水工建筑物安全監(jiān)測布置優(yōu)化方法研究

王澤源

摘要：隨著近年來社會經(jīng)濟的發(fā)展，人們對于水利的需求越來越高，對水利建筑的各方面質(zhì)量要求也越來越高。水利工程是關(guān)系民生的基建工程之一，因此，水工建筑的安全性也一直是備受關(guān)注的問題。在進行水工建筑作業(yè)之前，要對水工建筑物的安全性進行監(jiān)測，關(guān)于水工建筑安全性的監(jiān)測工作是重中之重，進行安全性檢測的主要工作有兩個部分，一個部分主要是從巡視檢查工作入手，另一部分是儀器監(jiān)測工作。這兩個部分一個是從外部情況來進行安全監(jiān)測，一個是從精確的數(shù)據(jù)來分析水工建筑物的安全性，缺一不可。目前，我國在水工建筑物的儀器監(jiān)測環(huán)節(jié)上還有一些工作局限性，比如只能做到“點檢測”這種監(jiān)測形式。不同級別的水工建筑物應該用不同的監(jiān)測原則來進行監(jiān)測與把控，這也是我國目前一些相關(guān)的監(jiān)測設(shè)計規(guī)范所明確要求的水工建筑監(jiān)測工作重心。但是這里就存在一個問題，就是雖然規(guī)范規(guī)定了不同水工建筑的監(jiān)測標準，但是監(jiān)測項目的監(jiān)測點并沒有做出較明確的要求。因而，在實際的水工建筑物安全監(jiān)測工作中，監(jiān)測點的分布只能依靠工作人員的經(jīng)驗來進行實際操作。這就可能導致監(jiān)測點布置的不合理問題。所以，本文針對研究水工建筑物的安全監(jiān)測布置優(yōu)化方案就顯得尤為重要。

關(guān)鍵字：水工建筑物；安全監(jiān)測；監(jiān)測點；布置優(yōu)化；方法研究；存在問題

引言：近年來我國的水利工程事業(yè)不斷地發(fā)展進步，水利建設(shè)項目也越來越多，需求量逐年上漲的大環(huán)境下，水利工程的質(zhì)量必須得到保障。因此，水工建筑物安全監(jiān)測就在監(jiān)控水利建筑物的質(zhì)量與安全性上起到了重要的監(jiān)控作用?？偹苤こ痰慕ㄔO(shè)項目規(guī)模都是十分大的，安全性問題是十分重要的。一旦發(fā)生了一點安全質(zhì)量問題甚至安全隱患，就會導致非常嚴重的安全事故以及不可估量的后果與損失。同時，人們的財產(chǎn)與人生安全也可能面臨威脅，這是一個很嚴肅的問題，影響著社會乃至國家的經(jīng)濟發(fā)展與穩(wěn)定。所以，對水工建筑物進行安全監(jiān)測是非常有必要且十分重要的工作。本文首先分析水工建筑物中安全監(jiān)測點的布置優(yōu)化方法，然后討論安全監(jiān)測工作中的空間分布樣本，并且抽取出樣本探究其空間分布的特點。進而對水工建筑物安全監(jiān)測布置優(yōu)化進行細致的參數(shù)分析與研究。

一、水工建筑物安全監(jiān)測的重要性

（一）水工建筑物安全事故的概述。水工建筑物在建筑前的設(shè)計、建筑過程中的施工、建成后的維護與監(jiān)測，每一個環(huán)節(jié)的安全性都至關(guān)重要。一旦出現(xiàn)安全事故，都可能會造成很嚴重的后果。一些水建筑物中，尤其是堤壩這種重要的水工建筑物。在設(shè)計時要兼顧各方面因素，精心設(shè)計。施工的時候要注意各個環(huán)節(jié)的質(zhì)量把控，精心施工。切記安全第一的原則。但是近年來任然有水工建筑物的安全事故發(fā)生，究其原因，不外乎種種因素引起的安全隱患事故。據(jù)不完全統(tǒng)計，在第14屆國際大壩會議的報告中指出，在歷年來已經(jīng)完工建成的堤壩當中，有14000個高于15m的堤壩里，破壞率接近1%。得益于近代以來社會的快速發(fā)展與科技的迅猛進步，堤壩的可靠性與安全性逐年增高，如今的堤壩破壞率已經(jīng)下降至0.2%左右了。

（二）水工建筑物安全監(jiān)測的意義。之所以要對水工建筑物進行安全監(jiān)測，其目的就是對水工建筑物的整體變化狀態(tài)進行監(jiān)測，保證水工建筑物的各方面參數(shù)維持在正常安全數(shù)值范圍內(nèi)。水工建筑物實際上是處于動態(tài)的變化過程中的，宏觀上看水工建筑物的外部是看不出變化情況的，這種動態(tài)的變化是十分微小的，需要借助儀器來對水工建筑物體進行監(jiān)測。在建筑物體上選取不同的監(jiān)測點，采集監(jiān)測數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行處理與分析等。因此，水工建筑安全監(jiān)測不論是對建筑物本身還是對人們而言都是十分重要的。

