(xiàn)變形和內(nèi)觀監(jiān)測項目的自動化，而滲流監(jiān)測自動
化則在二期工程再實現(xiàn)自動化。
老壩測點可以通過以下方法進行優(yōu)化：
(1)繪制測點測值過程線和與環(huán)境量相關(guān)線，對
測值不隨外界環(huán)境(水位、溫度)和時間變化而變化
的測點，在自動化改造時可以不予考慮；
(2)對同類項目測點進行相關(guān)分析，如果兩個測
點的變形過程線完全相關(guān)，即可以考慮除去那個測值
變幅小的測點。在空間上如果某測點測值完全可以由
相臨測點測值線形插值得到，而且各項系數(shù)不變，也
可不予考慮。
(3)對于內(nèi)部溫度測點，作為變形、滲流監(jiān)測的
因子在逐步回歸中總是被顯著性檢驗淘汰的測點也可
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10 水利水文自動化 2008．3
不予考慮。
2．3．4 監(jiān)測項目設(shè)置和測點布置中的其它問題
監(jiān)測儀器的可靠性與具體應(yīng)用環(huán)境有關(guān)，對于同
樣監(jiān)測效果的測點應(yīng)該布置在環(huán)境相對好一些的部
位。例如在水位測點布置中， 由于可選擇的范圍比較
大，因此布置時，除滿足規(guī)范對水位測量的要求外，
還應(yīng)使水位測點遠離干擾，利于保護和日常維護等。
在具有相同的監(jiān)測效果時，監(jiān)測系統(tǒng)的布置范圍
應(yīng)盡可能的小，并盡可能避開雷擊點(如雷擊經(jīng)常
點、突出部位和空曠地等)和強電接地點附近，這樣
可提高監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性。例如，在廣東某大壩安全
監(jiān)測自動化中，一開始將水位測點布置在遠離大壩的
上游導墻頂端，距離壩軸線250 m， 經(jīng)常遭受雷擊，
后來將測點移到距離較近的壩軸線附近，經(jīng)過多年的
運行，沒有發(fā)生雷擊現(xiàn)象。
2．4 監(jiān)測項目設(shè)置和測點布置優(yōu)化流程
大壩安全監(jiān)測的結(jié)果首先用于大壩的安全評價，
而安全評價的結(jié)果又可以用來對安全監(jiān)測系統(tǒng)進行優(yōu)
化，即低風險的大壩可以降低安全監(jiān)測系統(tǒng)規(guī)模。優(yōu)
化包括監(jiān)測項目設(shè)置、測點布置和儀器選型等。安全
監(jiān)測項目和測點布置的整個流程如圖1所示。
圖1 監(jiān)測項目和測點優(yōu)化布置流程圖
3 動態(tài)及水力學監(jiān)測
3．1 地震與振動監(jiān)測
近年來，人們對地震安全監(jiān)測越來越重視，特別
是在西部大開發(fā)和南水北調(diào)中，許多大壩修建在強震
區(qū)，因此強震監(jiān)測非常重要。
許多大壩，如泄水和輸水建筑物、閘門等，在
工作時都存在振動特性。根據(jù)振動對建筑物進行損
傷識別是目前研究的又一個熱點。損傷識別包括指
紋分析或模式識別法、模型修正或系統(tǒng)識別法及神
經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等智能方法。另外也可將振動模態(tài)的參數(shù)識
別分成頻域法、時域法、時一頻方法和基于模擬進化
的方法等4類。
與結(jié)構(gòu)靜態(tài)監(jiān)測相比，對大壩的動態(tài)監(jiān)測進行監(jiān)
測項目設(shè)置和測點布置研究的比較少，一般情況都是
借助于模型試驗實驗結(jié)果進行。筆者認為，與靜態(tài)安
全監(jiān)測相比，在監(jiān)測項目設(shè)置和測點布置原則上應(yīng)該
是相同的，在具體實施時應(yīng)該參照模態(tài)參數(shù)識別的研
究成果進行。
3．2 水力學監(jiān)測
大壩工作與水密切相關(guān)，流態(tài)、水面線、動水
壓力、流速、泄流量、空蝕情況、通氣量、摻氣濃
