监测资料的管理与分析概述.ppt

水利水电工程质量检测技术培训,中国水利水电科学研究院 2009年3月 联系电话：13701139497 电子邮箱：,袁培进,第十六章 监测资料的管理与分析概述,主要内容,第一节 概述 第二节 监测资料的整理与整编 第三节 监测资料的初步分析 第四节 监测资料定量分析与数学模型 第五节 混凝土应力应变分析 第六节 监测资料的反分析 第七节 综合分析与大坝安全评价 第八节 大坝安全监控,第一节 概述,一、监测资料管理与分析的内涵 监测资料的管理与分析是大坝安全监测最后环节，是大坝安全管理的核心内容。 大坝安全监测贯穿大坝建设与运行管理的全过程，一般可分为以 下五个重要环节，即： 1）监测设计 2）安装埋设 3）数据采集 4）资料整理整编及初步分析 5）大坝性态的研究及评价,水库大坝安全管理条例 “第十九条 大坝管理单位必须按照有关技术标准，对大坝进行安全监测和检查；对监测资料应当及时整理分析，随时掌握大坝运行状况。发现异常现象和不安全因素时，大坝管理单位应当立即报告大坝主管部门，及时采取措施。”,我国法律法规的有关要求,监测资料管理与分析的目标与内容,1）对监测数据及有关资料进行系统的整编 2）实现文档化及电子化信息管理 3）进行必要的定量和定性分析 4）对大坝工作性态做出及时的分析、解释、评估和预测， 掌握规律、发现问题、判断安全。 5）为有效地监控大坝安全、指导大坝运行和维护提供可靠 的依据。,监测资料管理与分析的要求,1.监测资料要准确、连续、系统 2.监测信息管理系统要实用、可靠。 3.资料整理和分析要及时。 4.资料分析要反映全面，又要重点突出。 5.实现“人资料工具”结合。 6.加强管理及培训，提高业务素质及水平。,二、监测资料管理与分析在工程中的作用 1.为大坝安全评价提供依据 2.掌握运行规律监视大坝安全运用、改善运行状况 3.及时发现大坝运行异常，不失时机采取补救措施 4.根据分析成果发挥已有工程效益 5.用于安全预测及预报，避免或减少损失 6.为科研提供信息，提高大坝设计和施工水平,第一节 概述,第二节 监测资料的整理与整编,一、监测资料的收集 1.监测资料：监测成果、监测设计与管理、仪器设备等资料。 2.地质及水工建筑物资料：地质、设计、施工、试验、运用资料。 3.其它资料：国内外坝工监测及分析成果，各种技术参考资料。 二、监测资料的整理与整编 1.监测资料整理： 数据检验及内容：设计布置、仪器选型、安装埋设是否符合规定？ 各项被检验数值是否在限差以内？ 是否存在粗差或系统误差？ 若判定监测数据超出限差时，立即重测；无法重测则剔除。 物理量计算：参数、公式、符号，以及基准值的选取 数据报表、绘图：成果填报、过程线、分布图及相关图绘制,第二节 监测资料的整理与整编,误差源： 1)仪器系统误差； 2)人为误差(测、读、记录、计算错)； 3)自然条件引起的误差； 4)测量方法误差。 误差分类： 系统误差 随机误差(偶然误差) 粗差(疏失误差) 2.监测资料整编 一般以自然年或特殊要求(各阶段)为一整编时段，资料整编包括： 资料汇集、检查考证、成果图表编制、工程施工或运行及监测情况等。 三、整编成果质量要求 项目齐全、数据准确、图表完整、方法正确、资料丰富、说明完备、规格统一、内容全面、重点突出、结论清楚。,精确与准确的概念,第三节 监测资料的初步分析,一、常用的初步分析方法 1.绘制时间过程线：反映测值随时间变化过程及规律 2.绘制测值分布图：反映测值沿空间分布情况 3.绘制成果相关图：反映测值和相关因素(水位、温度)关系、密切程度 4.对测值比较对照：与以前测值、历史特征值、同条件(水位、温度) 相邻点、其它监测项目比较； 与设计及试验值、安全控制值，以及预测值比较。 