摘 要：水電站大壩安全自動預(yù)警一直是從事安全監(jiān)測人員較為關(guān)注的問題，華能瀾滄江水電有限公司聯(lián)合國內(nèi)知名院校和勘測設(shè)計單位開發(fā)了一套工程安全評價與預(yù)警信息管理系統(tǒng)，通過內(nèi)置監(jiān)測模型和嵌入數(shù)值計算及反演分析，實現(xiàn)了大壩安全監(jiān)測數(shù)據(jù)分析、趨勢預(yù)測、數(shù)值計算及反演分析、安全監(jiān)控指標(biāo)預(yù)警等功能。結(jié)合該系統(tǒng)的實際用用情況，介紹該系統(tǒng)的組成、功能、特點及實際應(yīng)用效果。

關(guān)鍵詞：大壩安全指標(biāo)；預(yù)警；趨勢預(yù)測；嵌入式數(shù)值計算

前言

水電站大壩的安全歷來備受重視，某工程作為云南省內(nèi)最大的水電站，各項技術(shù)指標(biāo)超出國內(nèi)現(xiàn)行規(guī)范，為確保大壩安全，共布置有多種類型的觀測儀器，已實現(xiàn)自動化采集，但監(jiān)測數(shù)據(jù)信息量大，如何及時有效的發(fā)揮監(jiān)測數(shù)據(jù)的作用，減少監(jiān)測數(shù)據(jù)基礎(chǔ)處理和人工分析的工作量，在監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)生異常時能夠及時提醒和預(yù)警，是迫切需要加以解決的現(xiàn)實問題。為此，針對該工程的特點，開發(fā)符合實際需要的安全預(yù)警信息管理系統(tǒng)是必要的。

1 系統(tǒng)概述

該系統(tǒng)創(chuàng)新性地將監(jiān)測數(shù)據(jù)管理、嵌入式數(shù)值計算和反演分析、安全評價和預(yù)警預(yù)案等有機(jī)地集成于一體，利用網(wǎng)絡(luò)與信息化的手段，將科研、設(shè)計、管理、數(shù)據(jù)監(jiān)測與施工生產(chǎn)緊密結(jié)合。嵌入了數(shù)值計算模塊和反演分析模塊，包含大壩穩(wěn)定分析、靜動力結(jié)構(gòu)分析、滲流分析和裂縫等計算分析和反演分析功能。建立多層次、多級別、多來源和多目標(biāo)的安全指標(biāo)體系，開發(fā)了簡明實用且綜合完備的大壩安全預(yù)警及應(yīng)急預(yù)案模塊。

該系統(tǒng)主要由7個模塊構(gòu)成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示：系統(tǒng)管理模塊，是本系統(tǒng)的樞紐；監(jiān)測數(shù)據(jù)與工程信息管理模塊、數(shù)值計算模塊和反演分析模塊，是本系統(tǒng)的核心；安全預(yù)警模塊和應(yīng)急預(yù)案模塊，是本系統(tǒng)的目標(biāo)；巡視記錄與文檔管理模塊，是對系統(tǒng)基本信息的重要補(bǔ)充；數(shù)據(jù)庫與數(shù)據(jù)管理模塊，是本系統(tǒng)的資料基礎(chǔ)。

2 各模塊的功能及應(yīng)用

2.1 系統(tǒng)管理模塊

系統(tǒng)管理模塊主要實現(xiàn)本系統(tǒng)各使用單位、部門以及各單位、部門下用戶的規(guī)范化定義，通過對角色的權(quán)限進(jìn)行定義，對用戶賦予不同角色，實現(xiàn)用戶不同權(quán)限范圍的授權(quán)訪問，確保系統(tǒng)使用安全。

2.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)和工程信息模塊

該模塊可以對大壩的PBS結(jié)構(gòu)、大壩安全監(jiān)測規(guī)劃的監(jiān)測斷面、安全監(jiān)測所用的儀器類型以及監(jiān)測儀器的埋設(shè)路徑等基礎(chǔ)信息進(jìn)行定義，實現(xiàn)基礎(chǔ)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的維護(hù)功能，為安全監(jiān)測的綜合分析提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。同時，根據(jù)編入的數(shù)據(jù)分析模型，對大壩各類動態(tài)信息（環(huán)境量、效應(yīng)量及工程信息等）進(jìn)行查詢、統(tǒng)計分析、可視化展示及報表編制等。重點實現(xiàn)內(nèi)容包括：