度、振動、霧化等與消能結(jié)構(gòu)工作狀況，泄水建筑
物結(jié)構(gòu)形態(tài)，輸水建筑物力學特性，基礎(chǔ)沖刷與淤
積等情況密切相關(guān)。這些情況在一定程度上都是結(jié)
構(gòu)安全和工作狀況的一種反應(yīng)，是衡量建筑物當時
風險程度的有效指標之一，在許多大型水利樞紐的
安全監(jiān)測中也都實施了水力學監(jiān)測。由于規(guī)范在監(jiān)
測項目和測點布置方面敘述的比較少， 因此監(jiān)測項
目和測點布置主要是依據(jù)結(jié)構(gòu)分析和模型實驗的結(jié)
果進行。根據(jù)分析， 以風險分析為補充的分析方法
同樣適應(yīng)于水力學監(jiān)測。
4 工程實例
4．1 工程概況
恰拉水庫位于新疆天山南麓塔里木盆地東北邊
緣，為一平原灌注式水庫，壩線較長，分為A、B、
c、D四個壩段，其中：A壩段(老壩加高加固)長
13．612 km，B壩段(新筑壩)長7．250 km，C壩段
(東壩北段)長2．750 km，D壩段(老北壩和截淺灘
壩)長3．655 km。原壩興建于1958年， 2004年4月完
成主體工程的改建。
根據(jù)《水利水電工程等級劃分及洪水標準》，恰
拉水庫屬大(2)型水庫，工程等級為II等工程。主要
建筑物水庫大壩和放水涵洞為2級建筑物，次要建筑
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第3期 江偉國等：大壩安全監(jiān)測項目設(shè)置和測點布置研究
物壩后截排及其泵站、調(diào)度中心為3級建筑物。
4．2 基于規(guī)范的監(jiān)測項目和測點的選定
按《土石壩監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》規(guī)定二級建筑物的必
設(shè)監(jiān)測項目為：壩體表面變形，滲流量，壩基滲流壓
力，壩體滲流壓力，上、下游水位，降水量，氣溫和
巡視檢查。一般監(jiān)測項目為： 內(nèi)部變形、裂縫接縫、
岸坡位移、繞壩滲流、孔隙水壓力、土壓力、接觸土
壓力、水溫等。
4．2．1 表面變形監(jiān)測
按規(guī)范規(guī)定，壩體表面變形為必測監(jiān)測項目，表
面變形分為水平和垂直兩種位移變形。
4．2．2 滲流監(jiān)測
滲流監(jiān)測包括滲流量、壩基和壩體滲流壓力等的
監(jiān)測。滲流量是壩體和壩基滲流狀態(tài)的綜合反應(yīng)，與
滲壓資料結(jié)合對分析大壩安全狀況具有十分重要的意
義，但恰拉水庫為無限深透水地基，壩體和壩基滲流
量難以區(qū)分，壩基滲流和地下水也難以區(qū)分，因此針
對恰拉水庫而言，暫不設(shè)置滲流量監(jiān)測項目。
壩體和壩基滲流監(jiān)測的重點是壩體浸潤線、壩基
滲流壓力、放水涵洞和新老壩交接處的滲流和接觸沖
刷監(jiān)測， 目的是了解水力坡降、接觸面的水頭等參
數(shù)，從而分析壩體和壩基滲透變形情況。對于恰拉水
庫，由于壩體防滲結(jié)構(gòu)考慮的比較多，而地基為無限
深透水地基，容易出現(xiàn)滲透變形，因此對地基滲流監(jiān)
測應(yīng)該給予更高的重視。
4．2．3 壓力監(jiān)測
原壩為均質(zhì)土壩，加固采用土工膜防滲，沒有剛
性與土體結(jié)構(gòu)，因此不設(shè)置壓力監(jiān)測。
4．2．4 水文氣象監(jiān)測
水文氣象監(jiān)測是分析大壩性態(tài)的必要資料，結(jié)合
新疆地區(qū)具體特點，將水文氣象監(jiān)測作為必要監(jiān)測項
目予以設(shè)置。
4．2．5 一般性監(jiān)測項目
由于平原水庫壩的高度和水深數(shù)值較小，兩岸
壩肩結(jié)構(gòu)不明顯，溫度對土壩變形影響比較小，對
一般性監(jiān)測項目，如內(nèi)部變形、岸坡位移、面板變
形、繞壩滲流、孔隙水壓力和土壓力在本設(shè)計中不
予設(shè)置。
根據(jù)監(jiān)測自動化的風險分析，考慮到技術(shù)成
