大坝安全监测资料整编与分析(王士军).ppt

大坝安全监测资料大坝安全监测资料整编与分析整编与分析南京水利科学研究院2010.10.22一 资料整编和分析的重要性1 目的：目的：•了解工程性态了解工程性态•指导领导决策－特别在汛期防洪形势紧急时指导领导决策－特别在汛期防洪形势紧急时•积累技术档案积累技术档案2 现状现状：：•绝大多数不能及时分析绝大多数不能及时分析---95%以上以上-以观测为目的以观测为目的•到安全鉴定或发现异常迹象时请有关单位分析到安全鉴定或发现异常迹象时请有关单位分析•能够按年整编但不能分析能够按年整编但不能分析•能够实时分析能够实时分析---极少极少3 发展发展：：•风险理念对大坝安全提出了更高的要求风险理念对大坝安全提出了更高的要求---资料分析成为决策前提资料分析成为决策前提•预测预警预报技术的基础预测预警预报技术的基础 监测资料整编与分析主要内容监测资料整编与分析主要内容l监测资料整编监测资料整编l变形分析变形分析l渗流分析渗流分析l大坝安全分析评价系统大坝安全分析评价系统1 监测资料整编1)整编目的：整编目的：–规程的要求规程的要求–管理的需要－了解工程运行性态管理的需要－了解工程运行性态–技术档案技术档案–上级单位要求上级单位要求 2) 整编内容整编内容–数据计算数据计算–数据审查数据审查–填制报表填制报表 –绘制图形绘制图形–整编资料刊印整编资料刊印数据计算 数据计算是根据测点的考证资料，将原始测量数据转换为工程物理量。

数据计算方法与监测项目、测量方式、测量仪器紧密相关，其复杂程度各不相同如：人工观测测压管水位： ；而用弦式传感器测量测压管水位： 不同的测量仪器有不同的计算方法，这些方法一般由仪器供应商提供h=h0-h1h=h0+c*(f02-f12)数据审查数据审查常用方法有：1）建立测点的统计模型，用统计模型的理论值与实测值进行比较，如差值超过3倍剩余标准差，则认为该数据为异常数据2）由于监测数据是连续的、渐变的，所以也可以设置突变警戒值，当监测数据与前一监测数据的差超过突变警戒值，应视该监测数据为异常数据填制报表、绘制图形 根据《土石坝安全监测资料整编规程》（SL169-96）要求，对监测资料要定期整编刊印整编的一个重要内容是填制报表和绘制图形 对于每一监测项目，有两类报表需填制：考证表、记录表、统计表 图形包括工程物理量在时间和空间上的分布特征图，以及有关因素的相关关系图，如：渗压力水位过程线、渗压力水位与上游水位相关线、浸润线、竖向位移等值线等2 监测资料分析2.0 监测资料分析的一般原则和过程监测资料分析的一般原则和过程(1).原则：原则：1. 建立在可靠的数据之上建立在可靠的数据之上2．分析方法宜简单、实用．分析方法宜简单、实用3．和工程性态相联系－反映了什么工程问题．和工程性态相联系－反映了什么工程问题4. 从点出发，由点到面，综合分析从点出发，由点到面，综合分析2 监测资料分析(2) 过程过程 1．．搞清楚测点空间位置，包括（搞清楚测点空间位置，包括（x,y,zx,y,z）－才有可能和工）－才有可能和工 程性态相联系程性态相联系 2 2．画出测点过程线，分析测点资料数据的变化特点．画出测点过程线，分析测点资料数据的变化特点 3. 3. 分析测点数据（监测量）与其他因素（上下游水位、温分析测点数据（监测量）与其他因素（上下游水位、温度、时间、降雨量）的关系－相关分析度、时间、降雨量）的关系－相关分析 4 4．做出测点的统计模型－定量了解监测量和各因素的关系．做出测点的统计模型－定量了解监测量和各因素的关系－预测预报－预测预报 5 5．构造一个能够反映工程性态的物理量（函数），分析物．构造一个能够反映工程性态的物理量（函数），分析物理量的变化规律理量的变化规律 6. 6. 根据破坏标准，分析该物理量的性态根据破坏标准，分析该物理量的性态 7 7．综合分析－点综合成面．综合分析－点综合成面 －变形、渗流分析结果的综合－判断工程性态－变形、渗流分析结果的综合－判断工程性态2 监测资料分析l表面变形：表面沉降，横向、纵向水平位移表面变形：表面沉降，横向、纵向水平位移l内部变形：深层沉降，横向、纵向水平位移内部变形：深层沉降，横向、纵向水平位移l裂缝：表层、深层裂缝：表层、深层l周边缝：包括面板顶部水平缝周边缝：包括面板顶部水平缝 （（1）） 变形分析变形分析1 1 ）土石坝主要变形观测项目：）土石坝主要变形观测项目：1.1 ） 分析目的l变形是否正常－沉降率变形是否正常－沉降率l变形是否稳定－沉降率变形是否稳定－沉降率/月月l防渗体是否可能裂缝（贯穿性横向裂缝）防渗体是否可能裂缝（贯穿性横向裂缝）l坝体是否会发生纵向裂缝坝体是否会发生纵向裂缝l裂缝可能延伸多深？裂缝可能延伸多深？l周边缝是否可能破坏，成为渗漏通道等周边缝是否可能破坏，成为渗漏通道等1.2 ）竖向位移分析1）统计模型）统计模型l单因子模型－仅考虑时间因子单因子模型－仅考虑时间因子l多因子模型－上游库水位、水位升降速度、时间多因子模型－上游库水位、水位升降速度、时间竖向位移单因子统计模型常用双曲线型、指数型和对数型常用双曲线型、指数型和对数型 优点：简单、拟合效果好优点：简单、拟合效果好 缺点；难以适应缺点；难以适应““台阶式台阶式””沉降沉降 使用最小二乘法建立统计模型，并相关系数和剩余标准差选择最优模型。

