大壩安全監(jiān)控及反饋分析系統(tǒng)的研究

大壩安全監(jiān)控及反饋分析系統(tǒng)的研究

節(jié)水節(jié)水工程的建設(shè)促進了社會的發(fā)展，提高了人民的生活質(zhì)量。另一方面，水庫和水庫是潛在的危險因素。如果發(fā)生事故，它們將給下游地區(qū)帶來重大災(zāi)難。因此,如何通過及時提供大壩性態(tài)及其變化信息降低大壩風(fēng)險是各國大壩安全管理工作者關(guān)心的主要問題。完全依靠專家或工作組根據(jù)大壩安全檢測和監(jiān)測資料來完成大壩安全評價和風(fēng)險分析是一項艱巨的工作,如果能結(jié)合大壩安全監(jiān)測分析方法體系,建立大壩安全監(jiān)控及反饋分析系統(tǒng),將大幅度減少人工處理的工作量,同時提高分析的精度和效率。此外,利用建立的分析系統(tǒng),大壩運行管理部門也可以及時根據(jù)需要開展一些相對簡單的自我評估,或?qū)M開展的工程和非工程措施實施方案進行比較,將有助于及時發(fā)現(xiàn)潛在問題,提高大壩管理水平。為實現(xiàn)上述目標和功能,從1986年開始,河海大學(xué)經(jīng)過20多年的努力,提出和開發(fā)了大壩安全監(jiān)控及反饋分析系統(tǒng),并在工程實踐中得到了推廣應(yīng)用。一、通過大壩安全監(jiān)測和反饋分析系統(tǒng)的目標和結(jié)構(gòu)1.系統(tǒng)目標根據(jù)水電站大壩安全管理需要,本系統(tǒng)具有以下目標:(1)實施過程分析評價根據(jù)監(jiān)測資料及其分析成果,依據(jù)各類規(guī)范和專家知識,實時分析和評價各監(jiān)測值是否異常,并對此作出判斷,對結(jié)構(gòu)和滲流引起的異常,作出物理成因解析,提出輔助決策建議,從而實現(xiàn)對大壩安全的全過程實時分析評價和監(jiān)控。(2)大壩的定檢根據(jù)大壩安全檢查實施細則,一般每五年要進行一次安全定期檢查。其中第一輪定檢主要包括工程等級、設(shè)計標準、強度、穩(wěn)定、施工質(zhì)量、大壩運行狀態(tài)和近壩庫區(qū)滑坡等;其后的定檢則可以針對各座大壩的情況,減少或增加內(nèi)容。但是通過監(jiān)測資料分析,評價大壩的運行狀態(tài)是必設(shè)內(nèi)容。本系統(tǒng)對以上內(nèi)容的信息和資料進行科學(xué)管理以及進行分析,對大壩安全級別作出科學(xué)評價,為大壩安全定檢及時提供可靠依據(jù)。2.異常測值或病險壩分析方法為了實現(xiàn)以上目標,本系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)由綜合推理機、知識庫、工程數(shù)據(jù)庫、方法庫和圖庫(簡稱“一機四庫”)組成,見圖1。各個組成部分和功能簡述如下:①綜合推理機。系統(tǒng)的頂層,主要對知識庫識別的異常測值或病險壩,應(yīng)用正向推理、反向推理和混合推理等人工智能技術(shù),對異常測值或病險壩進行判別,對結(jié)構(gòu)和滲流等引起的異?；虿‰U壩進行物理成因解析,并提出輔助決策建議。②知識庫。依據(jù)專家的群體知識和個性知識以及監(jiān)測資料正反分析成果等構(gòu)成各類評判準則,應(yīng)用模式識別等理論,識別異常測值或病險壩。③工程數(shù)據(jù)庫。管理監(jiān)測資料以及與安全有關(guān)的設(shè)計、施工、運行管理和監(jiān)測資料正反分析等資料及信息。④方法庫。分析和反分析各類監(jiān)測資料以用于建立各類監(jiān)控模型和監(jiān)控指標,包括大壩的設(shè)計標準、強度、穩(wěn)定復(fù)核與綜合分析評價等各類程序。⑤圖庫。用于管理監(jiān)測資料及其正反分析、大壩安全分析評價和監(jiān)控等各類圖表以及圖像,使整個綜合分析評價過程有優(yōu)良的圖形和圖像界面。