毕朝达，杨仕燕，徐海峰，李 铮，杨 阳，王沙宁，毛 笠

（1. 南京水利科学研究院大坝安全管理研究所，江苏 南京 210029；2. 云南水投牛栏江滇池补水工程有限公司，云南 昆明 650224；3. 江苏南水科技有限公司，江苏 南京 210012）

龙江水电站枢纽工程大坝预警系统建立及指标拟定

毕朝达1，杨仕燕2，徐海峰1，李 铮1，杨 阳1，王沙宁3，毛 笠3

（1. 南京水利科学研究院大坝安全管理研究所，江苏 南京 210029；2. 云南水投牛栏江滇池补水工程有限公司，云南 昆明 650224；3. 江苏南水科技有限公司，江苏 南京 210012）

龙江水电站枢纽工程大坝安全监测系统涵盖大坝主体结构、地基基础、两岸边坡等相关重要部位。大坝预警系统根据数理统计法、历史监测资料及相关规范设定预警指标，对异常测值进行比对分析，通过预警系统平台进行现地及远程报警，能够及时提醒管理人员关注，针对突发情况及时采取应对措施，实施应急预案。实践表明，预警系统大大降低对监测数据进行初步处理分析的烦琐重复劳动，极大地提高监测数据管理与分析的效率和水平，达到预警减灾的预期效果，为今后推广应用积累丰富的经验。

大坝；安全监测；数理统计法；预警系统；预警指标；临报极值

0 前言

我国对大坝安全问题十分重视，先后成立了电监会大坝安全监察中心和水利部大坝安全管理中心；制定了《水库大坝安全管理条例》《水电站大坝运行安全管理规定》等一系列法律、法规和规范；开发大坝安全自动化监测系统对安全监测原始数据自动采集和远程传输；采用灰色系统、人工神经网络、混沌理论等现代数学理论，建立监测统计、确定性和混合等模型对监测资料进行定量分析。这些研究成果为大坝安全预警系统的研究积累了丰富的资料，根据流域水雨情、大坝安全监测和运行管理等信息，采用现代数学方法和模型技术，在综合分析评价影响大坝安全的诸因素的基础上，对可能出现的大坝险情作出预测和警报，并借助决策支持系统制定出针对性的应急处理预案。

龙江水电站枢纽工程位于云南省德宏傣族景颇族自治州潞西县境内的龙江干流上，是以发电、防洪为主，兼顾灌溉的综合性枢纽工程。该枢纽工程由最大坝高为110 m 的混凝土双曲拱坝、左岸引水发电系统和地面式厂房组成，是龙江流域唯一的防洪控制性工程。水库总库容 12.17×108m3，为大（1）型Ⅰ等工程。水库正常蓄水位 872.00 m，死水位 845.00 m，调节库容 6.79×108m3，设计洪水标准五百年一遇，校核洪水标准两千年一遇。

龙江水电站枢纽工程为了监测大坝的安全，大坝内部及边坡布置有变形、渗流、温度，以及应力应变锚杆、锚索等共 664 支传感器，因此监测数据的采集、处理和分析的工作量很大。依靠现代计算机软硬件技术，在大坝自动化监测系统基础上，对大坝的监测数据进行科学管理，并加以定性、定量分析，以实现对大坝形态的实时监控，根据实测数据和理论分析得出大坝当前运行状况，通过研究设定预警指标，对大坝监测项目进行实时监控及科学、快捷的安全预警，有助于提前发现大坝的危险征兆，进而及时采取补救措施，避免事故的发生或减小损失。

1 大坝预警系统的结构

基于大坝安全监测预警系统的研究在工程实践中得到了广泛的应用[1-5]，根据龙江水电站枢纽工程实际探讨的实时预警系统整体结构如图1所示，具体包含以下3个层次：

1）基础信息层。由各类传感器、采集单元及通讯模块组成，其中采集单元负责监测数据的收集，通讯模块负责监测数据的传输。数据传输分为有线（可分为双绞线、同轴电缆和光纤）和无线（可分为GSM，GPRS，电台，卫星等）2种传输。

2）信息分析层。包括数据处理和分析及警情发布。数据处理分析是将采集单元传输的数据进行整编，通过与设定的各类预警指标对比分析，当数据超出预警指标时进行警情信息发送；警情信息发送包括现地（声音、图像预警）、远程（短信、电话预警）预警。

3）决策支持层。主要包括警情分析、处理、上报。决策者在收到预警信息时，需考虑其他信息，对预警内容进行分析，确定预警内容发生原因，决定是否需要对预警信息进行上报并采取相应的处理措施。

