一种大坝监控报警系统和方法

摘要

本发明公开了一种大坝监控报警系统和方法，包括：监控阈值确定装置和监控报警装置。所述监控阈值确定装置，便于实现动态监控，数据获取，阈值确定。所述监控阈值报警装置用于大坝安全状态区间确定、监测变形值获取和报警；本发明的优点是：根据阈值确定大坝所处状态，在大坝变形超出允许阈值时，产生相应报警信号。与一般监控阈值相比，科学性更高，实用性更强，能够体现实时动态变化特性，降低漏报率和误报率。

权利要求

1.一种大坝监控报警系统，其特征在于，包括：监控阈值确定装置和监控报警装置；

所述监控阈值确定装置，便于实现动态监控；该装置包括：数据获取模块、一级阈值确定模块、二级阈值确定模块和三级阈值确定模块；

数据获取模块，用于获取变形历史数据和预设时间内的环境、结构、施工、运行、材料参数变量值；

一级阈值确定模块，用于根据预设时间内的历史变形和仿真计算变形偏差确定一级监控阈值；一级监控阈值通过以下方式获得：获取预设时间内的大坝变形监测历史数据，基于环境、结构、施工、运行、材料参数变量值采用仿真反馈得到计算值，根据计算值与监测值偏差确定一级监控阈值；

三级阈值确定模块，采用结构计算方法，根据水头超载时大坝开裂至防渗帷幕和降低上游水位时大坝下游面出现开裂确定三级监控阈值；

二级阈值确定模块，用于根据一级和三级阈值采用平均插值方法确定二级监控阈值；

所述监控阈值报警装置包括：大坝安全状态区间确定模块、监测变形值获取模块和报警模块；

大坝安全状态区间确定模块，用于从监控阈值确定装置中获取状态区间；

监测变形值获取模块，用于获取大坝实时变形监测数据；

报警模块，用于将上述变形监测数据与大坝安全状态区间进行比较，当处于轻度异常、异常和险情状态区间时，产生对应的报警信号。

2.根据权利要求1所述的一种大坝监控报警系统的监控阈值确定方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)获取大坝变形监测历史数据δdtm和预设时间内的环境、结构、施工、运行、材料参数变量值；

(2)根据预设时间内的环境、结构、施工、运行、材料参数变量值，采用仿真反馈方法，计算得到大坝变形计算数据δdtc；

(3)基于预设时间内监测数据和计算数据，得到变形偏差平方和与标准差Δa，确定允许偏差δI：

δI＝2Δa～3Δa

(4)拟定未来时段内大坝运行环境、结构、施工、运行、材料参数变量值，动态计算得到大坝变形预测值δdtp；

(5)基于变形预测值和允许偏差，确定大坝安全一级监控阈值上下限：Δ±I＝δdtp±δI

在该上下限范围内，大坝为安全状态；

(6)根据大坝上下游面破坏状态确定三级监控阈值上下限，其中上限确定方法为：大坝运行水位下进行水头超载，直至坝踵开裂至防渗帷幕，此时大坝变形与运行水位下变形差值δ+III与大坝变形预测值之和为三级监控阈值上限：Δ+III＝δdtp+δ+III下限确定方法为：自死水位开始逐步降低水位，直至下游坝趾应力达到允许抗拉强度，此时大坝变形与死水位变形差值δ‑III与大坝变形预测值之差为三级监控阈值下限：Δ‑III＝δdtp‑δ‑III(7)大坝二级阈值上下限基于一级阈值和三级阈值确定，即：Δ±II＝(Δ±I+Δ±III)/2(8)在大坝变形δdtr处于一级和二级阈值之间时，大坝处于轻度异常状态；大坝变形δdtr处于二级和三级阈值之间时，大坝处于异常状态；大坝变形处于三级阈值之外时，大坝处于险情状态；

