淺談安全監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李有根

(中國水利水電第七工程局有限公司科研設(shè)計(jì)院，四川成都 611730)

1 概述

鑒于水電工程的重要性，對其實(shí)施安全監(jiān)測十分重要。筆者詳細(xì)介紹了安全監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)置的目的、資料的確定、系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、儀器的選擇與埋設(shè)，自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、資料的搜集、整理分析與反饋，旨在強(qiáng)調(diào)安全監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)置的重要性。

2 安全監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)置安全監(jiān)測系統(tǒng)的目的

工程安全監(jiān)測設(shè)計(jì)是整個(gè)工程設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要組成部分，必須與其它設(shè)計(jì)一樣，要努力去做，精心設(shè)計(jì)并盡量做到優(yōu)化設(shè)計(jì)。由于目前人們對建壩所需要研究的地質(zhì)條件、水文情況、自然環(huán)境因素的影響、水流的耗損作用等在認(rèn)識上尚有一定的局限性;加之大壩下游常有人煙稠密、經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的地區(qū)，一旦發(fā)生不測，損失慘重。大壩及其他水工建筑物的安全性尤其重要，對大壩及其它水工建筑物運(yùn)行性狀進(jìn)行監(jiān)測，就成為保證其安全運(yùn)行所必備的措施。

監(jiān)測的主要目的是確定工程是否處于預(yù)計(jì)的狀態(tài)，也可能是施工控制、診斷不利事件的特性、檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的合理程度、證明施工技術(shù)的適應(yīng)程度、檢驗(yàn)長期運(yùn)行的性能并要達(dá)到下面三個(gè)目的:

(1)為了短期(水庫第一次蓄水)和長期水工建筑物統(tǒng)一體的安全，對其運(yùn)行性狀進(jìn)行監(jiān)測。

(2)為了提高設(shè)計(jì)水平，應(yīng)將實(shí)際狀況與設(shè)計(jì)預(yù)測的結(jié)果進(jìn)行對比。

(3)掌握施工過程中水工建筑物的實(shí)際性狀，據(jù)以修改、補(bǔ)充設(shè)計(jì)或施工技術(shù)方案。

要達(dá)到第一個(gè)目的，首先要能準(zhǔn)確、及時(shí)地提出監(jiān)測資料，特別是要能夠及時(shí)檢測出反常的性狀。完成第二、三個(gè)目的所要求的任務(wù)，必須要由有經(jīng)驗(yàn)的工程技術(shù)人員掌握一個(gè)比較符合實(shí)際的設(shè)計(jì)模型或預(yù)報(bào)模型，通過預(yù)測與實(shí)測的對比來檢驗(yàn)和判斷設(shè)計(jì)所采用的參數(shù)和假設(shè)與實(shí)際相差的程度并做出相應(yīng)的修改、補(bǔ)充，以達(dá)到提高設(shè)計(jì)和施工水平的目的。

設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)按照建筑物的永久性和臨時(shí)性，永久性建筑物中的主要和次要建筑物，分級別、作用及荷載情況等確定監(jiān)測設(shè)計(jì)。鑒于以上情況，對于設(shè)計(jì)基本資料的確定、儀器選擇、儀器埋設(shè)、資料的采集、處理解釋和管理各方面應(yīng)綜合考慮，精心安排;盡量利用當(dāng)今一切先進(jìn)可靠的技術(shù)手段，加速專用硬件和軟件的開發(fā)，逐步實(shí)現(xiàn)聯(lián)機(jī)實(shí)時(shí)的自動(dòng)化監(jiān)測和及時(shí)定量的安全監(jiān)控。從近幾年一些國家大壩監(jiān)測技術(shù)發(fā)展趨勢看，有下面一些重點(diǎn)和特點(diǎn)。

