韓國大壩安全管理系統(tǒng)開發(fā)

李 濤，崔弘毅 編 譯

（國家電力監(jiān)管委員會(huì)大壩安全監(jiān)察中心，浙江杭州 310014）

1 簡 介

從1960年起，韓國就開始推行5年經(jīng)濟(jì)發(fā)展計(jì)劃，意在促進(jìn)經(jīng)濟(jì)增長和提高工業(yè)化程度。為支持該計(jì)劃，韓國開始開發(fā)水資源。韓國國內(nèi)修建了大型多用途大壩、供水用的大壩、灌溉用的大壩和發(fā)電用的大壩，并運(yùn)行至今。

成立于1928年的國際大壩委員會(huì)對大壩的定義為：從壩基算起，壩高高于15 m；若壩高為5～15 m，但庫容大于300萬m3，也算為大壩。目前，韓國國內(nèi)的水壩和水庫總數(shù)為18 000座，其中大壩數(shù)量為1 213座。

韓國國內(nèi)大壩的可用總庫容為138×108m3/a，根據(jù)各自用途，大壩和水庫的管理機(jī)構(gòu)為不同的公共企業(yè)或當(dāng)?shù)卣?。韓國電力公司（KEPCO）管理20座水力發(fā)電大壩，韓國農(nóng)村社區(qū)和農(nóng)業(yè)公司（KRC）及當(dāng)?shù)卣芾? 160座小型灌溉壩和供水壩。

韓國水資源公司（Kwater）管理著16座大型多用途大壩（包括Soyanggang大壩）、13座供水壩和1座防洪大壩。另外有2座多用途大壩正在建設(shè)中。雖然Kwater管理的大壩和水庫數(shù)量僅為30，但其工程規(guī)模、生產(chǎn)能力很大，產(chǎn)量很高。如Kwater管理的大壩，年供水量為109億m3，防洪庫容為22億m3，發(fā)電量為245.7萬MWh/年，是韓國水力發(fā)電總量的66.9%。

如今，大大小小的壩體損壞和潰決事故時(shí)有發(fā)生，原因則多種多樣，如異常天氣引起大壩外部荷載增加、老化造成的大壩耐用性降低、越來越頻繁的地震且震級越來越高等。一旦大壩失事，即會(huì)造成下游地區(qū)的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，國家災(zāi)害管理的第一步即應(yīng)進(jìn)行大壩安全評估，并采取適當(dāng)?shù)陌踩A(yù)防措施。

為對現(xiàn)有大壩實(shí)現(xiàn)持續(xù)高效的安全管理，Kwa-ter開發(fā)了KDSMS，現(xiàn)已投入運(yùn)行。

縱觀國外開發(fā)的大壩安全信息系統(tǒng)，大多數(shù)僅僅是大壩安全管理基本要素的數(shù)據(jù)庫或基于風(fēng)險(xiǎn)的決策系統(tǒng)。作為大壩安全管理的有效工具，不僅要求系統(tǒng)具有詳盡的安全管理的各種信息和決策信息，還要求系統(tǒng)能將工作流程中的各個(gè)環(huán)節(jié)有機(jī)聯(lián)系在一起。Kwater的KDSMS系統(tǒng)是一個(gè)企業(yè)管理系統(tǒng)，它不僅能管理現(xiàn)場工程師、指揮部工作人員、研究所的各專家等相關(guān)人員在大壩檢查、儀器、監(jiān)測和分析等方面的各種安全管理活動(dòng)，還能將其聯(lián)系在一起。

2 韓國的大壩安全管理

2.1 事故和大壩失事

近年來，由于厄爾雷諾現(xiàn)象和拉尼娜現(xiàn)象，韓國國內(nèi)突發(fā)降雨增多，地震發(fā)生也更加頻繁。由于許多大壩壩齡較長，其結(jié)構(gòu)安全問題越來越突出。

通過預(yù)計(jì)可能的最大洪水量，Kwater管理的大壩都進(jìn)行了水文安全評價(jià)。結(jié)果顯示，除了壩齡相對最短的兩座大壩，其他大壩均有漫頂?shù)奈ｋU(xiǎn)——洪水會(huì)漫過壩頂或因預(yù)留超高不足而引起不穩(wěn)定，這時(shí)洪水不會(huì)漫壩，但其安全系數(shù)小，不滿足要求。

