大坝安全监控理论
水利工程中的大坝工程安全监测控制
水利工程中的大坝工程安全监测控制大坝工程是指人工修筑在河流、湖泊等水流或堰塞湖出口位置，由大坝坝体、进水、泄水设备等组成的工程。
大坝工程的主要目的是控制水流，确保水资源的合理利用，同时也具有防洪、发电和灌溉等功能。
大坝工程的安全监测控制是指对大坝进行实时、全面的监测和管理，及时发现大坝可能存在的问题，并采取相应的措施来保证大坝的安全性和稳定性。
大坝工程安全监测控制的重要性不言而喻，因为一旦大坝发生事故或失效，会对下游的人民财产和生活安全造成严重的威胁。
大坝工程安全监测控制主要包括以下几个方面：1. 坝体监测：通过安装在大坝内部和外部的传感器，实时监测大坝的应力、位移、温度等参数，以及大坝周围的地下水位、地震活动等情况。
还要通过无人机等技术手段，对大坝的外观进行巡检，发现并修复可能存在的裂缝和渗漏问题。
2. 泄洪监测：大坝的泄洪设备是保证大坝安全的重要组成部分，需要保证泄洪设备的畅通和正常工作。
需要定期对泄洪设备进行检查和维护，并通过水文测量和水位监测，及时了解大坝的流量和水位变化，确保泄洪的安全性和有效性。
3. 地下水位监测：大坝修建的位置通常会储存大量的地下水，地下水位监测是大坝安全控制的重要内容。
通过地下水位测量，可以及时了解地下水的涌出情况，判断大坝周围地质条件的变化，确保大坝周围地基的稳定性和密实性。
4. 大坝水压监测：水压是大坝安全的重要指标，因此需要定期对大坝内部的水压进行监测。
通过水压传感器和监测仪器，实时了解大坝内部的水压变化，判断大坝的稳定性和渗漏情况，及时采取相应的措施来保证大坝的安全性。
5. 大坝安全管理系统：大坝工程安全监测控制需要建立一个科学、完整的安全管理系统，包括监测设备的管理、数据的采集和分析、安全预警和应急处理等。
还需要建立一支专业化的安全管理团队，定期组织安全演练和培训，提高人员的安全意识和应急能力。
《大坝与坝基安全监控理论和方法及其应用研究》
2004年国家科技进步二等奖项目介绍---《大坝与坝基安全监控理论和方法及其应用研究》获2004年国家科技进步二等奖本站讯由中国工程院院士、河海大学博士生导师吴中如教授领衔，博士生导师顾冲时教授以及郑东健、苏怀智、王建、郭海庆、沈振中、包腾飞、李季、温志萍、李雪红、吴相豪、胡群革、许晓东、赵斌等参与完成的《大坝与坝基安全监控理论和方法及其应用研究》项目日前荣获2004年国家科技进步二等奖。
现将该项目介绍如下。
一、立项背景建国以来，我国共修建约8.3万座水坝，其中15米以上的大坝约1.8万座，在防洪、发电和灌溉等方面发挥了巨大的社会经济效益。
然而，由于多种原因，相当一部分大坝存在安全问题。
与此同时，随着西部大开发和西电东送的大力开展，大库高坝越来越多，有些高坝已达200-300米，坝址地质条件复杂，又处于高地震和高地应力区，对工程安全提出了更高的要求。
实践证明，对大坝及坝基进行安全监测，并触汇多种理论和方法对监测资料进行正反分析，建立专家系统，将对大坝和坝基的安全起到重要作用。
二、项目主要特点及创新点1、建立了完整的监控模型体系。
完善和发展了统计模型，提出和建立了测点和空间位移场的确定性模型和混合模型，以及施工期的特殊监控模型等；建立了基于混沌理论、模糊数学、灰色系统等的预测模型，由此建立了大坝与坝基的完整监控模型体系。
2、发展了大坝及坝基的反分析理论和方法。
对大坝和坝基的计算模型、计算参数、计算成果处理和控制荷载等提出了反分析的理论与方法，还首次提出了拟定变形监控指标的理论与方法。
3、开发了大坝安全综合评价专家系统。
提出和开发了由"一机四库"（综合推理机、知识库、工程数据库、方法库和图库）组成的大坝安全综合评价专家系统或"四库"（综合分析推理库、工程数据库、方法库和图库）组成的在线监控和反馈分析系统。
三、项目具体技术内容1、大坝及坝基安全监控模型本项目结合大量科研项目和实际工程，对大坝安全监控模型进行了全面深入地研究，建立了安全监控模型体系，主要包括：（l）统计模型。
大坝安全监测第1章概论PPT课件
