CN104482991A - 一种确定危坝坝体安全库水位的测定参数与预警方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及水利工程稳定性评价与监测预警领域，特别涉及一种确定危坝坝体安全库水位的测定参数与预警方法。一种确定危坝坝体安全库水位的测定参数与预警方法，包括以下步骤：步骤一：大坝变形监测网及位移监测基准点、工作基点的布置；步骤二：监测设备的布置与安装；步骤三：大坝库水位与位移实时监测及实时监测数据处理；步骤四：大坝变形模量参数的确定；步骤五：建立 ，函数关系式；步骤六：大坝临界稳定库水位的确定；步骤七：大坝运行安全库水位的确定。该方法可以在某种程度上克服传统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。

Description

一种确定危坝坝体安全库水位的测定参数与预警方法

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，特别涉及一种确定危坝坝体安全库水位的测定参数与预警方法。

背景技术

中国大坝数量居世界首位，然而，中国溃坝率亦居世界前列，远远超出世界其它国家。中国大坝大多建于20世纪50-70年代，以土石坝居多，寿命约为50年。且大坝普遍存在标准偏低、施工质量不高、设施不完备等问题，又经过三五十年的运行，水库设施普遍老化，许多水库大坝处于超限服役状态，存在坝体渗水、坝身变形、出现裂缝等老化特征，这些具有变形、裂缝等老化特征的坝也就是危坝，具有一定的安全隐患。兴建大坝能造福人类，然而一旦失事，则会带来巨大的灾难以及威胁人民的生命、财产安全。大坝溃坝是一种突发事件，但大坝溃坝的原因往往是有规律可循的，大多数大坝的溃坝是由于某些不安全因素导致的由量变到质变积累的结果。因此对其进行及时有效的监测与预警是防止灾害发生的关键。实践已经证明，大坝安全监测不仅是保证大坝安全运行的重要措施，也是提高设计水平，改进施工方法，加快水电建设速度的重要手段。

目前国内外常用的大坝安全评价及监测数据分析方法主要有如下几种：一是多元回归分析法，即以大坝变形为因变量，取环境量为自变量，根据数理统计理论建立多元线性回归模型，用逐步回归分析方法得到效应量与环境量之间的函数模型，继而进行变形的物理解释和预报；二是综合分析评价法，即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，可细分为动力系统方法，以及运用投影寻踪、集对分析、物元可拓分析、粗集理论、神经网络、模糊综合评价、据融合、证据理论等一批新的方法；有限元法，即确定函数法，是具有先验性质的一种方法。多元回归分析方法是一种统计分析方法，需要因变量和自变量具有较长且一致性较好的观测值序列。如果回归模型的环境变量之间存在多重共线性，可能会引起回归模型参数估计的不正确；综合评价分析法由于评价体系的构建还不完善，且大坝安全影响因素不易确定，其影响因素很难考虑周全，通过一些计算方法，只能定量考虑一些影响因素的影响程度和权重，其评价结果仍然不够可靠，评价结论有一定的不合理性；有限元法由于假设性较大，变形值的计算结果跟函数模型、单元划分和物理力学参数的选取有关，而且一般未考虑外界随机因子的影响，因此该方法的计算结果仅供参考。如果计算的变形值和实测值差异较大，往往需要对模型和参数进行修正和迭代计算。

发明内容

本发明目的是为了克服上述大坝预测评价方法存在的不足和局限性，提供一种利用库水位和位移监测数据确定安全水位的便捷快速测定方法。具体发明思路是将大坝库水位与位移的变化分别作为大坝的加载动力参数及大坝对于外动力变化的响应参数，将库水位与位移的比值定义为坝体变形模量参数，以坝体的变形模量参数与库水位的函数关系为依据，用变形模量参数转折点法确定大坝由缓慢变形到急剧变形转折点时所对应的水位为其临界稳定库水位，考虑到大坝工程的重要性、参数的不确定性，给大坝临界稳定库水位设定一个抗滑稳定性安全系数K作为安全储备，临界稳定库水位除以K得到的值为其安全库水位。

本发明通过以下技术方案实现的，一种确定危坝坝体安全库水位的测定参数与预警方法，包括以下步骤：

步骤一：大坝变形监测网及位移监测基准点、工作基点的布置；

步骤二：监测设备的布置与安装；

步骤三：大坝库水位与位移实时监测及实时监测数据处理；

步骤四：大坝变形模量参数的确定；

步骤五：建立H，ξ函数关系式；

步骤六：大坝临界稳定库水位的确定；

步骤七：大坝运行安全库水位的确定。

所述步骤一：大坝表面监测点在坝面上呈网格状布置，主坝上设m(m≥3)个变形观测断面，观测断面通常选在一些有代表性的地段(如大坝最高处、合龙段、坝内有泄水底孔处、坝基地形和地质变化较大处及闸房处等)，每个断面上各布设n个变形监测点，共m×n个，以便能较准确地反映出坝体变形的全貌。

