大坝安全监测的现状与发展趋势

摘要：阐述了大坝安全监测的内涵及意义。分别从大坝安全监测的内容、思维、分析方法和技术手段四个方面介绍了大坝安全监测的现状和发展趋势，并指出自动化、数字化、一体化、效益化是大坝安全监测的最终发展方向。

关键词：大坝安全监测；发展；分析方法；技术手段

Abstract: The connotation and further meaning of dam safety are illustrated. The present condition and development trend of the dam safety monitoring are discussed from four aspects: the content，thinking pattern, analytical methods and techniques. It draws a conclusion that the dam safety monitoring will be development towards automatization, digitization, integration and beneficilization．

Keywords：dam safety monitoring; development; analytical method; technique

众所周知，大坝是水资源时空分布、优化水资源配置的重要工程措施，也是江河防洪工程体系的重要组成部分[1]。随着世界各国水利、水电事业的发展，水库大坝的安全问题也越来越突出。据水利部2008年统计，我国大中型水库大坝安全达标率仅为.1％ ，病险率约占36％ ，其中大中型水库的病险率接近30％ ，小型水库的病险率则更高[2]。因此，大坝安全监测受到了高度的关注和重视。

1.影响大坝安全的因素

国际大坝会议“关于水坝和水库恶化”小组委员会记录了1100座大坝失事实例，得出大坝失事的成因。

导致大坝失事的原因很多，涉及范围也很广，但大致可以分成三类：第一类是由于设计、施工阶段的缺陷和隐患所引起，一旦大坝建成就已确定，如设计洪水位偏低、混凝土标号过低、未充分考虑地震荷载等；第二类是运行、管理过程中逐步形成的，有一个从量变到质变的发展过程，如冲刷、侵蚀、混凝土老化、金属结构锈蚀等；第三类是上述两类的混合情况，即设计、施工的不完善在运行中得不到修正，随着时问的推移和运行管理的不力，使设计、施工中的隐患在复杂的运行环境下发展为破坏[3]。

2.大坝安全监测的内涵及意义

大坝安全监测是人们了解大坝运行状态和安全状况的有效手段和方法。它的目的主要是了解大坝安全状况及其发展态势，是一个包括由获取各种环境、水文、结构、安全信息到经过识别、计算、判断等步骤，最终给出一个大坝安全程度的全过程。此过程包括：通过各种信息的获取、整理和分析，给出大坝安全评价，控制大坝安全运行；校核计算参数的准确性和计算方法的实用性；反馈施工方法的正确性，

改进施工方法和施工控制指标；为科学研究提供现场资料，检验各种理论、校正各种模型和参数，协助找出实测规律和辅助成因分析等。

大坝安全监测的意义在于：

(1)水库大坝监测与安全评价相辅相成，是水库大坝安全评价中不可分割的两部分。大坝安全监测通过对坝体、周岸及相关设施的巡视审查和仪器监测，可以为大坝的安全评价提供基本资料和数据。通过对这些监测资料的可靠性分析，就可以完成坝

体与坝坡的稳定性分析、渗流稳定分析、工程运行评价等大坝安全评价工作。

(2)有助于认识各种观测量的变化规律和成因机理，确保大坝安全。延长大坝寿命，提高大坝运行综合效益。对大坝安全监测资料及大坝的结构与基础性态进行分析计算和模拟，有助于认清各种观测量的变化规律以及各种变化的物理成因，从而能及

时发现隐患并采取相应措施，以确保大坝安全，延长大坝运行时间，提高效益。

(3)有助于反馈大坝设计、指导施工和大坝运行，推动坝工理论的发展。由于大坝及其坝基的工作条件比较复杂，相关荷载、计算模型及有关参数的确定总是带有一定的近似性，因而现有的水工设计还难以与工程实际完全吻合。因此，利用大坝安全

监测资料进行正、反分析，及时评价大坝和坝基的工作性态，依据设计、施工方案，对在建或拟建大坝提出反馈意见，以达到检验和优化设计、指导施工的目的。

3.大坝安全监测的现状及发展趋势

20世纪20年代以来，人们开始逐步认识到大坝安全的重要性，各国专家、工程技术人员纷纷开始对大坝安全监测的各个环节进行研究。20世纪70年代后期，微电子技术、计算机技术和通讯技术的发展使大坝安全监测技术及相关研究得到了迅速发展；80年代末至90年代初，大坝安全自动化监测技术有了实质性的发展，并趋于成熟化和实用化。我国大坝安全监测工作起步相对较晚，开始于20世纪50年代；到80年代，总体水平有了很大提高，实现了自动化遥测；90年代后大坝安全监测技术发展较快，许多水库和水电站都完成了自动化监测系统的安装和改造。