伊泰普水电站（巴西、巴拉圭）
空腹重力坝，库容：290亿m3，装机： 1260万kw，最大坝高196m。
大古力 （美国）
胡佛水库 （美国）
罗克岛水电站 （美国）
§2 挡水坝安全的重要性
大坝安全已经成为社会、国防和生态安全的重 中之重——水利工程师的责任，水利工程的风险
国防安全
二次大战中，英国空军轰炸德国莫纳、埃 德尔重力坝（炸毁）和索尔普土石坝（炸 损），造成鲁尔工业区瘫痪
290290装机装机12601260kwkw最大坝高最大坝高196m196m胡佛水库胡佛水库美国美国美国美国罗克岛水电站罗克岛水电站美国美国大坝安全已经成为社会国防和生态安全的大坝安全已经成为社会国防和生态安全的重中之重重中之重水利工程师的责任水利工程的风险水利工程师的责任水利工程的风险国防安全国防安全二次大战中英国空军轰炸德国莫纳二次大战中英国空军轰炸德国莫纳埃德尔重力坝炸毁和索尔普土石坝埃德尔重力坝炸毁和索尔普土石坝炸损造成鲁尔工业区瘫痪炸损造成鲁尔工业区瘫痪朝鲜战争美国轰炸朝鲜水电站影响其朝鲜战争美国轰炸朝鲜水电站影响其后勤供应后勤供应台湾威胁轰炸三峡工程台湾威胁轰炸三峡工程土耳其拟实施的安纳托里亚工程将使土耳其拟实施的安纳托里亚工程将使幼发拉底河底河水入伊拉克减少幼发拉底河底河水入伊拉克减少8080叙利亚减少叙利亚减少4040引发了激烈的国际争引发了激烈的国际争端对两国沙漠生态和经济的影响端对两国沙漠生态和经济的影响汪恕诚部长在汪恕诚部长在20042004日水利学会日水利学会大会上作大坝与生态学术报告指出大大会上作大坝与生态学术报告指出大坝带来的坝带来的大生态问题
安全监测除了及时掌握建筑物的工作状态， 确保期安全外，其还有诊断、预测、法律、研 究等方面的作用。
（1）诊断的需要：包括验证设计参数、改 进设计；对施工技术进行评估和改进；对不安 全迹象和险情的诊断并采取措施进行加固等。
大坝安全监控理论与应用-确定性模型和混合模型
2.混凝土温度计较少或不连续情况 混凝土温度场分四个分量：初始温度场、水化热散发产生 的温度分量、周期分量以及随机分量。
初始温度场→初始位移场；
随机分量对坝体的总变形影响较小。
（2）湿胀（或干缩） 在水库蓄水后的1～2年内，坝体上游3～4m范围，混凝土
含水量增加约1.5％，产生湿胀应力，并接近常量。干缩较复 杂，也由常数反映。
水压、温度和时效影响同变形
（二）有效应变和应力
应变分总应变、自身体积变形和有效应变。
（1）应变计算
①差动电阻传感器
所测到的原始资料是电阻和电阻比，需换算求得应变值。其 换算公式如下：
水化热，通过较少的温度计→求得温度计形函数（x,y,z）
确定水化热产生的变温场。 周期分量：一般年周期影响最大。并考虑温度随时间的变 化。
若导温系数也未知，通过假设导温系数→温度场→位移场
然后，同样用参数ζ来修正。
3.无混凝土温度，只有边界温度 用有限元计算变温场和位移场。对导温系数和线膨 胀系数，通过位移实测资料较小修正。
（四）确定模型一般表达式
X1H Y2H Z3H JT
式中：水压和温度分量用有限元计算；时效分量用统计 模型表达式或非线性有限元计算
（五）混合模型一般表达式
m2
X1H Y2H Z3H biTi i 1
式中：水压用有限元计算；温度分量和时效分量用统计 模型表达式
二 参数估计
（2）偶然误差
➢各种量测误差，如水位、温度、位移等
➢量测不同步引起的误差；
➢有限元计算误差，位移计算一般小于5%。
浅谈大坝的安全监控
科技视界Science &TechnologyVisionScience &Technology Vision 科技视界20世纪20年代以来,国际上相继发生了圣佛朗西斯(美国,1928年)、马尔巴塞(法国,1959年)、瓦依昂特(意大利,1963年)等跨坝事件,我国也先后发生了板桥、石漫滩(1975年)洪水漫顶以及沟后水库(1993年)渗透破坏等跨坝事件。
跨坝给相关国家带来了惨重的灾害和巨大的经济损失,这引起了各国政府和坝工界对大坝安全监测的高度重视[1]。