步骤二所述监测设备包括无线GPS接收机和超声波水位计监测设备。其中大坝上游库水位监测设备选用超声波水位计；大坝坝体变形监测设备选用无线GPS接收机，在大坝的变形监测点及位移监测基准点安装无线GPS接收机，并保证埋设的大坝位移变化监测设备与大坝坝体表层紧密结合。

所述步骤三：根据大坝位移与稳定性状况，并运用库水位与位移监测设备，对不同时间大坝库水位(H)与各监测点位移(S)进行实时监测，通过数据信号收集器将监测数据传输到远程大坝安全监测室，并对数据进行预处理，为相关工程技术人员实时掌握水位动态提供依据。

步骤四所述大坝变形模量参数的确定方法为：

将大坝任意时间段内库水位与观测断面的水平位移平均值的比值定义为变形模量参数ξ，即：

${\mathrm{\ξ}}_i=\frac{H_i}{{\stackrel{\‾}{S}}_i}---\left(1\right)$

上述公式中：H_i为大坝在监测时刻i时的库水位，为监测时刻i时的观测断面监测点的位移平均值，ξ_i为监测时刻i时大坝观测断面的变形模量参数。

将经步骤三预处理过的各时间段库水位与位移均值代入式(1)，求得各时间段内的变形模量参数ξ_i，并记录与表中。

步骤五所述建立H，ξ函数关系式的方法为：

以库水位H为横坐标，变形模量参数ξ为纵坐标，根据各点的H，ξ值建立H，ξ函数关系式。根据弹塑性力学原理和大量大坝变形监测资料，随着大坝坝体损伤和库水位的加载，大坝坝体将从弹性变形转化为塑性变形，其位移对库水位加载的响应呈现指数加速变化规律，其变形模量参数随库水位加载也呈现指数加速变化规律。设变形模量参数随库水位加载演化规律符合公式(2)的指数函数关系曲线，即：

$\mathrm{\ξ}={\mathrm{ae}}^{-b{H}^2---\left(2\right)}$

式中：a，b为常数

步骤六所述大坝临界稳定库水位的确定方法为：

对公式(2)二次求导，可求得拐点s，即转折点拐点可反映事物发展过程中运行趋势或运行速率的变化，因此在该函数关系中点s可视为大坝由缓慢变形到急剧变形的转折点，此点所对应的库水位h_s即为大坝的临界稳定库水位。

由公式(2)及上述二次求导过程推得修正公式(3)，(4)

常数 $b_n=-\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(\lg {\mathrm{\ξ}}_i-\lg a_{n-1})}{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\left({H_i}^2\mathrm{lge}\right)},(n>1)---\left(3\right)$

安全水位 $h_n=\sqrt{\frac{1}{{2b}_n}}---\left(4\right)$

根据监测数据，通过将前2次监测数据H₁、ξ₁及H₂、ξ₂带入函数关系式(2)，可求出a、b，另所求得的a、b为a₁、b₁，将b₁代入式(4)可求得h₁，把a₁代入式(3)可求得b₂，再将b₂分别带入式(2)和式(4)，可求得a₂与h₂，以此循环类推可求出h_n，当时，可认为h_n即为大坝临界稳定库水位。

步骤七所述大坝运行安全库水位的确定方法为：

在大坝防治及实际工程勘察设计中，考虑到大坝水利工程的重要性、参数的不确定性，给大坝设定一个抗滑稳定性安全系数K作为安全储备，抗滑稳定性安全系数K可根据相关大坝设计规范(如碾压式土石坝设计规范(DL/T5395-2007)，混凝土重力坝设计规范(SL319-2005)等)确定，其临界稳定库水位除以K得到其安全库水位。

在大坝监测过程中，如果发现监测水位值接近或已超过运行安全库水位值时，应发出预警，同时加密监测时间，并做好可能出现破坏事故的准备。

本发明提出的变形模量参数由大坝位移和库水位变化的可监测性参数决定的，所以它是一种动态的可实施实时监测的稳定性评价参数；且运用该参数可对未来大坝变形发展规律与稳定性演化趋势进行预测，并可不断修正其水库安全水位值。该方法可以在某种程度上克服上述传统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。