用途1)漏测沉降量的推测－分析大坝裂缝的关漏测沉降量的推测－分析大坝裂缝的关键一步键一步2)总沉降率的推算－总沉降量总沉降率的推算－总沉降量3)预测预报预测预报漏测沉降量估算的注意点1)几乎所有的土石坝都有漏测几乎所有的土石坝都有漏测2)估算的漏测沉降量都是偏小估算的漏测沉降量都是偏小3)各排测点的漏测时间是不同的各排测点的漏测时间是不同的4)漏测时间过长时不能用该方法，用漏测时间过长时不能用该方法，用分层总和分层总和法或其它方法计算漏测沉降法或其它方法计算漏测沉降漏测沉降量估算•如果所建的模型回归效果比较好，可用该模型来如果所建的模型回归效果比较好，可用该模型来计算漏测竖向位移量计算漏测竖向位移量• 设漏测时间为设漏测时间为t t0 0，，漏测沉降量为漏测沉降量为S S0 0，则，则S S0 0=S(t=S(t0 0) )• 它与实测竖向位移量的和就是总竖向位移量它与实测竖向位移量的和就是总竖向位移量 1.3 沉降分析 沉降分析主要包括沉降率计算、沉降速率计算，并根据沉降率沉降分析主要包括沉降率计算、沉降速率计算，并根据沉降率判断是否存在裂缝判断是否存在裂缝 沉降率为总沉降与坝体土层厚度的比值沉降率为总沉降与坝体土层厚度的比值 沉降率可用于判断大坝是否可能裂缝：沉降率可用于判断大坝是否可能裂缝：（（1 1）最大沉降率超过）最大沉降率超过3%3%，产生裂缝的可能性极大，产生裂缝的可能性极大（（2 2）沉降率在）沉降率在1--3%1--3%之间，坝体可能产生裂缝，应具体分析；之间，坝体可能产生裂缝，应具体分析；（（3 3）沉降率少于）沉降率少于1%1%，坝体产生裂缝可能性极小。