圖1所示為韓國各時(shí)期大壩建設(shè)歷史及地震情況。由圖1可知，40%以上的大壩于1970年以前修建，近年來，地震數(shù)量在逐年增加。

因此，由于大壩耐久性差，加上突發(fā)降雨和地震增加了大壩的外部荷載，韓國的大壩安全問題日益嚴(yán)重，大壩事故和失事也逐年增加。2002年，鹿莎臺風(fēng)期間，出現(xiàn)了歷史最大日降雨量，這導(dǎo)致了慘痛的災(zāi)難發(fā)生。韓國年平均降雨量為1 401.9 mm，但僅8月31日當(dāng)天，Gangreung地區(qū)的降雨量為870.5 mm，而之前的最大降雨量出現(xiàn)在1954年9月14日，為305.5 mm。2008年8月31日，單日降雨量就達(dá)到了年均降雨量的62%。因?yàn)檫@次暴雨，Jang-hyun和Dongmak大壩的溢洪道和壩體潰決，Kyung-po水庫因溢洪道損壞，差點(diǎn)漫頂，見圖2。另外，Obong大壩的庫水位距壩頂僅80 cm，大壩有漫頂?shù)奈ｋU(xiǎn)。

圖1 韓國的大壩建設(shè)和地震示意圖Fig.1 Large dams construction and earthquake in Korea

圖2 2002年鹿莎臺風(fēng)引起的大壩失事Fig.2 Dam failure caused by Typhoon Rusa in 2002

Angye土壩建于1971年，作用為供水。土壩心墻高32.5 m，長223.5 m。Angye壩下游坡由砂、礫石和粘土修建而成，但碾壓質(zhì)量不高。由于附近補(bǔ)強(qiáng)加固施工，碾壓質(zhì)量較差的心墻材料受到干擾，導(dǎo)致下游面內(nèi)成潮濕區(qū)域。另外，由于侵蝕和雨水沖蝕，2003年，發(fā)生了壩坡失穩(wěn)事故，發(fā)生事故區(qū)域長度為65 m，高35 m，見圖3。

圖3 Angye壩的壩坡失穩(wěn)Fig.3 Slope failure at the Angye Dam

Unmun大壩也是用于供水的土壩，建于1994年。土壩心墻高55 m，長407 m。因其已經(jīng)蓄水，1998年4月，庫水位第一次達(dá)到高水位。1998年6月，在溢洪道連接部位形成了一個(gè)滲坑。在庫水位再次達(dá)到高水位的4個(gè)月后，壩頂上游面方向兩個(gè)部位出現(xiàn)了滲坑和沉降，見圖4。因此，對大壩進(jìn)行深入的檢查和穩(wěn)定性評價(jià)。檢查中發(fā)現(xiàn)，大壩建造時(shí)，溢洪道和壩體連接部位間的碾壓質(zhì)量很差。另外，發(fā)生損壞的主要原因還包括水力劈裂，造成內(nèi)部侵蝕和壩體滲漏增加。

圖4 Unmun壩頂?shù)臐B坑Fig.4 Sinkhole at dam crest of the Unmun Dam

由當(dāng)?shù)卣芾淼墓喔人畨?，由于大壩老化，還發(fā)生過更嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)損壞事例，其中最主要的是由老化、壩坡失穩(wěn)、滲漏、侵蝕等引起的變形和裂縫。2005年，國家應(yīng)急管理處（NEMA）對全國水庫進(jìn)行了地毯式調(diào)查，調(diào)查結(jié)果顯示，35.7%的水庫有上述損壞，發(fā)生概率很大，這是因?yàn)橐郧笆┕ぜ夹g(shù)落后且管理不善。圖5為Nooltae水庫大壩的損壞，Nooltae也是一座灌溉用的大壩，由當(dāng)?shù)卣芾?，其心墻材料為粉質(zhì)粘土。水庫輸水道為隧道形式，其混凝土襯砌出現(xiàn)裂縫，心墻料通過裂縫發(fā)生流失，這導(dǎo)致隧道周圍產(chǎn)生空隙，最終在壩頂形成寬度為1.5 m的滲坑。最近，在供水和灌溉大壩中，此類損壞更加普遍，見圖3～5。

圖5 當(dāng)?shù)卣芾淼墓┧髩伟l(fā)生的損壞Fig.5 Damage of water supply dam managed by local govern-ments

2.2 調(diào)度和管理體系

許多國家，如加拿大、美國、阿根廷和澳大利亞都制定了國家層面上的大壩安全法規(guī)，并應(yīng)用到大壩安全管理工作中。這些法規(guī)包括大壩安全管理的綜合細(xì)則，如詳細(xì)地規(guī)定工作、角色、范圍、報(bào)告和通知方法等。

在韓國，為保證主要設(shè)施的安全，制定了一部公共建筑物安全控制特別法。該法將全國主要公共建筑分為道路、鐵路、港口、海灣、大壩、房屋、河流等，然后將具體建筑物依其規(guī)模和重要程度分為1類和2類。根據(jù)該法，對1類建筑物，每5年應(yīng)由政府指定的機(jī)構(gòu)對其進(jìn)行深入的安全檢查和評估。對2類建筑物，大壩管理機(jī)構(gòu)應(yīng)進(jìn)行各自的常規(guī)檢查，必要時(shí)進(jìn)行深入檢查和評估。