（1）實現(xiàn)儀器埋設(shè)參數(shù)的統(tǒng)一維護(hù)、管理。（2）支持各類人工監(jiān)測數(shù)據(jù)的批量導(dǎo)入；制作高度復(fù)雜和格式多變的報表。（3）可制作年、季、月、旬、周、日報表，可以輸出單點測值、多點測值和相對取值，取值方式豐富。（4）監(jiān)測數(shù)據(jù)分析圖形的動態(tài)繪制：包括過程線圖、分布圖、相關(guān)圖、方塊圖、浸潤線圖等，各種圖形都可隨意定制，設(shè)置和生成簡便快捷，可供選用的外觀風(fēng)格豐富；圖形坐標(biāo)的范圍、比例可根據(jù)繪圖數(shù)據(jù)自動確定，還可依需要手動設(shè)定和更改。（5）實現(xiàn)基于三維可視化模型的監(jiān)測成果交互式查詢與分析；支持監(jiān)測成果的導(dǎo)出，包括圖片、CAD或Excel數(shù)據(jù)表格等。

該模塊內(nèi)嵌有多種監(jiān)測資料定量分析計算方法：如多元線性逐步回歸、全回歸、偏最小二乘回歸等；可建立監(jiān)測量的物理模型：包括統(tǒng)計模型、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，可建立變形監(jiān)測系統(tǒng)的分布模型；可分解監(jiān)測量物理模型中的各組成成分，分析分量間的對比關(guān)系，揭示監(jiān)測量的變化規(guī)律和原因；可根據(jù)監(jiān)測結(jié)果的預(yù)報模型和預(yù)計的環(huán)境量數(shù)據(jù)，預(yù)測監(jiān)測量的估計值；提供監(jiān)測數(shù)據(jù)合理性判斷與趨勢預(yù)測功能。

2.3 數(shù)值計算模塊

該模塊可對大壩性態(tài)進(jìn)行分析預(yù)測，是本系統(tǒng)的關(guān)鍵部分之一。系統(tǒng)平臺可對大壩在不同條件下的應(yīng)力、變形、水壓、滲流、裂縫、穩(wěn)定性和動力響應(yīng)等計算的輸入數(shù)據(jù)及計算結(jié)果進(jìn)行儲存、查詢、瀏覽、二三維可視化展示及報表等，并可操作嵌入計算。

提供針對靜力計算、滲流計算、穩(wěn)定計算、裂縫計算、動力計算等任務(wù)的管理；可進(jìn)行各種計算模型的導(dǎo)入和管理；提供計算參數(shù)的調(diào)整；系統(tǒng)指定計算結(jié)果的統(tǒng)一格式，并提供計算結(jié)果的導(dǎo)入功能；可進(jìn)行計算結(jié)果與監(jiān)測數(shù)據(jù)過程曲線的對比；可進(jìn)行數(shù)值計算結(jié)果查詢，主要包括：過程線、分布圖、相關(guān)圖、包絡(luò)圖等分析和查詢。

2.4 反演分析模塊

根據(jù)所要反演參數(shù)的類型及數(shù)量，確定所需要的信息；通過有限元計算生成訓(xùn)練樣本；訓(xùn)練和優(yōu)化用于替代有限元計算的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，并進(jìn)行壩料參數(shù)的反演計算。將反演參數(shù)、誤差以及必要的過程信息存入數(shù)據(jù)庫供其他單元調(diào)用。