二、影响基本因素（分析测值变化规律及异常现象） 1.观测因素：误差分析 2.荷载因素：外力、温度、水位、地震、冰压力、泥沙压力等 3.结构因素：坝基(地质条件和基础处理情况) 坝体(坝尺寸、材料质量及特性、结构变化),第三节 监测资料的初步分析,监测资料分析的任务： 就在于通过具有一定精度的观测资料，认识大坝观测数值在空间分布和时间发展上的规律性，掌握它和各种内外因素的联系，从观测值的变化来考察和发现大坝结构的变化和异常现象，防止大坝结构的变化向不安全的方向发展到质变。,典型时间过程线,典型监测成果分布图,边坡位移分布图,坝体位移场分布图,测斜位移值分布,测斜变化值分布,典型测斜 成果分布图,库水位与渗压水头相关图,第三节 监测资料的初步分析,三、混凝土坝体温度 坝体混凝土温度场的变化会引起温度应力变化，直接影响坝体变形及强度，坝体混凝土温度资料是反映大坝工作条件的一项基本资料。 影响因素： 1）施工因素：混凝土入仓及温控措施； 2）外部边界条件：外部介质（水、气、地温及太阳辐射）温度影响； 3）砼热物理性能：外界热量传入与内部热量流出与砼热物理性能及几 何特性有关。 混凝土坝体温度分析包括： 温控效果是否满足设计要求(最高温度、最低温度、升温及降温速度、分布规律等），混凝土是否出现温度裂缝。,第三节 监测资料的初步分析,四、混凝土坝变形 混凝土坝变形一般分为： 水平位移、垂直位移、挠度、接缝开度、倾斜等。 变形原因有： 温度、水荷载、自重、基础变形、混凝土徐变、湿胀干缩、 地震力等。分析时一般归为三类： 荷载变形与库水位静水压力有关的弹性变形 温度变形与气温、水温和砼水化热等有关的温度变形 时效变形与水压和坝体自重有关的坝体、坝基时效变形,第三节 监测资料的初步分析,1）向下游的坝体弯曲变形 2）向下游转动的坝基坝体变形 3）向上游转动的坝基坝体变位 4）向下游的坝基坝体水平位移,1.荷载变形（静水压力引起的弹性变形）,第三节 监测资料的初步分析,2.坝体温度变形（可恢复变形） 不均匀温度分布可以分解为平均温度和温度梯度，温度变形相应地分为两部分。 重力坝上下游面的温度差或温度梯度的变化引起坝向上游或下游挠曲。冬季上游面的温度高于下游面的温度，坝向下游挠曲，而在夏季则相反；平均温度的变化则使坝在垂直方向发生变形。 平均温度会使拱坝拱环产生变形，夏季温度高，拱环伸张，产生向上游的变位；冬季相反，则向下游的变位。,第三节 监测资料的初步分析,3.时效变形（水压及自重引起） 由于混凝土的收缩、徐变以及基础岩体的软弱夹层和破碎带等在外荷载的作用下压实而引起的变形，它的特点是刚加荷时变化较大，以后即使荷载不增大，也要发生缓慢的变化，随时间增长而趋向稳定。如果荷载除掉，也不能恢复。 变形规律分析包括： 1）水平位移变化规律 2）垂直位移变化规律 3）接缝开合度变化规律,第三节 监测资料的初步分析,五、土石坝变形 坝身材料的自重作用下正常压缩，坝基沉降，以及坝体干缩或湿陷；或坝基因剪切破坏而变位。前几种原因为正常现象，最后一种原因则易导致坝体裂缝、局部破坏，甚至整体坍塌。 1.自重压缩变形 土体承压后将发生变形，并以水平及垂直位移同时发生的情况居多。一般土石坝受荷载后变形的规律为：上游面向上游位移，下游面向下游位移。,第三节 监测资料的初步分析,2.库水位引起的变形 库水位对土石坝变形影响很复杂，主要包括： 1）基础变形、 2）干湿变化影响有效应力、土的力学性质 3）渗透变形，管涌及流土,第三节 监测资料的初步分析,3.不均匀沉降变形 主要原因为坝体加荷及固结，但变形还与填土高度有关。 若因河谷地形及坝内建筑物或不同材料分区影响发生不均匀沉降，可能会产生坝的纵向或横向裂缝。