對大壩，多目標(biāo)大壩、發(fā)電大壩和供水大壩，庫容大于1 000萬m3則被列為1類建筑物。韓國國內(nèi)共有71座1類大壩和300座2類大壩，這意味著全韓國18 000座大壩和水庫中僅有371座適用于安全管理法，相對地，美國國家大壩安全計(jì)劃法規(guī)定，反高度超過7.62 m（25 ft）或庫容超過20.23萬m3的水庫或大壩都適用于法案，韓國的情況與美國法案中的這一規(guī)定有一定區(qū)別。

每個(gè)大壩或水庫的管理實(shí)體根據(jù)各自規(guī)則和標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施安全管理。Kwater也有其多目標(biāo)大壩管理規(guī)則和關(guān)于安全檢查及大壩與河堤補(bǔ)強(qiáng)加固的內(nèi)部規(guī)則，規(guī)則中詳細(xì)規(guī)定了檢查項(xiàng)目、補(bǔ)強(qiáng)加固技術(shù)、檢查周期、儀器和監(jiān)測周期及相關(guān)數(shù)據(jù)處理方法。

在過去，曾嘗試引進(jìn)多種系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)高效和高質(zhì)量的安全管理，但目前為止，其中大多數(shù)僅限于規(guī)范數(shù)據(jù)庫的建立及設(shè)備維護(hù)，并且，其主要作用是為外部研究機(jī)構(gòu)和公眾展示大量的數(shù)據(jù)。

如圖6所示，Kwater開發(fā)了大壩綜合信息系統(tǒng)（DIIS）并將其應(yīng)用到建筑物維護(hù)和管理中。DIIS包括6個(gè)模塊：天氣信息、防洪、水資源利用、水質(zhì)和環(huán)境、水交易和大壩設(shè)施管理，為各層級的工作人員（工作團(tuán)體、各職員和公眾）提供各種基礎(chǔ)信息，結(jié)合另一內(nèi)務(wù)信息系統(tǒng)，DIIS系統(tǒng)以一種簡明的網(wǎng)頁形式顯示各種信息。DIIS是一個(gè)綜合信息系統(tǒng)，其設(shè)計(jì)目的是提升商業(yè)效率及支持快速?zèng)Q策。綜合國家層面的水管理信息系統(tǒng)（WAMIS），天氣、水資源利用、水控制等在水文穩(wěn)定層面被利用到了高效安全管理中。

圖6 Kwater的大壩綜合信息系統(tǒng)（DIIS）Fig.6 Dam integrated information system（DIIS）in Kwater

目前，DIIS很難準(zhǔn)確應(yīng)用到?jīng)Q策或穩(wěn)定評估中，因?yàn)镈IIS僅對應(yīng)規(guī)范或設(shè)施管理層面的信息，而不是詳細(xì)的安全管理信息，如現(xiàn)場檢查、儀器自動(dòng)化監(jiān)測等。

2.3 大壩安全事宜

大壩通過提供穩(wěn)定的水源和防洪，可提升人類的生活質(zhì)量，保護(hù)人民的生命和財(cái)產(chǎn)，但若大壩失事，也可能對下游地區(qū)造成巨大的災(zāi)難。這就是為什么把大壩歸為特殊建筑物并要求通過高水平的安全管理來防止其失事的原因。最近，由于韓國發(fā)生過大大小小由于大壩缺陷或失事造成的生命和財(cái)產(chǎn)損失，大眾的大壩安全意識正在逐步提高。

2005年，國家統(tǒng)計(jì)辦公室（NSO）對大眾安全意識進(jìn)行調(diào)查，調(diào)查結(jié)果顯示，46%的反饋者表示他們對自然災(zāi)害感到擔(dān)憂，如臺風(fēng)、地震，僅18%的反饋者覺得有安全感。為響應(yīng)社會(huì)要求，在大壩安全領(lǐng)域開展了各類研究和技術(shù)開發(fā)。其中，有的取得了成功，如應(yīng)用IT技術(shù)和高科技傳感器的儀器開發(fā)，大壩檢查技術(shù)的進(jìn)步及后續(xù)安全評估技術(shù)的開發(fā)等。

大壩安全并非僅靠某種特定技術(shù)就能做出判斷，它需要將各種系統(tǒng)性信息用作基礎(chǔ)資源，才能對大壩安全管理做出判斷。這就是為什么需要大壩安全管理系統(tǒng)，它作為一種工具，可操控一系列程序來保證大壩安全。傳統(tǒng)的維護(hù)和管理系統(tǒng)著重于壩體和水庫信息，不能作為決策工具，也不能有機(jī)協(xié)調(diào)各專業(yè)的現(xiàn)場工程師、官員、研究者和專家組，因此，Kwater決心開發(fā)一個(gè)大壩安全管理系統(tǒng)，以有效管理和控制大壩安全有關(guān)方面的各種活動(dòng)。

