基于全壽命周期的大壩安全監(jiān)測分析

趙 妮

（新疆水利水電規(guī)劃設(shè)計管理局，新疆 烏魯木齊 830000）

1 大壩運行特性

由于大壩結(jié)構(gòu)各異，施工規(guī)模宏大，運行條件特殊，承受荷載復雜，從勘測設(shè)計到施工建成經(jīng)過的程序和環(huán)節(jié)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(jié)構(gòu)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(nèi)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(fā)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(xiàn)。

最后，壩工理論雖然經(jīng)過多年的發(fā)展，已基本成熟，但某種程度上，大壩仍然屬于經(jīng)驗型工程，通過技術(shù)規(guī)范、模型試驗以及數(shù)值計算等方法設(shè)計建成的大壩，必須經(jīng)歷實際運行的檢驗，而大壩建成后無法進入壩體內(nèi)部進行詳細檢查，只能通過埋入壩體的監(jiān)測儀器，并結(jié)合外部表觀的檢查才能對其安全狀態(tài)進行評價。

2 大壩安全監(jiān)測現(xiàn)狀

2.1 儀器設(shè)備

目前，國內(nèi)已建、在建的大中型水利水電工程，以常規(guī)儀器為主要監(jiān)測手段。新的儀器不斷研制，并得到了一些應(yīng)用。如大壩CT技術(shù)、GPS變形測量系統(tǒng)、分布式光纖測溫系統(tǒng)、光纖光柵儀器、水下監(jiān)測技術(shù)等。進口儀器質(zhì)量可靠，長期穩(wěn)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(nèi)大型儀器廠家都有各自的專長，但技術(shù)開發(fā)和設(shè)備更新還有待提高。

2.2 設(shè)計

隨著監(jiān)測設(shè)計水平不斷提高，大多數(shù)工程的安全監(jiān)測設(shè)計，重點突出、項目全面，儀器選型和布置合理，監(jiān)測方法可靠，能夠監(jiān)控主要水工建筑物的運行狀況。另外，大部分設(shè)計院設(shè)有專門的監(jiān)測設(shè)計室或?qū)I(yè)的設(shè)計人員，設(shè)計成果能夠滿足工程需要。但設(shè)計院的水平參差不齊，少數(shù)設(shè)計院沒有專業(yè)的監(jiān)測設(shè)計人員，存在設(shè)計照搬其他工程的現(xiàn)象，造成設(shè)計方案不能完全達到預期。由于大壩安全關(guān)乎社會、人民群眾的生命財產(chǎn)安全，不容忽視，建議從事大壩設(shè)計的單位均應(yīng)設(shè)置相關(guān)專業(yè)處室及一定資歷的設(shè)計研究人員，以便更好地做好監(jiān)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(jiān)測系統(tǒng)的成功建立，表明我國監(jiān)測工程的施工已達到了較高的水平，監(jiān)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(zhì)量、進度、成本等管理要素已納入監(jiān)測項目管理的范疇。

施工隊伍技術(shù)水平參差不齊，技術(shù)人員經(jīng)驗和水平良莠不齊。即使是專業(yè)的施工單位，也嚴重缺乏有經(jīng)驗的專業(yè)人員和技術(shù)骨干，這就造成很多工程儀器安裝埋設(shè)質(zhì)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(shù)業(yè)主對安全監(jiān)測的重要性認識不夠。往往是在工程前期忽略對監(jiān)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(jiān)測數(shù)據(jù)。安全監(jiān)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(jiān)測工程質(zhì)量及其效益目標的實現(xiàn)。

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(jiān)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(jiān)測自動化，20世紀90年代前建設(shè)的工程大多也進行了自動化改造，總體來講，前期設(shè)計準備充足的工程，自動化程度均較高。自動化采集及數(shù)據(jù)分析軟件研制開發(fā)趨于成熟，很多廠家為自動化系統(tǒng)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(jiān)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(jiān)測資料的分析，主要以定性分析為主，大多工程的監(jiān)測資料能為主體工程的施工提供及時準確的數(shù)據(jù)[3]。大多數(shù)工程的監(jiān)測資料分析報告，局限于監(jiān)測數(shù)據(jù)的羅列，未能提高至工程整體安全的高度，結(jié)合工程設(shè)計、地質(zhì)、計算成果等進行全面綜合的評價。雖然目前已經(jīng)形成了較為系統(tǒng)的安全監(jiān)控理論，一些數(shù)學模型的開發(fā)為實現(xiàn)大壩安全監(jiān)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(jiān)測