(9)根据所述三级阈值确定大坝所处状态，在大坝变形超出允许阈值时，产生报警信号。

说明书

一种大坝监控报警系统和方法

技术领域

[0001] 本发明涉及大坝安全技术领域，特别涉及一种大坝监控报警系统和大坝监控阈值确定方法以及大坝监控阈值报警方法。

背景技术

[0002] 传统上拱坝安全采用定期检查的方法进行评价，根据综合评定对大坝进行分级。如《水电站大坝运行安全评价导则》将大坝分为正常坝(A或A‑级)、病坝(B级)、险坝(C级)三
等四级，针对拱坝，主要依据拱座稳定安全系数、坝体压应力、坝体拉应力以及变形、渗流、
裂缝等要素进行分等，每个要素分为a、a‑、b和c四级。坝体变形四级分别对应：a坝体混凝土
总体处于弹性工作状态，变形整体协调，坝体、拱座岩体时效位移速率无增大趋势，即使继
续发展也不会影响整体结构安全；a‑时效位移速率虽无明显增大趋势，但继续发展将影响
整体结构安全；b时效位移呈明显增大趋势，继续发展将影响整体结构安全，但目前尚无明
显失稳迹象；c时效位移速率呈明显增大趋势，已影响整体结构安全，且存在明显失稳迹象。
《水库大坝安全评价导则》将大坝分为三类坝，一类为能按设计标准正常运行的大坝，二类
为在一定控制运用条件下才能安全运行的大坝，三类为不能按设计正常运行的大坝。确定
依据包括防洪能力、渗流安全、结构安全、抗震安全、金属结构安全等，但没有给出具体变形
划分标准。上述方法适用于全面定期安全检查，但没有给出明确的变形量值确定方法，难以
用于动态实时监控报警。

[0003] 拱坝日常监控预警中一般采用设计值或统计方法确定监控阈值，其中设计值为静态值，难以适应实际变形情况，统计值内插合适，在超出已发生情况时精度差，难以适用。已
有文章中采用结构分析确定大坝安全分级和监控阈值的方法，是将大坝分为弹性、弹塑性
和失稳状态等，但后两种定义存在不明确或变形过大的问题，难以在实际工程日常监控中
应用。

[0004] 现有技术一

[0005] 设计比拟法，以大坝设计计算变形值做为安全监控标准，为确定性方法

[0006] 现有技术一的缺点

[0007] 仅适用于特点设计工况，如正常蓄水位、死水位等，难以适应持续变化的实际情况，且仅有一级阈值

[0008] 现有技术二

[0009] 统计方法，即根据实测变形确定变形监测量与水压、温度和时效关系，建立数学模型，根据可信区间确定阈值和分级，该方法可以根据不同的可信区间确定不同分级

[0010] 现有技术二的缺点

[0011] 在变形监测资料较少时准确性不高，同时该方法物理意义不强，在出现超标洪水等特殊情况时无法准确监控。

[0012] 现有技术三

[0013] 结构计算方法，根据大坝所处的弹性、弹塑性和极限承载等不同状态，确定大坝分级和监控阈值。混凝土坝4级安全变形预计指标：I级为安全变形预计指标，坝体任一点应力
未超过材料设计强度，坝踵区拉应力小于设计允许值，坝体处于弹性工作阶段；II级为较安
全变形预计指标，坝体局部应力达到材料弹性比例极限，坝踵区拉应力接近极限拉应力，局
部处于塑性工作状态，处于准弹性工作阶段；III级为较不安全变形预计指标，坝体出现较
大塑性区域，可能裂缝区较为扩展，下游区压应力增加，坝体部分区域出现压剪屈服或压碎
屈服，结构进入屈服状态，变形有显著增加，坝体处于弹塑性工作阶段；Iv级为不安全变形
预计指标，大坝变形急剧增加，裂缝大范围扩展，屈服区及压碎区急剧增大，大坝呈大变形
状态，当荷载再增加达到破坏极限时，结构完全失效破坏。

[0014] 现有技术三的缺点

[0015] 该分级方法根据结构分析确定，有明确的物理意义，但变形监控指标与实际监测变形量值无关，仅由结构计算确定，难以反映大坝真实工作性态；I级、二级指标根据应力确
定，这在有限元分析中很难实现，因应力与网格尺寸、应力集中有关，实际计算中很难实现；
III级和IV级定义中大坝出现较大塑性区域，同时裂缝区较为扩展，大坝变形急剧增加，这
种情况在现实动态监控中是不允许发生的，做为日常的动态监控指标意义不大。

