大壩安全監(jiān)測分析

崔建華，李 晶，李 濤

（濟(jì)南市臥虎山水庫管理處，山東 濟(jì)南 250110）

1 大壩安全監(jiān)測的目的

1.1 掌握大壩的工作狀態(tài)，指導(dǎo)工程的運行管理

通過大壩的安全監(jiān)測及時獲取大壩安全的第一手資料，掌握大壩工作狀態(tài)，實現(xiàn)對大壩的在線、實時安全監(jiān)控。在發(fā)生異常現(xiàn)象時，分析產(chǎn)生的原因和危險程度，預(yù)測大壩的安全趨勢。及時采取措施，把事故消滅在萌芽狀態(tài)中，保證工程安全。

1.2 驗證壩工設(shè)計理論和選用參數(shù)的合理性

到目前為止，因?qū)嶋H情況復(fù)雜多變，水工建筑的設(shè)計尚不能完全與實際情況相吻合，作用在建筑物上的荷載除水壓力和自重力，都難以精確計算。因此在水工設(shè)計中不得不采用一些經(jīng)驗系數(shù)和簡化公式進(jìn)行計算。通過大壩安全監(jiān)測認(rèn)識監(jiān)測物量變化規(guī)律，檢驗壩工基本理論的正確性、設(shè)計方法和計算參數(shù)的合理性，驗證施工措施、材料性能、工程質(zhì)量的效果。

1.3 了解施工期建筑物的狀態(tài)以保證施工質(zhì)量

分析施工期觀測資料，可以了解大壩在施工期間的結(jié)構(gòu)性態(tài)變化，為后續(xù)施工采取合理措施提供信息，據(jù)此指導(dǎo)施工，保證工程質(zhì)量。此外施工期的原型監(jiān)測，不僅服務(wù)于施工期，更重要的是它記錄了建筑物初期的工作狀態(tài)，這對研究大壩工作狀態(tài)發(fā)展的全過程提供了極為寶貴的資料。

1.4 檢驗設(shè)計與施工，促進(jìn)壩工科技發(fā)展

目前研究水工建筑物結(jié)構(gòu)性態(tài)的主要手段是理論計算和模型試驗。由于影響因素及復(fù)雜性，研究時均須作一些假定或簡化，致使設(shè)計與實際存在差異。通過大壩安全監(jiān)測的監(jiān)測資料反映各種因素的影響，其結(jié)果可彌補(bǔ)前兩種方法之不足，據(jù)此對設(shè)計理論和方法進(jìn)行修正，以進(jìn)一步提高壩工建設(shè)技術(shù)水平。

2 大壩安全監(jiān)測的內(nèi)容

大壩安全監(jiān)測的范圍應(yīng)根據(jù)壩址、樞紐布置、壩高、庫容、投資以及失事后果等確定，根據(jù)具體情況由壩體、壩基、壩肩，推廣到庫區(qū)及梯級水庫大壩；監(jiān)測的時間應(yīng)從設(shè)計時開始至運行管理；監(jiān)測的內(nèi)容包括壩體結(jié)構(gòu)、地質(zhì)狀況、輔助機(jī)電設(shè)備及消洪泄能建筑物等。按照時間劃分，具體有以下幾個階段：

2.1 設(shè)計階段

在設(shè)計階段，壩址的確定決定了地形、地質(zhì)、地震發(fā)生頻率及水文條件等；樞紐的總體布置、壩型及結(jié)構(gòu)、材料選擇和分區(qū)、水文資料的收集及洪水演算、地質(zhì)勘探等都將影響大壩的安全。1980年6月19日，烏江渡水庫泄洪水霧引起開關(guān)站出現(xiàn)相間短路跳閘、引出線燒斷、工地停電。類似情況1980年6月23日在黃龍灘、1986年9月3日在白山等也曾發(fā)生。以上事故的發(fā)生引起工地停電和泄洪閘門不能開啟的嚴(yán)重后果，均是由于整體布置不合理，對泄洪水霧飄移危害認(rèn)識不夠所致。喀什一級大壩位于高地震烈度區(qū)，黏土斜墻壩的抗震性能差，而設(shè)計又將防滲膜放在斜墻下游側(cè)，形成潛在的最薄弱滑裂面，因而在1985年大地震時，迎水面滑落庫中，其原因是壩體結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理。

綜上所述，大壩的許多安全隱患是由設(shè)計階段留下的，特別是水文計算及地質(zhì)勘探和處理兩個方面。因此，在工程的設(shè)計階段，地質(zhì)條件、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和材料參數(shù)是安全監(jiān)測的主要內(nèi)容。

2.2 施工階段

施工過程的監(jiān)測不僅對保證施工安全、改進(jìn)設(shè)計、調(diào)整施工方案很重要，而且是為了取得從基礎(chǔ)開挖到工程竣工這一不斷變動過程中建筑物性狀變化的完整資料。另外，施工過程中的臨時建筑物，如圍堰、導(dǎo)流工程也需要監(jiān)測。在大體積混凝土施工中，溫度控制是施工中的關(guān)鍵。必須對溫度控制的效果進(jìn)行嚴(yán)格監(jiān)測。在土石壩防滲排水結(jié)構(gòu)的施工中，碾壓程序必須嚴(yán)格控制，并對密實度作監(jiān)測。一些監(jiān)測項目還可以在施工期和永久期相互結(jié)合，監(jiān)測儀器可兼顧并用。如施工期埋設(shè)的初遇大壩壩基或其附近的溫度計，在運行期可作為監(jiān)測滲流的輔助設(shè)施。

