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大壩安全監控指標理論及方法分析

文檔作者：李占超侯會靜文檔來源： 1．河海大學水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室 2．河海大學水資源高效利用與工程安全國家工程研究中心		點擊數：	更新時間： 2021年08月02日
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水力發電 第36卷第5期
2010年5月
大壩安全監控指標理論及方法分析
李占超112，侯會靜
(1．河海大學水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，江蘇南京 210098；
2．河海大學水資源高效利用與工程安全國家工程研究中心，江蘇南京 210098)
摘要：大壩安全監控指標是監控大壩安全與否的關鍵指標，現有的監控指標擬定方法主要有數理統計法、極限狀
態法、結構分析法等。在對這些方法的基本原理進行詳細分析的基礎上，提出了一些建議，即大壩安全監控指標的
擬定需要與大壩的失效破壞模式聯系起來，確定與此模式相應的安全極限狀態，并建立相應的各級安全監控指標。
分析大壩失效模式的理論有風險分析、可靠度分析等。
關鍵詞：大壩安全；監控指標；失效模式
Theory and M ethods on Dam Safety M onitoring Indexes
Li Zhanchao ·2 Hou Huijing’
(1．State Key Laboratory of Hydrology—Water Resources and Hydraulic Engineering，Hohai University，Naming Jiangsu
210098；2．National Engineering Research Center of W ater Resources Efficient Utilization and Engineering Safety，
Hohai University，Nanjing Jiangsu 210098)
Abstract：At present，the dam safety indexes are mainly developed by mathematical statistics method，limit state method，
structural analysis method and others．The basic principles of these methods were analyzed．It is suggested that the
formulation of dam safety monitoring indexes need to be connected with the failure mode of dams and the corresponding
safety limit state．The theories to analyze the failure mode of dams include risk analysis and reliability analysis．
Key Words：dam safety；monitoring index；failure mode
中圖分類號：Tv39 文獻標識碼：A 文章編號：0559—9342(2010)05一oo64一o4
安全監控指標是監控大壩安全的關鍵指標，它
不僅可以快速地判斷大壩的安全性態， 而且給大壩
管理帶來極大的方便， 對于監控和保證大壩的安全
運行及評價大壩的工作性態具有重要意義。特別是
法國馬爾帕塞(Malpasset) 拱壩和意大利瓦依昂
(Vaiont)拱壩分別于1959年12月2日潰決和1964
年10月9日失事以后，壩工界對安全監控指標更是
加大了重視程度。然而現有的安全監控指標擬定方
法還存在不少問題，最為突出的就是沒有緊密聯系
大壩結構本身的安全狀態，從而導致在對大壩結構
進行安全評估時困難重重。為此，本文在總結現有
大壩安全監控指標擬定的理論及方法的基礎上，指
出存在的主要問題，探索解決途徑。
1 大壩安全監控指標研究現狀
在大壩安全監控指標方面， 國內外許多專家學
者都進行了深人的研究。吳中如、顧沖時、鄭東健
