淺談安全監(jiān)測系統(tǒng)設計

李有根

(中國水利水電第七工程局有限公司科研設計院，四川成都 611730)

1 概述

鑒于水電工程的重要性，對其實施安全監(jiān)測十分重要。筆者詳細介紹了安全監(jiān)測系統(tǒng)設置的目的、資料的確定、系統(tǒng)的設計、儀器的選擇與埋設，自動化系統(tǒng)的設計、資料的搜集、整理分析與反饋，旨在強調安全監(jiān)測系統(tǒng)設置的重要性。

2 安全監(jiān)測系統(tǒng)設計

2.1 設置安全監(jiān)測系統(tǒng)的目的

工程安全監(jiān)測設計是整個工程設計中的一個重要組成部分，必須與其它設計一樣，要努力去做，精心設計并盡量做到優(yōu)化設計。由于目前人們對建壩所需要研究的地質條件、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)濟發(fā)達的地區(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行性狀進行監(jiān)測，就成為保證其安全運行所必備的措施。

監(jiān)測的主要目的是確定工程是否處于預計的狀態(tài)，也可能是施工控制、診斷不利事件的特性、檢驗設計的合理程度、證明施工技術的適應程度、檢驗長期運行的性能并要達到下面三個目的:

(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，對其運行性狀進行監(jiān)測。

(2)為了提高設計水平，應將實際狀況與設計預測的結果進行對比。

(3)掌握施工過程中水工建筑物的實際性狀，據(jù)以修改、補充設計或施工技術方案。

要達到第一個目的，首先要能準確、及時地提出監(jiān)測資料，特別是要能夠及時檢測出反常的性狀。完成第二、三個目的所要求的任務，必須要由有經(jīng)驗的工程技術人員掌握一個比較符合實際的設計模型或預報模型，通過預測與實測的對比來檢驗和判斷設計所采用的參數(shù)和假設與實際相差的程度并做出相應的修改、補充，以達到提高設計和施工水平的目的。

設計時應按照建筑物的永久性和臨時性，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)測設計。鑒于以上情況，對于設計基本資料的確定、儀器選擇、儀器埋設、資料的采集、處理解釋和管理各方面應綜合考慮，精心安排;盡量利用當今一切先進可靠的技術手段，加速專用硬件和軟件的開發(fā)，逐步實現(xiàn)聯(lián)機實時的自動化監(jiān)測和及時定量的安全監(jiān)控。從近幾年一些國家大壩監(jiān)測技術發(fā)展趨勢看，有下面一些重點和特點。

2.2 安全監(jiān)測系統(tǒng)設計資料的基本確定

(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)地質條件及工程技術特點。

(3)環(huán)境條件。水文氣象、生命財產(chǎn)危險性、附近建筑物或其他設施的狀況。

(4)巖土體物理力學性質和地應力狀態(tài)。

(5)施工方法和程序、各種結構的類型。

(6)工程前期試驗資料、模擬計算成果、結構布置形式。

(7)確定安全監(jiān)測參照模型。

(8)預測工程的運行性能，通過預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)的設計

(1)監(jiān)測布置應該把大壩及基礎作為一個單元綜合考慮。要加強對基礎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)的設計應包括資料量測系統(tǒng)和資料管理系統(tǒng)的設計，還要對現(xiàn)場巡視檢查所需要的條件作出設計和安排。

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

(4)壩體及基礎的位移監(jiān)測傾向于以正倒垂線與引張線相結合組成整體觀測系統(tǒng)，輔以靜力水準儀、滑動測微計、鉆孔測斜儀、多點位移計等儀器量測壩體轉動和基礎變形。同時，在壩體外圍布設多級控制網(wǎng)，以觀測和控制壩體兩岸的整體位移。

(5)對于混凝土壩，應變計只用在一些部位。關于滲漏量測，重要的是將一個有效的排水系統(tǒng)與這些儀表相結合。

2.4 儀器的選擇和儀器埋設

(1)儀器的可靠性、穩(wěn)定性、準確度、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)儀器的元器件應長期耐用，運行可靠，能使用于惡劣的環(huán)境。