发明内容

[0016] 本发明针对现有技术的缺陷，提供了一种大坝监控报警系统和方法，解决了现有技术中存在的缺陷。

[0017] 为了实现以上发明目的，本发明采取的技术方案如下：

[0018] 一种大坝监控报警系统，包括：监控阈值确定装置和监控报警装置；

[0019] 所述监控阈值确定装置，便于实现动态监控。该装置包括：数据获取模块、一级阈值确定模块、二级阈值确定模块和三级阈值确定模块；

[0020] 数据获取模块，用于获取变形历史数据和预设时间内的环境、结构、施工、运行、材料参数变量值；

[0021] 一级阈值确定模块，用于根据预设时间内的历史变形和仿真计算变形偏差确定一级监控阈值；

[0022] 三级阈值确定模块，用于根据水头超载时大坝开裂至防渗帷幕和降低上游水位时大坝下游面出现开裂确定三级监控阈值；

[0023] 二级阈值确定模块，用于根据一级和三级阈值确定二级监控阈值。

[0024] 所述监控阈值报警装置包括：大坝安全状态区间确定模块、监测变形值获取模块和报警模块；

[0025] 大坝安全状态区间确定模块，用于从监控阈值确定装置中获取状态区间；

[0026] 监测变形值获取模块，用于获取大坝实时变形监测数据；

[0027] 报警模块，用于将上述变形监测数据与大坝安全状态区间进行比较，当处于轻度异常、异常和险情状态区间时，产生对应的报警信号。

[0028] 本发明还公开了一种大坝监控阈值确定方法，包括以下步骤：

[0029] (1)获取大坝变形监测历史数据δdtm和预设时间内的环境、结构、施工、运行、材料参数变量值；

[0030] (2)根据预设时间内的环境、结构、施工、运行、材料参数变量值，采用仿真反馈方法，计算得到大坝变形计算数据δdtc；

[0031] (3)基于预设时间内监测数据和计算数据，得到变形偏差平方和与标准差Δa，确定允许偏差δI：

[0032] δI＝2～3Δa

[0033] (4)拟定未来时段内大坝运行环境、结构、施工、运行、材料参数变量值，动态计算得到大坝变形预测值δdtp；

[0034] (5)基于变形预测值和允许偏差，确定大坝安全一级监控阈值上下限：

[0035] Δ±I＝δdtp±δI

[0036] 在该上下限范围内，大坝为安全状态；

[0037] (6)根据大坝上下游面破坏状态确定三级监控阈值上下限，其中上限确定方法为：大坝运行水位下进行水头超载，直至坝踵开裂至防渗帷幕，此时大坝变形与运行水位下变
形差值δ+III与大坝变形预测值之和为三级监控阈值上限：

[0038] Δ+III＝δdtp+δ+III

[0039] 下限确定方法为：自死水位开始逐步降低水位，直至下游坝趾应力达到允许抗拉强度，此时大坝变形与死水位变形差值δ‑III与大坝变形预测值之差为三级监控阈值下限：

[0040] Δ‑III＝δdtp‑δ‑III

[0041] (7)大坝二级阈值上下限基于一级阈值和三级阈值确定，即：

[0042] Δ±II＝(Δ±I+Δ±III)/2

[0043] (8)在大坝变形δdtr处于一级和二级阈值之间时，大坝处于轻度异常状态；大坝变形δdtr处于二级和三级阈值之间时，大坝处于异常状态；大坝变形处于三级阈值之外时，大
坝处于险情状态。

[0044] (9)根据所述三级阈值确定大坝所处状态，在大坝变形超出允许阈值时，产生报警信号。

[0045] 进一步地，监控阈值通过以下方式获得：获取预设时间内的大坝变形监测历史数据，基于环境、结构、施工、运行、材料参数变量值采用仿真反馈得到计算值，根据计算值与
监测值偏差确定一级监控阈值；

[0046] 采用结构计算方法，根据水头超载时大坝开裂至防渗帷幕和降低上游水位时大坝下游面出现开裂确定三级监控阈值；

[0047] 根据一级和三级阈值采用平均插值方法确定二级监控阈值。

[0048] 在大坝变形δdtr处于一级和二级阈值之间时，大坝处于轻度异常状态；大坝变形δdtr处于二级和三级阈值之间时，大坝处于异常状态；大坝变形处于三级阈值之外时，大坝
处于险情状态。