2.3 運行階段

在運行階段要特別重視水庫首次蓄水。水庫首次蓄水過程是大壩和基礎(chǔ)第一次承受荷載和水的各種作用，是對工程結(jié)構(gòu)能力的初次考驗，也是對壩基巖體強(qiáng)度和抗滑能力的檢驗。在此期間，大壩結(jié)構(gòu)和壩基會發(fā)生一些初始的、不可逆的變化，即時取得這一時期的監(jiān)測資料，對于監(jiān)控蓄水期的安全和認(rèn)識大壩在今后長期運行中性狀變化規(guī)律十分重要。

2.4 老化階段

隨著材料的逐漸老化，材料的性能有所下降，大壩整體性能也會降低。這時的常規(guī)監(jiān)控模型難以準(zhǔn)確描述大壩實際運行形態(tài)，此時大壩安全監(jiān)測的主要內(nèi)容轉(zhuǎn)為監(jiān)測混凝土材料和混凝土內(nèi)部所配鋼筋的老化程度等。老化程度監(jiān)測通常采用聲波、取樣分析和水質(zhì)分析等方法來了解混凝土強(qiáng)度、孔隙率和水對混凝土的侵蝕程度。

3 大壩安全監(jiān)測的分類

3.1 儀器監(jiān)測

儀器監(jiān)測是選擇有代表性的部位或斷面，按需要使用或安裝、埋設(shè)儀器設(shè)備，對某些物理量進(jìn)行系統(tǒng)的觀測，取得反映建筑物性狀變化的實測數(shù)據(jù)。儀器監(jiān)測的項目主要有 “變形監(jiān)測”、“滲流監(jiān)測”、“應(yīng)力、應(yīng)變及溫度監(jiān)測”和“環(huán)境量監(jiān)測”。隨著監(jiān)測范圍的擴(kuò)展，諸如水力學(xué)監(jiān)測、地震監(jiān)測、動力監(jiān)測等一些新興監(jiān)測項目不斷涌現(xiàn)。

3.2 巡視檢查

監(jiān)測技術(shù)人員通過目視或借助一些專用設(shè)備(如在某些部位安裝攝像頭，輔設(shè)人工巡視專用棧道等)，對建筑物現(xiàn)場包括壩體、坡腳、壩肩、廊道、排水設(shè)施、機(jī)電設(shè)備、船閘、航道、高陡邊坡等部位進(jìn)行查看、比較、分析，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)建筑物在施工、擋水、運行中可能危及工程安全的異?，F(xiàn)象。它彌補(bǔ)了監(jiān)測儀器僅埋設(shè)在指定部位的不足，而且能直觀地發(fā)現(xiàn)某些監(jiān)測儀器不易監(jiān)測到的非正常現(xiàn)象，提供有關(guān)建筑物安全等一些重要信息，是監(jiān)測系統(tǒng)的組成部分。

巡視檢查和儀器監(jiān)測是不可分割的。巡視檢查也要盡可能利用當(dāng)今的先進(jìn)儀器和技術(shù)對大壩特別是隱患進(jìn)行檢查，以早發(fā)現(xiàn)早處理。如土石壩的洞穴、暗縫、軟弱夾層等很難通過簡單的人工檢查發(fā)現(xiàn)，因此，必須借用高密度電阻率法、中間梯度法、瞬態(tài)面波法等進(jìn)行檢查，從而完成對其定位及嚴(yán)重程度的判定。因此，在大壩監(jiān)測中多數(shù)采用兩種監(jiān)測手段結(jié)合起來的方法。

4 大壩安全監(jiān)測技術(shù)的開發(fā)

目前，我國開發(fā)的大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)雖然有了較大的提高，某些方面達(dá)到了國際先進(jìn)水平，但是系統(tǒng)總體性能和國際先進(jìn)產(chǎn)品相比，還存在一定的差距，特別是在可靠性和長期穩(wěn)定性方面有待進(jìn)一步的提高。為了縮短與國際先進(jìn)的大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)的差距，2002年水利部立項批準(zhǔn)了南京水利科學(xué)研究院開發(fā)更適合我國國情、性能達(dá)到國際先進(jìn)水平的大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)。

盡管大壩安全監(jiān)測已經(jīng)能夠做到監(jiān)測數(shù)據(jù)自動采集，但是95%以上的水庫大壩安全監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時分析、大壩運行性態(tài)的實時評價還難以實現(xiàn)。如果做不到這一點，大壩安全監(jiān)測就沒有真正成為大壩安全的耳目，沒有起到應(yīng)有的作用。隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，在工程技術(shù)人員和軟件專家的密切合作下，大壩監(jiān)測資料的實時分析、評價已經(jīng)可以實現(xiàn)。這樣的分析評價軟件近年來已有不少單位在研制，這是水庫大壩安全監(jiān)測技術(shù)發(fā)展的必然方向。

5 結(jié)語

大壩安全監(jiān)測實際上是一種管理，已從最初的驗證設(shè)計發(fā)展為監(jiān)視工程安全，并且開始出現(xiàn)安全監(jiān)控。因此，水工大壩從設(shè)計、施工到運行管理以及老化階段，都應(yīng)充分發(fā)揮安全監(jiān)測的作用，儀器監(jiān)測和數(shù)據(jù)采集要盡可能做到自動化，并與巡視檢查相結(jié)合，對檢測資料分析做到及時、準(zhǔn)確，確保大壩以合理的投入來保證長期穩(wěn)定、安全的運行，實現(xiàn)工程效益最大化。隨著大壩安全監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展，大壩安全監(jiān)測進(jìn)一步向系統(tǒng)化、即時化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。