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

(5)定位放樣、土建施工、儀器檢驗率定與試安裝、觀測電纜的敷設、安裝埋設記錄必須嚴格按正確的方法進行，以保證埋設后的儀器運行可靠。

2.5 自動化系統(tǒng)的設計

設計自動化系統(tǒng)的目的是組裝一個具有靈活性的定性監(jiān)測系統(tǒng)，就其組件和功能而言，它能夠適應各種特定的實際情況，因為監(jiān)測系統(tǒng)的測點多、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。在設計和建立自動化監(jiān)測系統(tǒng)時，要注意以下事項:

(1)經(jīng)濟比較要放在首要位置，要考慮功能價格比。

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

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

(4)在計算機上完成的比較模型要通過適當?shù)淖C實后方能開始正常使用。

(5)裝置必須加以保護，以防可能損害其功能的電磁場等的干擾。

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

(7)系統(tǒng)應有操作靈活的數(shù)據(jù)庫群，其中包括:觀測儀器測點特點、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)生故障時進行人工補測。系統(tǒng)正常運行時又可進行校測。

(9)系統(tǒng)要有離線輸入口，機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實現(xiàn)聯(lián)機實時的安全監(jiān)控，以便得到恰當、可靠的安全評價和預測。

(11)系統(tǒng)應當具有人工智能特性，即以仿真模擬專家對工程的運行狀況作出綜合評價和決策的知識庫為核心，綜合應用最新成果，建立具有多種功能的方法庫，結合數(shù)據(jù)庫和圖形庫，利用推理求解公式，對工程安全狀況進行綜合評估和輔助決策，實現(xiàn)實時監(jiān)測工程安全狀態(tài)、綜合評估工程安全、反饋控制運行、緊急防范決策以及及時反饋設計、施工等目標。

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的性狀定期進行監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)反常現(xiàn)象;二是及時處理搜集到的各項監(jiān)測資料，及時對所揭露出來的大壩及基礎性狀的信息作出解釋，一旦確認出現(xiàn)異常性狀，立即報告給主管部門，以便迅速采取干預措施，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、人工巡視檢查的實施和記錄、其他相關資料搜集三部分。主要包括以下內(nèi)容:

(1)詳細的監(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)境資料及水位等運控資料。

(2)監(jiān)測儀器設備及安裝的考證資料。監(jiān)測設備的考證表、監(jiān)測系統(tǒng)設計、施工詳圖、加工圖、設計說明書、儀器規(guī)格和數(shù)量、儀器安裝埋設記錄、儀器檢驗和電纜聯(lián)接記錄、竣工圖、儀器說明書及出廠證明、觀測設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、報告及有關資料;地下洞室監(jiān)測應有與監(jiān)測同步的觀察巡視記錄資料，重點是儀器埋設位置附近及掌子面附近的地質調查、支護狀況的觀察資料等。

(4)監(jiān)測與工程有關的設計資料及監(jiān)測儀器附近的施工資料。

(5)設計、計算分析、模擬實驗、前期監(jiān)測工作提出的成果報告、技術警戒值、安全判斷依據(jù)及其他技術指標和文件資料。

(6)有關工程的類比資料、規(guī)程規(guī)范及有關文件等。

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性狀的真實反映，包含了大壩及基礎性狀施工狀態(tài)和運行狀態(tài)的很多寶貴信息。但原始觀測資料也含有誤差和錯誤(可分為隨機誤差和系統(tǒng)誤差)，觀測資料只有在消除了顯見的錯誤和各種誤差之后，方可用作進一步的處理和分析。

(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)學描述，并對觀測資料進行趨勢分析。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)計法和測值因數(shù)分析法等;二是定量的數(shù)值計算方法。如統(tǒng)計分析法、有限元分析法、反分析方法等;三是數(shù)學物理模型分析方法。如統(tǒng)計分析模型、確定性模型和混合性模型等;四是應用某一領域專業(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構分析法。

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

(4)反饋分析。為了解決施工設計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困難和同類工程中普遍存在的技術問題。原型觀測資料是大壩及基礎實際性狀的反映，通過對原設計模型的反饋，可以求得更符合實際的物理參數(shù)，從而對原設計方案提出評價和改進意見，供設計、施工部門使用。

2.6.3 監(jiān)測資料的管理

由于計算機的普遍使用，已有許多單位采用微型機作數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)轉換，并復制出各種成果報表和曲線。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)的重復調用，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)處理、解釋、存儲管理的自動化。

3 結語

只有認真、細致地進行安全管理系統(tǒng)的設計并付諸實施，才有可能并保證工程設施的安全穩(wěn)定。