[0049] 本发明还公开了一种大坝监控阈值报警方法，包括以下步骤：

[0050] (1)获取大坝安全监控阈值和安全状态区间，所述安全监控阈值由上述方法确定；

[0051] (2)获取大坝实时监测变形；

[0052] (3)将所述大坝实时监测变形与大坝安全监控阈值比较，当所述变形处于一级监控阈值以外时，根据所处安全状态区间，产生不同状态对应的报警信号。

[0053] 与现有技术相比，本发明的优点在于：

[0054] 根据三级阈值确定大坝所处状态，在大坝变形超出允许阈值时，产生相应报警信号。与一般监控阈值相比，科学性更高，实用性更强，能够体现实时动态变化特性，降低漏报
率和误报率。

附图说明

[0055] 图1是本发明实施例监控阈值确定装置图；

[0056] 图2是本发明实施例监控报警装置图；

[0057] 图3是本发明实施例监控阈值确定方法流程图；

[0058] 图4是本发明实施例监控报警方法流程图；

[0059] 图5是本发明实施例大坝结构图；

[0060] 图6是本发明实施例坝址区环境温度图；

[0061] 图7是本发明实施例运行水位变化图；

[0062] 图8是本发明实施例大坝历史变形监测数据示意图；

[0063] 图9是本发明实施例大坝数值仿真模型示意图；

[0064] 图10是本发明实施例大坝变形计算值示意图；

[0065] 图11是本发明实施例防渗帷幕位置示意图；

[0066] 图12是本发明实施例应力大点位置示意图；

[0067] 图13是本发明实施例关键测点三级变形阈值示意图；

[0068] 图14是本发明实施例大坝四种安全状态示意图。

具体实施方式

[0069] 为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下根据附图并列举实施例，对本发明做进一步详细说明。

[0070] 一种大坝监控报警系统，包括：监控阈值确定装置和监控报警装置；

[0071] 如图1所示，所述监控阈值确定装置，便于实现动态监控。该装置包括：数据获取模块、一级阈值确定模块、二级阈值确定模块和三级阈值确定模块；

[0072] 数据获取模块，用于获取变形历史数据和预设时间内的环境、结构、施工、运行、材料参数变量值；

[0073] 一级阈值确定模块，用于根据预设时间内的历史变形和仿真计算变形偏差确定一级监控阈值；

[0074] 三级阈值确定模块，用于根据水头超载时大坝开裂至防渗帷幕和降低上游水位时大坝下游面出现开裂确定三级监控阈值；

[0075] 二级阈值确定模块，用于根据一级和三级阈值确定二级监控阈值。

[0076] 如图2所示，所述监控阈值报警装置包括：大坝安全状态区间确定模块、监测变形值获取模块和报警模块；

[0077] 大坝安全状态区间确定模块，用于从监控阈值确定装置中获取状态区间；

[0078] 监测变形值获取模块，用于获取实时变形监测数据；

[0079] 报警模块，用于将上述变形监测数据与大坝安全状态区间进行比较，当处于轻度异常、异常和险情状态区间时，产生对应的报警信号。

[0080] 如图3所示，一种大坝监控阈值确定方法，包括以下步骤：

[0081] (1)获取大坝变形监测历史数据δdtm和预设时间内的环境、结构、施工、运行、材料参数变量值；

[0082] (2)根据预设时间内的环境、结构、施工、运行、材料参数变量值，采用仿真反馈方法，计算得到大坝变形计算数据δdtc；

[0083] (3)基于预设时间内监测数据和计算数据，得到变形偏差平方和与标准差Δa，确定允许偏差：

[0084] δI＝2～3Δa

[0085] (4)拟定未来时段内大坝运行环境、结构、施工、运行、材料参数变量值，动态计算得到大坝变形预测值δdtp；

[0086] (5)基于变形预测值和允许偏差，确定大坝安全一级监控阈值上下限：

[0087] Δ±I＝δdtp±δI

[0088] 在该上下限范围内，大坝为安全状态；

[0089] (6)根据大坝上下游面破坏状态确定三级监控阈值上下限，其中上限确定方法为：大坝运行水位下进行水头超载，直至坝踵开裂至防渗帷幕，此时大坝变形与运行水位下变
形差值δ+III与大坝变形预测值之和为三级监控阈值上限：

[0090] Δ+III＝δdtp+δ+III

[0091] 下限确定方法为：自死水位开始逐步降低水位，直至下游坝趾应力达到允许抗拉强度，此时大坝变形与死水位变形差值δ‑III与大坝变形预测值之差为三级监控阈值下限：

