翟行东

(浙江省水利水电勘测设计院，浙江 杭州 310002)

水库大坝在水力发电、防洪排涝等方面起到的作用十分重大，其建设工程也越来越多[1]。在为人类创造显著社会效益与经济效益的同时，水库大坝除险加固工程的安全事故频发，对民众的生命财产安全造成了很大影响。新中国成立后，先后发生石漫滩水库、板桥水库等大型水库的大坝除险加固施工安全事故，造成了严重经济损失。通过分析总结，发现大坝除险加固施工安全事故的发生原因一是施工管理不到位，工程管理水平不高，特别是缺少经验丰富的技术人员；二是安全监测体系不够完善，在施工安全监测中没有应用先进的技术和设备[2]。事实上，水库大坝除险加固施工安全问题不仅与大坝除险加固效果有关，更与大坝的安全以及下游人民的安全息息相关，甚至与上下游生态环境相关[3]。因此，对水库大坝除险加固施工安全进行监测有着非凡的意义。各国一直都非常重视水库大坝除险加固施工安全监测问题的研究，在研究中应用了多种技术，包括无人机技术、计算机技术、通信技术、GPS技术等，并进行了多方面的实践。通过实施水库大坝除险加固施工安全监测，能够保障除险加固施工取得良好的施工效果，有着长远的意义。传统的监测方法由于监测效果差并且需要大量人力，已逐渐被新型监测方法取代。现借鉴已有研究成果，应用可靠性理论，设计一种新的监测方法。

1 基于可靠性理论的水库大坝除险加固施工安全监测方法设计

1.1 施工安全数据采集

采集水库大坝除险加固施工安全数据，具体包括施工环境量数据与施工中的坝体变形数据[4]。其中施工环境量数据的采集过程具体如下：

通过自动监测方式实施水位数据的采集，在大坝尾水处与进水口处各安装1个液位传感器，实时采集1天中的大坝水位数据。

通过人工方式采集船闸与坝顶的大气温度，每天进行3次温度监测数据的采集。

施工中的坝体变形数据采集过程具体如下：于坝顶对视准线进行布设，在该视准线上布设多个测点并进行编号，保证各测点之间有着相同的距离[5]。通过记录测点的水位数据，获取坝体水平位移数据。

在坝顶水平位移数据的获取中，使用的观测仪器为RTS-852全站仪，具体观测步骤如下。

(1)在中间测点对仪器进行架设，架设位置为观测基墩上面的强制对中装置上。首先对圆水准器进行调节，使仪器实现粗平，接着对管水准器进行调节，使仪器实现精平。调平仪器后，使竖盘位于观测者左边，开启仪器的角度测量模式，照准大坝尾部的工作基点，对该方向进行设置，记录水平度盘读数。

(2)照准离尾部工作基点最近的测点，对目标的水平度盘读数进行读取，实现该点的半个测回。此时两读数的差值是盘左位置的对应半测回角值。

(3)对全站仪进行纵向转动，使竖盘位于观测者右边，照准该测点，对读数进行记录。

(4)接着照准尾部的工作基点，对读数进行读取与记录。此时两读数的差值是盘右位置的对应半测回角值。

由此完成该测点的第1个测回。此时取两个半测回角值的平均值，获取第1测回的对应1测回角值。对该测点进行4个测回并取4次的平均值，获取该点的偏离角度。通过同样的方法对各个测点进行依次观测[6]。