图1 预警系统架构图

2 大坝预警指标的确定

建立大坝安全监测系统的主要目的是监测大坝、地基及边坡已经承受过的抵御荷载的能力，以及评估和预测抵御可能发生荷载的能力，当荷载能力达到一个界限值时也即效应量的警戒值和极值，需要管理人员对其做出相应判断并进行及时处理。应力、渗流等项目的警戒值较容易在设计阶段确定，而变形监测警戒值的确定较为复杂，在施工期和蓄水期常采用设计值作为技术警戒值，在积累足够的监测资料后，可通过监测资料分析进一步作出调整，为此以渗流和应力警戒指标的确定为例进行分析。

2.1 警戒值

警戒值指依据大坝设计时所确定的允许值或符合大坝运行规律允许变化范围的最大（最小）数值。警戒值的确定目前尚无统一方法，一般有以下几种方法：1）回归预报极值加若干倍标准差；2）混合模型确定正常值，再以正常值加若干倍标准差；3）在监测资料丰富的情况下，采用历史实测最大值；4）采用置信区间法、小概率法、极限状态法、结构分析法等理论计算方法[6-12]，确定效应量的警戒值。

根据龙江水电站枢纽工程实际监测资料，选取坝体扬压力计 14UP1 为效应量，通过对各类影响量回归模型的比对分析，最终确定以坝上和坝下水位、降雨量、时效因子为影响量，根据方法（2）建立警戒值的回归统计模型，确定该测点正常值加上2 倍的标准差作为测点警戒值，计算结果如表1所示。图2 为实测及拟合值过程线，通过图形分析可知，该模型拟合较好，可作为警戒值确定模型，式（1）可作为警戒值确定模型：

式中：σ 为回归模型效应量；α1，α2，α3，α4，α5，α6分别为回归模型中回归系数；α0为常数项；为观测日前 5 日平均坝上水位；为观测日前 5 日平均坝下水位；为观测日前 10 日平均降雨量；ln θ 为观测日至观测基准日的累计天数除以 100 的对数值。

2.2 极值

极值作为监测设备及工程工况异常判别标准，一般以警戒值的初步成果与历史监测、运行、大坝定检、设计等资料，以及历次观测资料分析成果进行对比综合分析最终确定[14]。

临报极值指相邻 2 次测值的可能最大变幅，也即监测项目变化速率的极值，如位移监测项目中临报极值表示允许位移速率极值。临报极值可以由以下3种方法确定[15-17]：

1）根据大坝的历史实测资料，以数理统计理论为基础建立效应量与影响量之间的数学模型。根据相邻测次影响量可能的最大变幅量，再对增量系列进行统计分析，用计算增量加若干倍剩余标准差作为监测值的临报极值，此类方法适用于受外界量相关性比较大的测点，如渗压计、遥测垂线仪等。

表1 坝体扬压力水头警戒值 m

图2 扬压力计实测值与拟合值过程线图

图3 10# 坝段应变计测值过程线

2）根据历史实测资料计算出增量系列，再对增量系列进行统计分析，采用系列均值加若干倍剩余标准差作为临报极值，此类方法适用于与外界量相关性表现不明显，难以建立统计模型进行分析，同时有充足的历史观测资料的测点，如多点位移计、测缝计、锚索测力计等。

3）参照历史最大相邻变幅，结合经验判断相邻来报数值的最大变幅，此类方法适用于监测资料比较充分，测值较为规律的测点，如应变计、钢板计等。

根据多年历史自动监测资料分析，用第3种办法确定 10# 坝段应变计的临报极值，其中 10-1S7-1测点于 2011年 12 月 17 日发生最大变幅 22.32 με，10-1S7-4 测点于 2011年 12 月 10 日发生最大变幅29.52 με，此类临报差值在监测序列中比较孤立，当测值变幅达到该值时应及时关注并进行预警处理，经现地复核查明原因后进行及时登记上报处理；10-1S7-2，10-1S7-3，10-1S7-5，10-1S7-6 测点最大变幅分别为8.80，8.81，7.41 和 7.41 με，此类变幅最大值从各年监测序列分析，受大坝运行时间、季节变化等外界因素影响，呈规律性变化，参照历史最大相邻变幅结合经验设定临报极值。10-1S7-2实测及变幅过程线绘制如图3所示，10# 坝段应变计临报极值设定成果如表2所示。通过图表分析可实时判断各监测部位实时工况信息，对超出设定预警指标值进行预警发布。