二、知識管理系統(tǒng)大壩安全監(jiān)控及反饋分析系統(tǒng)的正常運行需要豐富的知識源,即知識工程,包括領(lǐng)域?qū)＜抑R(即專業(yè)知識)以及在計算機上實現(xiàn)的知識工程師專門知識。1.確定監(jiān)測量的主要評判準則知識庫的結(jié)構(gòu)和流程如圖2所示,其中,評判準則主要分為六大類。①時空分布評判準則。主要依據(jù)各監(jiān)測量的測值在時間和空間上的分布及其與前一次測值和相同環(huán)境量(如水位、溫度等)的前次測值以及特性值(最大、最小值)的比較,以檢查監(jiān)測量分布規(guī)律的合理性,從中捕捉發(fā)生疑點的時間、部位及其環(huán)境因素。②力學(xué)規(guī)律評判準則。主要依據(jù)每座大壩由確定性分析(設(shè)計單位提供)和長期運行的經(jīng)驗所確定的力學(xué)規(guī)律;當各監(jiān)測量的測值符合上述規(guī)律時,則測值正常,否則為疑點。③監(jiān)控模型評判準則。主要依據(jù)大壩長期觀測資料分析建立的測點統(tǒng)計模型、確定性模型和混合模型,空間位移的統(tǒng)計模型,確定性模型和混合模型等的預(yù)報模型。當監(jiān)測量的測值在上述模型預(yù)報值的置信帶內(nèi),則測值正常,否則為疑點。④監(jiān)控指標評判準則。監(jiān)控指標是依據(jù)實測值和各類規(guī)范,通過力學(xué)分析與反分析,由強度和穩(wěn)定等作為控制條件而建立的監(jiān)測量的控制值,或設(shè)計、運行單位根據(jù)長期運行的經(jīng)驗而確定的控制值。當本次測值在監(jiān)控指標以內(nèi),則正常,否則為疑點。⑤日常巡查評判準則。在日常巡查時,當發(fā)現(xiàn)再生縫或裂縫失穩(wěn)擴展,出現(xiàn)局部集中滲漏或滲流量加大,析出物增多或異常,局部出現(xiàn)過大變形等跡象時則為異常。⑥關(guān)鍵問題評判準則。主要對各座大壩設(shè)計、施工和運行過程中發(fā)現(xiàn)的影響安全的薄弱部位,應(yīng)用以上五個準則進行各類評判。2.確定監(jiān)測量范圍的判據(jù)①監(jiān)控指標是由實測資料結(jié)合設(shè)計規(guī)范再進行結(jié)構(gòu)和滲流分析等綜合擬定的,因此可作為第一判據(jù)。②時空分布和力學(xué)規(guī)律評判準則主要依據(jù)實測資料,或經(jīng)結(jié)構(gòu)分析得到的測值時空分布規(guī)律,能比較清晰地發(fā)現(xiàn)異常的時間和部位,其中時空分布適用于各個監(jiān)測量,因此可作為第二判據(jù),在未確定監(jiān)控指標時,也可作為第一依據(jù)。③監(jiān)控模型評判準則是監(jiān)測規(guī)范推薦的方法,比較簡單,但在大量工程實際中發(fā)現(xiàn),尤其是統(tǒng)計模型,當測值超過允許值時,不一定是異常,只是當有明顯趨勢性變化時,才能判斷是否異常,故可作為第三判據(jù)。④日常巡查評判準則有時在出現(xiàn)異常的部位無監(jiān)測設(shè)施或者沒有響應(yīng),因此以上評判準則都應(yīng)參考日常巡查結(jié)果。⑤關(guān)鍵問題評判準則,每個工程的薄弱部位都是影響大壩安全的關(guān)鍵問題,因此可用關(guān)鍵部位的五大準則評判作為主要依據(jù)。3.“全面評估”的專業(yè)知識知識庫的結(jié)構(gòu)如圖3所示,主要由8大評判準則構(gòu)成。(1)防洪工程措施的等別與農(nóng)田面積等根據(jù)水庫的實際庫容、灌溉面積、水電站裝機、大壩下游防洪保護的城市和農(nóng)田面積等,依據(jù)相關(guān)規(guī)程規(guī)范,確定樞紐工程的等別以及建筑物的級別,并與設(shè)計比較。