接着实施距离测量：将全站仪在该点棱镜中心照准安置，按仪器测距键，通过仪器获取平距读数。共进行4次测量，取其平均值。通过同样的方法对各个测点进行依次测量。

根据各测点测得的偏离角度与平距读数数据对坝顶水平位移数据进行计算。

在船闸边墙实际水平位移数据的获取中，于船闸左右边墙上对监测点进行对称布设[7]。同样使用RTS-852全站仪作为观测仪器，以某监测点为例，具体观测步骤如下。

(1)该观测需要通过2个工作基点来完成，在大坝坚硬基岩上对该监测点的2个观测工作基点进行埋设，用XH13、XH10来表示。

(2)在XH13观测工作基点上架设全站仪，在强制对中装置上正确安装仪器后，调节仪器使其实现粗平和精平。通过同样的方式获取盘左位置和盘右位置的对应半测回角值。

(3)由此实现第1个测回，取2个半测回角值的平均值作为第1个测回的对应测回角值。获取该监测点4次测回的平均值，从而获取其偏离角度，将该值转化为弧度值。

(4)以前方交会法为依据，还需要对另1个观测工作基点XH10进行4次测回，并将4次测试的平均值转化为弧度值。

(5)实施距离测量后对船闸边墙水平位移数据进行计算。

1.2 施工三维模型构建

采用Abaqus有限元软件构建大坝除险加固施工三维模型[8]。模型构建流程具体如下。

(1)获取大坝除险加固施工图纸，确定大坝几何形状，在Abaqus有限元软件中导入其施工CAD图纸。

(2)以大坝草图部件和几何形状为依据，对大坝除险加固施工三维模型进行初步组装和构建，并对网格进行合理划分。

(3)确定本构和所建模型的关系，与工程实际相结合对材料参数进行确定。根据材料参数和构建的施工三维模型决定外在作用对模型的影响方式。

(4)结合施工工程实际和构建模型，考虑施工中的环境因素，对外荷载作用和边界条件进行确定。在土坡侧面、土坡底部、坝体底部均采用3个方向对应的唯一约束。

其中材料参数的确定具体如下：选用无厚度Goodman单元对施工中坝基与坝体之间的接触关系进行描述。坝体采用的混凝土材料为C15埋石[9]。

通过线弹性模型对坝体混凝土基座和基岩进行计算[10]。其中线弹性模型中的计算参数取值具体见表1。

表1 线弹性模型中的计算参数取值

坝体材料和坝基地层渗透参数的取值具体见表2。

表2 坝体材料和坝基地层渗透参数的取值

就此完成大坝除险加固施工三维模型的构建，在模型中输入采集的施工安全数据。

1.3 水库大坝除险加固施工安全监测

设计一种水库大坝除险加固施工安全监测平台，平台由5个模块构成，分别为应用对象模块、三维模型模块、可靠性分析模块、应用软件模块、用户层模块[11]。

设计的水库大坝除险加固施工安全监测平台的具体结构如图1所示。

图1 设计的水库大坝除险加固施工安全监测平台

用户层模块面向3种群体，其中政府机构可以对该地区水库大坝除险加固施工工程进行安全监管；大坝管理员可对施工中的问题及质量状况进行查看；平台管理员可以对平台的配置功能进行使用[12]。

应用软件模块通过远程监测软件与数据解析软件进行数据的统一管理、分析，获取施工安全监测的相关指标数据，实现施工安全评估、决策预警等功能[13]。

可靠性分析模块是基于可靠性理论设计的，其中大坝除险加固施工安全可靠概率的计算公式具体如下：

(1)

式中，f(x1，x2，…，xi)—大坝除险加固施工安全基本随机变量的对应概率函数[14]。

大坝除险加固施工安全失效概率的计算公式具体如下：

(2)

施工安全可靠概率与施工安全失效概率呈互补关系，具体如下式所示：

Pa+Pf=1

(3)

三维模型模块能够与Abaqus有限元软件进行数据互传与三维交互，是平台的基础数据模块[15]。

应用对象模块主要是以水库大坝除险加固施工中的水位、变形、沉降以及其他环境的变化为监测对象[16]。

2 施工安全监测工程案例分析

2.1 工程情况

利用设计的基于可靠性理论的水库大坝除险加固施工安全监测方法对某水库大坝除险加固工程进行案例分析。该水库的流域面积可达56.38km2，是一座主要职能为灌溉、兼备养殖、防洪作用的中型水库。

在大坝除险加固施工中，对大坝加设了塑性砼防渗心墙，并对坝基再次实施帷幕灌浆。在上游坝坡加设干砌块石进行护坡，在82.30m高程处加设2.00m宽的马道，在下游坝坡增加护坡草皮。该大坝已经经过了多次的除险加固施工，并多次发生安全事故，因此展开该大坝的除险加固施工安全监测。

2.2 大坝表面变形监测结果分析

利用设计的方法对该大坝实施表面变形监测，首先对该大坝施工时8个坝段分缝处的接缝变形量进行监测，具体监测结果如图2所示。

图2 接缝变形量监测结果

根据图2接缝变形量监测结果，8个坝段分缝处的接缝变形量最小是0.10mm，最大是0.24mm。可以发现通过设计方法能够实现大坝除险加固工程施工中的接缝变形量监测，对于大坝表面变形监测有积极意义。

接着监测施工时大坝坝顶几处重要位置的应力变化数据，具体监测结果如图3所示。

图3 应力变化监测结果

图3应力变化监测结果表明，实验大坝除险加固工程在施工中应力是呈现增长趋势的，表明施工中存在大坝表面变形风险。说明通过设计方法能够实现大坝除险加固工程施工中的应力变化监测，说明设计方法有着良好的安全监测能力。

2.3 扬压力与渗压水位监测结果分析

利用设计方法对实验大坝施工中坝段1横向观测面、坝段2横向观测面以及大坝纵向观测面的杨压力与渗压水位进行监测，具体监测结果如图4所示。

图4 杨压力与渗压水位监测结果

图4的杨压力与渗压水位监测结果表明，实验大坝施工中坝段1横向观测面、坝段2横向观测面的杨压力与渗压水位监测值较低；大坝纵向观测面的杨压力与渗压水位监测值较高，表明施工中大坝横向观测面比纵向观测面稳定。监测结果表明，设计方法能够实现大坝除险加固施工中的杨压力与渗压水位监测。

2.4 绕坝渗流渗压监测结果分析

利用设计方法对大坝施工中绕坝渗流孔的绕坝渗流渗压值进行监测。左右两岸监测值具体如图5所示。

图5 左右两岸监测值

根据左右两岸的绕坝渗流渗压值监测值数据，大坝施工中左岸绕坝渗流渗压值的平均值在112.36kPa左右，右岸绕坝渗流渗压值的平均值在118.63kPa左右；左岸绕坝渗流渗压值的变幅最大为达到78.63kPa，右岸绕坝渗流渗压值的变幅最大达到77.23kPa。说明通过设计方法能够实现大坝施工中绕坝渗流孔的绕坝渗流渗压值的准确监测。

综合全部实验结果，设计方法的安全监测性能良好，能够满足实际应用需求。

3 结束语

水库大坝除险加固工程作为消除大坝本身的安全隐患，提高水利工程的运行安全系数是十分必要的，我国在上一轮水利工程高潮期中所新建的各类水库的运行年限已十分久远，每年在水库大坝安全鉴定中出现的不合格率逐年攀升，从而导致近年来水库大坝除险加固项目量激增。但是除险加固工程在施工过程中难免会对大坝本体产生新的扰动及其他不利影响，故施工行为进行安全监测是必不可少的。本文在对水库大坝除险加固施工安全监测问题进行研究的过程中，对以往方法进行总结，设计了一种新的监测方法，并对可靠性理论进行了综合应用。今后在该研究成果基础上，开展更加深入、精细的研究。