本发明的一种确定危坝坝体安全库水位的测定参数与预警方法理论依据与基本原理如下：

从损伤力学的角度看，大坝的破坏过程就是坝体材料的变形损伤演化过程。根据弹塑性理论基本原理，材料在弹性变形阶段和近弹性变形阶段内，应力σ与应变ε成线性关系，此阶段内应力σ与应变ε的比值为定值，即弹性变形模量E₀。随着材料进入塑性不稳定变形阶段，应力σ与应变ε关系则成非线性关系，此阶段的应力σ与应变ε的比值已不再是一个定值，而是一个变量，即塑性变形模量E_t。且随着应力σ的增大和材料塑性损伤的不断发展，其相应应变ε也呈现非线性增大，因此其应力σ与应变ε的比值将出现非线性减小；当材料达到峰值强度后，即在材料完全破坏时，极小的应力变化也会引起巨大的应变响应，其应力σ与应变ε的比值E_t将趋于0。上述基本原理表明变形模量E可用来评价材料的稳定性。

在其它因素相对不变的条件下，大坝的位移动力学特征主要取决于库水位变化。因此，库水位是影响和控制大坝位移的主要动力因素。大坝稳定性演化系统是一个典型的非线性系统，所以在库水位作用下大坝的位移演化规律完全符合非线性系统的稳定性演化规律，因此，可以运用变形模量参数对大坝稳定性进行分析与评价。本发明针对库水位上升对大坝的作用机理与特点，提出分别将大坝库水位变化与位移变化作为大坝的动力加载参数H以及大坝动力加载的响应参数S。将大坝库水位变化H与大坝的位移变化S的比值定义为坝体变形模量参数ξ，即ξ＝H/S，变形模量参数ξ是H/S的函数，ξ可视为大坝受载荷后抵抗变形的能力。根据弹塑性力学原理和大量大坝变形监测资料，随着大坝坝体损伤和库水位的加载，大坝坝体将从弹性变形转化为塑性变形，其位移对库水位加载的响应呈现指数加速变化规律，其变形模量参数随库水位加载也呈现指数加速变化规律。设变形模量参数随库水位加载演化规律符合公式(2)的指数函数关系曲线，其库水位作用下大坝的变形模量参数的演化规律大致与图3中的函数关系曲线相同，其函数关系可用表示，其中a、b为常数。对该方程二次求导，可求得拐点s，即转折点拐点可反映事物发展过程中运行趋势或运行速率的变化，因此点s可视为大坝由缓慢变形到急剧变形的转折点，此点所对应的库水位h_s即为大坝的临界稳定库水位，对于危坝，一般由于超限服役，已处于塑性变形阶段，随着库水荷载的持续增加，抵抗能力随之降低，直至库水荷载继续增加到一定值(即大坝的临界稳定库水位)时，大坝将有局部破裂进而迅速产生连续破裂面而失去稳定。考虑到大坝工程的重要性，应给大坝一个足够的安全储备，因此给大坝临界稳定库水位设定一个稳定性安全系数K作为安全储备，临界稳定库水位除以K得到的值即为其安全库水位。

附图说明

图1为本发明一种确定危坝坝体安全库水位的测定参数与预警方法的流程图；

图2为本发明涉及的大坝位移监测点及数据监测收集处理设备示意图，其中包括网格划分01、位移变形监测点及设备02、基准点及设备03、户外数据监测收集设备04和智能远程监测站05；

图3为大坝H-ξ演化曲线图；

图4为M2断面监测点的变形模量参数转折点法确定的大坝H-ξ曲线与实际监测计算值对比图。

具体实施方式

本实施例所研究大坝体位于黄河支流中游，为上世纪60年代所建碾压式土石坝，已超过使用年限，大坝的实际情况及周围环境已经查明，同时大坝所建初期资料及大坝体整体范围也已经明确，具备此发明应用条件。下面结合附图和具体实施方式，以该大坝为例进行详细说明。参照图1所示，具体实施方案与过程如下：

第一步：大坝变形监测网及位移监测基准点、工作基点的布置

大坝表面监测点在坝面上呈网格状布置，在主坝上设3个变形观测断面分别为(M₁,M₂,M₃)，观测断面分别选在大坝最高处、合龙段、坝内有泄水底孔处，每个断面上各布设3个变形监测点，共9个，以便能较准确地反映出坝体变形的全貌。在大坝的两端各布设一个水平位移监测的工作基点。由于大坝本身也属于变形体，很难保证工作基点的稳定性，为获取监测点准确的水平位移变形量，大坝下游设置位移监测基准点，为避免库区蓄水的影响，点位应选在变形区以外、地质条件稳定的位置，以便对工作基点进行稳定性监测。

