CN103292762A - 判别大坝稳定性的位移监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及水利工程稳定性评价与监测预警领域，特别涉及水库大坝的稳定性监测与评价技术领域。本发明的判别大坝稳定性的位移监测方法，包括如下步骤：（1）大坝坝体整体范围及检测网线的确定；（2）设置大坝位移基准监测点；（3）监测设备安装及数据获取；（4）大坝趋势位移统计量r的确定；（5）确定大坝整体趋势位移临界统计量判据r_d；（6）大坝整体趋势性位移r分析与判定；（7）大坝整体趋势性位移率k的计算与确定；（8）大坝整体稳定性评价与失稳风险预警。本发明的方法可对大坝不稳定性进行分级预警，对大坝的防护治理提供了依据。

Description

判别大坝稳定性的位移监测方法

技术领域

本发明涉及水利工程稳定性评价与监测预警领域，特别涉及水库大坝的稳定性监测与评价技术领域。

背景技术

大坝作为重大水利工程的关键枢纽工程，其稳定安全与否直接关系到整个水利工程其它辅助工程正常运行，并直接影响和决定着重大水利工程整体的安全性与设计效益的发挥，更重要的是其稳定性和安全直接关系下游区域人民群众的生命财产安全、社会经济建设和生态环境安全等。极端降雨所引发的特大洪水压力涨落变化、地震、人为荷载等外部因素和坝体的材料等内部薄弱环节共同作用加剧大坝自身及其相邻岸坡稳定性。据统计，我国目前有8.7万座水库，是世界上水库最多的国家。这些水库大多数建于上世纪50-70年代，多数已经“超期服役”，水库病险数量过半，已达4万多座，中国已经成为全球病险水库最多的国家。一旦溃坝发生将给人类生命、经济、社会和环境造成巨大损失和深重灾难。从1954年有溃坝记录以来，我国共发生了3515次水库溃坝。其中“板桥溃坝”成为人类有史以来最为惨烈的事件。因此，必须高度重视水库大坝的安全监测，确保使之安全运行。工程设计缺陷和人类知识的局限性导致大坝存在失事的风险，如何对大坝的稳定性进行有效监测，并依据监测结果对其稳定性演化趋势及溃坝风险做出科学准确地预测预报是水利工程安全评价领域亟待解决的重要问题和难题。

目前，国内外水库安全评价技术与方法主要分为传统的定性准则法、综合评价分析法（综合评分法、层次分析法、风险评估分析法和模糊综合评价法）和数学模型三种：传统的定性准则法是通过大坝安全定期检查，诊断出大坝存在的缺陷，定性鉴定大坝的安全等级，但其只适合用于评价单一项目，未考虑各类影响大坝安全的不确定因素，评价结论针对性不明显，参考价值有限；综合评价分析法是指通过有针对性的评价方法对大坝安全的多层次、多目标结构系统做出综合评价，而大坝安全影响因素评价指标集的不易确定、评价体系的构建不完善、安全综合评价方法的选取不合理，虽然能够通过一些计算方法，定量考虑一些影响因素的影响程度和权重，但其考虑影响因素不全，其评价结果仍然不够可靠，评价结论有很大的不合理性；数学模型属于显示函数形式，通过对模型中的各分量进行物理解释以此对大坝进行预测分析，数学模型需要建立在观测误差的数学期望全为零、各次观测互相独立以及观测误差呈正态分布的假设前提下，因此其模型精度取决于建模因子的选择，这样就造成在预测分析时，出现预测效果差，偏离发展趋势等问题。因此，建立和确定一种基于位移监测的有效预测评价方法，并克服上述大坝预测评价方法存在的不足和局限性，在大坝稳定性评价与监测预警领域具有重要的应用价值。

发明内容

本发明的技术效果能够克服上述缺陷，提供一种判别大坝稳定性的位移监测方法，其精确判断和预测大坝出现整体滑移的风险大小，为大坝稳定性有效监测预警与科学治理提供依据。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：其包括如下步骤：