随着科学技术的不断进步以及人们对大坝安全监测认识的不断提高，大坝安全监测在内容、分析方法和技术手段上都有了新的拓展。

3.1 监测范围和内容上的新发展

《混凝土大坝安全监测技术规范》(SDJ 336—)、《土石坝安全监测技术规范》(SL 60-94)中规定：“大坝安全监测范围，包括坝体、坝基、坝肩，以及对大坝安全有重大影响的近坝区岸坡和其他与大坝安全有直接关系的建筑物和设备”。但是，从影响大坝安全的因素来看，安全监测的范围远不止这些。因为危险因素存在于大坝的勘测设计、施工、运行的整个过程，所以应该对应水库工程建设的不同阶段对大坝进行安全监测。在设计阶段，坝址一旦确定，地形、地质、地震频率及水文等自然条件也会随之确定；其余的任务主要是水利枢纽的总体布置、坝型及结构、材料选择和分区、水文资料的收集和地质勘探等工作。因此，该阶段的主要任务就是对各部分资料进行校核验证，确保大坝布局、结构与建筑材料的合理，洪水演算及地质勘探数据的准确。在施工阶段，验证设计、确保施工质量，特别是将施工中出现的问题有效地进行反馈，修正大坝设计的缺陷，优化设计成为安全监测的主要任

务。运行管理阶段要掌握大坝的监测资料、工作性态及发展状况；另外，水库的调度、与坝体相关的泄洪机电设备的检查等也应纳入运行管理阶段的安全监测范围。

综上所述，由于对与大坝相关的各物理量的监测和分析都将对大坝安全发挥作用，因此，大坝安全监测应将影响大坝安全的全部因素考虑在内，包括设计阶段的不足。大坝安全监测的范围应覆盖水库水电工程设计、施工、运行的整个始末，监测内容也应涵盖工程各阶段的主要任务与问题。

3.2 思维上的新发展

3.2.1 重视微观分析[3]

在分析大坝安全状况时，以往总是重视对变形和渗流量等宏观量的分析，而忽视对大坝微观的分析评价。实际上，从预测大坝性态发展、防患于未然的角度要更多地重视微观观测和分析，包括应变、应力和材料及结构老化、失稳的监测。溃坝的产生是一个从量变到质变的过程，在这个过程中重视微观观测分析就能够及时地发现问题，通过对坝体的修复和应力的调整来避免危险事故的发生。

3.2.2重视综合分析

对大坝安全评价需要综合全部监测资料、设计资料和施工运行资料，同时还应将巡视检查信息、化学成分及物化性质分析信息、结构数值分析信息、色谱与频谱分析信息、图象分析信息等结合起来。为便于资料分析，对于重要大坝，必须将非常规监测手段定期化，这样才能不漏掉关键信息，确保分析结论的客观和真实[4]。

3.2.3重视大坝的风险分析与预案措施

《混凝土坝安全监测技术规范》中列出了大坝安全风险度分析表。大坝安全风险分析需要探讨大坝各种破坏因素分布函数及其特征值，研究大坝各种失事概率，给出安全失事的模式和失事处理的应急预案等。因此，大坝安全监测可以作为风险分析获得信息和资料的一种方式。大坝安全监测中的现场仪器监测、巡视检查和不定期的非常规检查都可以为风险分析提供可靠的数据，建立相应的数据库。综合运用结构和数值分析技术以及风险决策技术使效益最大、风险最低，同时要设置多种紧急预案，做到有备无患。

3.3 在分析方法上的新发展

3.3.1 误差处理上的进步[3]

按照测量误差对观测结果的影响，可将误差分为系统误差、随机误差和粗差(过失误差)三类。在测量与数据处理中，应当剔除粗差，消除或削弱系统误差，使测量值中仅含随机误差。系统误差由观测的环境因素、仪器性能、不同观测者等因素造成，它按某一确定规律变化，在多次重复观测中其数值大小和符号几乎相同，可以设法找出系统误差的函数表达式，然后在观测结果中加以扣除；随机误差由随机因素造成，其符号和绝对值大小无规律且不可预料，但随着测次增加，一般认为随机误差呈正态分布，其期望均值为零；粗差是由某些不正常因素所造成的与事实明显不符的一种误差，通常属于测量错误，较易发现，应予以剔除。