3 大坝预警系统数据处理分析

大坝预警系统数据处理分析步骤如下：

1）数据预处理。为降低因人为、监测及采集设备等外界非自然因素影响，造成不必要的预警，系统根据各监测设备量程设定极大值和极小值，将超出量程范围的测值进行排它登记处理，量程范围内测值通过设定的计算公式进行物理量计算并实时录入数据库。

2）粗差分析处理。采用未确知滤波法及格拉布斯法，结合历史监测序列进行粗差分析，通过 2种方式相互验证监测值是否为粗差值，如均确定为粗差值，系统进行登记处理。

3）预警分析及发布。将实时物理量与系统设定的警戒值、临报极值、极大值进行对比分析，超出预警指标测点的进行现地及远程预警信息发布。

表2 10# 坝段七向应变计临报极值 με

4 大坝预警系统应用

龙江水电站枢纽工程大坝预警系统于 2011年年底完成，截至目前已运行近 5 a，由于自动化测量频次高，各自动化监测点均积累了 2 000 多条监测数据。系统运行初期由于前期人工测量数据相对零散，自动化监测序列较短，预警指标确定存在一定的经验判断，因此在2014年年底，根据已有的历史监测资料对系统各预警指标进行了再次修订。

自大坝预警系统运行至今，共产生各类预警信息 25 起，左岸厂房边坡渗压计 LUP4 于 2013年 2 月13 日发布临报极值预警信息，该测点位于厂房边坡的素土回填区，测值数据不稳定，临报差值比较大，综合外界环境因素分析，水头变化受降雨影响，受降雨及水库水位的变化发生明显的波动现象，出现此类工况报警信息，应密切关注其水头后续变化；坝体应变计 14-8S7-3 及遥测垂线仪14PL3_1 受人为因素影响分别超出极大值及警戒值，出现此类工况报警信息，需人为分析判断，实时监控及预警可及时反馈。部分预警信息的分析处理及上报情况如表3所示。

表3 预警发布应用

5 结语

龙江水电站枢纽工程自大坝施工期至今积累了大量的安全监测资料，系统运行前期系统设定的预警指标较为粗糙，随着自动化监测序列的增加，预警指标的确定依据更为充分。实时预警系统的建立，方便了大坝安全监测管理，当监测项目出现异常情况时，系统实时向管理人员发布预警信息，当出现险情时能及时做好现场分析及处理工作。

大坝安全监测工程自动化系统预警系统的分析，只能从单个测值考虑，虽然预警指标的确定具有综合性，但在实时分析过程中难以综合其他因素，分析仍具有片面性，预警指标确定不能设为一个永久固定值，应该是一个逐步完善的过程，随着内、外部环境及时间的推移进行适当调整和完善。

大坝安全监测工程自动化系统预警信息的实时发布为龙江水利枢纽工程各特殊工况的及时发现和分析带来了很大便利，但自动化本身只是一种模式，而这种模式并不是完美无缺和一成不变的，需要根据实际情况不断完善和发展，努力做到自动化系统与工程本身的融合与适应，促进自动化管理模式和人工管理模式的融合与互补，这样才能正常发挥大坝预警系统功能。

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Establish and index determine of dam early warning system for Longjiang hydropower station project

BI Chaoda1, YANG Shiyan2, XU Haifeng1, LI Zheng1, YANG Yang1, WANG Shaning3, MAO Li3
(1. Dam Safety Management Department, Nanjing Hydraulic Research Institute, Nanjing 210029, China; 2.Niulanjiang Dianchi Lake Water Supplement Project Co., Ltd, Kunming 650224, China; 3. Jiangsu Naiwch Corporation, Nanjing 210012, China)

Longjiang hydraulic project dam monitoring system covers the important parts of the dam main structure, the foundation and two sides slope monitoring. Dam early warning system sets warning indexes based on mathematical statistics method, historical monitoring data and related specifications. It can compare and analyze abnormal values send, situ and remote alarm to timely remind managers and operators to concern about, and carry out contingency plans of emergency situations. Practice shows the system greatly reduces the tedious labor of monitoring data preliminary process and analysis, greatly promotes the efficiency and level of monitoring data management, and achieves the desired effect of early warning and disaster reduction, also accumulates rich experiences.

dam; safety monitoring; mathematical statistics method; early warning system; warning index; critical prediction value

TV61

A

1674-9405(2017)01-0016-05

10.19364/j.1674-9405.2017.01.004

2016-09-07

国家自然科学基金项目（51309164）；江苏省自然科学基金项目（BK20130072）

毕朝达（1983-），男，湖南邵阳人，助理工程师，研究方向：大坝安全监测与评价。