（1）大坝坝体整体范围及检测网线的确定：根据大坝坝体结构与受力条件，确定大坝整体监测范围与边界，在大坝坝顶布设a条横向位移监测线，同时布设b条纵向位移监测线，构成a×b的位移监测网格；在下游坝坡面布设m条水平横向位移监测线，同时布设n条竖向位移监测线，构成m×n的位移监测网格；

（2）设置大坝位移基准监测点：位移监测基准点K_i，其中i≥3，选在监测大坝体以外稳定的基岩或无变形的区域，位移监测基准点和大坝位移变形监测点共同形成大坝位移监测控制网；大坝位移变形监测点下标编号以矩阵形式F_(x,y)表示；

（3）监测设备安装及数据获取：按照位移监测点的选择对应布置安装无线监测位移变化设备及位移监测基准点的监测设备，保证埋设的监测设备与坝体和坝岸紧密耦合，设备之间相互独立、互不干涉，保证每个监测点位移变化值得到有效监测；利用户外数据收集装置将数据实时传输到智能远程监测站，对传输数据初步处理分析，并录入表格；

（4）大坝趋势位移统计量r的确定：坝体位移观测点相互独立，遵循正态分布，具有相同方差σ²的随机序列E_i，其中i=1，2，…，n，其中E_i为大坝各监测点监测期内不同时间的位移值，根据数理统计原理，可确定大坝各监测点的趋势位移统计参数r；

（5）确定大坝整体趋势位移临界统计量判据

其中，

为各监测点位移统计量平均值，

为各监测点位移统计量方差，n为监测点数量，α为置信水平一般取0.05，

为标准正态分布的一个概率参数；

（6）大坝整体趋势性位移r分析与判定：对r值进行检验与评价，若r≥r_d，则可判定该点未发生趋势性位移，表明该点部位处于稳定状态；若r<r_d,则可判定该点发生了趋势性位移，表明该点部位处于不稳定状态；

（7）大坝整体趋势性位移率k的计算与确定：对于大坝处于不稳定状态的部位，根据该部位监测点的r和r_d值，确定大坝整体趋势性位移率k=（r_d-r）/r_d×100%；

（8）大坝整体稳定性评价与失稳风险预警：运用整体趋势性位移率k对大坝风险进行评价与预警，当0＜k＜30%时，可判定该大坝处于不稳定阶段初期，其大坝溃坝风险为三级风险预警；当30%≤k＜60%时，可判定该大坝处于不稳定阶段中期，其大坝溃坝风险为二级风险预警；当60%≤k＜100%时，可判定该大坝处于不稳定阶段后期，其大坝溃坝风险为一级风险预警。

本发明提出了一种基于大坝位移监测数据判断其出现整体位移与失稳风险的预测方法，本方法通过实地监测大坝的位移，对其进行趋势位移统计分析与计算，确定大坝出现整体趋势滑移判据，进而精确判断和预测大坝出现整体滑移的风险大小，为大坝稳定性有效监测预警与科学治理提供依据。

根据大坝变形性质监测与稳定性分析结果，大坝的位移变形可分为稳定的随机波动（振动）变形与非稳定的整体趋势变形。其中，决定大坝变形观测值的影响因素有趋势性因素、周期性因素和随机性因素，因此其变形观测值则由坝体的蠕变位移、随机变形和整体滑移构成。

当大坝变形处于稳定随机蠕动变形阶段时，其变形主要以振动变形和随机位移为主，其整体趋势位移量较小；当大坝进入非稳定整体滑移变形阶段时，则变形量主要是由整体趋势变形量构成，而随机蠕变量所占的比例则要相应减少，因此，在此阶段其位移观测数据将出现趋势性位移增大或减小，统计学上称之为总体均值逐渐移动。假设坝体位移观测点相互独立，遵循正态分布，具有相同方差σ²的随机序列E_i（i=1，2，…，n）。其样本均值、样本方差和均方差分别为