二、水工建筑物安全監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計優(yōu)化原則探究

對于水工建筑物進行安全監(jiān)測是十分必要的，其目的性也極其明確：就是對水工建筑物的安全問題進行實時監(jiān)控。這里要注意的是，在對建筑物進行監(jiān)控的工作過程中，不僅要注意監(jiān)測設(shè)計，還要考慮到施工水平問題。要始終以“安全”為宗旨做好整個建筑物的安全監(jiān)控工作。下面介紹一下水工建筑物安全監(jiān)測系統(tǒng)中的設(shè)計要求：

（一）通過系統(tǒng)來監(jiān)測建筑物的整體性狀的變化過程。首先要說明的是，這里提到的水工建筑物的性狀實際上是包含了多方面的狀態(tài)。一方面是水工建筑物的力學狀態(tài)，一方面是水工建筑物材料的物理學狀態(tài)以及化學狀態(tài)。要明確一點：水工建筑物在其施工和運行的整個過程中，它并不是靜止地維持在某一固定狀態(tài)下的，相反的，它始終是處在一種不斷運動以及變化的狀態(tài)當中的。通常情況下來說，這種情況的出現(xiàn)并不是異?，F(xiàn)象，而是正常的變化狀態(tài)，當然，如果發(fā)生了非正常的變化也是有可能的。因此，監(jiān)測系統(tǒng)對水工建筑物的整體性變化全過程的監(jiān)測就尤為重要。

（二）在監(jiān)測某一水工建筑物時，注意原音量參數(shù)與效應量參數(shù)應當相互配套。咋一看這二者比較晦澀難懂，實際上簡而言之就是說，如若在某一個水工建筑物上選中的那個重要效應量，那么還需要考慮引發(fā)效應量產(chǎn)生變化的那些原音量，單一的只分析一個參數(shù)是不正確的，得到的分析結(jié)果也是有偏差的。不僅如此，還要將二者組合在一起進行分析。綜合考慮分析原音量參數(shù)與效應量參數(shù)，得到的分析結(jié)果才是最接近水工建筑物監(jiān)測的實際安全狀態(tài)。

（三）監(jiān)測數(shù)據(jù)要備份。在對水工建筑物進行監(jiān)測的時候，建筑物主要部位的一些關(guān)鍵監(jiān)測數(shù)據(jù)必須進行備份，保證搜集的監(jiān)測數(shù)據(jù)完整沒有丟失。如果不進行數(shù)據(jù)備份還可以在同一個監(jiān)測點的測量點上，用兩個同樣的儀器來進行監(jiān)測和采集監(jiān)測數(shù)據(jù)。也可以利用不同的技術(shù)方式來獲取同一監(jiān)測點的監(jiān)測數(shù)據(jù)?？偠灾?，監(jiān)測數(shù)據(jù)一定要充足且有效。

（四）監(jiān)測系統(tǒng)的影響因素。在對水工建筑物進行監(jiān)測的時候，在以下幾個工作環(huán)節(jié)上要重點關(guān)注，因為這些環(huán)節(jié)影響著建筑物安全監(jiān)測系統(tǒng)的安全性。其一，水工建筑物監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集。數(shù)據(jù)采集要注意數(shù)據(jù)信息的準確性，不能出現(xiàn)采集缺失，采集錯誤，記錄失誤等情況；其二，水工建筑物監(jiān)測數(shù)據(jù)的檢驗。采集好的水工建筑物數(shù)據(jù)比較多也比較雜，有些數(shù)據(jù)可能會存在偏差，因此要對采集數(shù)據(jù)進行檢驗。采集數(shù)據(jù)要確保有效性，檢驗后的數(shù)據(jù)才會更加精準；其三，水建筑物監(jiān)測數(shù)據(jù)在采集數(shù)據(jù)時的處理與存儲。采集好的水建筑物安全監(jiān)測數(shù)據(jù)要做好處理工作，同時要及時存儲，防止數(shù)據(jù)采集好之后因為沒有及時存儲而丟失。其四，水建筑物監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析。監(jiān)測數(shù)據(jù)要進行細致的分析，是判斷水建筑物安全的重要監(jiān)測環(huán)節(jié)。以上這些都是監(jiān)測系統(tǒng)在高速運轉(zhuǎn)的時候不可缺少的構(gòu)成部分。在自動化程度的高低上這些環(huán)節(jié)對整個水工建筑物安全監(jiān)測系統(tǒng)的安全與否有著極其重要的影響。所以，在制定安全監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計方案時，一定要優(yōu)先考慮好自動化的問題，切不可在設(shè)計已經(jīng)完成的時候再去考慮自動化程度的高低設(shè)計，不能舍本逐末。