第二步：监测设备的布置与安装

选用超声波水位计监测设备对大坝上游库水位监测，选用无线GPS接收机对大坝坝体水平位移监测，在大坝的变形监测点及位移监测基准点安装无线GPS接收机，并保证埋设的大坝位移变化监测设备与大坝体表层紧密结合。其水平位移监测点及数据监测收集处理设备示意图如图2所示。

第三步：大坝库水位与位移实时监测及实时监测数据处理

根据大坝位移与稳定性状况，并运用库水位与位移监测设备，对不同时间大坝库水位与各监测点位移进行实时监测，通过数据信号收集器将监测数据传输到远程大坝安全监测室，并对数据进行预处理，为相关工程技术人员实时掌握水位动态提供依据。

通过对监测资料分析，发现M2断面监测点位移明显高于其他断面位移监测点，现将监测的不同库水位值及其对应的M2断面位移监测值记录于表1。

表1 大坝库水位及M2断面位移监测值

第四步：大坝变形模量参数的确定

将大坝任意时间段内库水位与观测断面的水平位移平均值的比值定义为变形模量参数ξ，即：

${\mathrm{\ξ}}_i=\frac{H_i}{{\stackrel{\‾}{S}}_i}---\left(1\right)$

根据表1求得M2断面监测点位移平均值，把各时间段库水位与位移平均值代入式(1)求得变形模量参数ξ，记录于表2。

表2 大坝库水位、M2断面平均位移、变形模量参数值

库水位H(m)	115	120	125	130	135	140	145	150	155
										平均位移S(mm)	3.1500	3.3650	3.5223	3.8220	4.0850	4.3973	4.6587	4.9500	5.2513
变形模量参数ξ	36.508	35.661	35.488	34.014	33.048	31.837	31.125	30.303	29.516

第五步：建立H，ξ函数关系式

以库水位H为横坐标，变形模量参数ξ为纵坐标，根据各点的H，ξ值建立H，ξ函数关系式。

$\mathrm{\ξ}={\mathrm{ae}}^{-b{H}^2---\left(2\right)}$

第六步：大坝临界稳定库水位的确定

由公式(2)及其二次求导过程推得修正公式(3)，(4)

常数 $b_n=-\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(\lg {\mathrm{\ξ}}_i-\lg a_{n-1})}{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\left({H_i}^2\mathrm{lge}\right)},(n>1)---\left(3\right)$

安全水位 $h_n=\sqrt{\frac{1}{{2b}_n}}---\left(4\right)$

根据表2中前2次监测数据H₁、ξ₁及H₂、ξ₂带入函数关系式(2)求出a＝47.544、b＝1.997×10^-5、另所求得的a、b为a₁、b₁，将b₁代入式(4)可求得把a₁代入式(3)可求得b₂＝1.952×10^-5，再将b₂分别带入式(2)和式(4)，可求得a₂＝48.142与

$\frac{h_2-h_1}{h_2}\×100\%=\left|\frac{160.054-158.229}{160.054}\right|\×100\%=1.14\%>1\%$

以此循环类推可求得b₃＝2.043×10^-5，a₃＝48.043，

$\frac{h_3-h_2}{h_2}\×100\%=\left|\frac{156.427-160.054}{160.054}\right|\×100\%=2.27\%>1\%;$

b₄＝2.035×10^-5，a₄＝47.887，

$\frac{h_3-h_2}{h_2}\&times;100\%=\left|\frac{156.747-156.427}{156.747}\right|\&times;100\%=0.20\%<1\%.$

因此可确定该大坝变形模量参数与库水位的函数关系式为

即该大坝临界稳定库水位约为156.7m。其函数关系曲线及监测计算值分别见图3、4，从图中可以看出，监测计算值与函数关系曲线基本吻合，因此可以用该参数与方法预测大坝变形趋势及确定其临界稳定库水位。

第七步：大坝运行安全库水位的确定

根据碾压式土石坝设计规范(DL/T 5395-2007)，抗滑稳定性安全系数K取1.05。

所以其安全库水位：

在大坝监测过程中，如果发现监测水位值接近或已超过安全水位值149.2m时，应发出预警，同时加密监测时间，并做好可能出现破坏事故的准备。

Claims (8)