$\stackrel{\&OverBar;}{E}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{E}_i---\left(1\right)$

$S^2=\frac{1}{n-1}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{(E_i-\stackrel{\&OverBar;}{E})}^2---\left(2\right)$

${2q}^2=\frac{1}{n-1}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{(E_{i+1}-E_i)}^2---\left(3\right)$

统计学上证明了总体无移动时，S²和q²都是总体方差的无偏估计量，它们的值理应相近。若总体逐渐移动且方差σ²仍保持不变时，S²会受到这种趋势性影响较大，由于q²只包含前后两次观测之差而消除了这种影响的大部分，故所受影响不大。为检验总体有无移动可作统计量：

r=q²/S²                    （4）

选用一定的置信水平α及其对r值的r_d，利用观测数据算出r，然后对r值进行检验。若r≥r_d，则可判定未发生趋势性位移；若r<r_d,则可判定发生了趋势性位移。

根据趋势位移统计量r与一定的置信水平α的临界位移统计量r_d，可确定评价大坝整体稳定性程度的趋势位移率k=（r_d-r）/r_d×100%。通过比较大坝同一时间不同观测点或相同观测点不同时间的趋势位移率，可评价大坝的同一时间不同位置或同一部位不同时间的不稳定性程度与失稳风险。如趋势位移率k大于零，表明大坝进入不稳定状态；趋势位移率k越大，表明此时坝体越不稳定，其失稳风险越大；趋势位移率k越小，表明此时坝体失稳风险越小。因此，趋势位移率k还可以作为大坝稳定性评价与溃坝风险预测预报的一个重要定量判据，同时也可作为大坝稳定性治理的依据。

步骤（1）中对坝体重点受力部位和已出现明显变形区域加密位移监测网格，其中重点受力部位是指坝体中部施工交接缝、坝体浸润线的位置和库水位压力三角形分布图形心位置；明显变形区域是指坝顶贯穿性裂缝和廊道内裂缝。

步骤（1）中a≥1，b≥0，m≥3，n≥3。

步骤（2）中坐标（x，y）包括坐标（a，b）、坐标（m、n）两部分。

步骤（4）中大坝各监测点的趋势位移统计参数r确定步骤如下：

1）确定各点的位移监测均值：

2）确定位移监测点的样本方差：

3）确定位移监测点的均方差：

4）确定检验大坝总体有无趋势移动的统计量：r=q²/S²。

本发明在观测点位移量监测的基础上，判断大坝是否发生了趋势性位移，并依据这种方法精确判断大坝的整体稳定性状态；同时，根据大坝趋势位移率k=（r_d-r）/r_d×100%，可对大坝不稳定性进行分级预警，对大坝的防护治理提供了依据。

附图说明

图1为本发明流程图；

图2为大坝的坝顶与下游坝坡面监测点布置和监测设备安装间图；

图3为坝顶与下游坝坡面网格划分及位移变形监测点俯视图。

图中：1.监测网格；2无线监测位移变化设备；3.监测设备；4.户外数据监测收集装置；5.智能远程监测站。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，以某大坝为例进行详细说明：

本发明所研究大坝体位于长江支流中游，大坝的实际情况及其结构受力条件已查明，同时根据所建大坝初期资料大坝体整体范围已经明确，具备此发明应用条件。具体实施方案与过程如下：

第一步:大坝坝体整体范围及监测网线的确定

根据大坝坝体结构与受力条件，确定大坝整体监测范围与边界。在大坝坝顶布设1条横向位移监测线，因坝顶较窄，不再布设纵向横向位移监测线；在下游坝坡面布设4水平横向位移监测线，同时布设5条竖向位移监测线，构成4×5的位移监测网格1；对坝体重点受力部位和已出现明显变形区域应适当加密位移监测网格1。