(2)設(shè)計指標及方法根據(jù)大壩等的級別(分1~5級),依據(jù)相關(guān)規(guī)范,確定設(shè)計洪水標準、安全超高和抗震設(shè)防標準,并經(jīng)調(diào)洪演算,確定校核洪水位、設(shè)計洪水位、汛前限制水位,經(jīng)水能計算確定正常高水位和死水位等,以及相應(yīng)水位的庫容。據(jù)此,確定大壩的設(shè)計工況。(3)壩區(qū)的最大拉壓應(yīng)力在正常和特殊荷載組合工況時,用材料力學(xué)(重力壩)、拱梁法(拱壩)計算的最大拉壓應(yīng)力應(yīng)小于或等于規(guī)范的允許應(yīng)力。對復(fù)雜結(jié)構(gòu)用有限元進行參考性復(fù)核。(4)壩體穩(wěn)定驗算①抗滑穩(wěn)定。用抗剪斷或抗剪公式復(fù)核最危險滑動面上在各荷載工況時的穩(wěn)定安全系數(shù),應(yīng)大于或等于規(guī)范允許值?；蛘哂每煽慷扔嬎愕目煽恐笜藨?yīng)大于或等于允許的可靠指標。②上滑穩(wěn)定。對拱壩,當岸坡較緩時,還應(yīng)校核上滑穩(wěn)定。③土石壩。用圓弧滑動法、折線法或畢肖普法等計算各荷載工況時,邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù),要求大于或等于規(guī)范運行。對于復(fù)雜土石壩和復(fù)雜滑動面,可用有限元法進行參考性校核。(5)現(xiàn)場施工資料對混凝土壩,根據(jù)混凝土標號、灌漿、溫控、裂縫、斷裂處理等現(xiàn)場的施工資料,土石壩的填筑料、碾壓質(zhì)量、排水體及反濾層等現(xiàn)場施工資料,依據(jù)水電站基本建設(shè)工程驗收規(guī)程,評定優(yōu)、良、及格和不及格,據(jù)此評判施工質(zhì)量及存在的安全隱患。(6)運營評估標準根據(jù)日常巡查、機械設(shè)備運行及泄洪消能等資料,依據(jù)大壩安全實施細則評定運行情況是正常、異?；虺霈F(xiàn)險情。(7)監(jiān)控模型的建立主要依據(jù)“實時分析”的成果,并補充實測值與設(shè)計值的比較和時效分量的變化規(guī)律評判內(nèi)容,建立各類監(jiān)控模型。然后,主要用時效分量、水壓和溫度分量與設(shè)計比較等,評價大壩及基礎(chǔ)的原型工作性態(tài)。(8)封閉式水庫附近滑動滑動的評估標準由“實時分析”系統(tǒng)對滑坡的長期觀測資料進行分析與反分析,然后主要用時效分量評價滑坡的穩(wěn)定狀態(tài)。三、智能數(shù)據(jù)庫及安全監(jiān)控大壩安全監(jiān)控及反饋分析系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)為C/S(客戶機/服務(wù)器)結(jié)構(gòu),采用Delphi平臺開發(fā),適用于WindowsXP/Windows2000/Vista操作系統(tǒng)及其升級版本。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)可采用SQLServer2000/2005、Oracle等大型網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫,系統(tǒng)支持數(shù)據(jù)的自動備份及災(zāi)難恢復(fù),在最大限度上保證了用戶數(shù)據(jù)的安全。在開發(fā)方面,采用模塊設(shè)計化、模塊化開發(fā)的方法,保證了系統(tǒng)的可移植性和可擴展性。信息發(fā)布和數(shù)據(jù)傳送系統(tǒng)的開發(fā),除了采用Web2.0技術(shù)外,采用了J2EE技術(shù),使得系統(tǒng)在運行階段更易維護。大壩安全監(jiān)控及