等根據原型觀測資料反饋大壩的安全監控指標， 系
圈WaterPower Vo1．36．No．5
統地提出了建立安全監控指標的理論和方法， 如小
概率法、極限狀態法、結構分析法等，并成功地應
用于佛子嶺大壩和龍羊峽大壩【 -8]；魏德榮詳細論述
了大壩安全監控指標的含義、制定安全監控指標的
意義、基本原則以及制定大壩施工階段和首次蓄水
階段及運行階段安全監控指標的方法I91；李民、李珍
照等根據荷載的可能不利組合， 計算出相應的壩體
變形上、下限值，進而提出壩體變形的監控指標【’01；
李步娟等對重力壩在運行期間變形極限監控指標的
表達公式、計算方法等作了有益的探 “1。最近幾年，
借助于先進的理論和方法，許多學者在大壩安全監
收稿日期：2009—09—15
基金項目：國家自然科學基金重點項目(50539010)．國家科技
支撐計劃課題項目(2006BAC14B03)； 國家自然科學基金項目
(50809025，50879024)； 高等學校博士學科點專項科研基金項目
(20070294023)
作者簡介：李占超(1985一)，男， 河南開封人，博士研究生，
研究方向為大壩安全監控．
子口^【望，可：／ ＼ 義土血 佃'lVJ、莊 匕 0‘／J ，厶 J’
控指標的擬定方面進行了深入研究。例如：叢培江
等利用最大熵原理推導了大壩監測數據的熵概率密
度函數模型。在此基礎上給出了大壩安全監控指標
擬定的最大熵法ll21；姚惠芹等根據強度儲備有限元
法的計算成果． 建立相應的安全監控指標并應用到
飛來峽土壩l13】： 谷艷昌等把蒙特卡羅方法引入大壩
安全監控指標擬定中，結合大壩原型觀測資料并考
慮了基本變量的隨機性．建立了擬定高拱壩變形監
控指標的蒙特卡羅方法㈣。
在實際工程中．估計安全監控指標是一個相當
復雜的問題．需要根據大壩的結構特點及結構轉異
特征， 用各種方法進行綜合分析論證。科學合理的
安全監控指標能正確綜合分析和評價大壩的安全狀
況，現階段監控指標包括變形、應力、揚壓力、滲
流量等．其中揚壓力和應力的監控指標可以依據規
范擬定， 滲流量可以依據有關流體力學理論結合監
測資料擬定， 而變形監控指標的擬定則比較復雜，
因為大壩的壩高、壩型、筑壩材料、地形地質條件
以及運行方式等不同，各座大壩及各個壩段的變形
監控指標也不相同， 需要依據壩體結構本身的實測
資料進行全面深入的正反分析才能擬定。并且由于
壩體變形可以反映壩體結構的整體安全狀態，從而
成為大壩監控指標研究的重點。下面對當前工程中
常用的置信區間法、典型監控效應量的小概率法、
極限狀態法、結構分析法 t 】進行詳細分析。
2 置信區間估計法
該方法在國內外被普遍采用，其基本原理是統
計理論的小概率事件。即根據以往的觀測資料，用
統計理論(如回歸分析等)或有限單元法進行計算，
建立監測效應量與荷載之間的數學模型(如統計模
型、確定性模型或混合模型等)，并用這些模型計算
在各種荷載作用范圍內的監測量 與實測值E的差
值． 若該差值有1一 的概率落到置信帶(A=+io-)
范圍之內 而且測值過程無明顯趨勢性變化， 則認
為大壩運行正常； 反之則認為是異常的。此時， 相
應的監測效應量的監控指標E ：E±△。在利用置信
區間法時，應用實測資料建立效應量與荷載之間的
數學模型的好壞， 直接影響到對效應量的預測值，
從而影響對大壩安全狀態的評價； 另一方面， 置信
區間的選擇同樣對大壩安全評價有著顯著影響。
置信區間法簡單、易于掌握，但存在著以下不
足：① 如果大壩沒有遭遇過最不利荷載組合或資料
系列較短．則利用以往監測效應量的資料系列建立
的數學模型只能用來預測大壩遭遇荷載范圍內的效
應量． 其值不一定是包括最不利荷載組合在內的警
戒值；② 資料系列不同，分析計算結果的標準差
也不同，而在計算置信帶△ 時，i的取值還沒有完
整的理論可依據，使i值的選取帶有一定的任意性；
⑧ 對實測資料分析時所建立的數學模型不同，對監
控指標的影響較大；④ 置信區間法沒有聯系大壩失
事的原因和機理， 物理概念不明確．也沒有聯系大
壩的重要性(等級和級別)。在使用置信區間方法時，
還需要重視的問題是殘差序列有無趨勢性變化。當
趨勢性變化較大且尚未穩定時， 不宜采用數學模型
建立監控模型。因此，置信區間法只能作為建立大
壩安全監控指標的一個輔助方法，需要與其他方法
結合才能對大壩的安全狀態進行判定。
3 典型監控效應量B~JJ＼概率法