熟、現(xiàn)場運用維護、人員素質(zhì)和系統(tǒng)投資等情況，
決定變形監(jiān)測采用人工監(jiān)測，滲流和氣象監(jiān)測項目
實現(xiàn)自動化。
4．3 風險分析
根據(jù)土石壩監(jiān)測技術(shù)規(guī)范，對于變形觀測，測點
的間距“壩長大于300 m時，宜取5O～100 m”，而且
在滲流監(jiān)測部分要求“觀測斷面盡量與變形、應(yīng)力觀
測斷面相結(jié)合”。由此可見，即使只對B壩段7．25 km
進行監(jiān)測至少也需要布置70個斷面，這樣的投資業(yè)主
是難以接受的，因此有必要借助風險分析方法對監(jiān)測
項目和測點進行減化。
恰拉水庫具有水庫面積大、壩高小、壩軸線長
等特點， 同時水庫下游無重要的城鎮(zhèn)和大量居民，
安全風險小，在具體項目設(shè)置和測點布置時應(yīng)考慮
到這一因素?？筛鶕?jù)國際大壩委員會41號會刊推薦
的風險度方法進行風險計算。
根據(jù)“表1大壩風險指數(shù)估算表”，恰拉水庫的
實際情況為：
(1)外部的或環(huán)境的條件(指數(shù)E)：
震區(qū)(弱)： =2；庫岸塌滑的危險(最小)：
，=1；超設(shè)計洪水的危險(可能性很小)： =3；
水庫的功用(蓄水類型與管理)(年調(diào)節(jié))： =1；侵
蝕性環(huán)境的作用(氣候、水)(很弱)：口 =1，
則E =1／5 X(2+1+3+1+1)=1．6。
(2)壩的狀態(tài)／可靠性(指數(shù)F)：
結(jié)構(gòu)配置(適當)： 6=1；基礎(chǔ)(差)： =5；泄
洪設(shè)施(可靠)： =1；維護狀態(tài)很好： =1，
則F=1／4×(1+5+l+11=2．0。
(3)居民／經(jīng)濟方面的潛在危險(指數(shù)R)：
水庫庫容(16 140．96X10 m3)： 】0=4；下游
設(shè)施(孤立的區(qū)域、農(nóng)業(yè))： ：2，
則R=I／2× +2)=3．0，
總指數(shù) = 1．6×2．0×3．0=9．6。
由于壩高小于15 m，總指數(shù)小于10，根據(jù)國際
大壩委員會建議的必選項目，只需要設(shè)置簡易目測即
可，建議的監(jiān)測項目見表2。
4．4 監(jiān)測項目和測點的最終選定
最終監(jiān)測項目的確定以規(guī)范為基礎(chǔ)，以風險分析
為補充，同時參考設(shè)計計算的有關(guān)成果，重點對失效
概率大的部位，不確定程度大、敏感的變量和部位，
布置監(jiān)測項目和測點。
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l2 水利水文自動化 2008．3
<15 >10或
R >3
>15
0
g
>30
注： 為必設(shè)項目，0表示按需要選用，一表示一般不設(shè)置
4．4．1 表面變形
根據(jù)規(guī)范規(guī)定，監(jiān)測橫斷面選擇在觀測斷面，
宜選擇在“最大壩高處或原河床處、合龍段、地形
突變處、地質(zhì)條件復雜處，壩內(nèi)埋管及運行有異常
反應(yīng)處，一般不少于3個，并盡量與變形觀測斷面相
結(jié)合”，為此選擇如下監(jiān)測橫斷面(括號內(nèi)為選擇
理由)：A13+612．3(結(jié)合部位1、Bl+150(地基突變壩
段1、B1+750(地基突變壩段)、B1+863．4(壩內(nèi)涵
洞埋設(shè)處兩端各設(shè)置1個橫斷面，監(jiān)測涵洞混凝土與
土體結(jié)構(gòu)結(jié)合部位變形情況， 以此判斷壩內(nèi)埋管處
壩體穩(wěn)定性)、B2+090．4(壩體拐彎壩段)、B4+1 1 1
(壩內(nèi)涵洞埋設(shè)處兩端各設(shè)置1個橫斷面，監(jiān)測涵洞
混凝土與土體結(jié)構(gòu)結(jié)合部位變形情況， 以此判斷壩
內(nèi)埋管處壩體穩(wěn)定性)、B3+500(施工合龍段)、
B3+950 (地基突變壩段)、B4+271(壩體拐彎壩
