任務6 土石壩監測資料整編與分析

一、概述

對水工建筑物進行的各種項目觀測，為水庫大壩的運行工況提供了第一手資料。取得這些第一手資料以后，還必須加以去粗取精、去偽存真、由此及彼、由表及里，進行科學的整理分析，才能作出正確的判斷，獲得規律性的認識，保證水庫安全和合理運用，為設計、施工、管理和科學研究提供依據。

我國很多水庫，通過對觀測資料的分析，了解水庫各個建筑物的狀態，掌握工程運用的規律，確定維修措施，改善運行狀況，從而保證了水庫的安全和發揮效益，并且為提高科學技術水平，提供了寶貴的第一手資料。例如官廳水庫土壩下游發生泉眼漏水，通過觀測資料的分析，判斷為左岸山頭基巖發生繞壩滲流，經過多種措施進行處理，安全運用至今。對觀測資料進行科學的整理分析，是觀測工作必不可少的組成部分，對于管好用好水庫、保證水庫安全運用、充分發揮效益，以及提高科學技術水平，具有重要的意義。

觀測取得的數據是客觀實際的反映。但是，每個觀測項目所布置的測點數量總是有限的，測次一般有一定的周期，與其相關的因素也是多元的，而且實測數據不可避免地帶有特定的誤差。因此，必須通過科學的整理分析，才能掌握客觀運動的規律性和與影響因素的相關關系，獲得符合客觀實際的理性認識。觀測資料的整理分析，取決于現場觀測所得數據的數量和質量，而又反過來推動和指導觀測工作、水庫運行更有成效地進行。

監測資料整編與分析工作包括平時資料整理與定期資料編印和觀測成果的分析。

（一）平時資料整理工作的主要內容

（1）及時檢查各觀測項目原始觀測數據和巡視檢查記錄的正確性、準確性和完整性。如有漏測、誤讀 （記）或異常，應及時補 （復）測、確認或更正。

（2）及時進行各觀測物理量的計 （換）算，填寫數據記錄表格 （各記錄表格式詳見本任務的第二部分土石壩安全監測資料的整編）。

（3）隨時點繪觀測物理量過程線圖，考察和判斷測值的變化趨勢。如有異常，應及時分析原因，并備忘文字說明，原因不詳或影響工程安全時，應及時上報主管部門。

（4）隨時整理巡視檢查記錄 （含攝像資料），補充或修正有關監測系統及觀測設施的變動或檢驗、校 （引）測情況，以及各種考證圖、表，確保資料的銜接與連續性。

（二）定期資料編印工作的主要內容

（1）匯集工程的基本概況 （含各種運控指標）、監測系統布置和各項考證資料，以及各次巡檢資料和有關報告、文件等。

（2）在平時資料整理基礎上，對整編時段內的各項觀測物理量按時序進行列表統計和校對。此時如發現可疑數據，一般不宜刪改，應加注說明，提醒讀者注意。

（3）繪制能表示各觀測物理量在時間和空間上的分布特征圖，以及有關因素的相關關系圖。

（4）分析各觀測物理量的變化規律及其對工程安全的影響，并對影響工程安全的問題提出運行和處理意見。

（5）對上述資料進行全面復核、匯編，并附以整編說明后，刊印成冊，建檔保存。采用計算機數據庫系統進行資料存儲和整編者，整編軟件應具有數據錄入、修改、查詢以及整編圖、表的輸出打印等功能，還應有電子文件備份。

（三）成果的分析

觀測成果的分析是一項細致復雜而又十分重要的工作，要以認真的精神和科學的態度去進行。我國的水庫建設是新中國成立以后開始發展的，水庫觀測工作從無到有，但許多水庫管理單位開展了大量的觀測工作，觀測成果的分析工作也取得了豐富的經驗和顯著的成績。使用計算機，應用比較法，應用回歸分析、諧量分析等數理統計方法，對觀測成果進行定量分析。

（四）監測報告

監測報告一般包括工程概況、巡視檢查和儀器監測情況的說明、巡視檢查資料和儀器監測資料的分析結果、大壩工作狀態的評估及改進意見等。

二、土石壩安全監測資料的整編

（一）巡視檢查

巡視檢查的各種記錄、圖件和報告等均屬大壩安全監測的重要史料，除將原件歸檔外，應將發現問題的資料整理復制載入相應時段的資料整編。每次整編，除對本時段內巡視檢查發現的異常問題及其原因分析、處理措施和效果觀察等作出完整編錄外，必要時可簡要引述前期巡視檢查結果加以對比分析。