1.一种确定危坝坝体安全库水位的测定参数与预警方法，包括以下步骤：

步骤一：大坝变形监测网及位移监测基准点、工作基点的布置；

步骤二：监测设备的布置与安装；

步骤三：大坝库水位与位移实时监测及实时监测数据处理；

步骤四：大坝变形模量参数的确定；

步骤五：建立H，ξ函数关系式；

步骤六：大坝临界稳定库水位的确定；

步骤七：大坝运行安全库水位的确定。

2.根据权利要求1所述的确定危坝坝体安全库水位的测定参数与预警方法，其特征在于：步骤一大坝表面监测点在坝面上呈网格状布置，主坝上设m(m≥3)个变形观测断面，每个断面上各布设n个变形监测点，共m×n个。

3.根据权利要求2所述的确定危坝坝体安全库水位的测定参数与预警方法，其特征在于：步骤二所述监测设备包括无线GPS接收机和超声波水位计监测设备；其中大坝上游库水位监测设备选用超声波水位计；大坝坝体变形监测设备选用无线GPS接收机。

4.根据权利要求3所述的确定危坝坝体安全库水位的测定参数与预警方法，其特征在于：步骤三根据大坝位移与稳定性状况，并运用库水位与位移监测设备，对不同时间大坝库水位H与各监测点位移S进行实时监测，通过数据信号收集器将监测数据传输到远程大坝安全监测室，并对数据进行预处理。

5.根据权利要求4所述的确定危坝坝体安全库水位的测定参数与预警方法，其特征在于：步骤四所述大坝变形模量参数的确定方法是：将大坝任意时间段内库水位与观测断面的水平位移平均值的比值定义为变形模量参数ξ，即：

${\mathrm{\&xi;}}_i=\frac{H_i}{{\stackrel{\&OverBar;}{S}}_i}---\left(1\right)$

上述公式中：H_i为大坝在监测时刻i时的库水位，为监测时刻i时的观测断面监测点的位移平均值，ξ_i为监测时刻i时大坝观测断面的变形模量参数；将经步骤三预处理过的各时间段库水位与位移均值代入式(1)，求得各时间段内的变形模量参数ξ_i，并记录与表中。

6.根据权利要求5所述的确定危坝坝体安全库水位的测定参数与预警方法，其特征在于：步骤五所述建立H，ξ函数关系式的方法为：以库水位H为横坐标，变形模量参数ξ为纵坐标，根据各点的H，ξ值建立H，ξ函数关系式；设变形模量参数随库水位加载演化规律符合公式(2)的指数函数关系曲线，即：

$\mathrm{\&xi;}={\mathrm{ae}}^{{-\mathrm{bH}}^2}---\left(2\right)$

式中：a，b为常数。

7.根据权利要求6所述的确定危坝坝体安全库水位的测定参数与预警方法，其特征在于：步骤六所述大坝临界稳定库水位的确定方法为：对公式(2)二次求导，可求得拐点s，即转折点拐点可反映事物发展过程中运行趋势或运行速率的变化，因此在该函数关系中点s可视为大坝由缓慢变形到急剧变形的转折点，此点所对应的库水位h_s即为大坝的临界稳定库水位。

由公式(2)及上述二次求导过程推得修正公式(3)，(4)

常数 $b_n=-\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}({\mathrm{lg\&xi;}}_i-{\mathrm{lga}}_{n-1})}{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}\left({H_i}^2\mathrm{lge}\right)},(n>1)---\left(3\right)$

安全水位 $h_n=\sqrt{\frac{1}{{2b}_n}}---\left(4\right)$

根据监测数据，通过将前2次监测数据H₁、ξ₁及H₂、ξ₂带入函数关系式(2)，可求出a、b，另所求得的a、b为a₁、b₁，将b₁代入式(4)可求得h₁，把a₁代入式(3)可求得b₂，再将b₂分别带入式(2)和式(4)，可求得a₂与h₂，以此循环类推可求出h_n，当时，可认为h_n即为大坝临界稳定库水位。

8.根据权利要求7所述的确定危坝坝体安全库水位的测定参数与预警方法，其特征在于：步骤七所述大坝运行安全库水位的确定方法为：给大坝设定一个抗滑稳定性安全系数K作为安全储备，抗滑稳定性安全系数K可根据相关大坝设计规范如碾压式土石坝设计规范(DL/T 5395‐2007)，混凝土重力坝设计规范(SL319‐2005)等确定，其临界稳定库水位除以K得到其安全库水位。