工程安全监测分析模型与智能算法模型方案

1. 工程安全监测分析模型与智能算法模型

构建大坝安全监测智能分析模型，以大坝立体智能感知体系为依托，获取大坝变形、渗流渗压、环境变量等实时监测数据，作为模型输入，实现监测数据自动预处理、特征提取、误差分析、变化趋势分析等，通过内置水利工程安全监测规范要求、强制性标准以及各水库内部管理技术要求，实现安全监测数据智能分析和预警，并结合监测数据分析结果，对大坝及水利工程的安全状态进行定性评价，并给出相应的预警信息。

本项目参考已有案例研究，主要思想是：利用坝体内部布置的测点实测数据，基于现有的较为认可且成熟的数学模型，通过学习分析测点历史数据，回归分析计算出模型中的部分参数，进而将具有统计规律的数学模型应用于当前坝体分析中，结合监测点获得的实测数据以及基于统计规律预测得到的正常运行下应有的数据，进行判断当前测点的状态是否处于应该预警的状态。

1. 1. 大坝变形监测分析

变形监测是安全监测中的重要项目之一，是通过人工或者仪器手段观测大坝整体或者局部的变形量，用来掌握大坝在外部影响下所发生的变形量的大小、分布及其变化规律，从而了解建筑物在施工和运行期间的变形性态，监控建筑物的变形安全。

当坝体变形不符合一般规律、出现异常变形时，表明其中包含了坝体结构性态改变的重要信息，可能存在安全隐患或溃坝风险，必须及时发现，进而分析处理，才能更好地保证大坝安全运行。由于坝体实际变形量和变化过程体现在监测数据中，所以针对变形监测数据的规律探索、异常检测、趋势预测、安全评价等研究，是进行大坝变形监控的重要基础。

通过对变形监测原始资料汇总、统计与分析，分别绘制时效分量过程线、测值误差处理、回归分析过程线、测点相关关系图等统计图表，为建立模型及模型因子选择提供数据支撑。

1. 1. 1. 混凝土坝变形测点的统计模型及因子选择

大坝的变形是坝体及坝基在各种因素综合作用下，产生的物理力学效应的外在表现，其受多种荷载因子的影响，影响因子的变化规律直接影响坝体变形的规律，其中主要的影响因素有库水位（库水压力）、泥沙压力、温度、材料特性及地质等。目前，关于重力坝变形影响因子的分析，较为认可且理论成熟的是吴中如院士以统计学、力学和结构理论为基础进行的研究。吴中如院士将影响坝体变形的因子主要分为水压因子、温度因子和时效因子。由于坝体混凝土材料徐变、基岩变化等引起的坝体变形难以用确切的定量化公式进行描述，因此将除水位和温度荷载以外其它因素引起的变形统一归入时效性分量。

其中：

H1，H²，H3——分别为水头的1次方、2次方、3次方；

（2）温度位移分量的因子选择

由于温度作用导致坝体产生的位移被称为温度位移分量。温度位移分量

主要是由坝体混凝土和坝基温度变化引起的。因此，从力学观点来看，应该选择混凝土和基岩的温度计测值作为温度因子数据。温度计的布设一般有下列两种情况：坝体和基岩布设足够数量的内部温度计，其测值可以反映温度场；坝体和基岩没有布设温度计或者只布设了极少的温度计，而有气温和水温等边界温度计。

（7）时间t

上述需要提供的数据需要在时间上配对，即采集的所有数据（如水位、降雨等）的时间要与采集的坝基扬压力时间一一对应，主要用于回归分析获取模型中的回归系数。

混凝土坝渗流观测量统计模型

影响混凝土坝渗流的因素有上、下游水位，时效、温度等因素，因此，混凝土坝渗流观测量W可以看做是由三个分量组成，即：

从起算日到观测日的时间t以及时间θ

输出数据：默认坝体在正常运行情况下，坝体渗流量W

土石坝的浸润线高低直接影响边坡的稳定，是安全监测中的必测项目。为了监测浸润线，常在土石坝的典型横断面上，从上游向下游布置若干测压管。通过对测压管水位的观测数据进行统计分析，可以建立渗压水位的数学模型，进一步定量分析影响渗压管水位的因素。下面介绍浸润线测压管水位的统计模型。