,六、堆石坝变形 可分为沉降变形，向下游水平位移，以及由两岸向河谷中心侧向移动三种，主要由地基和堆石坝在水压力及堆石自重作用下产生。 据实测资料统计： a.堆石坝的总沉降值均为坝高的0.6%5%, 最大沉降值，一般发生在坝高的2/5处,沉降主要发生在水库最初运用的几年间。 b.由于水压力作用，堆石坝向下游方向的水平位移值约为垂直沉降值的0.51.0倍。堆石坝总的位移方向，大致与上游坝面相垂直或稍微向下偏斜。,第三节 监测资料的初步分析,第三节 监测资料的初步分析,七、渗流 1.坝基扬压力 影响因素：上、下游水位、坝基防渗条件（地质及帷幕、排水） 绘制过程线、分布图及相关图是分析扬压力随时间变化情况的常用方法。 扬压力变化特点：受库水位影响、变化滞后、变幅（上、下游部位与上、下游水位相近，中间部位下，且愈靠下游变幅越小）、与坝基地质和防渗条件有关。 2.坝体孔隙压力 影响因素：内因：坝体均匀渗透、不均匀渗透 外阴：上下游库水位、坝体混凝土温度（温高裂隙闭合、 温低裂隙张开）,第三节 监测资料的初步分析,3.坝体及坝基漏水 坝体和坝基都存在不同程度的漏水，长期漏水会造成溶蚀，削弱坝的强度、影响坝的寿命，漏水还可能导致机械管涌破坏坝的地基。 突然出现的大量漏水往往是坝破裂、错位的先兆，因此及时整理分析坝体及坝基漏水资料对于了解坝的渗透情况和阻水、排水系统的工作状况，及时发现隐患和为处理措施提供依据，都有重要的意义。 坝体及坝基漏水表现特征： 1）从上游坝面渗入坝体经坝体排水管排出的漏水； 2）经过基岩与坝体接触面以及透过基岩并绕过和穿过帷幕渗漏，再经坝基排水孔涌出的漏水； 3）沿着防渗处理不佳的横缝、水平浇筑缝及上游坝面串通的裂隙入渗，并以廊道或下游坝面渗出的漏水； 4）绕过坝底防、排水设施，从基岩排向下游的漏水； 5）绕过坝两端由岸坡岩石渗向下游的漏水。,影响因素： 1）外界：上、下游水位，气温，水温等 2）坝体及地基：渗透系数有关 3）防渗：坝基帷幕、齿墙、坝体防渗面层等 4）排水：自流排水、人工抽水 为了解坝体及坝基漏水的变化规律、分布情况与有关因素的关系，常绘制测值过程线、分布图和相关图，绘制和分析方法与扬压力相似。,第三节 监测资料的初步分析,第四节 监测资料定量分析 与数学模型,一、概述 大坝监控数学模型是利用大坝原因量及效应量的测值系列建立起来的具有一定的构造形式的数学模型，可以反映效应量与原因量之间的定量变化规律。 二、定量分析数学模型 1.大坝监测统计模型（对历史实测资料利用数理统计方法） 1）单点逐步回归分析模型 2）多测点分布逐步回归分析模型 2.大坝监测确定性模型（通过坝工理论构造确定性关系，利用实测值统计分析实现计算假定和参数的合理调整，建立因果关系数学模型） 3.大坝监测混合模型（以上两者综合，即对于那些与效应量关系明确确定性模型；反之统计模型）,第五节 混凝土应力应变分析,一、概述 混凝土应力应变观测的目的是了解坝体的实际的应力分布，寻找最大应力（拉、压应力和剪应力）的位置、大小和方向，以便估计大坝的强度安全程度，为大坝的运行和加固维修提供依据。 混凝土变形的组成：,-应力引起的瞬时应变；,-混凝土的徐变应变；,-温度变化引起的应变；,-湿度变化引起的应变；,-混凝土自生体积变形。,自生体积变形： 混凝土在恒温（20）绝湿条件下，由胶凝材料的水化作用引起的体积变形，一般在（20100）10-6 范围内 （ 90d ）。,第五节 混凝土应力应变分析,二、无应力计分析 大坝混凝土在不受外力作用时发生的变形称为自由体积变形，主要包括由于温度变化引起的热胀冷缩变形、湿度变化引起的湿胀干缩变形,以及水泥水化作用引起的自生体积变形。 