基于全壽命周期的大壩安全監測分析

趙 妮

（新疆水利水電規劃設計管理局，新疆 烏魯木齊 830000）

1 大壩運行特性

由于大壩結構各異，施工規模宏大，運行條件特殊，承受荷載復雜，從勘測設計到施工建成經過的程序和環節非常多，因此與一般的土木工程相比，有其特殊性[1]。

首先，大壩的獨特之處在于其使用壽命一般較長，尤其是大型水工程的結構服役期要求為100年甚至更長，而使用周期約為其整個壽命的90%以上。由于各類內因及外因的影響，尤其是在外因作用下，大壩的各項功能、性能必將發生巨大的改變。

其次，大壩的重要性還在于它不僅是一個建筑物，更是水利工程能夠順利運行的唯一屏障。若大壩安全得不到保障，無法正常運行，水庫無法蓄水，則所有的功能都無法體現。

最后，壩工理論雖然經過多年的發展，已基本成熟，但某種程度上，大壩仍然屬于經驗型工程，通過技術規范、模型試驗以及數值計算等方法設計建成的大壩，必須經歷實際運行的檢驗，而大壩建成后無法進入壩體內部進行詳細檢查，只能通過埋入壩體的監測儀器，并結合外部表觀的檢查才能對其安全狀態進行評價。

2 大壩安全監測現狀

2.1 儀器設備

目前，國內已建、在建的大中型水利水電工程，以常規儀器為主要監測手段。新的儀器不斷研制，并得到了一些應用。如大壩CT技術、GPS變形測量系統、分布式光纖測溫系統、光纖光柵儀器、水下監測技術等。進口儀器質量可靠，長期穩定性好，適用于大型工程或一般工程重點部位，但價格昂貴；雖然國內大型儀器廠家都有各自的專長，但技術開發和設備更新還有待提高。

2.2 設計

隨著監測設計水平不斷提高，大多數工程的安全監測設計，重點突出、項目全面，儀器選型和布置合理，監測方法可靠，能夠監控主要水工建筑物的運行狀況。另外，大部分設計院設有專門的監測設計室或專業的設計人員，設計成果能夠滿足工程需要。但設計院的水平參差不齊，少數設計院沒有專業的監測設計人員，存在設計照搬其他工程的現象，造成設計方案不能完全達到預期。由于大壩安全關乎社會、人民群眾的生命財產安全，不容忽視，建議從事大壩設計的單位均應設置相關專業處室及一定資歷的設計研究人員，以便更好地做好監測工作。

2.3 施工

三峽、洪家渡、龍灘、小灣等大型或巨型工程監測系統的成功建立，表明我國監測工程的施工已達到了較高的水平，監測項目部也由原來的小組管理逐步提升至項目管理的高度，質量、進度、成本等管理要素已納入監測項目管理的范疇。

施工隊伍技術水平參差不齊，技術人員經驗和水平良莠不齊。即使是專業的施工單位，也嚴重缺乏有經驗的專業人員和技術骨干，這就造成很多工程儀器安裝埋設質量低，完好率得不到保證，觀測資料長期積壓，沒有及時處理分析和評價。

大多數業主對安全監測的重要性認識不夠。往往是在工程前期忽略對監測儀器的保護，蓄水后又急切希望能夠通過有限的完好儀器獲得足夠多的監測數據。安全監測工程投資普遍偏低，挫傷了承包商的積極性，嚴重影響到安全監測工程質量及其效益目標的實現。

2.4 觀測及自動化

在可行性研究階段，大部分工程已為自動化的實施做了考慮，并在儀器選型和測站布置等方面為監測自動化做足準備。近期已建工程大多在工程竣工后兩年左右開始實施監測自動化，20世紀90年代前建設的工程大多也進行了自動化改造，總體來講，前期設計準備充足的工程，自動化程度均較高。自動化采集及數據分析軟件研制開發趨于成熟，很多廠家為自動化系統研制了專門的軟件，但軟件普遍存在通用性不強，分析成果不易識別等問題[2]。未實施自動的監測項目，由人工進行觀測。

2.5 資料分析和理論研究

施工期監測資料的分析，主要以定性分析為主，大多工程的監測資料能為主體工程的施工提供及時準確的數據[3]。大多數工程的監測資料分析報告，局限于監測數據的羅列，未能提高至工程整體安全的高度，結合工程設計、地質、計算成果等進行全面綜合的評價。雖然目前已經形成了較為系統的安全監控理論，一些數學模型的開發為實現大壩安全監控的多元化開辟了新的途徑，但還沒有取得突破性進展，仍處于理論研究階段，沒有達到實用的程度。

3 基于全壽命周期的大壩安全監測

國內已出版的多本監測技術專著及規范，一致認為大壩安全監測主要有三個目的：一是為施工及施工期服務，部分檢驗施工質量和指導施工；二是為大壩的安全運行提供保障；三是為設計和科研服務。

從全壽命周期角度考慮，大壩安全監測應該是全過程監測，應以滿足大壩運行期需求為最終目標，定期做好大壩安全監測工作；滿足施工服務的監測，應與永久監測分開，考慮設置臨時監測設施；以滿足為設計和科研服務的監測，更要設立專項的科研監測，以工程科研為出發點有針對性地開展工作。