2.5 安全預(yù)警與應(yīng)急預(yù)案模塊

提出高心墻堆石壩滲透穩(wěn)定、沉降、壩坡穩(wěn)定、應(yīng)力應(yīng)變、動力反應(yīng)等方面的控制標(biāo)準(zhǔn)，建立大壩的綜合安全指標(biāo)體系。根據(jù)動態(tài)監(jiān)測信息以及計算成果，進(jìn)行大壩安全分析，建立大壩安全評價模型；結(jié)合安全指標(biāo)體系，針對不同的異常狀態(tài)及其物理成因，對異常狀態(tài)進(jìn)行分級并建立預(yù)警機(jī)制。該模塊可進(jìn)行分級實時報警，并可給出預(yù)警狀態(tài)信息。根據(jù)安全預(yù)警與預(yù)案判別分析結(jié)果，對可能出現(xiàn)的安全問題，建立相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案與措施，確保工程安全、順利、高質(zhì)量實施，并可人工修改應(yīng)急方案。

本模塊包括安全預(yù)警項目、安全指標(biāo)體系、應(yīng)急預(yù)案管理和安全預(yù)警信息四個部分。安全預(yù)警項目包括三類，即整體項目、分項項目和定制項目。整體項目是指從壩前蓄水位、滲透穩(wěn)定、整體變形、壩坡穩(wěn)定等宏觀方面評價大壩安全的項目。此外，大壩裂縫在已見高土石壩中普遍存在，且是廣受關(guān)注的可能造成安全隱患的誘因，因而在本系統(tǒng)中也被列為一個整體安全預(yù)警項目。分項項目與典型監(jiān)測點對應(yīng)，包括水平位移、沉降、滲流量、孔壓、土壓和裂縫等幾個方面。對每個項目的管理均包括項目的添加、對應(yīng)監(jiān)測項目和測點的選取、判別基準(zhǔn)值和安全指標(biāo)的設(shè)定、應(yīng)急預(yù)案的建議等。

通過設(shè)定好的設(shè)計監(jiān)控指標(biāo)，系統(tǒng)自動發(fā)出報警信號，報警信號可以采用桌面提醒、郵件提醒和短信提醒。不同級別的預(yù)警響應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案不同，通過設(shè)定好的應(yīng)急方案與預(yù)警級別之間的關(guān)系，系統(tǒng)自動提出應(yīng)急方案以供運行人員執(zhí)行。

2.6 巡視記錄與文檔管理模塊

對大壩安全巡視過程中產(chǎn)生的視頻、圖片、文檔等資料進(jìn)行管理，并可進(jìn)行查詢操作。文檔管理主要是對大壩建設(shè)和運行過程中各環(huán)節(jié)相關(guān)的圖片、文檔等資料進(jìn)行管理，并可進(jìn)行添加和查詢操作。

2.7 數(shù)據(jù)庫管理模塊

主要用于數(shù)據(jù)的錄入、修改及查詢等操作，本模塊僅限于系統(tǒng)管理員用戶。包括系統(tǒng)基本數(shù)據(jù)和多個模塊共用的公用數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)分為兩類，一次數(shù)據(jù)（原始數(shù)據(jù)）為研究對象的基本信息；二次數(shù)據(jù)是經(jīng)系統(tǒng)分析等對一次數(shù)據(jù)處理得到，以便于各模塊的調(diào)用。

3 結(jié)束語

該系統(tǒng)的功能豐富，操作界面友好，特別是將監(jiān)測數(shù)據(jù)管理、嵌入式數(shù)值計算和反演分析、安全評價和預(yù)警預(yù)案等有機(jī)地集成于一體，可以實現(xiàn)與現(xiàn)場其他的生產(chǎn)過程管理系統(tǒng)的緊密集成，支持計算分析結(jié)果的發(fā)布及大壩性態(tài)的動態(tài)反演，實現(xiàn)計算、計劃、執(zhí)行、反演與優(yōu)化過程的閉環(huán)管理。納入了數(shù)值計算模塊和反演分析模塊，包含了大壩穩(wěn)定分析、靜動力結(jié)構(gòu)分析、滲流分析和裂縫等計算分析和反演分析功能，實現(xiàn)了大壩性態(tài)的安全分析及預(yù)警。從實際應(yīng)用來看，非常適合水電站運行管理人員及時、深入的掌握大壩的工作性態(tài)。

參考文獻(xiàn)

[1]張宗亮，等.工程安全評價與預(yù)警信息管理系統(tǒng)研究開發(fā)報告[Z].2003.

作者簡介：徐小坤（1978-），男，工程師，主要從事水工建筑物運行、安全監(jiān)測資料分析工作。