目前，国内外普遍采用最小二乘法对大坝安全监测数据进行误差处理。自从高斯在1794年提出最小二乘法以来，广大学者对测量平差理论和方法进行了大量的研究。在具体研究工作方面，美国SerioG．Koreisha和Yue Fang对滑动平均模型时序过程(ARMA)的测量误差影响进行了定量分析；岳建平通过对回归分析中观测误差和模型误差的分离，从而更客观地评价测量系统和模型的精度；刘文宝等提出了顾及先验信息的大坝位移反分析方法，探讨了测量误差对位移反演结果的影响规律。周江文等提出了一种较为实用的抗差算法；郑东健用平均杠杆理论识别实测资料异常值，实现了误差的灰箱诊断；赵斌在大坝观测数据处理中引入污染分布、观测权等概念，以逐步消除粗差的影响，最终得到了合理的参数估计。

3.3.2 大坝安全监测资料分析上的进步

大坝安全资料分析主要有正分析和反分析两方面：正分析指的是由实测资料建立数学监控模型，以监控大坝等水工建筑物的安全运行，同时对模型各分量(特别是时效分量)进行物理成因解释，借以分析大坝或其他水工建筑物的工作性态[5]。

意大利的法那林(Faneli)和葡萄牙的罗卡(Rocha)等人从1955年开始应用统计回归方法来定量分析大坝的变形观测资料；1977年，法那林等又提出了混凝土大坝变形的确定性模型和混合模型，将有限元理论计算值与实测数据有机地结合起来，以监控大坝的安全状况。近3O年来，统计模型、确定性模型及其混合模型在大坝安全资料分析中得到了广泛应用[6]。

我国对大坝安全监测的资料分析相对较晚，1974年后，陈久宇等人开始应用统计回归方法来分析安全监测资料，并提出了许多有价值的模型。20世纪8O年代中期，吴中如等从徐变理论出发，推导了坝体顶部时效位移的表达式，用周期函数模拟温

度、水压等周期荷载，并用非线性二乘法进行参数估计；同期还提出了裂缝开合度统计模型的建立和分析方法、坝顶水平位移的时间序列分析法以及连拱坝位移确定性模型的原理和方法，并在实际工程中得到了成功应用。另外，灰色理论、模糊数学、神经网络、小波分析等各种理论和方法被引入大坝安全监测资料分析中来，并取得了一系列成果。反分析是以大坝安全监测资料正分析的成果作为依据，通过相应的理论分析，反求大坝等水工建筑物和地基的材料力学参数以及某些结构特性

等。1969年由太沙基提出的观测设计法(Observation Design Method)是反分析思想的最早应用。由于位移信息较易获取，因此位移反分析法应用最为广泛。反分析数值法对于复杂的岩土工程具有普遍的适用性。

国内外对大坝和坝基参数的反演分析工作开展比较深入，尤其对混凝土坝的反分析研究己较为普遍，并取得了丰硕成果。国际上对土石坝的反分析研究相对较少，近年来，国内外较具代表性的是采用非线性弹性模型(邓肯模型)或双屈服面弹塑性模型(沈珠江模型)。进入20世纪90年代，运用随机系统理论和方法进行工程反演分析和建立不确定性模型的研究已经开始引起国内外学者的关注。

3.3.3 大坝安全监测的技术手段及发展方向

传统的大坝安全监测包括：变形、渗流、应力监测和安全检查等项目。其方法都是以人工监测为主，通过人工测量的方法来判定坝体的稳定程度，对监测人员的经验和操作水平要求很高，并且增加了产生粗差的概率，使得监测结果准确性不高。随着相关行业科学技术的不断发展以及大坝安全监测研究的不断深入，大坝监测的自动化技术得到了很快的发展。

(1)光纤传感技术

光导纤维是以不同折射率的石英玻璃包层及石英玻璃细芯组合而成的一种新型纤维。它使光线的传播以全反射的形式进行，能将光和图像曲折传递到所需要的任意空间。光纤传感技术是以激光作载波，光导纤维作传输路径来感应、传输各种信息。凡是电子仪器能测量的物理量，它几乎都能测量，如位移、压力、流量、液面、温度等。20世纪80年代中、后期，国外开始了将其应用于测量领域的理论研究，美国、德国、加拿大、奥地利、日本等国已将其应用于裂缝、应力、应变、振动等方面的观测。国内从1990年开始在应用理论研究上有了较快发展，针对大坝监测研究的几种光纤传感系统已获得专利权 。该技术适用于坝体的温度、裂缝、应力变、水平及垂直位移的测量，监测关键部位的坝体形变。尤其可以替代高雷区、强磁场区或潮湿地带的电子仪器。随着在工程应用中的不断改进，光纤传感技术在大坝监测以至其他土木工程中将得到更加广泛的应用。