基于全壽命周期的大壩安全監測的定義為：從可行性研究階段到大壩進入長期運行、直至廢除或重建，涉及到大壩安全監測相關的單位和個人，為達到準確而有效的了解、分析及評價大壩安全的目的，而開展的相關生產活動（見圖1）。其內涵在于及時判斷“物的不安全狀態”；其外延表現在大壩的壽命，即為安全監測工作的時間，參建各方的利益和需求有差異，但目標一致；基于全壽命周期的大壩安全監測對工程參建各方均有更高的要求。

圖1 大壩全壽命周期時間歷程

3.1 可行性研究階段

可行性研究階段是全壽命周期的開始，設計單位起重要的作用，往往可行性研究階段以建筑物設計為主，監測設計處于次要位置。設計人員除了嚴格按照規范選定監測項目、布設監測儀器外，還應考慮工程實際情況，對特殊建筑物的監測，進行針對性的設計；同時，考慮到施工及運行期儀器可能存在一定數量的損耗，不宜選擇規范規定的最小數量和最少項目，可對重點項目的重點部位適當增加儀器；另外，對于中型以上水庫，應將監測自動化系統設計包含在內。

在可行性研究審查階段，對審查單位提出的增加斷面和儀器應予以接受，對審查單位提出的減少項目或儀器應適時解釋，說明設計意圖及目的，避免在招標和施工階段出現沒有考慮全面的現象。

3.2 招標階段

一般情況下，工程進入招標階段，基本由建設單位負責組織，通常有以下幾種形式：監測工程包含在土建施工標中；監測單獨招標；設備采購、儀器埋設及施工期觀測分開招標；將監測項目劃分為幾個標；或者上述4種形式的組合。需要說明的是，大壩安全監測工程不同于一般的施工標，它是設備采購標、設備安裝標、施工標以及技術咨詢服務的綜合體。

由于監測工程總體造價在整個建安費用中比例很小，但仍需引起建設單位的重視，畢竟監測工程標段不僅涉及到儀器的采購、埋設等因素，而且對工程本身的影響較大。

3.3 施工階段

在施工階段，監測工程基本上沒有獨立的工作面，大部分都隨主體的進度而逐步開展，而監測設施的施工質量直接決定了儀器設備的完好率。因此，監測設備施工單位，應當對儀器設備的采購、檢驗、率定、安裝、保護及觀測等各個環節的質量嚴格控制。同時，監理單位應當配備有經驗的監理工程師，按照《大壩安全監測系統施工監理規范》的要求，對監測工程實施質量進行全程有效的監控。建設單位在施工階段對監測工程的重視程度，對工程的完好性也有很大的影響。設計單位根據現場施工情況，對監測布置做出及時的調整或補充，能夠彌補可行性研究或招標階段的不足。總之，為保證施工正常順利進行，施工階段需要參建各方通力配合。

3.4 首次蓄水期

首次蓄水階段，由于要經歷安全鑒定、蓄水驗收等程序，基本上能將監測作為重點的檢查項目之一，此時，在前期及施工過程中存在的問題，已經能夠逐步暴露出來。相關規定要求，蓄水驗收應具備的條件是監測工程施工基本完成并投入正常運行，并已測得初始值和施工期觀測值。個別工程對其理解不夠，在蓄水驗收前，所有儀器均取得了初始值，但蓄水后，就沒有再繼續觀測了，結果，首次蓄水過程中最重要的監測數據沒有記錄，造成的損失已無法彌補。

實際上，首次蓄水對大壩和監測系統都是一次重要考驗，根據多個工程經驗，在首次蓄水期間，管理單位要特別重視，做出詳細監測計劃，參建各方分工協作，嚴格按照規范或設計的要求進行觀測，對觀測資料應及時進行整編分析，保證取得完整的首次蓄水監測資料。

3.5 運行期

根據水利部對全國近3000座水庫大壩安全監測情況進行的調查分析[4]，在日常監測、設施技術、維護維修、更新改造等方面，特大型和大型水庫較好，中型水庫50%的以上存在不同的問題，而小型水庫大多沒有建立相對完整的監測系統。

因此，中小型水庫的運行管理單位應當引起重視，采用打包管理、打包設計和委托有資質的單位承擔相應的日常監測，以及承擔監測系統工程運行維護，是小型水庫安全監測可供考慮的思路，通過技術人員培訓、交接運行、自行實施等方法主動承擔也是可行的。

4 結語

大壩的安全運行事關人民福祉，規范大壩安全監測是了解大壩狀態的有效手段，因此以大壩全壽命周期的安全監測要做到：一是從大壩全壽命周期考慮，大壩安全監測應該以滿足大壩運行期的需求為最終目標，在工程建設中，參建各方均應擔負起相應的責任才能保證大壩安全退役。二是在今后的理論研究中，應逐步過渡到理論研究和具體實踐相結合，用理論指導實踐，用實踐檢驗理論，相互驗證才能保證大壩健康運行。三是在大壩運行期，不間斷的監測、維修、養護等工作也是一項重要任務，這樣才能使大壩更好地造福于民。