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

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

基于全壽命周期的大壩安全監(jiān)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(jiān)測相關(guān)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(guān)生產(chǎn)活動（見圖1）。其內(nèi)涵在于及時判斷“物的不安全狀態(tài)”；其外延表現(xiàn)在大壩的壽命，即為安全監(jiān)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(jiān)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(shè)計單位起重要的作用，往往可行性研究階段以建筑物設(shè)計為主，監(jiān)測設(shè)計處于次要位置。設(shè)計人員除了嚴格按照規(guī)范選定監(jiān)測項目、布設(shè)監(jiān)測儀器外，還應(yīng)考慮工程實際情況，對特殊建筑物的監(jiān)測，進行針對性的設(shè)計；同時，考慮到施工及運行期儀器可能存在一定數(shù)量的損耗，不宜選擇規(guī)范規(guī)定的最小數(shù)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(yīng)將監(jiān)測自動化系統(tǒng)設(shè)計包含在內(nèi)。

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(yīng)予以接受，對審查單位提出的減少項目或儀器應(yīng)適時解釋，說明設(shè)計意圖及目的，避免在招標和施工階段出現(xiàn)沒有考慮全面的現(xiàn)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(shè)單位負責組織，通常有以下幾種形式：監(jiān)測工程包含在土建施工標中；監(jiān)測單獨招標；設(shè)備采購、儀器埋設(shè)及施工期觀測分開招標；將監(jiān)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(jiān)測工程不同于一般的施工標，它是設(shè)備采購標、設(shè)備安裝標、施工標以及技術(shù)咨詢服務(wù)的綜合體。

由于監(jiān)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(shè)單位的重視，畢竟監(jiān)測工程標段不僅涉及到儀器的采購、埋設(shè)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(jiān)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(jiān)測設(shè)施的施工質(zhì)量直接決定了儀器設(shè)備的完好率。因此，監(jiān)測設(shè)備施工單位，應(yīng)當對儀器設(shè)備的采購、檢驗、率定、安裝、保護及觀測等各個環(huán)節(jié)的質(zhì)量嚴格控制。同時，監(jiān)理單位應(yīng)當配備有經(jīng)驗的監(jiān)理工程師，按照《大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)施工監(jiān)理規(guī)范》的要求，對監(jiān)測工程實施質(zhì)量進行全程有效的監(jiān)控。建設(shè)單位在施工階段對監(jiān)測工程的重視程度，對工程的完好性也有很大的影響。設(shè)計單位根據(jù)現(xiàn)場施工情況，對監(jiān)測布置做出及時的調(diào)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(jīng)歷安全鑒定、蓄水驗收等程序，基本上能將監(jiān)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(jīng)能夠逐步暴露出來。相關(guān)規(guī)定要求，蓄水驗收應(yīng)具備的條件是監(jiān)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(xù)觀測了，結(jié)果，首次蓄水過程中最重要的監(jiān)測數(shù)據(jù)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(jiān)測系統(tǒng)都是一次重要考驗，根據(jù)多個工程經(jīng)驗，在首次蓄水期間，管理單位要特別重視，做出詳細監(jiān)測計劃，參建各方分工協(xié)作，嚴格按照規(guī)范或設(shè)計的要求進行觀測，對觀測資料應(yīng)及時進行整編分析，保證取得完整的首次蓄水監(jiān)測資料。

3.5 運行期

根據(jù)水利部對全國近3000座水庫大壩安全監(jiān)測情況進行的調(diào)查分析[4]，在日常監(jiān)測、設(shè)施技術(shù)、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(jiān)測系統(tǒng)。

因此，中小型水庫的運行管理單位應(yīng)當引起重視，采用打包管理、打包設(shè)計和委托有資質(zhì)的單位承擔相應(yīng)的日常監(jiān)測，以及承擔監(jiān)測系統(tǒng)工程運行維護，是小型水庫安全監(jiān)測可供考慮的思路，通過技術(shù)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(jié)語

大壩的安全運行事關(guān)人民福祉，規(guī)范大壩安全監(jiān)測是了解大壩狀態(tài)的有效手段，因此以大壩全壽命周期的安全監(jiān)測要做到：一是從大壩全壽命周期考慮，大壩安全監(jiān)測應(yīng)該以滿足大壩運行期的需求為最終目標，在工程建設(shè)中，參建各方均應(yīng)擔負起相應(yīng)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(yīng)逐步過渡到理論研究和具體實踐相結(jié)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(jiān)測、維修、養(yǎng)護等工作也是一項重要任務(wù)，這樣才能使大壩更好地造福于民。