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（接上期） 四、设置监测系统的意义 工程安全监测在中国水电事业中发挥着重要作用，已成为工程设计、施工、运行管理中不可少的组成部分。概括起来工程监测具有如下几个方面的作用： (1)了解建筑物在荷载和各种因素作用下的工作状态和变化情况，据以对建筑物质量和安全程度作出正确判断和评价，为施工控制和安全运行提供依据。 (2)及时发现不正常的现象，分析原因，以便进行有效的处理，确保工程安全。 (3)是检验设计和施工水平，发展工程技术的重要手段。 五、监测系统的构成 1. 系统总体结构 监测分析评价预报系统由几个相互依存的子系统组成。 （1）数据采集接口。系统与监测数据自动采集硬件部分用数据采集接口相连。 （2）数据库系统。包括设计、施工、运行期间所有数据和资料以及正分析和反分析的成果的存储。 （3）预处理系统。是将监测量转换为效应量，并予评判识别。对仪器的稳定性进行判断，对监测资料的误差进行校验，对实测资料进行实变值识别，趋势变化识别和异常识判。 （4）资料整编系统。各种原始数据和各种分析成果，专家系统的意见等材料经过审查、考证、编辑、综合整理形成系统化、图表化的成果。 （5）图形/图象系统。各类图形、图表的存储和查询。 （6）模型库系统。这些模型用来拟合与说明大坝工作性状，并预测预报大坝的未来状况。 （7）分析/算法库系统。包括安全监测分析评价预报系统可能用到的各种分析/算法 （8）知识库系统。是用于知识信息的存储和查询的计算机软、硬件系统。 （9）综合分析推理系统。系统的功能包括数据流程设计，直线分析，成因分析，专家综合分析和决策支持等模块设计，系统能够对监测资料进行正、反分析，对不安全因素进行综合评判，辅助决策和工程安全度综合评价。 （10）预报预测系统。建立预报模型，进行仿真分析，对可能遇到的某些突发性突灾害进行预报，并提供辅助决策及应急措施。 （11）总控和实时监控：①总控平台可以实现实时监控的全部功能，实现综合分析推理。②实时分析大坝的性状和变化，达到实时控制系统的目标。 2. 网络结构 （1）电缆 监测系统的不同部位和不同仪器需要联接不同规格的电缆。 （2）传感器 包括渗压计、渗流量计、垂线仪、倾斜仪、测缝计、多点位移计、锚杆应力计、钢筋计、应变计、温度计等各种仪器。应选择其中对监控工程安全起重要作用且人工观测又不能满足要求的关键测点纳入自动化观测系统，同时所有被纳入自动化系统的仪器都应预先经过现场观测值的可靠性鉴定，证明其工作性态正常。 （3）测控单元 分布设置于各测点群的近处，具有分组汇集的切换作用及一定的测量控制功能，同时可将电模拟量转换为数学量的模拟数字。转换功能的测控装置（MCU），也称数据采集单元（DAU）。 （4）采集站 由测控单元组成并根据仪器分布情况决定其布置，一般设在较集中的仪器测点附近。 （5）监测分站 一般根据建筑物规模及布置情况决定，如大坝泄水道、电站等可分别设置分站，应避免强电磁干扰。如系统规模较小也可不设分站。 （6）监测总站 一个工程设一个总站，即现场安全监控中心 （7）管理中心 即枢纽管理局或需要远传观测数据的上级领导单位。 3. 系统联接 （1）数据采集布置形式 集中式：是将传感器通过集线箱或直接连接到采集器的一端进行集中观测。在这种系统中，不同类型的传感器要用不同的采集器控制测量，由一条总线连接，形成一个独立的子系统。系统中有几种传感器，就有几个子系统和几条总线。所有采集器都集中在主机附近，由主机存储和管理各个采集器数据。 分布式：分布式系统是把数据采集工作分散到靠近较多传感器的采集站（测控单元）来完成，然后将所测数据传送到主机，这种系统要求每个观测现场的测控单元应是多功能的智能型仪器，能对各种类型的传感器进行控制测量。在这种系统中，采集站一般置在较集中的测点附近。 （2）数据流程 系统数据流程是根据用户命令，监测数据自动采集系统（硬件）自动采集数据，通过数据接口进入本系统数据库系统中的自动采集数据库，人工采集数据、检查数据、监测仪器考证数据和工程概况数据，用人工输入各自的数据库。这些数据库可以直接在计算机屏幕显示或打印；亦可通过预处理系统进行误差识别、常数据识别和疑点识别，若无疑点，可进入整编数据库，若存在疑点，则进行成因分析，整编数据可以输出，也可以运行图形、图像代理，整编数据形象地用图形表示输出或存入图形/图像库。调用知识库、模型库、分析和算法库中的知识，模型和分析算法进行各项分析，然后运用专家知识和判别标准进行综合分析，提供辅助决策。整编资料也可以通过调用模型库的预测预报模型进行预测预报。上述综合分析，辅助决策和预测预报成果可以直接输出，指导工程安全运行或进入生成数据库，再以成果报告形式提供给用户。 4. 系统功能 （1）传感器 感应大坝变形、渗流、应力、温度等各种物理量，将模拟量数字量脉冲量，状态量等信号输送到采集点。传感器种类可分为电阻式、电感式、电容式、振强式、调步式、压阻式、变压器式、电位器式等。 （2）采集站 1）根据确定的观测参数、计划和顺序进行实际测量计算和存储，并有自 检、自动诊断功能和人工观测接口。除与主机通讯外，还可定期用便携式计 算机读取数据。 2）根据确定的记录条件，将观测结果及出错信息与指定监测分站或其他测控单元进行通信。 3）检测指定的报警条件，一旦报警状态或条件改变，则通知指定的监测分站。 4）将所有观测结果保存在缓冲区中，直到这些信息被所有指定监测分站明确无误地接收完为止。 5）管理电能消耗，在断电、过电流引起重启动或正常关机时保留所有配置设定的信息，并可防雷、抗干扰、防尘、防腐和适用于恶劣温度环境。 6）采集系统的运行方式主要分中央控制式（应答式）及自动控制式（自报式），必要时也可采用任意控制式。 （3）监测分站 1）系统自动启动，数据自动采集分巡测、选测、正常及加速周期等数据采集。 2）输入人工读数或记录器读数，将所属测控单元内存储的数据汇集到监测分站。 3）监测数据的检查校核，包括软硬件系统自身检查数据的可靠性和准确程度的检查及数字模型检查。 4）数据存储、删除、插入、记录、显示、换算打印、查询及仪器位置参数工作状态显 示。 5）安全监控、预报及报警 6）能与采集站和监测站进行数据传输，双向通讯。 （4）监测总站 1）除有监测分站的功能外，还具有图像显示、工程数据库及其数据管理功能。 2）具有较强的脱机（离线）处理功能，并备有齐全的数据分析处理软件。 3）将各监测分站数据和人工监测数据汇集到总站数据库内，再次进行验证，发现异常即反馈到分站进行校核或现场检查。 4）建立、标定安全监控数学模型，并进行影响因素分析及综合性的分析、预报和安全评价。 5）数据远程传输及双向通讯功能。 六、数据整编 监测资料的整编是指对现场采集的监测数据和巡视检查结果，以一定的形式进行加工，从而形成便于应用的监测结果，并对监测资料进行收集、整理、审定后，按一定的规格编印成册。 1. 日常资料的整理 （1）监测资料应及时进行日常整理。日常资料整理的主要内容包括：查证原始观测数据的正确性，观测值输入计算机数据库，进行观测效应量计算呢，编制报表和绘制过程线，巡视检查记录整理，考察观测效应量的变化，初步判断是否存在异常变化。 （2）日常资料整理要经常，不得拖延，更不能长期积压。每次观测后就立即对原始数据进行检查校核和整理，及时进行初步分析。当发现监测原始资料有异常或确认观测效应量有异常时，应立即向主管部门报告。 （3）原始资料在现场校核检验后，不得再进行任何修改。粗差的辨识和剔除必须慎重，应严格按照有关规定要求进行。经整理和整编后的监测资料和数据亦不得修改。 2. 定期资料的编印 （1）监测资料应定期（一般每年一次）进行编印。