3 大壩安全管理系統(tǒng)（KDSMS）

3.1 KDSMS概況

Kwater開發(fā)的大壩安全管理系統(tǒng)（KDSMS）主要用于Kwater所轄所有大壩的綜合安全管理，從多目標(biāo)大壩、供水大壩到防洪大壩等。KDSMS是一個(gè)企業(yè)管理系統(tǒng)，涵蓋了詳細(xì)的活動(dòng)、通知和報(bào)告等，還有現(xiàn)場工程師、指揮部工程師、大壩安全專家等所有團(tuán)隊(duì)的工作流程以及對所有信息和數(shù)據(jù)庫的集中管理。KDSMS主要包括6個(gè)主要模塊，見表1。

表1 KDSMS分類和內(nèi)容Table 1:Categories of KDSMS and their content

圖7為主要KDSMS窗口和基本集成代碼窗口。右側(cè)有一工具條，通過該工具條可選擇系統(tǒng)的主要模塊和子模塊。圖案中間是韓國地圖，在地圖上標(biāo)示出了Kwater管理的大壩。如果點(diǎn)擊某座大壩，該大壩的詳細(xì)信息（如壩址、壩長、壩高、壩型、壩頂高程、庫容、流域、水庫、運(yùn)行水位和發(fā)電情況）、圖片和衛(wèi)星圖將一同顯示出來。根據(jù)基本集成代碼，所有KDSMS的信息都進(jìn)入數(shù)據(jù)庫，基本集成代碼是一個(gè)定義KDSMS總體基本組織的過程。每個(gè)子模塊間的關(guān)聯(lián)也根據(jù)該組織下的特征編碼。

根據(jù)庫中總體基礎(chǔ)組織分為流域系統(tǒng)-大壩-水工建筑物-分部工程。韓國的主要流域系統(tǒng)組成如下：漢江流域系統(tǒng)、Nakdong河流域系統(tǒng)、Geum河流域系統(tǒng)、Seomjin河流域系統(tǒng)和其他流域系統(tǒng)。Kwater管理的所有大壩依據(jù)其所屬流域系統(tǒng)進(jìn)行分類。大壩建筑物被分為更小的單元，如壩體、壩肩、溢洪道和進(jìn)水建筑物。每個(gè)組別則根據(jù)其類型來劃分，比如，壩體分為壩頂、上游面和下游面，溢洪道分為溢流堰、左擋墻、右擋墻、底板、挑流鼻坎等。每個(gè)組成最后被劃入現(xiàn)場檢查的各部分中。包括最細(xì)分類，總基本組成數(shù)為26，確定了總共有22個(gè)儀器。如果必要，可以刪減或增加。

3.2 KDSMS的實(shí)施

Kwater的大壩安全工作組織包括一個(gè)現(xiàn)場管理團(tuán)隊(duì)（負(fù)責(zé)直接運(yùn)營和現(xiàn)場管理每座大壩）、一個(gè)總指揮辦公室（負(fù)責(zé)管理現(xiàn)場管理人員和建立系統(tǒng)和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)）和一個(gè)研究中心（負(fù)責(zé)詳細(xì)的穩(wěn)定評估和分析）。為達(dá)到大壩安全管理工作的高效性和一致性，各組織之間的系統(tǒng)工作協(xié)調(diào)是必要的。KDSMS涵蓋了與大壩安全管理績效有關(guān)的每個(gè)團(tuán)隊(duì)的報(bào)告、批準(zhǔn)、通知功能以及與大壩安全相關(guān)的每個(gè)詳細(xì)分部工程的信息化等。

圖7 KDSMS的主要窗口Fig.7 KDSMS main window

因此，KDSMS被開發(fā)出來，現(xiàn)在各系統(tǒng)正在試運(yùn)行階段：現(xiàn)場管理系統(tǒng)、中心管理系統(tǒng)和綜合信息系統(tǒng)。根據(jù)用戶或團(tuán)隊(duì)角色，每個(gè)系統(tǒng)都包含有不同的權(quán)限和功能。圖8為整個(gè)大壩安全管理工作流程和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