有关统计分析表明,大坝失事或严重大坝事故主要表现为四种形式:设计洪水偏低引起漫顶;地质勘探不充分造成失稳和渗漏;设计与施工缺陷导致大坝老化加速;遭遇地震等特殊荷载。
因此,有必要针对不同大坝的具体情况和特点,设置相应的安全监测项目,对大坝变形、渗流、应力应变等进行连续而全面的监测,并对实测数据进行及时的处理和分析,在此基础上实现大坝安全性态的综合评判,以馈控大坝的安全和运行。
大坝安全监测与控制的研究工作可大致分为五个方面:观测资料的误差处理与分析;观测资料的正分析;观测资料与大坝结构性态的反分析;反馈分析与安全监控指标的拟定;大坝安全综合评判与决策,各个方面的研究相互联系,构成了大坝安全监控的理论框架体系[2]。
1观测资料的误差处理与分析在利用大坝安全监测资料进行正反分析前,首先应对原始测值资料进行误差处理与分析。
大坝安全监测数据的误差分为粗差、系统误差和随机误差三类。
在测量过程中,应当剔除粗差,消除或削弱系统误差,使观测值中仅含随机误差。
测量误差分析的方法一般有测值范围检验分析法、数学模型分析法及统计检验法等。
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,这种误差较易发现,应予以剔除。
目前主要采用基于最小二乘理论的分析方法对粗差判别和处理,较常用的方法有数据探测法和稳健估计法。
此外还常用统计量检验法,如格拉布斯准则、肖维勒准则、t 检验准则、F 检验准则等[3]。
大坝安全监控理论与应用
大坝安全监控数据可视化技术与应用
可视化技术的种类和优缺点
大坝安全监控数据可视化的 实现方式
数据可视化技术在大坝安全 监控中的应用
可视化技术在提高大坝安全 监控效率和精度方面的作用
大坝安全监控系 统建设与管理
大坝安全监控系统的设计与实施
系统设计：根据大坝规模、结构、环境等因素进行综合评估，选择合适的传感器、数据采集和处理设备，制定相应 的监测方案和预警机制。
政策支持：政府将加大对大坝安全监控系统的投入，推动相关产业的发展，提高大 坝安全监控的整体水平。
大坝安全监测技 术与方法
大坝变形监测技术与方法
监测方法：水准测量、全站 仪测量、GPS监测等
监测目的：确保大坝安全运 行，及时发现异常变形
监测内容：坝体、坝基、坝肩 等部位的位移、沉降、倾斜等
变形量
数据分析：对监测数据进行分 析处理，评估大坝安全状态，
大坝安全监控理论与应 用
汇报人：
目录
大坝安全监控理论
01
大坝安全监控系统及应用
02
大坝安全监测技术与方法
03
大坝安全监控数据处理与 分析
04
大坝安全监控系统建设与 管理
05
大坝安全监控理 论
大坝安全监控的定义与重要性
大坝安全监控的定义：对大坝的位移、应力、水位等物理量进行实时监测，及时发现异常情况，确保大坝安全运行。 大坝安全监控的重要性：及时发现大坝异常，避免溃坝等严重后果；保障下游人民生命财产安全；维护社会稳定。
坝安全运行
监测方法：采用 电阻应变片、光 纤光栅等传感器 技术，测量大坝 不同部位的应变， 从而推算出应力
状态
监测系统组成： 包括传感器、数 据采集与处理系 统、传输系统及 监测中心等部分
专业选修课大坝安全监测
人工智能技术的应用，可以对大坝安全监测数据进行 智能分析，提高监测的准确性和预警的及时性。
02
大坝安全监测技术
变形监测
水平位移监测
通过测量大坝不同部位的水平位移变化，评估大坝的整体稳定性 和安全性。
垂直位移监测
通过测量大坝不同部位的垂直位移变化，了解大坝的沉降情况，防 止不均匀沉降导致裂缝或破坏。
大坝安全监测系统的设计
监测点布局设计
根据大坝的结构和规模 ，合理布置传感器和数 据采集设备的数量和位
置。
数据处理算法设计
针对不同的监测参数， 设计相应的数据处理算 法，提高数据精度和可
靠性。
预警阈值设定
根据大坝安全标准和实 际运行经验，设定合理 的预警阈值，及时发现
安全隐患。
大坝安全监测系统的运行和维护
外部监测
通过设置在坝体表面的仪器，监测坝体的位移、沉降、裂缝和滑坡等。
环境监测
监测影响大坝安全运行的气象、水文、地质等环境因素。