[0092] Δ‑III＝δdtp‑δ‑III

[0093] (7)大坝二级阈值上下限基于一级阈值和三级阈值确定，即：

[0094] Δ±II＝(Δ±I+Δ±III)/2

[0095] (8)在大坝变形δdtr处于一级和二级阈值之间时，大坝处于轻度异常状态；大坝变形δdtr处于二级和三级阈值之间时，大坝处于异常状态；大坝变形处于三级阈值之外时，大
坝处于险情状态。

[0096] (9)根据所述三级阈值确定大坝所处状态，在大坝变形超出允许阈值时，产生报警信号。

[0097] 进一步地，监控阈值通过以下方式获得：获取预设时间内的大坝变形监测历史数据，基于环境、结构、施工、运行、材料参数变量值采用仿真反馈得到计算值，根据计算值与
监测值偏差确定一级监控阈值；

[0098] 采用结构计算方法，根据水头超载时大坝开裂至防渗帷幕和降低上游水位时大坝下游面出现开裂确定三级监控阈值；

[0099] 根据一级和三级阈值采用平均插值方法确定二级监控阈值。

[0100] 在大坝变形δdtr处于一级和二级阈值之间时，大坝处于轻度异常状态；大坝变形δdtr处于二级和三级阈值之间时，大坝处于异常状态；大坝变形处于三级阈值之外时，大坝
处于险情状态。

[0101] 一种大坝监控阈值报警方法，该方法使用上述大坝监控阈值确定方法获得的监控阈值进行报警，可以提供合理有效的动态监控。该方法包括：

[0102] (1)获取大坝安全监控阈值和安全状态区间，所述安全监控阈值由上述方法确定；

[0103] (2)获取大坝实时监测变形；

[0104] (3)将所述大坝实时监测变形与大坝安全监控阈值比较，当所述变形处于一级监控阈值以外时，根据所处安全状态区间，产生不同状态对应的报警信号。

[0105] 实施例：

[0106] 步骤1：某拱坝高305m，坝顶高程1880m，大坝结构见图5，坝址区环境温度见图6，运行水位变化见图7，主要材料参数见表1.

[0107] 表1

[0108]

[0109] 大坝历史变形监测数据见图8.

[0110] 步骤2：基于上述资料，建立大坝数值仿真模型，见图9，仿真反馈计算得到大坝变形计算值，见图10.

[0111] 步骤3：根据计算变形和历史监测变形数据，计算两者各个时刻偏差的平方和，得到平均偏差，代表性测点偏差见表2，取2倍偏差确定一级变形阈值。

[0112] 表2

[0113]

[0114]

[0115] 步骤4：采用非线性仿真并结合水头超载分析方法，计算得到正常水位时大坝变形，在此基础上，本实施例按照0.05倍水容重逐渐超载，至1.75倍荷载时大坝开裂至防渗帷
幕，防渗帷幕位置见图11，采用该时刻变形减去正常水位时大坝变形，以该差值确定三级变
形阈值上限。

[0116] 步骤5：采用非线性仿真方法，计算得到死水位时大坝变形，在此基础上，逐步降低上游水位，本实施例以10m为一个步长，逐渐降低水位至1760m时，大坝下游面拉应力达到抗
拉强度，应力大点位置见图12，采用死水位变形减去下游面应力达到抗拉强度1760m水位时
的大坝变形得到变形差值，以该差值确定三级阈值下限。

[0117] 步骤6：基于一级阈值上限和三级阈值上限，采用平均值确定二级阈值；基于一级阈值下限和三级阈值下限，采用平均值确定二级阈值。

[0118] 步骤7：计算得到关键测点三级变形阈值，见图13.

[0119] 步骤8：采用三级阈值，根据测点所处区间确定大坝四种安全状态，见表3和图14.

[0120] 步骤9：基于实测变形数据和给定监控阈值，进行大坝安全监控和报警。

[0121] 表3

[0122] 等级 类型 说明1 正常 监测点变形在一级阈值范围内
2 轻度异常 监测点变形在一级和二级阈值之间
3 异常 监测点变形在二级和三级阈值之间
4 险情 监测点变形在三级阈值外

[0123] 本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的实施方法，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领
域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其
它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。