現(xiàn)場工程師執(zhí)行安全管理任務(wù)，如使用PDA和平板電腦進(jìn)行現(xiàn)場檢查、現(xiàn)場儀器測量、維修和加固，并把結(jié)果輸入KDSMS現(xiàn)場管理系統(tǒng)中，見圖9和圖10。然后，結(jié)果數(shù)據(jù)通過該系統(tǒng)進(jìn)入在總部辦公中心的臨時(shí)大壩安全服務(wù)器注冊，工作建議會(huì)發(fā)送給總部辦公室或研究中心相關(guān)負(fù)責(zé)人，以取得批復(fù)并同時(shí)通過中心管理系統(tǒng)進(jìn)行處理。之后，各塊負(fù)責(zé)人應(yīng)檢查現(xiàn)場工程師提交的未處理的工作提案并下達(dá)指令。另外，各塊負(fù)責(zé)人可以通過中心管理系統(tǒng)更改基本綜合編碼或數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、或增減新分部工程、儀器或現(xiàn)場檢查圖紙等，見圖9和圖10。

圖8 KDSMS的工作流程和數(shù)據(jù)管理結(jié)構(gòu)Fig.8 Work process and data management architecture by KDSMS

圖9 根據(jù)KDSMS中基礎(chǔ)組成構(gòu)架進(jìn)行詳細(xì)現(xiàn)場檢查制圖的案例（Soyanggang大壩）Fig.9 An example of making a detailed field inspection draw-ing according to the basicmember organization of KDSMS（Soyanggang Dam）

當(dāng)安全管理任務(wù)和相關(guān)數(shù)據(jù)被核準(zhǔn)后，最終存儲(chǔ)在Kwater大壩安全數(shù)據(jù)庫中。被駁回的任務(wù)則返回到原提出工程師處，并伴有詳細(xì)解釋。這些任務(wù)的相關(guān)數(shù)據(jù)則通過Kwater的內(nèi)聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。綜合信息系統(tǒng)實(shí)時(shí)接收最新的大壩安全數(shù)據(jù)庫并提供最新的大壩安全信息，并且，通過互聯(lián)網(wǎng)與相關(guān)專業(yè)研究機(jī)構(gòu)相連，并最終連接到政府負(fù)責(zé)運(yùn)營的國家安全管理系統(tǒng)中。

同時(shí)，Kwater的工程師和專家可使用綜合信息系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)庫來進(jìn)行各方面的大壩安全評估，并根據(jù)結(jié)果決定各種大壩安全管理任務(wù)。在實(shí)施現(xiàn)場安全管理任務(wù)之前，各塊的現(xiàn)場工程師先下載綜合信息系統(tǒng)中最新的數(shù)據(jù)到他們的現(xiàn)場管理系統(tǒng)中，并使用這些數(shù)據(jù)。

圖10 通過現(xiàn)場檢查制圖系統(tǒng)輸入現(xiàn)場檢查結(jié)果并讀取已有數(shù)據(jù)Fig.10 Input of field inspection results through field inspection drawing system and inquiry of existing data

3.3 現(xiàn)場檢查和數(shù)據(jù)管理

過去，各專業(yè)的現(xiàn)場工程師都會(huì)進(jìn)行定期現(xiàn)場檢查，并撰寫簡單的報(bào)告，但該報(bào)告缺少關(guān)于檢查方法和結(jié)果、損壞歷史、指揮辦公室和研究中心間的工作合作等的詳細(xì)描述，因此，大壩安全管理通常是基于現(xiàn)場工程師的主觀判斷，也不可能為總指揮辦公室和研究中心的密切合作提供持續(xù)和系統(tǒng)的基礎(chǔ)。在KDSMS中，分別建立了現(xiàn)場檢查和數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)來解決這些問題。

各專業(yè)的工程師都應(yīng)對壩身和各附屬建筑物進(jìn)行現(xiàn)場檢查，然后將檢查結(jié)果輸入KDSMS的現(xiàn)場管理系統(tǒng)，并征求中心相關(guān)負(fù)責(zé)人意見。每部分、指定對象和每種建筑物的現(xiàn)場檢查結(jié)果都應(yīng)記錄下來，其方法是使用系統(tǒng)中現(xiàn)場檢查繪圖系統(tǒng)。

每個(gè)曾經(jīng)錄入系統(tǒng)的原始現(xiàn)場檢查圖，考慮到易于標(biāo)示檢查結(jié)果并考慮其地點(diǎn)和優(yōu)先順序，都被分解為合適的尺寸，如損毀尺寸和其他一些必要坐標(biāo)數(shù)據(jù)等數(shù)字信息，都可由該系統(tǒng)獲取，因?yàn)樗鞋F(xiàn)場檢查圖形都與其實(shí)物比例相同。