在實測資料中， 根據不同壩型和大壩的具體情
況，選擇不利荷載組合時的監測效應量E 或它們的
數學模型中的各個荷載分量(即典型監測效應量)。
并認為E 為隨機變量， 每年有一個子樣， 因此得
到樣本 ={Em．，E ，? ，E }。對樣本空間E用統計檢
驗法(如A—D法、K—S法)進行分布檢驗， 得其概
率密度函數f(E) 的分布函數f ( )，確定失事概
率 后， 即可求得相應水平的監控指標Em=F- (E，
O- ， )。在使用小概率法建立安全監控指標時，典型
監測效應量E 的選取是關鍵， 應根據各座大壩的
具體情況， 選擇不利于強度和穩定的荷載組合所對
應的監測效應量E 或者它們的各個分量來構成樣
本。例如對于拱壩和連拱壩．一般是在高水位和低
溫荷載組合下產生的應力最大，對強度不利； 而在
高水位和高溫組合下，拱圈軸力最大，對穩定不利。
不能不加分析地將每年的變形極值作為E 因為大
壩變形受到多種因素影響(水壓力、溫度、時效
等)， 是各個因素的組合效應， 當發生極值變形時，
大壩和地基的強度或穩定并不一定是不利工況。
小概率法的不足之處是：① 小概率法定性聯系
了對強度和(或)穩定不利的荷載組合所產生的效
應量．并根據以往觀測資料來估計監控指標， 但只
有當觀測資料系列較長，且真正遭遇較不利荷載組
合時。該方法估計的監控指標才接近極值，否則只
能是現行荷載條件下的極值；② 失事概率 的確定
還沒有規范可循 具有一定的經驗性 并且對于樣
本 的選擇也帶有很大的經驗性： ⑧ 該方法沒有定
量地聯系大壩本身強度和穩定控制條件。
小概率法和置信區問估計法的理論基礎均為統
計理論中的小概率事件．小概率法在結構安全監控
領域已經得到了廣泛應用，但是如何定量地把失效
概率與結構安全聯系在一起。以及當結構處于不同
I['ater Power Vo1．36．No．5 固
的安全狀態時如何調整失效概率，仍然是一個值得
深入研究的課題。
4 極限狀態法
極性狀態法認為： 大壩每一種失事模式對應于
相應的荷載組合．失事主要歸結為強度、穩定和裂
縫等形式的破壞， 其極限方程為R—S≥0，其中尺
為不同工作階段的抗力，對強度條件為不同丁作階
段的允許拉壓應力。對穩定條件為不同丁作階段的
抗滑力，對裂縫為斷裂韌度；S為不同荷載組合下
的效應量， 對強度條件為拉應力和壓應力， 對穩定
條件為滑動力，對裂縫為應力強度因子。根據計算
S和 方法的不同。用極限平衡條件估計監控指標
的方法可歸納為安全系數法、一階矩極限狀態法、
二階矩極限狀態法。各個方法的基本原理詳見文獻
【7】。
利用極限狀態法建立大壩安全監控指標時，定
量地聯系了大壩強度和穩定約束條件，在物理概念
上合理。通常安全系數法確定的監控指標具有一定
的安全余度，在大壩遭遇不利荷載組合時， 該方法
估計的監控指標是警戒值。而一階矩和二階矩極限
狀態法所得到的監控指標為效應量的極值．并且二
階矩極限狀態法還考慮了S和 的隨機性。可見
極限狀態法建立大壩安全監控指標與壩體結構本身
關系密切，并且也充分考慮了壩體強度和穩定等力
學約束條件，應是以后建立監控指標的一個重要方
法。
在使用極限狀態法建立安全監控指標時．不同
的安全狀態所對應的極限狀態的選取是關鍵。在強
度方面，通常是根據點破壞準則進行判斷， 即： 大
壩因強度不足而破壞是由于拉應力過大導致壩踵開
裂， 壓應力過大導致壩肩、壩體屈服甚至壓潰，剪
應力過大導致壩肩、基巖沿軟弱結構面滑動等原因
造成的。通過極限狀態下的抗力和設計荷載作用效
應的比較，確定結構是否進入強度破壞狀態。但是
個別點甚至局部的強度不足，并不一定影響大壩的
安全和正常工作。計算模型的網格結構以及應力集
中現象等，均對壩體的應力計算結果有較大影響。
在穩定方面，通常是利用整體滑動破壞準則。但是
在利用該準則時必須事先給定滑動面． 而且只有在
平面或圓弧面時計算結果才合理和唯一。因此，該
方法的運用仍然存在許多困難。
5 結構分析法
依據大壩安全條例和監測規范， 大壩的安全狀
態分正常、異常和險情三大類。與此同時。根據大
圈WaterPower Vo1．36．No．5
壩的結構性態也可分彈性、彈塑性和失穩破壞3個
階段。因此，安全監控指標也可以相應地分為一、
二、三級。
一級指標的控制標準為： 強度 ≤『o-d，or。≤
[o-J；穩定K≥[ 】。
二級指標的控制標準為： 強度O't≤ lR’ ≤
or 穩定 ≤尺。T2；抗裂K ≤[KJ。