（二）變形監測

變形監測資料整編，一般應根據所設項目進行各觀測物理量的列表統計。

（1）壩體表面垂直位移量監測成果統計表，格式見表1-7。

（2）壩面橫 （縱）向水平位移量監測成果統計表，格式見表1-8。

圖1-19 壩面水平位移過程線圖

在列表統計的基礎上，應盡量繪出能表示各觀測物理量時間和空間分布特征的各種圖件 （必要時可加繪相關物理量，如壩體填筑過程、蓄水過程等），一般如：①壩面水平位移過程線圖，見圖1-19；②壩體橫斷面分層垂直位移分布圖，見圖1-20；③壩體表面垂直位移等值線圖，見圖1-21；④壩體橫斷面垂直位移及水平位移等值線圖，見圖1-22；⑤壩體裂縫平面分布圖，見圖1-23。

圖1-20 壩體橫斷面分層垂直位移分布圖（單位：mm）

圖1-21 壩體表面垂直位移量等值線圖

圖1-22 壩體橫斷面垂直位移及水平位移等值線圖

（三）滲流監測

一般應按壩體、壩基、繞滲等不同部位和類別分別填寫測點滲流壓力（水位）和滲流量監測成果統計表。并同時抄錄相應的上游、下游水位，必要時加注有關滲流異常現象的說明。如：①上游（水庫）、下游水位統計表，格式見表1-9；②滲流量監測成果統計表，格式見表1-10。

圖1-23 壩體裂縫平面分布圖

根據滲流壓力（水位）統計表繪制各測點的滲流壓力水位過程線圖，圖上應同時繪出上游、下游水位過程線和壩區降水強度分布線，見圖1-24。

圖1-24 滲流壓力水位過程線圖

根據過程線圖確定遲后時間，消除遲后影響，用穩定流場的對應關系繪制以下圖件：

（1）特定庫水位下的滲流壓力水位過程線，見圖1-25。

圖1-25 特定庫水位下滲流壓力水位過程線圖

（2）滲流壓力、測壓管水位與庫水位相關關系圖，見圖1-26。

圖1-26 滲流壓力、測壓管水位與庫水位相關關系圖

（3）壩體橫斷面滲流壓力分布圖和壩體平面滲流壓力分布圖，見圖1-27與圖1-28。

圖1-27 壩體橫斷面滲流壓力分布圖

（4）根據過程線圖確定并消除遲后影響后，用穩定滲流場的對應關系繪制以下圖件：①滲流量（降水量、庫水位）過程線圖，見圖1-29；② 特定庫水位下的滲流量過程線圖；③滲流量與庫水位 （上游、下游水位差）相關關系圖。

圖1-28 壩體平面滲流壓力分布圖

圖1-29 滲流量（降水量、庫水位）過程線圖

三、安全監測資料的分析

（一）資料分析的目的和意義

大壩安全監測是掌握壩體運行狀態、保證大壩安全運用的重要措施，也是檢驗設計成果、檢查施工質量和掌握大壩的各種物理量變化規律的有效手段。但是，原始的觀測成果往往只展示了大壩的直觀表象，要深刻地揭示規律和作出判斷，從繁多的監測數據中找出關鍵問題，還必須對觀測數據進行檢驗、剖析、提煉和概括，這就是監測資料分析工作。其意義可從以下幾方面來理解。

（1）監測數據本身，既隱含著大壩實際狀態的信息，又帶有觀測誤差及外界偶然因素隨機作用所造成的干擾。必須經過辨析，識別干擾，才能顯示出真實的信息。

（2）影響壩體狀態的多種內外因素是交織在一起的，監測值是其綜合效應。為了將影響因素加以分解，找出主要因素及各個影響因素的影響程度，也必須對測值作分解和剖析。

（3）只有將多種監測量的多個測點、多次測值放在一起綜合考察，相互補充、印證，才能了解測值在空間分布上和時間發展上的聯系，找出變化異常的部位和薄弱環節，了解其變化過程和發展趨勢。

（4）任何事物的發展都是遵循從量變到質變的過程。大量事實表明，大壩的破壞和失穩，事前總是有所預兆的，同樣也是一個由量變到質變的過程。通過對監測數據的分析，就可以及時發現大壩發生破壞前的各種征兆和異常情況，從而采取有效的補救措施。