大坝安全监测技术的发展
传感器技术
随着传感器技术的发展，高精度、高稳定性的传感器 为大坝安全监测提供了更可靠的数据。
无线传输技术
无线传输技术的应用，实现了大坝安全监测数据的实 时传输和处理。
03
大坝安全监测系统
大坝安全监测系统的组成
传感器子系统
用于采集大坝各部位的状态信息 ，如变形、渗流、应力等。
数据采集与传输子系统
将传感器采集的数据进行预处理 和传输，通常采用有线或无线方
式。
数据分析与预警子系统
对采集的数据进行实时分析，判 断大坝安全状况，并发出预警信
息。
电源与防雷子系统
提供系统所需的电源和防雷保护 ，确保系统稳定运行。
大坝安全监测原理
大坝安全监测原理
嘿，朋友们！今天咱来讲讲大坝安全监测原理，这可真是超级重要的事儿呢！
你想想啊，大坝就像是一个巨大的守护者，默默矗立在那里，为我们挡
住洪水啥的。
那我们怎么知道这个守护者是不是安好呢？这就得靠安全监测啦！比如说，我们人要是身体不舒服，可能会头疼啊、发烧啊，这些就是信号，让我们知道自己生病了。
大坝也一样，它也会有各种“不舒服”的信号呀！
咱可以通过各种各样的仪器和方法来监测大坝。
好比说，有专门监测大
坝变形的仪器，就像我们用体温计来测量体温一样。
大坝会不会变形，一测就知道啦！还有监测渗流的，这就好比我们观察自己是不是流汗过多，了解身体的状况。
老张就曾经看着大坝的监测数据说：“哎呀呀，这大坝今天的数据有点不大对啊！”这就说明监测到了一些异常情况呢，得赶紧去查看查看。
再想想，如果没有这些监测，大坝出了问题我们都不知道，那多吓人呀！这不就跟我们生病了自己不知道，还在那硬扛一样危险嘛！大坝的安全可是
关系着好多人的生命和财产安全呢，能不重视吗？所以啊，这些安全监测就像是大坝的“私人医生”，时刻关注着它的健康。
总之，大坝安全监测原理其实并不复杂，就是用各种手段去了解大坝的状态，确保它能一直好好地守护我们。
大家一定要重视起来呀，可别不当回事儿！这真的是关乎我们每个人的大事！。
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——大坝安全监控理论、方法与软件系统——
二、资料整编的工作流程
① 监测资料的搜集 ② 监测物理量的计算 ③ 监测数据的补差和光滑 ④ 填表和绘图 ⑤ 原始监测资料的检验和误差分析 ⑥ 初步分析和文字报告编写 ⑦ 监测资料的检验和审查以及审定编印
3σ法
连续三次观测的测值：
Ui1,Ui ,Ui1(i 2, 3, , n 1) 第i次观测的跳动值：
di Ui1 Ui1 2Ui
跳动值的均值、方差和相对跳动特征：
n1
di
d i2 n2
n1
Max( f ) Max[ f (h)] Max[ f (T )] Max[ f (t)] Min( f ) Min[ f (h)] Min[ f (T )] Min[ f (t)]
若 f Max( f ) 或 f Min( f ), 则 f 为异常值
——大坝安全监控理论、方法与软件系统——
——大坝安全监控理论、方法与软件系统——
定期整编刊印
汇集工程的概况、监测系统布置和各项考证资 料，以及巡检的资料和有关报告、文件等。
在平时资料整理的基础上，对整编时段内的各 项观测物理量按时序进行列表统计和校对。
绘制能表示各观测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。
分析观测的变化规律及其对工程安全的影响， 并对影响工程安全的问题提出处理意见。
时序分析法 灰色系统 模糊数学 突变理论 混沌理论
大坝及坝基 监测资料
监测系统
（1）监控模型 坝工理论和力学
统计数学 统计模型 监控模型
有限单元法
确定性模型和 混合模型
计算模型、参数、工况 （2）反分析 等反演分析
设计、施工和运行等 反馈分析
（3）综合评价专家系统 （包括综合推理机、知识库、方法库、数据库和图库等一机四库）
（4）大坝及坝基安全监控（工程应用）
——大坝安全监控理论、方法与软件系统——
专业知识－大坝监测数据整编