2.2 安全監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)資料的基本確定

(1)工程形式、工程規(guī)模、使用年限、幾何形狀、尺寸及邊界條件。

(2)地質(zhì)條件及工程技術(shù)特點(diǎn)。

(3)環(huán)境條件。水文氣象、生命財(cái)產(chǎn)危險(xiǎn)性、附近建筑物或其他設(shè)施的狀況。

(4)巖土體物理力學(xué)性質(zhì)和地應(yīng)力狀態(tài)。

(5)施工方法和程序、各種結(jié)構(gòu)的類型。

(6)工程前期試驗(yàn)資料、模擬計(jì)算成果、結(jié)構(gòu)布置形式。

(7)確定安全監(jiān)測參照模型。

(8)預(yù)測工程的運(yùn)行性能，通過預(yù)選定的儀器量程及精度，確定儀器定位和定向依據(jù)。

2.3 安全監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

(1)監(jiān)測布置應(yīng)該把大壩及基礎(chǔ)作為一個(gè)單元綜合考慮。要加強(qiáng)對基礎(chǔ)及壩肩巖體的變形觀測和滲流觀測。

(2)監(jiān)測工作包括資料的量測采集、資料的處理、解釋和管理，以及現(xiàn)場的巡視檢查。因此，監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)包括資料量測系統(tǒng)和資料管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，還要對現(xiàn)場巡視檢查所需要的條件作出設(shè)計(jì)和安排。

(3)監(jiān)測系統(tǒng)必須具有快速反應(yīng)能力和應(yīng)變能力，能適應(yīng)不同階段和不同條件下監(jiān)測工作的需要。

(4)壩體及基礎(chǔ)的位移監(jiān)測傾向于以正倒垂線與引張線相結(jié)合組成整體觀測系統(tǒng)，輔以靜力水準(zhǔn)儀、滑動(dòng)測微計(jì)、鉆孔測斜儀、多點(diǎn)位移計(jì)等儀器量測壩體轉(zhuǎn)動(dòng)和基礎(chǔ)變形。同時(shí)，在壩體外圍布設(shè)多級控制網(wǎng)，以觀測和控制壩體兩岸的整體位移。

(5)對于混凝土壩，應(yīng)變計(jì)只用在一些部位。關(guān)于滲漏量測，重要的是將一個(gè)有效的排水系統(tǒng)與這些儀表相結(jié)合。

2.4 儀器的選擇和儀器埋設(shè)

(1)儀器的可靠性、穩(wěn)定性、準(zhǔn)確度、精密度、靈敏度和分辨力等必須滿足監(jiān)測的要求。

(2)儀器的量程和精度必須滿足監(jiān)測要求。

(3)儀器的元器件應(yīng)長期耐用，運(yùn)行可靠，能使用于惡劣的環(huán)境。

(4)更多地選用在空間和時(shí)間上能連續(xù)量測的儀器，如可沿深度連續(xù)量測位移的滑動(dòng)測微計(jì)。

(5)定位放樣、土建施工、儀器檢驗(yàn)率定與試安裝、觀測電纜的敷設(shè)、安裝埋設(shè)記錄必須嚴(yán)格按正確的方法進(jìn)行，以保證埋設(shè)后的儀器運(yùn)行可靠。

2.5 自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)自動(dòng)化系統(tǒng)的目的是組裝一個(gè)具有靈活性的定性監(jiān)測系統(tǒng)，就其組件和功能而言，它能夠適應(yīng)各種特定的實(shí)際情況，因?yàn)楸O(jiān)測系統(tǒng)的測點(diǎn)多、儀器種類多、面積大、周期長、人工觀測同步性差，在緊急情況下不能連續(xù)完成數(shù)據(jù)采集。在設(shè)計(jì)和建立自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)時(shí)，要注意以下事項(xiàng):

(1)經(jīng)濟(jì)比較要放在首要位置，要考慮功能價(jià)格比。

(2)自動(dòng)觀測儀器的選擇及其在建筑物上的布置，必須適應(yīng)自動(dòng)化聯(lián)網(wǎng)和采集系統(tǒng)的統(tǒng)一性。對每個(gè)儀器要進(jìn)行性能和可靠性試驗(yàn)。