二三級指標的控制標準為： 強度 。≤ 。≤
穩定F≤月 。。其中，Dr ， 分別為不利荷載工
況下在控制部位的計算拉壓應力； 】， ， 分
別為材料的允許拉應力、抗拉屈服強度和強度極限；
『o-J，Or" ，O- 分5；U為材料的允許抗壓強度、抗壓屈
服強度和強度極限；，為對應不利荷載組合時， 滑
裂面上的滑動力；R ，尺 。分別為對應滑動面上材
料的抗剪切強度(c， 處于屈服和強度極限時的抗滑
力；K， 分別為對應不利荷載組合時的抗滑穩定安
全系數和允許抗滑穩定安全系數；K。，[KJ分別為裂
縫尖端的應力強度因子和斷裂韌度。
依據以上各級監控指標的力學定義。針對大壩
存在時效位移的特點， 在計算 及其對應的 ，
時． 可用下列理論和方法擬定變形監控指標：用粘
彈性理論擬定一級變形監控指標；用小變形的粘彈
塑性理論擬定二級變形監控指標； 用大變形粘彈塑
性理論擬定三級變形監控指標。
利用結構分析方法計算監控指標時，聯系了大
壩失事的原因和機理， 物理概念明確，力學定義清
楚 并可以模擬一些從沒有遭遇過的荷載工況， 解
決了大壩觀測值序列較短、資料不全的問題．是確
定大壩安全監控指標最有效、也是較常用的方法，
特別適合于施二r期及蓄水期的大壩安全監控。并且
針對于不同的壩體形式，可以方便地修改監控指標
相應的力學定義。
采用極限狀態法和結構分析法建立大壩安全監
控指標時， 均與大壩的結構形態聯系密切， 但是無
論是簡單結構還是復雜結構，其破壞的過程以及監
控指標均與大壩的失效破壞模式有關．不同失效模
式下的破壞機理以及破壞過程均不相同。因此， 在
研究大壩的安全監控指標時，首先應確定大壩最可
能的失效模式，然后選擇等效的模擬方式模擬大壩
失效過程，并根據相應的安全監控指標的力學定義，
推求壩體結構的極限狀態，從而建立科學合理的監
控指標 在確定大壩的失效模式方面， 現今已有許
多理論和方法， 例如可靠度理論ll5]、風險分析理論
等。在判斷壩體極限狀態方面， 任青文提出了判
斷極限狀態的突變性判據和收斂性判據[171，顧沖時
提出了突變理論方法『181等。
Ju 口 J ‘ LJ^【 ，‘ 丁-·／ ＼ ．X ．-．．W-．[II1332】匕I I 、Jd ￡x．，J ／厶 —U I7
6 結論
建立大壩安全監控指標不僅要聯系大壩的實測
資料，反演壩體及壩基系統的力學參數． 而且還需
要聯系大壩本身的運行環境及安全狀態。數理統計
方法方便簡單，但是與大壩的結構聯系較少，故應
結合其他理淪和方法為數理統計方法提供科學依
據，使其具有明確的物理意義。極限狀態法和結構
分析法考慮了壩體的結構形態并結合了壩體的安全
狀態．極限狀態法還考慮了壩體的隨機性，是擬定
監控指標的主要方法，并且可以為壩體結構不斷變
化的施工期大壩建立安全監控指標。但是由于壩體
的安全狀態與大壩的破壞模式緊密相聯． 故在擬定
大壩的安全監控指標時，應結合大壩的破壞模式進
行分析。研究更加合理的臨界狀態判據與準則，使
大壩的安全監控指標真正成為大壩安全與否的判斷
標準。
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(責任編輯常 青)
(上接第43頁)未銹蝕柱有限元模型對應的骨架曲
線所包圍的面積最大， 說明試件消耗的能量大， 耗
能能力強。而銹蝕率越高的模型對應的骨架曲線所
包鬧的面積越小， 說明耗能能力越弱。因此， 銹脹
力使得偏心柱的耗散地震能量的能力明顯降低。
4 結論
通過溫度場有效地模擬了混凝土中鋼筋的銹脹
作用， 研究了不同鋼筋銹蝕率和不同鋼筋直徑下銹
蝕偏心柱承載力和開裂機理． 同時對銹蝕偏心柱進
行了抗震性能研究，得到如下結論：
(1)承載力計算結果與試驗結果吻合良好，說
明用溫度場能有效模擬鋼筋銹蝕作用。隨著銹蝕率
的增加，偏心柱開裂區不斷擴大。隨鋼筋直徑增加，
銹蝕率減小，鋼筋銹脹力減小，偏心柱開裂區減小。
(2)隨著鋼筋銹蝕率的不斷增大，銹蝕混凝土
偏心柱的耗能能力明顯降低。抗震性能退化。
本文提出模型能同時對鋼筋和箍筋的銹蝕作用
進行有效模擬， 克服了只針對主筋或箍筋單一銹蝕
作用模擬的不足。
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(責任編輯焦雪梅)
erPower Vo1．36．No．5囫

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