坝体产生裂缝可能性极小沉降速率是单位时间中发生沉降量判断沉降是否基本稳定标准值可根据各坝沉降的具体情况来设定 沉降分析1.4） 裂缝分析 裂缝分析通过计算纵向或横向倾度、拉应变判断坝体是否存在横向或纵向不均匀沉降裂缝， 倾度计算公式和纵向水平拉应变计算公式如下：AB为相连两测点倾度；SA、SB为测点的沉降量；l为两测点之间的距离为纵向水平拉应变；c为河谷地形系数，一般取c=0.3～0.5；S1、S2、S3分别为按顺序排列的三点的总沉降量；Hmax为最大坝高； l 为测点间距（（1）横向裂缝分析）横向裂缝分析横向裂缝分析时应该注意：横向裂缝分析时应该注意：l裂缝是变形累积的结果，必须考虑总变形裂缝是变形累积的结果，必须考虑总变形l几乎所有的土石坝变形观测结果都不是总变形，都几乎所有的土石坝变形观测结果都不是总变形，都有漏测有漏测l分析的起点要一样分析的起点要一样（2）纵向裂缝分析l用以分析纵向裂缝的观测点处于不同的高程上，填用以分析纵向裂缝的观测点处于不同的高程上，填筑到不同高程的时间不同，即开始累积变形的时间筑到不同高程的时间不同，即开始累积变形的时间不同不同l各测点也存在漏测沉降，必须找回来各测点也存在漏测沉降，必须找回来l不同高程间两点的变形必须转换到同一高程才能计不同高程间两点的变形必须转换到同一高程才能计算算l假定坝体可压缩性均匀，不同高程的沉降量和该高假定坝体可压缩性均匀，不同高程的沉降量和该高程以下可压缩层厚度有关程以下可压缩层厚度有关: Sa/Sb=Ha/Hb裂缝分析 如纵向倾度超过临界倾度，则可能存在剪切裂缝，技术人员进行剪切裂缝核查。

如张拉应变超过极限拉应变, 可能存在横向张拉裂缝，技术人员进行横向张拉裂缝核查临界倾度和极限拉应变值根据坝体材料的土梁挠曲试验获得，如无抗拉参数，则可根据坝体实际发生裂缝的资料反推破坏参数，或以临界倾度为1%，极限拉应变t为1‰来做粗略判别横向水平位移统计模型 横向水平位移分析的常用多因子统计模型为： 通过逐步回归，进行因子筛选，可以得到最优模型根据该模型复相关系数和剩余标准差，就可对回归效果给出定性结论，同时根据因子的显著程度，确定主要影响因子，判断发展趋势Sh=a0+a1x1+a2x2+a3x3+a4x4+a5x5+a6x6+a7x7Sh为横向水平位移量； x1为当日上游水位；x2为前1至10日上游水位平均值； x3为前11至30日上游水位平均值；x4为前31至60日上游水位平均值； x5为前2日至当日的上游水位升降速率；x6为（当日-开始蓄水日期）/365； x7为lnx5（2） 渗流分析l实测浸润线是否超过设计浸润线；实测浸润线是否超过设计浸润线；l下游坡是否出逸；下游坡是否出逸；l防渗措施是否达到设计目的；防渗措施是否达到设计目的；l渗流压力与渗流量随时间变化趋势；渗流压力与渗流量随时间变化趋势；l坝体坝基抗渗能力是否超过允许值。