定期资料编印的主要内容包括：在平时资料整理的基础上进行观测效应量的统计，填制统计表格，绘制各种观测效应量的分布与相互间的相关图线，编写编印说明书等。 （2）整编成果应项目齐全、规格统一、考证清楚、说明完备、方法合理、资料可靠、图表完整、数据正确。如停止或减少观测项目的资料整编和分析工作，应经上级主管部门批准。 （3）全部资料的整编、分析成果应予统一编号，分类归档，由专人统一管理，保持完整，注意保密 3. 定期资料的分析 （1）监测资料应定期进行初步分析。初步资料分析主要包括：效应量变化过程分析、特征值统计分析、测值分布特征性分析、测值相关性分析、测值对比分析等。初步分析的主要目的是定性判断大坝是否存在异常状态，并初步判断出现异常的情况。 （2）监测资料的初步分析应结合年度监测资料整编进行，每年至少一次。遇大洪水或其他特殊情况时，也应及时进行初步分析。 （3）应建立监测数学模型，对监测效应量进行定量分析。监测模型的建立，主要目的是进一步分析大坝是否存在异常状态，并分析出现异常的原因。 （4）有条件时，应在年度资料整编时建立监测数学模型进行分析。大坝管理单位不具备建模条件时，应每隔一段时间（一般为5年）委托有资质的单位对监测资料进行全面、系统的分析，包括建立数学模型。 （5）当监测资料积累5年以上时，应及时建立以监控模型为基础的监测效应量安全监控指标。当监测资料增加5年以上时，应及时校正监控模型和更新安全监控指标。 4. 监测资料整编的周期 监测资料整编应以日历年为整编时段，每年整编一次，在汛期前应将上一年度监测资料整编完毕。 5. 监测资料整编的范围 整编范围应涵盖大坝各建筑物在该年的全部安全监测资料，包括仪器监测资料和巡视检查资料。 6. 刊印成册的资料编排内容 七、大坝安全监测案例 1.法国马尔巴塞（Malpasset）拱坝的失事 法国马尔巴塞拱坝坝顶高程102.55m，顶部弧长223m。拱坝于1954年末建成并蓄水，库水位上升缓慢。历经5年至1959年11月中旬，库水位达到95.2m，于1959年12月2日突然溃决失事。 蓄水后，坝址下游20m、高程80m处有水自岩石中流出，已经开始引起了人们的注意。1959年12月1日下了一场大雨，到2日晨，库水位猛增到100m。当日下午，工程师们到大坝视察，研究如何防止渗水的不利作用。因未发现大坝有任何异常，决定下午6点开闸放水，降低库水位。开闸后未发现任何振动现象。管理人员晚间对大坝继续进行了反复巡视，亦未见任何异常现象，于近21点离开大坝。当人们刚刚离开坝区后的21点20分，大坝突然溃决。大坝剧烈颤动，随之听到类似动物吼叫的突发巨响，然后感到强烈的空气波。最终他们看到巨大的水墙顺河谷奔腾，同一时间电力供应中断。 溃坝洪水顺峡谷咆哮而下，出峡谷后流速仍达20km/h。下游12km处的城镇部分被毁，死亡421人，财产损失达300亿法郎。次日清晨发现大坝已被冲走，仅右岸靠基础部分有残留拱坝，一些坝块被冲到下游1.5km处，左岸坝基岩体被冲出深槽。下面的照片时当年被溃坝洪水毁损的田园、大坝和道路。
马尔巴塞拱坝坝体未埋设监测仪器，仅在坝下游面横缝F、H、J、L等不同高程处设置了28个位移观测点，通过大地测量法，每年进行一次位移观测。从开始蓄水到大坝失事，分别于1955年9月（库水位79.95m）、1956年7月（库水位83.85m）、1958年7月（库水位87.30m）和1959年7月（库水位94.10m）共进行了4次观测。从仅有的4次观测成果来看：前三次观测成果正常，测点位移与库水位大致成正比；第四次实测位移偏大，超出了正常范围，且在中央悬臂梁的底部，测点的水平位移普遍增大约10mm，横缝F底部达到16mm，并有7mm的切向位移。同时，实测值与计算值的比值，在坝体中、上部54~102m高程处基本一致，在坝基处则相差较大，在横缝H、J处实测值比计算值大3倍，而横缝F处大5倍。