段1、B6+000(壩體結(jié)合部位)、B7+000(地基突變
壩段)、B7+l50(地基突變壩段)，共14個橫向監(jiān)
測斷面。每個橫斷面設(shè)置橫向測點4個，分別在壩頂
下游側(cè)、壩體下游面中部半壩高處、壩腳下(非壩體
上)、壩下游腳線15m處。
4．4．2 壩基滲流
監(jiān)測橫斷面宜選擇在最大壩高處、合龍段、地形
或地質(zhì)條件復雜壩段，一般不少于3個，并盡量與變
形觀測斷面相結(jié)合。根據(jù)恰拉水庫的實際情況，壩基
滲流壓力選定以下監(jiān)測斷面(括號內(nèi)為選擇理由)：
A13+612．3(結(jié)合部位)、Bl+150(地基突變壩段)、
B1+750(地基突變壩段)、B1+863．4(壩內(nèi)涵洞埋
設(shè)處兩端各設(shè)置1個橫斷面，監(jiān)測涵洞混凝土與土體
結(jié)構(gòu)結(jié)合部位變形情況，以此判斷壩內(nèi)埋管處壩體穩(wěn)
定性)、B2+090．4(壩體拐彎壩段)、B3+500(施工合
龍段)、B3+950(地基突變壩段)、B4+11 1(壩內(nèi)
涵洞埋設(shè)處兩端各設(shè)置1個橫斷面，監(jiān)測涵洞混凝土
與土體結(jié)構(gòu)結(jié)合部位變形情況， 以此判斷壩內(nèi)埋管
處壩體穩(wěn)定性)、B4+271(壩體拐彎壩段)、B6+000
(壩體結(jié)合部位)、B7+000(地基突變壩段)、
B7+l50(地基突變壩段)。壩基礎(chǔ)滲流共設(shè)置14個
橫向監(jiān)測斷面，每個橫向觀測斷面設(shè)置4根測壓管，
具體位置在壩頂下游側(cè)、壩下游面半壩高處、壩腳線
上、壩下游腳線15 m處。采用測壓管進行監(jiān)測，測壓
管進水管段長度1．5 m、管徑5 cm，進水管段上部在
建基面以下2 m。
4．4．3 壩體滲流
壩體滲流壓力監(jiān)測斷面橫斷面樁號同壩基滲流監(jiān)
測斷面，每個橫斷面布置3個測壓管(或埋設(shè)3只滲壓
計)。在2個防水涵洞的兩側(cè)采用埋設(shè)滲壓計的方式進
行埋設(shè)，埋設(shè)高程在涵洞側(cè)面中部，共埋設(shè)4個滲壓計
監(jiān)測斷面，共12只滲壓計，其余10個監(jiān)測斷面采用測
壓管的方式進行監(jiān)測，每個橫斷面各3只測壓管，具體
位置在壩頂上游側(cè)、壩下游面半壩高處、壩下游面1／3
壩高處。測壓管進水管段長度1．5 m，管徑5 cm，進水
管段低部高程在建基面以上1 nl處。
4．4．4 滲流量
由于目前現(xiàn)場難以設(shè)置滲流量監(jiān)測測點，但滲
流量為必選監(jiān)測項目，應(yīng)該設(shè)置，考慮到今后水位
抽取后的具體情況， 因此在設(shè)計中預留滲流量監(jiān)測
點的自動測量通道，在條件許可情況下設(shè)置滲流量
監(jiān)測測點。
4．4．5 水文氣象
上游庫水位監(jiān)測測點設(shè)置在2 放水閘房附近水
流平穩(wěn)處，1 放水涵洞處的測點與水情遙測系統(tǒng)共
享，在同一斷面再設(shè)置下游水位測點。
氣象監(jiān)測包括氣溫、降雨、風速、風向等監(jiān)測項
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第3期 江偉國等：大壩安全監(jiān)測項目設(shè)置和測點布置研究 13
目，共計4個測點，納入水情遙測系統(tǒng)，在數(shù)據(jù)庫實
現(xiàn)資源共享。
5 結(jié)語
文章提出以通用監(jiān)測技術(shù)規(guī)范為依據(jù)， 以專用
設(shè)計、施工和管理規(guī)范為基礎(chǔ)， 以風險分析為補
充，結(jié)合數(shù)值仿真計算和實驗的新的大壩安全監(jiān)測
項目和測點布置方法，并給出了具體工程實例，節(jié)
約了工程投資。
安全監(jiān)測自動化中的風險不僅包括建筑物的安全
風險，還應(yīng)該包括監(jiān)測系統(tǒng)風險，不僅包括靜力風
險，還包括動力風險，而且還要注意風險的動態(tài)特