坝体坝基抗渗能力是否超过允许值■目的（2） 渗流分析l渗流压力渗流压力 滞后时间推算滞后时间推算 相关分析相关分析 统计模型统计模型 位势分析位势分析 浸润线分析浸润线分析 l渗流量渗流量 温度校正温度校正 滞后时间推算滞后时间推算 相关分析相关分析 统计模型统计模型 化引流量分析化引流量分析测压管和渗压计比较测压管和渗压计比较1)测压管测压管l优点－观测精度高、埋设简单、费用少优点－观测精度高、埋设简单、费用少l缺点－滞后时间长、易被破坏、不能自动化监测缺点－滞后时间长、易被破坏、不能自动化监测2)渗压计渗压计l优点－滞后时间短、不易被破坏、能自动化监测优点－滞后时间短、不易被破坏、能自动化监测l缺点－观测精度相对低、埋设技术较复杂、系统费用高缺点－观测精度相对低、埋设技术较复杂、系统费用高3) 适用范围适用范围：： 渗透性大、低坝－测压管渗透性大、低坝－测压管 渗透性小、坝较高、测压管不能用的位置、需要自动化－渗压计渗透性小、坝较高、测压管不能用的位置、需要自动化－渗压计4) 新建坝和已建坝的渗流监测仪器选择新建坝和已建坝的渗流监测仪器选择渗流压力滞后时间推算渗流压力滞后时间推算 渗流压力水位开始变化要比上游水位开始变化来得晚，渗流压力水位开始变化要比上游水位开始变化来得晚，这一时差称为渗流压力的滞后时间，主要由渗流压力的传这一时差称为渗流压力的滞后时间，主要由渗流压力的传递时间和测量仪器反应时间构成。

递时间和测量仪器反应时间构成 计算其滞后时间可采用下面回归模型：计算其滞后时间可采用下面回归模型： 对对于于某某时时间间段段的的渗渗流流压压力力水水位位，，设设定定不不同同的的t t0 0，，可可以以得得到到不不同同的的相相关关系系数数我我们们假假定定相相关关系系数数最最大大时时的的t t0 0即即是是滞滞后时间H(t)=aH1(t-t0)+b渗流压力相关分析 相关分析目的在于确定渗流压力水位的主要影响因子相关分析计算渗流压力水位与上游水位、下游水位、降水量和日均气温的相关系数，根据各个相关系数，可得出主要影响因子和次要因子，也是工程技术人员判断测量仪器的好坏，监测资料是否可靠，测点处的渗流状况的一个依据例如：如果测压管水位的主要影响因子为降水量，则该测压管可能漏水，在分析时，其监测资料不宜采用渗流压力统计模型 渗流压力水位的多因子统计模型很多，这里主要考虑上游水位、降水量、时间等因子统计模型为：h=a0+a1x1+a2x2+a3x3+a4x4+a5x5+a6x6+a7x7+a8x8+a9x9+a10x10h为渗流压力水位； x1为当日上游水位；x2为前1至10日上游水位平均值； x3为前11至30日上游水位平均值；x4为前31至60日上游水位平均值； x5为当日降水量；x6为前1日降水量； x7为前2日降水量；x8为前3日降水量； x9为（当日-开始蓄水日期）/365；x10为lnx9。

渗流压力统计模型 通过逐步回归，进行因子筛选，可以得到最优模型根据该模型复相关系数和剩余标准差，就可对回归效果给出定性结论，确定该测点监测资料的规律性、合理性以及在资料分析中的可信度同时根据因子的显著程度，确定主要影响因子，这可与滞后时间推算、相关分析相互验证如果模型的回归效果比较好，可用该模型对该测点的未来渗流状况进行预测渗流压力位势分析位势的计算公式为：位势的变化可以判断大坝流场介质是否发生变化 不随时间变化，说明流场介质没有发生变化，渗流性态没有恶化 随时间减小，渗流性态向好的方向转变 随时间增加，渗流性态向坏的方向转变 浸润线分析 浸润线分析有两种方法：• 根根据据渗渗流流压压力力水水位位，，画画出出实实际际上上游游水水位位下下的的浸浸润润线线，，和和设设计浸润线进行比较计浸润线进行比较n如果实测浸润线低于设计浸润线，则在当前状态下大坝是安全的；如果实测浸润线低于设计浸润线，则在当前状态下大坝是安全的；n如如果果实实测测浸浸润润线线高高于于设设计计浸浸润润线线，，则则在在当当前前状状态态下下对对大大坝坝稳稳定定不不利利可予以报警，可予以报警，n进一步复核大坝稳定。