現(xiàn)場工程師以圖形或報(bào)告形式打印出已有的檢查結(jié)果，然后現(xiàn)場確認(rèn)，檢查現(xiàn)況及其發(fā)展，然后再將結(jié)果輸入系統(tǒng)。另一選擇是他們可直接在現(xiàn)場將結(jié)果輸入系統(tǒng)，用裝有現(xiàn)場管理系統(tǒng)的PDA或手提電腦?，F(xiàn)場管理系統(tǒng)已提前設(shè)定了各建筑物的損壞類型和各類數(shù)據(jù)的標(biāo)注形式。通過KDSMS輸入檢查數(shù)據(jù)時(shí)，用戶可輕松輸入各種詳細(xì)信息，如損毀及其范圍、現(xiàn)況、相關(guān)照片、錄音資料等。

在綜合信息系統(tǒng)中，通過一系列輸入程序，可以查詢和分析存儲(chǔ)在中央數(shù)據(jù)庫的已有數(shù)據(jù)。由于大壩損毀本身不能應(yīng)用到最終大壩安全評估或找出解決辦法中，因此可特別回顧之前到現(xiàn)階段的各種變化和擴(kuò)展。

KDSMS中，根據(jù)損毀類型、設(shè)施和其位置等，可查詢某一具體損毀的情況，如特定裂縫或滲漏。用戶還可以追蹤各方面情況，如各時(shí)期的損毀范圍、變化情況、特性等。另外，也可以進(jìn)行綜合統(tǒng)計(jì)分析。

3.4 儀器和監(jiān)測系統(tǒng)

3.4.1 Kwater大壩儀器概況

大壩安全方案中，通過儀器進(jìn)行大壩性態(tài)監(jiān)測是最重要的部分。應(yīng)確定和監(jiān)測失事模式，由此防止損毀，減小損失。在每座多目標(biāo)大壩的施工期間，Kwater在大壩上安設(shè)2 071支各類監(jiān)測儀器，通過這些儀器，Kwater對大壩進(jìn)行常規(guī)測量和管理。通常是根據(jù)壩型來選擇關(guān)鍵儀器要素，如滲漏、孔壓力、揚(yáng)壓力、土壓力、內(nèi)部變形、表面位移、接縫移動(dòng)、混凝土溫度和應(yīng)力、地震荷載等。測量數(shù)據(jù)用于大壩性態(tài)分析和安全評估，最后用于完成施工管理任務(wù)，如調(diào)整堆石壩堆筑速率、控制混凝土水化熱、深入調(diào)查和評估大壩穩(wěn)定性。使用自動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，對絕大多數(shù)電子儀器進(jìn)行監(jiān)控，包括振弦式滲壓計(jì)。但對用于測量壩體內(nèi)部變形的磁性引伸計(jì)和傾斜儀，其安裝在大壩中部和邊坡內(nèi)的箱體中，其數(shù)據(jù)由人工讀取再輸入系統(tǒng)。

由于壩體表面位移是通過人工進(jìn)行大地測量，因此很難快速評估變形。另外，由于其性能可靠性欠佳，最近則逐漸增多了基于GPS的自動(dòng)全站儀和自動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的應(yīng)用。

如圖11所示，通過在大壩外安裝永久自動(dòng)全站儀，讓其定期或在指定時(shí)間自動(dòng)測量安裝在測點(diǎn)的棱鏡的三維地址數(shù)據(jù)，現(xiàn)有的大壩表面位移測量正在得到改進(jìn)。

在現(xiàn)有的測量管理中，現(xiàn)場工作人員獨(dú)自收集測量數(shù)據(jù)，然后手動(dòng)輸入指揮辦公室DIIS的設(shè)施管理板塊中。由于沒有對輸入測量數(shù)據(jù)的處理和分析功能，數(shù)據(jù)可靠性很差。另外，由于沒有閾值限值標(biāo)準(zhǔn)，不能對大壩失事模式進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。為在研究中解決這些問題，建立了一個(gè)自動(dòng)儀器和監(jiān)測系統(tǒng)（見圖12），通過此系統(tǒng)，Kwater所轄16座多目標(biāo)大壩的測量數(shù)據(jù)可自動(dòng)轉(zhuǎn)入內(nèi)網(wǎng)并儲(chǔ)存在中心數(shù)據(jù)庫中。另外，若超過了之前設(shè)置的閾值極限，通過數(shù)據(jù)處理和分析可為大壩管理者做出早期警示，以適時(shí)采取相關(guān)措施。

作為應(yīng)對手段，當(dāng)閾值極限被超過時(shí)，有多種選擇，包括進(jìn)行仔細(xì)的人工檢查、重復(fù)測量以確定性態(tài)，用新數(shù)據(jù)重新評估大壩穩(wěn)定性，增加測量頻次、特定測量、采取設(shè)計(jì)和施工修補(bǔ)措施甚至緊急降低庫水位，此時(shí)只需根據(jù)情況選擇一種合適的措施即可。對大壩安全早期警報(bào)來講，數(shù)據(jù)可靠性非常重要，因此，現(xiàn)場工作人員每兩年檢查一次儀器是否失效、數(shù)據(jù)是否可靠，以保證輸入系統(tǒng)的所有數(shù)據(jù)都可靠并得到合理管理。