无应力计监测目的用于测定大坝混凝土的自由体积变形。 利用无应力计资料计算混凝土温度线膨胀系数（51310-6/ ） ： 1.利用无应力计应变与温度关系过程线(降温段)。 2.利用无应力计应变和温度相关曲线（取直线段）。 3.统计模型分析。,第五节 混凝土应力应变分析,无应力计监测成果分析实例,第五节 混凝土应力应变分析,三、混凝土实际应力计算 1.混凝土弹模及徐变试验资料处理 2.应变计组平衡计算 应变计组测值过程线检查（见后图）： 测值粗差、测值规律性、点温度条件、点应变条件检查 应变计组平衡检查： 粗差修正或剔除、仪器损坏按平面退化处理。 不平衡量过大，可能与砼骨料、埋设等原因有关。 3.复杂应力状态换算单轴应变（扣除无应力应变） 4.由单轴应变计算正应力 5.计算剪应力 6.复杂应力状态下主应力计算,应变计组测值过程线检查实例,第六节 监测资料的反分析,一、概述 1.正、反分析的定义 正分析：给定材料参数和荷载，通过计算求出结构的效应量。 反分析：根据建筑物施工期和运行期实测的变位、应力、温 度、水头等，反过来推算材料参数和荷载。 2.反分析的特点 1）已知的实测效应量是各种因素的综合反映； 2）反分析的计算量通常很大。 3.反分析注意掌握的原则 1）抓住主要因素，尽可能忽略次要因素； 2）尽可能把众多因素分割开来进行反分析； 3）细致分析具体条件，尽量减少反分析的未知量； 4）慎重选择本构模型。,第六节 监测资料的反分析,二、位移场反分析 根据实测位移结合有限元进行反分析，求出坝体和基岩的弹模和泊松比。 三、温度场反分析 温度场、导温系数、导热系数、表面散热系数、 混凝土绝热温升()，以及混凝土线膨胀系数等反分析。 四、渗流场反分析 为了解建坝后岩体（或土石坝）大范围的渗流场的变化，还需要知道大范围内的渗透系数。利用钻孔水位观测资料，通过渗流场反分析，可推算范围内的渗透系数。,第七节 综合分析与大坝安全评价,一、概述 意义：为获得对大坝真实工作性态的认识，达到监控大坝安全、指导运行维护的目标，必须在充分掌握有关基础性资料的基础上，采用适当的工具和方法进行“去伪存真、去粗取精、由表及里、由此及彼”的综合分析。 条件：综合分析前首先对单测点测值提供的信息最大程度的定量化，关键是确定其趋势性变化是稳定或趋于稳定、以一定速率发展、还是加速发展，确定监测量的数据异常。 对象：综合分析的对象包括对同一项目多个测点监测值的综合分析，对同一个部位多种监测项目的综合分析，同一建筑物各个部位监测成果的综合分析。 目标：辨别监测量的数据异常，排除仪器系统的异常，确定结构异常现象及异常程度。,趋势性分析曲线,加速,匀速,减速,第七节 综合分析与大坝安全评价,二、各类水工建筑物重点分析内容 1.混凝土坝 1）坝基、坝肩稳定状态（变形、渗流）； 判断：坝基、坝肩稳定性，缓倾角软弱地质条件稳定情况。 2）坝体强度性状（变形、应力）； 判断：坝体强度、刚度和整体情况。 3）坝体耐久性。 2.土石坝 1）渗透稳定性态（孔隙水压力、浸润线、渗漏水）； 判断：心墙等防渗体的渗透稳定状态。 2）结构稳定性态（水平、垂直位移、孔隙水压力、外表检查）。 判断：是否可能发生整体或部分剪切破坏。,第七节 综合分析与大坝安全评价,二、各类水工建筑物重点分析内容 3.边坡 1）边坡表层、深层变形 2）边坡内地下水位、渗压力、排（渗）水量 3）边坡锚固受力状态 4）爆破或地震动力作用（岩体质点振动速度、加速度及动 应变等） 判断：高边坡岩体稳定状态。 4.地下洞室 1）围岩变形、渗压 2）围岩加固受力状态 3）砼衬砌应力应变及裂缝,第七节 综合分析与大坝安全评价,三、不同阶段分析评价重点 1.