进一步复核大坝稳定• 计算相应水位下的浸润线，和该水位下的浸润线比较计算相应水位下的浸润线，和该水位下的浸润线比较渗流量温度校正 由于水的粘滞性随水温变化而变化，温度因素可造成渗流量相当大的变化为了在分析中消除这一影响，在分析之前，应首先把不同温度的渗流量换算成某一标准温度下的渗流量换算公式： QT、Qt分别为标准水温渗流量和实测水温渗流量； vT、vt分别为标准水温和实测水温时水的运动粘滞系数渗流量温度校正当取T=10℃为标准温度时，式（11）可近似写成： Q10为水温为10℃的渗流量，Qt为实测渗流量，t为实测温度 实际上，多数水库没有量水堰温度观测，可把全年的日平均气温看作一条正弦曲线，进行温度模拟，以一月平均气温和七月平均气温作为最小值、最大值Q10=Qt/（0.67+0.033t）渗流量滞后时间分析渗流量滞后时间分析与渗流压力滞后时间分析类似渗流量相关分析渗流量相关分析与渗流压力相关分析类似渗流量统计模型 渗流量统计模型主要考虑上游水深、下游水位、降水量、时间等因子统计模型为：Q为渗流压力水位； x1为当日上游水深；x2为前1至10日上游水深平均值； x3前11至30日上游水深平均值；x4为前31至60日上游水深平均值； x5为当日下游水位；x6为当日降水量； x7为前1日降水量；x8为前2日降水量； x9为前3日降水量；x10为（当日-开始蓄水日期）/365； x11为lnx10。

Q=a0+a1x1+a2x2+a3x3+a4x4+a5x5+a6x6+a7x7+a8x8+a9x9+a10x10+a11x11渗流量统计模型 通过逐步回归，进行因子筛选，可以得到最优模型根据该模型复相关系数和剩余标准差，就可对回归效果给出定性结论，确定渗流量资料的规律性、合理性以及在资料分析中的可信度同时根据因子的显著程度，确定主要影响因子，这可与滞后时间推算、相关分析相互验证 如果模型的回归效果比较好，可用该模型对未来渗流状况进行预测化引流量分析化引流量的计算公式为： 常用于以承压渗流为主的坝基渗透稳定性 化引流量随时间的过程线：化引流量随时间的过程线： 逐年下降－坝基的渗流条件因天然淤积而改善逐年下降－坝基的渗流条件因天然淤积而改善 不变－坝基的渗流条件基本不变不变－坝基的渗流条件基本不变 逐年上升－反映坝基产生了渗透变形逐年上升－反映坝基产生了渗透变形大坝安全监测资料整编分析系统监测设施考证监测设施考证监测信息输入与存储监测信息输入与存储监测信息及时检查识别监测信息及时检查识别监测信息计算监测信息计算监测信息备份监测信息备份监测信息整编监测信息整编测信息存档。

测信息存档大坝安全监测资料整编分析系统■监测信息分析•时间时间•空间（平面、剖面、三维空间（平面、剖面、三维)•关联分析关联分析•特征值分析（异常值、预警值）特征值分析（异常值、预警值）■分析方法■分析原则l监测设施考证监测设施考证l数据可靠数据可靠l不同监测项目综合分析不同监测项目综合分析l结合工程特性及现场检查综合分析结合工程特性及现场检查综合分析谢谢！2010.10.22。