第二步：设置大坝位移基准监测点

位移监测基准点K_i（i≥3）选在监测大坝体以外稳定的基岩或无变形的区域，位移监测基准点和大坝位移变形监测点共同形成大坝位移监测控制网；大坝位移变形监测点下标编号以矩阵形式F_(x,y)表示，其中x、y宜大于3，对大坝典型部位可适当加密位移监测点。

第三步：监测设备安装及数据获取

按照位移监测点的选择对应布置安装无线监测位移变化设备2（编号F_(x,y)）及位移监测基准点（K₁、K₂、K₃）的监测设备3，保证埋设的监测设备与坝体和坝岸紧密耦合，设备之间相互独立、互不干涉，保证每个监测点位移变化值得到有效监测。根据监测点分布情况，在坝体上选取M1N3、M2N2、M2N3、M3N2、M3N35个点作为分析目标，利用户外数据监测收集装置4将数据实时传输到智能远程监测站5，对传输数据利用计算机软件初步处理分析，并将该5个位移监测点1980年1月20日到1980年9月24日每月收集到的监测位移记录在表1，以待技术人员分析、处理。

表1大坝前段监测水平位移量一览表（单位:mm）

第四步：大坝趋势位移统计量r的确定

设坝体位移观测点相互独立，遵循正态分布，具有相同方差σ²的随机序列E_i（i=1，2，…，n），其中，E_i为大坝各监测点监测期内不同时间的位移值。根据数理统计原理，可确定大坝各监测点的趋势位移统计参数r。其确定步骤如下

1）确定各点的位移监测均值：

2）确定位移监测点的样本方差：

3）确定位移监测点的均方差：

4）确定检验大坝总体有无趋势移动的统计量：r=q²/S²：

经过上述步骤确定的趋势位移统计量r记录在表2中。

第五步：确定大坝整体趋势位移临界统计量判据r_d

根据数理统计满足95%保证率条件，取置信水平α=0.05，可查标准正态分布概率参数表（浙大《概率论与数理统计》第四版）得到Z_0.025=1.96，利用 $r_d=\stackrel{\&OverBar;}{r}+\mathrm{\&sigma;}/\sqrt{5}*Z_{0.025},$ 其中 ${\mathrm{\&sigma;}}^2=\frac{1}{5}\underset{i=1}{\overset{5}{\mathrm{\&Sigma;}}}{(\stackrel{\&OverBar;}{r}-r_i)}^2,$ 得出r_d=0.9513，见表2。

表2大坝观测点趋势性位移评判结果（单位:mm）

注：T表示有趋势位移。

第六步：大坝整体趋势性位移分析与判定

对r值进行检与评价。若r≥r_d，则可判定该点未发生趋势性位移，表明该点部位处于稳定状态；若r<r_d,则可判定该点发生了趋势性位移，表明该点部位处于不稳定状态。依据上述标准从表2中可以很清晰的判断出选取的大坝各监测点除了M3N2点，其他各监测点均已发生趋势性位移，即r<r_d，表明该大坝已进入整体滑移阶段，即将发生整体滑移。

第七步：大坝整体趋势性位移率的计算与确定

对于大坝处于不稳定状态的部位，根据该部位监测点的r和r_d值，确定大坝整体趋势性位移率k=（r_d-r）/r_d×100%，见表2。

第八步：大坝整体稳定性评价与失稳风险预警

运用整体趋势性位移率k对大坝风险进行评价与预警。由表2表明该大坝各位移监测点趋势位移率k的值不同，说明大坝不同位置的稳定性程度不同。M1N3、M2N3点的趋势位移率k＞60%，说明这两点所处坝体区域极不稳定，为大坝风险一级预警区；M3N3点的趋势位移率k处在30%≤k＜60%范围内，说明这点所在大坝区域为不稳定，为大坝二级风险预警区域；M2N2点的趋势位移率比较小，仅为21.18%，说明此监测点所在坝体区域为相对不稳定区，为大坝风险三级预警区。

本发明在观测点位移量监测的基础上，判断大坝是否发生了趋势性位移，并依据这种方法精确判断大坝的整体稳定性状态，与该大坝实际勘察所得稳定性演化规律基本相吻合。表明上述趋势性位移评价方法为大坝的防护治理提供了依据。