首次蓄水阶段（水库开始蓄水至设计正常蓄水位为止）； 2.水库开始蓄满，大坝显示稳定运行阶段（2年左右）； 3.大坝达到稳定状态后的阶段（大坝正式运行阶段）； 4.大坝处于老化阶段（4050年后）。 不同的运行阶段通过资料分析所要认识的问题是不同的，相应的分析方法及内容都需要做一定的调整，例如，首次蓄水期间观测资料难以建立有效的监控数学模型，此时，采明设计允许值作为检查监测量正常与否的主要指标。,大坝风险概率过程,“浴盆曲线”,第七节 综合分析与大坝安全评价,四、大坝工作性态评价 1.正常状态； 大坝（或监测的对象）达到设计要求的功能，不存在影响正常使用的缺陷，且各主要监测量的变化处于正常情况下的状态。 2.异常状态； 大坝（或监测的对象）的某项功能已不能安全满足设计要求，或主要监测量出现某些异常，因而影响正常使用的状态。 3.险情状态； 大坝（或监测的对象）出现危及安全的严重缺陷，或环境中某些危及安全的因素正在加剧，或主要监测量出现较大异常，因而按设计条件继续运行将出现大事故的状态。,第八节 大坝安全监控,一、概述 设计上对大坝安全运用的控制手段，主要是规定特征水位（如正常蓄水位、设计洪水位、校核洪水位等）和与之相组合的有关荷载条件（如地震烈度、浪压力、淤沙高程等），并保证在发生规定的荷载组合情况下，坝的稳定性和强度将满足一定标准的安全要求。 坝建成后虽然在设计控制水位以下运用，并不能排除出现不正常、不安全问题的可能性，反之，坝在设计控制水位以上运用时，也可能仍处于正常状态。说明建成后的坝仅用水位来控制安全是不够的， 所以说，坝建成后的安全监控要在设计认识的基础上更深入地联系到坝的真实工作状态来进行，它比设计控制更准确、更细致、更有效。,大坝安全监控的复杂性,1.大坝本身的复杂性 2.监控手段的局限性 3.现有坝工技术水平的限制 4.真实极限指标难以确定 5.监控（诊断）系统,第八节 大坝安全监控,二、第一次蓄水期的安全监控 分析研究的方法：以经验为主的定性分析，借助于监测值的过程线、分布图、相关图及成果表来作解释、对比、判断。 分析研究的主要项目：变形及渗流。 三、运行期的定期安全检查鉴定 对设计、施工及运行状况评价，确定正常坝、病坝、险坝状态。 对坝定期进行全面综合的检查评价，已成为世界各国监控大坝安全的一项重要手段和有效措施。 四、大坝安全监控指标（设计监控指标与运行监控指标） 大坝安全监控指标是对已建坝的荷载或效应量所规定的安全界限值。目的是在大坝运行管理中，实现在线监控与预警。 现行规范中提出，运行期“宜定期根据实测资料建立数学模型，提出或调整运行监控指标”的一般要求。,大坝安全监控指标,1.监控指标的对象选择： 原则 控制性项目 代表性测点 项目选择 变形 坝基扬压力/渗透压力/渗流量 应力,大坝安全监控指标,2.监控指标分类： 1）设计监控指标 ： 按设计规范要求所制订的大坝安全界限的指标，可视为先验标准，如：重力坝扬压力系数 2）运行监控指标： 根据监测量与环境量间的物理关系，结合以往测值变化范围和规律所制订的大坝正常界限的指标，可视为后验标准。,大坝安全监控指标,3. 设计监控指标的拟定 1）强度(允许应力大于实际应力) 2）稳定(结构抗力与稳定安全系数比值大于滑动力) 3）可靠度理论(抗力大于荷载效应为可靠概率),4. 运行监控指标的拟定与应用 1）综合对比法 监测量数值大小、变化范围、变化幅度是否符合历史测值的情况和变化规律，时效变化部分的趋势、量值大小及变化速度是否显现出结构或地基的异常变化。 2）数学模型法 作为监控指标基础的数学模型式应能较全面、准确地反映监测量自身变化或与有关因素的关系。 模型超界与模型调整,大坝安全监控指标,谢谢！ 欢迎批评指正。,