监测资料整编是定期或按照上级主 管部门要求进行的系统、全面的监 测资料整理工作，其工作内容是将 大坝安全监测的各种原始数据和有 关文字、图表（含影像和图片）等 材料进行审查、考证，综合整理成 系统化、图表化的监测成果，并汇 编刊印成册或制成软盘。
——大坝安全监控理论、方法与软件系统——
一、资料整编的内容
平时资料整理 计算、查证原始观测数据的可
靠性和准确性；如有异常或疑点应及时复测、 确认；如影响工程安全运行，应及时上报主管 部门。
定期整编刊印 在平时资料整理基础上，按规
定时段对监测资料进行全面整编、汇编和分析， 并附以简要安全分析意见，编印后刊印成册。
50
填筑
25
0
库水位
1.2 有效土压力 (KPa) 0.9 0.6 0.3 0
86-12 87-12 88-12
89-12
90-12
CA B
91-12 92-12
——大坝安全监控理论、方法与软件系统——
③相关性检验
同类监测量比较 相关监测量比较
y LD1 LD2
P
F
S1
R1
R2
——大坝安全监控理论、方法与软件系统——
——大坝安全监控理论、方法与软件系统——
①连续性检验
75 相对高度 (m)
50
填筑
25
0
库水位
1.2 有效土压力 (KPa) 0.9 0.6 0.3 0
86-12 87-12 88-12
89-12
B A
90-12
91-12
92-12
——大坝安全监控理论、方法与软件系统——
②一致性检验
相对高度 (m) 75
过失误差 随机误差 系统误差
C. 粗差判别和处理
人工判断法 统计分析法
——大坝安全监控理论、方法与软件系统——
原始数据的可靠性检验
逻辑分析方法 作业方法是否符合规定。 观测仪器性能是否稳定。 各项测量数据物理意义是否合理，是否超 过仪器量程和材料的物理限值，检验结果 是否在限差以内。 监测数据是否符合连续性、一致性、相关 性等原则。
➢人工判断法是通过与历史 的或相邻的观测数据相比较， 或通过所测数据的物理意义 判断数据的合理性。
➢人工判断的另一方法是作 图法，即通过绘制观测数据 过程线或监控模型拟合曲线， 以确定那些是可能的粗差点。
——大坝安全监控理论、方法与软件系统——
包络线法
利用统计分析或结构分析，将监测物理量分 解为各原因量（水压、温度、时效）等分效 应之和，用实测或预估方法确定各原因量分 效应的极大、极小值，即可得监测物理量的 包络线：
四、监测资料的搜集
资料搜集的原则和要求：
及时准确，尽可能全面、完整。 做好校核工作，严防数据丢失。 存储方法简洁、直观，便于保管、归档和查询，
目录规范。
资料的存储和表示方法：
表格 图形 电子文件和数据库 录音录像
——大坝安全监控理论、方法与软件系统——
五、原始观测资料的检验和处理
A. 原始数据的可靠性检验 B. 误差分析和处理
——大坝安全监控理论、方法与软件系统——
三、监测资料的搜集
搜集资料的内容范围：
观测数据的采集。 现场巡查资料。 监测有关的设计资料。 监测仪器设备及安装的考证资料。 监测仪器附近的施工资料。 已有的成果报告、技术警戒值、安全判据及其它
技术资料。 有关的工程类比资料、规程规范等。
——大坝安全监控理论、方法与软件系统——
误差分析和处理
过失误差 可直接将其剔除，必要时可根 据历史和相邻资料进行补差。
随机误差 也称偶然误差，总体上服从正 态分布，可采用常规误差理论进行分析 处理。
系统误差 可以通过校正仪器来消除。
——大坝安全监控理论、方法与软件系统——
粗差判Байду номын сангаас和处理
人工判断法 包络线法 3σ法 统计回归法
遵循的原则 严肃性、 及时性、 可靠性。
——大坝安全监控理论、方法与软件系统——
平时资料整理
适时检查各观测项目原始观测数据和巡视检查 记录的正确性、准确性和完整性。
及时进行观测物理量的转换，填写数据记录表 格。
随时点绘各观测物理量过程线图，考察和判断 测值的变化趋势。
随时整理巡查记录，补充或修改有关监测系统 及观测设施的变动或检验、校测情况，并相应 修改各种考证图表，确保资料的衔接与连续性。