圖11 自動(dòng)變形監(jiān)測中使用的全站儀和目標(biāo)棱鏡Fig.11 Robotic total station and target prism for automatic de-formation monitoring

圖12 數(shù)據(jù)傳輸、儀器和監(jiān)測系統(tǒng)工作流程示意圖Fig.12 Schematic diagram of data transmission and work flow of instrumentation and monitoring system

3.4.2數(shù)據(jù)詮釋和顯示

若僅安裝儀器或收集數(shù)據(jù)，這對大壩穩(wěn)定性評估和決策制定來說是不夠的。最近，為有效監(jiān)測大壩性態(tài)，應(yīng)用了自動(dòng)儀器和監(jiān)測系統(tǒng)，以實(shí)時(shí)了解大壩性態(tài)及其變化，因此，它是大壩安全管理手段之一。

研究中安裝的儀器和監(jiān)測系統(tǒng)可制作圖線，以清晰顯示數(shù)據(jù)時(shí)間、地點(diǎn)、季節(jié)性變化、庫水位的趨勢性影響等。若之前設(shè)定的閾值限值被超過，則自動(dòng)在屏幕上顯示報(bào)警信號，大壩管理人員可采取適當(dāng)?shù)拇胧?。其中，閾值限值的設(shè)定根據(jù)是設(shè)計(jì)時(shí)期的理論分析和數(shù)字分析結(jié)果以及儀器性態(tài)。

對于沉降點(diǎn)，其位移變化不會(huì)大幅減小。在沉降的情況下，為防止漫頂，壩高的2%和撓度高度中較小的一個(gè)被設(shè)定為閾值限值。同樣，等同于50%沉降的水平位移被設(shè)定為閾值極值標(biāo)準(zhǔn)。若采用橫臂式儀器或水平引伸儀，當(dāng)某一段的壓縮和應(yīng)變率超過3%時(shí)，就已超過了閾值限值。對傾斜儀，無論形成剪切區(qū)域與否，其閾值限值都用水平撓度表示。

對大壩安全來說，管涌和內(nèi)部侵蝕是巨大威脅，因此，應(yīng)對水量和滲漏水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測，以確定是否發(fā)生管涌或內(nèi)部侵蝕。滲漏水量的閾值限值由一條圖線表示，該圖線是從實(shí)測滲漏水量和庫水位關(guān)系分析而得出。另外，為檢測高透水區(qū)域，庫水位和滲漏的關(guān)系也表示成一條圖線。滲漏水中顆粒物增加則被認(rèn)為是內(nèi)部侵蝕和管涌的標(biāo)志，需考慮響應(yīng)措施。

滲壓計(jì)安裝在堆石壩壩體中，其目的是將監(jiān)測數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為滲壓水位高程，以監(jiān)測施工期和初蓄期的性態(tài)，如圖13所示。使用蓄水期的監(jiān)測數(shù)據(jù)，將上限和下限直線設(shè)定為閾值限值，以確定孔隙水壓力工況是否正常，如圖14所示。

若因大壩沉降不均勻而形成拱效應(yīng)，荷載發(fā)生傳遞，導(dǎo)致中心區(qū)總應(yīng)力下降，因此靜水壓力超過其大小，發(fā)生水力劈裂，有效應(yīng)力降低為0。若水力劈裂發(fā)展成內(nèi)部侵蝕和管涌，可最終導(dǎo)致大壩失事。荷載傳遞率由式（1）確定，若結(jié)果大于0.6，則可視為結(jié)果異常，這是閾值限值的設(shè)定方式。

式中，σy為豎向土壓力（kgf/cm2）；γt為填料密度（kgf/cm3）；h為填筑高度（cm）。

對于水力劈裂的發(fā)生，其閾值限值標(biāo)準(zhǔn)由式（2）確定，同時(shí)參見圖15。

式中，u為孔隙水壓力（kgf/cm2）；σ1為第一主應(yīng)力（kgf/cm2）；σ3為第三主應(yīng)力（kgf/cm2）。

圖13 儀器和監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)測滲壓水位高程和庫水位與時(shí)間的關(guān)系Fig.13 Piezometric elevation and reservoir elevation vs.time by instrumentation and monitoring system

圖14 儀器和監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)定出的孔隙水壓力閾值限值Fig.14 Setting the threshold limit of pore water pressure by in-strumentation and monitoring system

圖15 儀器和監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)定水力劈裂發(fā)生標(biāo)準(zhǔn)Fig.15 Setting the criteria of hydraulic fracturing possibility by instrumentation and monitoring system