(2)CT(Computerized Topography,计算机层析成像)技术

CT指在不破坏物体结构的前提下，根据在物体周边所获取的某种物理量(如波速、X 射线光强)的1D投影数据，运用一定的数学方法，通过计算机处理，重建物体特定层面上的2D图像以及依据一系列上述2D图像而构成3D图像的技术。最初应用于医学领域，随后意大利、日本先后将CT技术用于大坝性态诊断，有效地进行了大坝安全检查及工程处理效果验证。通过大坝CT技术的应用，可以掌握坝址地质构造，推测断层破碎带分布范围和程度等。CT技术在坝体的选址、施工和运营期间可以发挥重大作用，既减少了仪器设备的复杂性，又提高了大坝的安全程度。

(3)激光技术

近年来，激光技术作为一种简便、高效的测量方式成功地用于大坝坝体和廊道监测。它提高了探测的灵敏度范围，减少了作业条件，克服了一定的外界干扰。较为典型的如西安交通大学开发的新型激光大坝安全监测方法，该方

法是在大坝的坝肩基点设置一准直激光，射向大坝的各个坝段，在每一个坝段安装一套与坝段固定成一体的密封管道式可控检测系统。测量时，光斑偏离检测系统中的毛玻璃中心，说明坝段发生偏移。通过数学模型运算可测定大坝的变形量，对于较长的大坝，还可分段使用该系统，整个系统还能实现激光准直的自校验，保证大坝变形自动化监测高精度要求，并且在保证监测精度的前提下，解决了长距离监测，特别是800m以上大坝监测的技术难题。

(4)非连续形变分析(DDA)法

DDA法是由美籍华人科学家石耿华提出的。该法可以计算模型中具有多条断裂的情况，以重积分计算法从理论上解决了复杂模型受力后的形变计算。但因计算过于

繁琐，模型中断裂的设置又不能一次成功，计算方案需要不断修改，故很难在实际应用中推广。陈光齐研制的TDDA(Tool of DDA)，以数值计算方法，利用逐次迭代，不断调整模型，使计算结果与观测数据达到基本相符时迭代终止，解决了这个难题[7]。将TDDA法应用于大坝监测，对大坝安全性研究有很大的改进。将TDDA的数据分析编制为计算机软件，建立数据库与多媒体系统，对加强大坝安全评估专家系统的开发、研究，实现监测系统的一体化有着重大意义。

综上所述，大坝安全监测技术已由传统监测技术转向多学科相融合的自动化监测技术，自动化、数字化、专家评判结构一体化和效益化是大坝安全监测发展的必然方向。

4.结语

随着水利、水电事业的发展，大坝安全的新问题、新任务和新要求也随之而来，促使人们对大坝安全监测进行更深入的研究和探讨，同时也使大坝安全监测在内容上、思维方向上、分析方法上、技术上都有了新的发展。

(1)监测范围和内容上，由规定范围扩展到覆盖水库水电工程的设计、施工及运行的整个过程，监测内容涵盖工程各阶段的主要任务与问题。

(2)思维方向上，由重视宏观量的分析扩展到重视微观分析、重视大坝整体综合分析、重视风险分析与预案措施。

(3)分析方法上，国内外关于采用最小二乘法对大坝安全监测数据的误差处理进行了多方面研究和改进，提出了一些可靠的算法，逐步实现剔除粗差，消除或削弱系统误差；对大坝监测数据的正反分析内容的研究也进一步深入。

(4)技术方法上，由传统的变形、渗流、应力监测和安全检查等项目转为自动化监测。应用新的理论、新的方法，采用网络数据库技术，建立大坝安全监测信息网，实现自动化、数字化、专家评判结构一体化和效益化是大坝安全监测发展的必然方向。

参考文献：

[1] 方卫华．纵论大坝安全监测[J]．水利水文自动化，2001，(3)：9-12．

[2] 杨杰．大坝安全监控中若干不确定性问题的分析方法与应用研究[D]．南京：河海大学，2006．

[3] 杨杰，吴中如.大坝安全监控的国内外研究现状与发展[J]．西安理工大学学报，2002，(18)：26-28．

[4] 杨华舒,郭萍,杨志刚.用设计指标直接诊断水工混凝土结构老化[J]．大坝与安全，2002，(4)：3-7．

[5] 赵国藩，金伟良，贡金鑫．结构可靠度理论[M]．北京：中国建筑工业出版，2000．

[6] Bates Douas M，Watts Donald G．非线性回归分析及其应用[M]．韦博成译，北京：中国统计出版社，1997．

[7] 赵斌，吴中如，顾冲时等．神经网络在大坝安全评判专家系统中的应用[J]．大坝观测与土工测试，1998，22(2)：l6—19