土石坝浸润线的测压管水位的实测资料分析表明，其主要受上下游水位、降雨以及筑坝材料的渗透时变特性等影响，即

1. 1. 1. 1. 需要提供的数据主要包括：

（1）渗流水头监测模型

需要提供的数据：前期平均水头升降速率

、水头H、前期平均水头

，监测点处读取的渗流水头

以及相应的时间t

（2）渗流量监测模型

需要提供的数据：观测当日的上、下游水位，前期平均水位，前期平均降雨量，时间θ以及观测点处监测的渗流量数据Q

1. 1. 环境变量监测总结

综上所述，在大坝安全监测分析过程中，需要监测部分环境变量的数据，具体如下：

每日气温数据；

每日水温数据；

每日的降雨量数据；

每日上、下游水位数据

此外，对于坝前（及库区）的泥沙淤积和下游冲刷都应该设立相应的观测点，在寒冷地区，还需要提供静冰压力与动冰压力的观测值，以便于提供更加充分的环境数据。

1. 纳雨能力计算

2.1模型概述

水库可纳雨库容指水库当前水位距某一特征水位之间的库容。对大型水库设计能力、过闸流量、历史最高/最低流量、警戒/汛限水位、水库库容曲线、水位流量关系曲线等开展综合比对分析，对工程纳雨能力等进行分析研判，对水库工程工情信息分析结果进行可视化展示。

2.2计算方法

2.2.1径流系数法

（1）先通过水位-库容关系曲线计算从当前水库水位到汛限水位之间的水库可纳雨库容；

式中，

为可纳雨库容，

；

为目标水位对应的库容，

；

为当前水位对应的库容，

；

为当前水位至目标水位所需时间，

；

为出流流量，

。

（2）将水库当前可纳雨库容乘以径流系数得到水库纳雨能力；

式中，

为不需泄水情况下纳雨能力，mm；

为单位系数；

为可纳雨库容，

；A为水库流域面积，

；

为径流系数，经验取值。

（3）根据来水预报，考虑水库水位和调度方式对纳雨能力的影响，通过计算汛限水位以下可蓄水量与一定时间内的入出流水量差，判断是否需要泄水，并根据《考虑泄洪情况下纳雨能力演算表》计算水位达到设计洪水位时的水库纳雨能力。

为泄水情况下纳雨能力，mm；

为目标水位对应的库容，

；

为当前水位对应的库容，

；A为水库流域面积，

；

为径流系数，经验取值；

当前水位溢洪道泄水量，

；

为除溢洪道外泄水设施泄水量，

；

为t时刻开始的未来时段，h；

为单位系数。

2.2.2水文模型法

（1）基于新安江产流模型和当地单位线汇流模型计算洪水入库方案，进行参数率定；

（2）基于水库调度方式设定水库调度模型；

（3）通过水位-库容关系曲线得到当前水位下的水库可纳雨库容；

（4）设定不同工况下降雨过程及入库、出库洪水过程；

（5）计算降雨-最大净增蓄量曲线（P-W曲线）；

（6）将步骤（2）、（5）结合，得到未来一段时间的纳雨能力。

2.3所需数据

水库的水位-库容关系曲线，水库实时监测水位，水库泄水关系曲线，水库地质条件（用于计算径流系数）、水库特征水位，特征库容，堰顶高程，泄洪建筑物形式和尺寸，防洪标准及最大下泄流量。

‌实测雨量（P）；‌实测水面蒸发（EM）；流域出口流量（Q）；流域蒸散发（E）；蒸散发参数；产流参数‌；分水源计算参数‌；汇流计算参数‌；水库的水位-库容关系曲线；水库泄水关系曲线；水库泄水调度方案；水库特征水位，特征库容，堰顶高程，泄洪建筑物形式和尺寸，防洪标准及最大下泄流量。