3.4.3 大壩地震監(jiān)測系統(tǒng)

Kwater修建和管理的多目標(biāo)大壩，其社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效用都非常高，這意味著它們的抗震等級也處于特別的層次。根據(jù)政府法規(guī)（建設(shè)和交通部2001年頒布的大壩設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)），要求在大壩內(nèi)部安裝地震儀并投入運(yùn)用。根據(jù)每座大壩各自特點(diǎn)，地震儀或安裝在壩肩、或安裝在下游面基巖內(nèi)、或在混凝土壩靠近基礎(chǔ)的廊道內(nèi)、或壩頂、或下游面表面，用于監(jiān)測地震加速度。

這次研究開發(fā)的KDSMS大壩地震監(jiān)測系統(tǒng)（DEMS），其目的是為有效檢測地震和快速發(fā)出地震通知，因此，每座大壩的地震儀都用專線連接，見圖16和17。這是最完善最優(yōu)化的系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)，可迅速對災(zāi)難做出反應(yīng)。該系統(tǒng)功能很多，包括實(shí)時(shí)地震波監(jiān)測、實(shí)時(shí)最大加速度監(jiān)測和快速通知等。

圖16 大壩地震監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測到的實(shí)時(shí)地震波Fig.16 Real-time seismic wave monitoring by dam earthquake monitoring system

地震儀是大壩的基本組成部分，DEMS將其視為地震檢測和判斷的工具。其閾值限值標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定為若最大加速度超過0.025 g，則通過SMS或PC即時(shí)信息自動(dòng)通知每座大壩專門負(fù)責(zé)設(shè)施安全的指定人員，以即時(shí)開展大壩地震緊急檢查。

圖17 大壩地震監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測到的實(shí)時(shí)最大加速度Fig.17 Real-time maximum acceleration monitoring by dam earthquake monitoring system

3.5 綜合技術(shù)信息

在大壩安全評估和相關(guān)決策制定過程中，大壩設(shè)計(jì)和施工的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)以及過去的類似分析數(shù)據(jù)非常重要。KDSMS通過綜合信息數(shù)據(jù)系統(tǒng)，將每座大壩的技術(shù)數(shù)據(jù)以電子文檔或圖像文件形式存入數(shù)據(jù)庫中。KDSMS技術(shù)數(shù)據(jù)庫中保存的電子文檔和圖紙包括1970年以前設(shè)計(jì)報(bào)告中的所有安全管理數(shù)據(jù)、各種檢查數(shù)據(jù)、施工記錄、安全評估和檢查結(jié)果以及維修和補(bǔ)強(qiáng)加固事件等。目前，KDSMS中的電子文件數(shù)量約為310 000頁，相關(guān)圖紙和圖片數(shù)量約為1 700。

用戶不僅可以通過索引和關(guān)鍵詞搜索數(shù)據(jù)詳情，還可以通過統(tǒng)一的瀏覽工具確認(rèn)和打印數(shù)據(jù)。該瀏覽工具可顯示各種文檔，如電子文檔、圖像文件和Auto Cad繪制的圖文件等。綜合信息數(shù)據(jù)系統(tǒng)包括相關(guān)法律、Kwater關(guān)于安全管理的規(guī)定、技術(shù)導(dǎo)則和相關(guān)技術(shù)數(shù)據(jù)。另外，系統(tǒng)具備快速記錄安全管理報(bào)告和未來數(shù)據(jù)的功能，也可以持續(xù)更新安全管理數(shù)據(jù)。

4 結(jié) 語

此次研究開發(fā)了Kwater大壩安全管理系統(tǒng)（KDSMS）來管理和控制Kwater所轄30座大壩的各類大壩安全管理項(xiàng)目信息化及現(xiàn)場、指揮部辦公室、研究中心間的大壩安全管理任務(wù)。和僅關(guān)注大壩設(shè)施規(guī)格和歷史的現(xiàn)有系統(tǒng)不同，它能通過KDSMS進(jìn)行快速和系統(tǒng)決策并評估安全。特別是當(dāng)發(fā)生特殊事件時(shí)，如地震，當(dāng)對大壩安全造成威脅時(shí)，它能通過自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)立即識別大壩變形和損壞，并判斷是否需要采取另外的措施。在今后的研究中，有必要根據(jù)現(xiàn)場檢查和監(jiān)測結(jié)果，開發(fā)一套穩(wěn)定性評估技術(shù)，如果這項(xiàng)開發(fā)完成了，則KDSMS完全可作為解決大壩安全管理的一個(gè)方法。

[1]Jesung Jeon,Jongwook Lee,Donghoon Shin and et al.Devel-opment of dam safety management system[J].Advances in engi-neering software,2009,(40):554-563.