(3)采集網(wǎng)絡(luò)的選擇可根據(jù)需要執(zhí)行掃描的儀器數(shù)量和位置進(jìn)行，網(wǎng)絡(luò)既可以集中，也可以分散。

(4)在計(jì)算機(jī)上完成的比較模型要通過適當(dāng)?shù)淖C實(shí)后方能開始正常使用。

(5)裝置必須加以保護(hù)，以防可能損害其功能的電磁場等的干擾。

(6)系統(tǒng)應(yīng)具有多功能的硬、軟件，能兼容各種傳感器，并能與工程中其他自動(dòng)化設(shè)備聯(lián)網(wǎng)，且數(shù)據(jù)、信息共享。

(7)系統(tǒng)應(yīng)有操作靈活的數(shù)據(jù)庫群，其中包括:觀測儀器測點(diǎn)特點(diǎn)、觀測數(shù)據(jù)庫、工程檔案數(shù)據(jù)圖形庫、人工巡檢數(shù)據(jù)信息庫、數(shù)學(xué)模型及其參數(shù)庫、環(huán)境參量及其他輔助數(shù)據(jù)庫。

(8)系統(tǒng)應(yīng)具有人工觀測接口，以便在系統(tǒng)完建之前或發(fā)生故障時(shí)進(jìn)行人工補(bǔ)測。系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)又可進(jìn)行校測。

(9)系統(tǒng)要有離線輸入口，機(jī)械式測量和人工觀測數(shù)據(jù)可用鍵盤輸入。

(10)系統(tǒng)對同一工程的各建筑物的重要信息能夠?qū)崿F(xiàn)聯(lián)機(jī)實(shí)時(shí)的安全監(jiān)控，以便得到恰當(dāng)、可靠的安全評價(jià)和預(yù)測。

(11)系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具有人工智能特性，即以仿真模擬專家對工程的運(yùn)行狀況作出綜合評價(jià)和決策的知識庫為核心，綜合應(yīng)用最新成果，建立具有多種功能的方法庫，結(jié)合數(shù)據(jù)庫和圖形庫，利用推理求解公式，對工程安全狀況進(jìn)行綜合評估和輔助決策，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測工程安全狀態(tài)、綜合評估工程安全、反饋控制運(yùn)行、緊急防范決策以及及時(shí)反饋設(shè)計(jì)、施工等目標(biāo)。

2.6 資料的搜集、整理分析和反饋

要使安全監(jiān)測系統(tǒng)起到監(jiān)測安全的作用，一是根據(jù)已掌握的大壩及其基礎(chǔ)的性狀定期進(jìn)行監(jiān)測，及時(shí)發(fā)現(xiàn)反常現(xiàn)象;二是及時(shí)處理搜集到的各項(xiàng)監(jiān)測資料，及時(shí)對所揭露出來的大壩及基礎(chǔ)性狀的信息作出解釋，一旦確認(rèn)出現(xiàn)異常性狀，立即報(bào)告給主管部門，以便迅速采取干預(yù)措施，確保大壩安全。

2.6.1 監(jiān)測資料的搜集

監(jiān)測資料的搜集包括監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集、人工巡視檢查的實(shí)施和記錄、其他相關(guān)資料搜集三部分。主要包括以下內(nèi)容:

(1)詳細(xì)的監(jiān)測數(shù)據(jù)記錄、觀測環(huán)境的說明、與觀測同步的氣象、水文等環(huán)境資料及水位等運(yùn)控資料。

(2)監(jiān)測儀器設(shè)備及安裝的考證資料。監(jiān)測設(shè)備的考證表、監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)、施工詳圖、加工圖、設(shè)計(jì)說明書、儀器規(guī)格和數(shù)量、儀器安裝埋設(shè)記錄、儀器檢驗(yàn)和電纜聯(lián)接記錄、竣工圖、儀器說明書及出廠證明、觀測設(shè)備的損壞和改裝情況、儀器率定資料等。