（5）通過數據分析可以對設計的正確性、經濟性和措施的有效性進行驗證，進而為提高或改進大壩設計提供依據。大壩的設計和計算，既要符合安全的原則，又要符合經濟的原則。然而，由于我們對自然規律的認識有待深入，不可能對所有影響大壩的復雜因素都進行精確的計算，只能是作了許多假設和簡化以后，才進行設計計算。

（6）為了對大壩各種觀測成果作出物理解釋，預測未來測值變幅及可能的數值等，也離不開分析工作。

因此，觀測資料分析被視為實現大壩安全監測根本目的最重要的一個環節，其任務就在于通過具有一定精度的監測資料，認識大壩監測數值在空間分布和時間發展上的規律性，掌握它和各種內外因素的聯系，從觀測值的變化來考察和發現大壩結構的變化和異常現象，防止大壩結構向不安全方向發展。

（二）資料分析的主要方法

資料分析的主要方法有比較法、作圖法、特征值統計法、數學模型法和其他一些方法。下面作一簡要介紹。

1.比較法

所謂比較法就是將不同測次的監測資料、巡視資料及監測資料成果與技術警戒值、理論試驗的成果作比較，判斷測值有無異常，找出觀測值的變化規律或發展趨勢。

（1）比較多次巡查資料，定性考察大壩外觀異常現象的部位、變化規律和發展趨勢。

（2）比較同類效應量監測值的變化規律或發展趨勢，是否具有一致性和合理性。

（3）將監測成果與理論計算或模型試驗成果相比較，觀察其規律和趨勢是否有一致性、合理性。并與工程的某些技術警戒值 （大壩在一定工作條件下的變形量、抗滑穩定安全系數、滲透壓力、滲漏量等方面的設計或試驗允許值，或經歷史資料分析得出的推薦監控值）相比較，以判斷工程的工作狀態是否異常。

2.作圖法

根據分析的要求，畫出監測資料的過程線圖、相關圖、分布圖及綜合過程線圖（如將上游庫水位、某物理量和其警戒值，其他的效應量畫在一張圖上）等，由圖可直接了解和分析測值的變化大小和其規律。

（1）以觀測時間為橫坐標，所考查的測值為縱坐標繪制的曲線叫過程線。它反映了測值隨時間而變化的過程。由過程線可以看出測值變化有無周期性，最大值、最小值等，一年或多年變幅有多大，各時期變化梯度 （快慢）如何，有無反常的升降變化等。圖上一般同時繪制相關因素如庫水位、氣溫等的過程線，以了解測值和這些因素的變化是否相關，周期是否相同，滯后時間多長，兩者變化幅度等。有時也可以同時繪制不同測點或不同項目的曲線，比較它們之間的聯系和差異。

（2）以橫坐標表示測點位置，縱坐標表示測值所繪制的臺階圖或曲線叫分布圖。它反映了測值沿空間的分布情況。由圖可看出測值分布有無規律，最大、最小值在什么位置，各點間特別是相鄰點間的差異大小等。圖上還可以繪出有關因素如壩高等的分布值。同一張圖繪制出同一項目不同測次和不同項目同一測次的測值分布，以比較期間的聯系及差異。

（3）以縱坐標表示測值，以橫坐標表示有關因素 （如水位、溫度等）所繪制的散點加回歸線的圖叫相關圖。它反映了測值和該因素的關系，如變化趨勢、相關密切度等。

3.特征值統計法

這是對監測值 （隨機變量）進行統計、計算，得到一系列有代表性的特征值，用以濃縮、簡化一批測值中的信息，以便對大壩性態的變化更加清晰、簡單地了解、掌握和發現其有無異常。

特征值主要包括各監測物理量歷年的最大和最小值 （含出現時間）、變幅、周期、年 （月）平均值及變化率等。通過對這些特征值的統計和分析，可幫助考察各監測量之間在數量變化方面是否具有一致性、合理性，以及它們的重現性和穩定性等。

4.數學模型法

該法就是利用回歸分析、經驗或數學力學原理，建立原因量 （如庫水位、氣溫等）與效應量 （如位移、揚壓力等）之間定量關系的方法。這種關系往往是具有統計性的，需要較長序列的觀測數據。當能夠在理論分析基礎上來尋求兩者確定性的關系，稱為確定性模型；當根據經驗，通過統計相關的方法來尋求其聯系，稱為統計模型；當具有上述兩者的特點而得到的聯系，稱為混合模型。

近年來，資料分析技術得到了較快發展，許多新技術、新方法在大壩監測資料分析領域得到了廣范應用，如時間序列分析、灰色模型分析、模糊聚類分析、神經網絡分析、決策分析以及專家系統技術等。