性，即針對～座大壩的監(jiān)測項目設(shè)置和測點布置，在
大壩運行的不同時期是不同的。
自動監(jiān)測項目的確定和測點布置首先要根據(jù)建筑
物的安全監(jiān)測需要，同時要針對不同時期大壩的特點
和已經(jīng)掌握的情況，從減少工程安全的不確定性出
發(fā)，同時還要考慮到系統(tǒng)可靠性、監(jiān)測儀器性能、系
統(tǒng)抗干擾和儀器保護維護等問題。
振動監(jiān)測及其分析技術(shù)是大壩動態(tài)參數(shù)識別和損
傷評價的有效手段，在監(jiān)測項目設(shè)置和測點布置時應(yīng)
根據(jù)有關(guān)規(guī)范和需要進行設(shè)置。
水力學監(jiān)測作為安全監(jiān)測的重要組成部分，對分
析建筑物的安全狀況也具有十分重要的意義，在監(jiān)測
項目設(shè)置和測點布置時候應(yīng)考慮目前水力學監(jiān)測儀器
和相應(yīng)分析方法的有效性和實用性。
由于目前的實際情況決定了巡視檢查在大壩安全
監(jiān)測中的作用無可替代，因此在進行自動監(jiān)測設(shè)計時
候不僅要考慮考慮到巡視檢查，同時在安全評價和建
筑物風險分析時候更要考慮巡查信息的充分利用。
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JIANG Wei—guo ，SU Yu-lian3， XU Ying
(1．College ofCommunication Science and Engineering，Southeast University,Nanjing 210096，China；
2．Nanjing Automation Institute ofWater Conservancy&amp;amp;Hydrology,the Ministry of
Water Resources，Nanjing 210012，China；
3．SanmingYinbanzu Hydropower Company．Ltd，Sanming 360000，China)
Absna~ In this article，by analyzing current situation of domestic monitoring design for dam safety,
methods for
determination of monitoring item s and measuring points arran gem ent are proposed on the basis of specifications for dam
safety monitoring，risk analysis，and comparison with other calculation data and results of model experiments．According
to some suggestions by Intern ational Committee on Large Dams，risk calculation results are integrated with the actual
situ~ion of Qiala project in Xinjiang Uygur Autonomous Region，which can be used to guide monitoring design and
ofer certain references for monitoring item s determ ination an d measuring points arrangem ent for dam safety．
K words：monitoring for dam safety；monitoring items；measuring points arrangement；risk analysis；
specifications fordam safetymonitoring

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