(3)現(xiàn)場觀察巡視資料。大壩和壩基按大壩安全監(jiān)測規(guī)范開展的現(xiàn)場巡視檢查記錄、報(bào)告及有關(guān)資料;地下洞室監(jiān)測應(yīng)有與監(jiān)測同步的觀察巡視記錄資料，重點(diǎn)是儀器埋設(shè)位置附近及掌子面附近的地質(zhì)調(diào)查、支護(hù)狀況的觀察資料等。

(4)監(jiān)測與工程有關(guān)的設(shè)計(jì)資料及監(jiān)測儀器附近的施工資料。

(5)設(shè)計(jì)、計(jì)算分析、模擬實(shí)驗(yàn)、前期監(jiān)測工作提出的成果報(bào)告、技術(shù)警戒值、安全判斷依據(jù)及其他技術(shù)指標(biāo)和文件資料。

(6)有關(guān)工程的類比資料、規(guī)程規(guī)范及有關(guān)文件等。

2.6.2 觀測資料的處理和分析

(1)數(shù)據(jù)的可靠性檢查。觀測資料是大壩及基礎(chǔ)性狀的真實(shí)反映，包含了大壩及基礎(chǔ)性狀施工狀態(tài)和運(yùn)行狀態(tài)的很多寶貴信息。但原始觀測資料也含有誤差和錯(cuò)誤(可分為隨機(jī)誤差和系統(tǒng)誤差)，觀測資料只有在消除了顯見的錯(cuò)誤和各種誤差之后，方可用作進(jìn)一步的處理和分析。

(2)觀測資料的規(guī)律性分析。目前，除了使用一般的列表和繪制過程線方法外，已廣泛使用曲線擬合方法，以求得對某一測量資料的數(shù)學(xué)描述，并對觀測資料進(jìn)行趨勢分析。通常使用的分析方法有4種:一是定性常規(guī)分析方法。如比較法、作圖法、特征值統(tǒng)計(jì)法和測值因數(shù)分析法等;二是定量的數(shù)值計(jì)算方法。如統(tǒng)計(jì)分析法、有限元分析法、反分析方法等;三是數(shù)學(xué)物理模型分析方法。如統(tǒng)計(jì)分析模型、確定性模型和混合性模型等;四是應(yīng)用某一領(lǐng)域?qū)I(yè)知識和理論的專門性理論方法。如邊坡和地下工程中常用的巖體結(jié)構(gòu)分析法。

(3)觀測資料的解釋和預(yù)報(bào)。由于觀測資料分析工作的深入和安全評價(jià)的需要，監(jiān)測資料分析正從單純的數(shù)據(jù)解釋向預(yù)報(bào)發(fā)展。而正確的預(yù)報(bào)模型來源于對觀測數(shù)據(jù)的科學(xué)解釋。

(4)反饋分析。為了解決施工設(shè)計(jì)中所面臨的工程問題，包括本工程存在的、迫切需要解決的技術(shù)困難和同類工程中普遍存在的技術(shù)問題。原型觀測資料是大壩及基礎(chǔ)實(shí)際性狀的反映，通過對原設(shè)計(jì)模型的反饋，可以求得更符合實(shí)際的物理參數(shù)，從而對原設(shè)計(jì)方案提出評價(jià)和改進(jìn)意見，供設(shè)計(jì)、施工部門使用。

2.6.3 監(jiān)測資料的管理

由于計(jì)算機(jī)的普遍使用，已有許多單位采用微型機(jī)作數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，并復(fù)制出各種成果報(bào)表和曲線。各自建立了包括監(jiān)測資料的存儲、管理、分析、制表、作圖等功能在內(nèi)的離線管理分析系統(tǒng)，其主導(dǎo)思想是將數(shù)據(jù)庫、管理系統(tǒng)和分析處理程序緊密相結(jié)合，既便于數(shù)據(jù)管理，又避免了分析軟件和數(shù)據(jù)的重復(fù)調(diào)用，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)處理、解釋、存儲管理的自動(dòng)化。

3 結(jié)語

只有認(rèn)真、細(xì)致地進(jìn)行安全管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)并付諸實(shí)施，才有可能并保證工程設(shè)施的安全穩(wěn)定。