Claims (5)

1.一种判别大坝稳定性的位移监测方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）大坝坝体整体范围及检测网线的确定：根据大坝坝体结构与受力条件，确定大坝整体监测范围与边界，在大坝坝顶布设a条横向位移监测线，同时布设b条纵向位移监测线，构成a×b的位移监测网格；在下游坝坡面布设m条水平横向位移监测线，同时布设n条竖向位移监测线，构成m×n的位移监测网格；

（2）设置大坝位移基准监测点：位移监测基准点K_i，其中i≥3，选在监测大坝体以外稳定的基岩或无变形的区域，位移监测基准点和大坝位移变形监测点共同形成大坝位移监测控制网；大坝位移变形监测点下标编号以矩阵形式F_(x,y)表示；

（3）监测设备安装及数据获取：按照位移监测点的选择对应布置安装无线监测位移变化设备及位移监测基准点的监测设备，保证埋设的监测设备与坝体和坝岸紧密耦合，设备之间相互独立、互不干涉，保证每个监测点位移变化值得到有效监测；利用户外数据收集装置将数据实时传输到智能远程监测站，对传输数据初步处理分析，并录入表格；

（4）大坝趋势位移统计量r的确定：坝体位移观测点相互独立，遵循正态分布，具有相同方差σ²的随机序列E_i，其中i=1，2，…，n，其中E_i为大坝各监测点监测期内不同时间的位移值，根据数理统计原理，可确定大坝各监测点的趋势位移统计参数r；

（5）确定大坝整体趋势位移临界统计量判据其中，

为各监测点位移统计量平均值，

为各监测点位移统计量方差，n为监测点数量，α为置信水平一般取0.05，

为标准正态分布的一个概率参数；

（6）大坝整体趋势性位移r分析与判定：对r值进行检验与评价，若r≥r_d，则可判定该点未发生趋势性位移，表明该点部位处于稳定状态；若r<r_d,则可判定该点发生了趋势性位移，表明该点部位处于不稳定状态；

（7）大坝整体趋势性位移率k的计算与确定：对于大坝处于不稳定状态的部位，根据该部位监测点的r和r_d值，确定大坝整体趋势性位移率k=（r_d-r）/r_d×100%；

（8）大坝整体稳定性评价与失稳风险预警：运用整体趋势性位移率k对大坝风险进行评价与预警，当0＜k＜30%时，可判定该大坝处于不稳定阶段初期，其大坝溃坝风险为三级风险预警；当30%≤k＜60%时，可判定该大坝处于不稳定阶段中期，其大坝溃坝风险为二级风险预警；当60%≤k＜100%时，可判定该大坝处于不稳定阶段后期，其大坝溃坝风险为一级风险预警。

2.根据权利要求1所述的判别大坝稳定性的位移监测方法，其特征在于，步骤

（1）中对坝体重点受力部位和已出现明显变形区域加密位移监测网格，其中重点受力部位是指坝体中部施工交接缝、坝体浸润线的位置和库水位压力三角形分布图形心位置；明显变形区域是指坝顶贯穿性裂缝和廊道内裂缝。

3.根据权利要求2所述的判别大坝稳定性的位移监测方法，其特征在于，步骤（1）中a≥1，b≥0，m≥3，n≥3。

4.根据权利要求1所述的判别大坝稳定性的位移监测方法，其特征在于，步骤（2）中坐标（x，y）包括坐标（a，b）、坐标（m、n）两部分。

5.根据权利要求1所述的判别大坝稳定性的位移监测方法，其特征在于，步骤（4）中大坝各监测点的趋势位移统计参数r确定步骤如下：

1）确定各点的位移监测均值：

2）确定位移监测点的样本方差：

3）确定位移监测点的均方差：

4）确定检验大坝总体有无趋势移动的统计量：r=q²/S²。

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