由于大坝管理者监测间隔时间过长，失事前未及时对实测资料进行认真的分析，且未接到设计部门提供的安全监控标准，也未将观测结果及时反馈给设计部门，因此观测成果所反映出的坝底部位位移异常的情况未引起个有关方面应有的重视，丧失了有可能避免大坝失事的机会。 马尔巴塞t拱坝失事至今已40多年，对其失事的原因至今尚未取得完全一致的认识。但绝大多数专家都认为坝基内过大的孔隙水压力是造成失事的主要原因，认为失事的原因主要是该坝设计时未考虑作用于坝基上的扬压力。20世纪初建造的许多重力坝多未考虑扬压力，而有的坝采取了加固措施而没有发生溃坝。 2.瑞士苏济尔拱坝幸免于难 瑞士苏济尔拱坝于1957年蓄水，该拱坝布置了比较齐全的监测设施，并进行了基本上每月1次的长期观察，监测资料也进行了及时的整理和分析。大坝正常运行21年后的1978年12月，在例行观测时发现坝体变形出现异常情况，坝体沉陷110mm，坝顶弦长缩短60mm，库满状况下坝体垂线径向水平位移却偏向上游，坝体下游面形成周边型裂缝。业主对此深感不安，立即决定将库水位降至最低水位，并报告瑞士联邦水利局，组织专家组对该拱坝的安全状况进行全面检查。专家组在查找异常变形原因时，首先根据观测资料排除了观测误差和坝体异常温度的可能性，之后还曾考虑过其他各种可能，如地壳构造运动、火山活动、软岩层的潜蚀等。最后结合大范围的巡查，发现真正的原因是公路部门在距左坝肩1400m、坝以下400m处所打的一个公路探洞的影响。该探洞穿过了与坝下地层相连的灰岩底部含水层，使岩层迅速脱水，应力重新分布，从而引起岩层裂缝、断层压缩和坝体下沉。从监测资料来看，坝的位移异常值与探洞排水量增长趋势极为相似，洞的掘进停止和渗透稳定后，坝体异常变形也趋于稳定。在查找出原因后，专家组还对坝进行了应力分析，并制定了切实可行的修复加固方案，于1980~1984年分三个阶段完成。水库重新蓄水工作在严格计划和严密检测的基础上，分六个阶段历时6年完成，现该坝运行状况良好。正是由于有效的、规范的大坝安全监测，才使得苏济尔拱坝幸免于难。 3.我国大坝安全监测成功案例 在我国大坝安全管理中，通过大坝安全检测避免大坝事故的成功事例也不少。例如，安徽梅山连拱坝1962年11月发现右岸山坡渗流量显著增加；当即对大坝进行检查，又发现右岸几个坝段已向左岸倾斜，最大达57mm，坝体也陆续出现了长裂缝，经过对观测资料的系统分析，判断右岸坝基基岩发生了部分错动，大坝处于危险中；于是立即放空水库进行加固处理，使大坝转危为安。广东泉水拱坝在1976年蓄水前，因右岸地形单薄、地质条件较差且溢洪及排水洞衬砌出现裂缝，担心不能承受设计水头；经过观测和资料分析，表明大坝坝体、坝基和坝肩应力及变形均正常，裂缝开合度仅受气温影响，从而决定按原计划正常蓄水运行，使大坝及时发挥了应有的作用。黄河上游龙羊峡水电站施工过程中，1981年8月遭遇100年一遇以上的特大洪水，围堰安全事关重大；当时对埋设在围堰刚性心墙内的48支仪器进行了严密的观测和分析，表明围堰的工作性态是正常的；于是决定采取加高围堰4m的抗洪措施。终于确保了工程安全施工和度汛。安徽佛子岭连拱坝1965年在观测资料分析中发现12号、13号垛基沉降量较大且在继续发展，经调查分析表明该处基岩内存在破碎带和软弱夹层，对垛基稳定不利，于是放空水库进行了地基加固处理；1993年的检测资料分析又发现大坝向下游的位移量明显增大，超过历史最大值的30%多，立即进行全面的检查和分析，判断为大坝遭遇到不利工况所致。考虑到大坝基础、坝体均在一定的缺陷，为保障大坝安全，决定控制水位运行；1997年地大坝监测系统进行了改造，加强了对大坝结构性态的监测；1999年首次安全定期检查将佛子岭大坝评定为病坝，进一步明确要求控制水位运行；此后对佛子岭大坝坝体、坝基和溢洪道进行了一系列加固处理。 |
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