三、水工建筑物監(jiān)測點布置的點集劃劃分方法與步驟

（一）劃分點集合的組成方法。利用數(shù)理統(tǒng)計的方法找出體系中主要因素與各因素之間的相互關(guān)系，也就是所謂的主成分分析方法。這種方法可以將高空間的問題轉(zhuǎn)化到低維空間里去分析處理，這種方法的一般思路是：設(shè)樣本集X 有 n 個 p維樣本，即 X = { x1，x2，？，xn} ；Rp，xi= （ xi1，xi2，？，xip） T∈ Rp，因此，希望可以找到 Rp的一個子空間 Rm（ m < p），y1，y2，？，ym∈ Rm為x1，x2，？，xn在子空間 Rm上的投影，使得用 y1，y2，？，ym來描述 x1，x2，？，xn時信息損失量，以期信息損失量達到最小值。

水工建筑物安全監(jiān)測點在空間上的分布，構(gòu)成了相應的監(jiān)測曲面，我們可以采用主成分析法進行曲面區(qū)域的劃分，用不間斷的折面進行逼近，從而使得信息損失達到最小。以x，y，z為三個方向上的變量值，如果有n個節(jié)點，那么樣本的資料數(shù)據(jù)矩陣應該為X為n×3階矩陣。因此，結(jié)點的協(xié)方差矩陣為S： S =1n - 1（ HTH） ，n 為點集中點的個數(shù)，H 是矩陣。

（二）點集合的歐式距離聚類劃分。通過上文的分析，我們知道，主成分劃分方法是指在曲面主要變化方向上進行劃分，如果說曲面在主平面方向上的面積特別大，則主平面很有可能包括某幾個點之間的空間距離過大的點。為了將局部上所有的點聚集到一起，就需要減小插值，對誤差進行擬合，按照空間距離對向量e進行聚類劃分。在聚類劃分中，通常用歐式距離。

這里筆者主要采用歐氏距離聚類法，來對點集進行再劃分的算法。一般的思路是：假定要對點集 C進行劃分，為了把點集 C 劃分為集合c1和c2，定義兩個點 P1= c2-νmax和 P2= c1 + νmax。其中c 是點集C 的中心，Vmax= | λmax| emax。根據(jù)式（ 7） 分別計點集C 中所有點x與P1、P2的歐氏距離d1k、d2k。如果樣點xk與P1的距離比較大，即d1k≥d2k，則將樣點 xk劃分到點集 c1中；反之，如果 d1k

（三）水工建筑安全監(jiān)測監(jiān)測點布置的評價。所謂的水工建筑安全監(jiān)測點的布置，也就是說，在布置監(jiān)測點的時候，要遵循用最少點有效反應水工建筑物體空間變化情況原則。因此，當前我國在這方面的研究重心之一就是如何用最少的監(jiān)測點，同時用最優(yōu)化的布置方法來反映水工建筑物的安全性與工作狀態(tài)。這也是水工建筑物安全監(jiān)測的設(shè)計難題之一。

布置監(jiān)測點的時候，要選擇盡可能少的點，監(jiān)測建筑物典型部位的空間分布變化情況?？梢杂靡粋€形象點的建模來比喻：用最少的監(jiān)測點建立的曲面模型問題。這樣一來，可以通過曲面建模的誤差監(jiān)測法，來對水工建筑物進行監(jiān)測點的布置的分析與相關(guān)評價。

首先，給定數(shù)據(jù)點數(shù) t（ 1，2，？，m × n） 因此，樣條曲線形成曲面的矩陣形式為：TG = P （ 8） 在上述公式中： T 為（ m × n） ×（ r × s） 階矩陣，含有兩個 B 樣條基函數(shù)的乘積；而 G 是（ r × s） × 3 階矩陣，含有未知曲面控制頂點的坐標；P 則是（ m × n） × 3 階矩陣。

按照解析幾何的相關(guān)解方程的相關(guān)方法，上述方程式的解可以表示為：G = [TTT-1TTP，從而可以將每一點的誤差矢量用矩陣的形式表示，其矩陣表達式是哦：e = P-G = P-T[TTT-1T；P =[I-T[TTT-1TT]P = RP。

四、結(jié)論

從上面的這些分析來看，我們不難得出如下的一些結(jié)論：

（1）借用有限元的成果來作為理論分析的依據(jù)，依照“小曲率區(qū)域保留下最少的點，大曲率區(qū)域則應當保留多一點的點”這個原則，通過對水建筑物監(jiān)測的曲面主要成分和聚類分析與發(fā)現(xiàn)，能夠提取建筑物各個效應量的空間分布特征，從而通過點集劃分，提出水工建筑物安全監(jiān)測布置優(yōu)化方法。

（2）關(guān)于水工建筑物安全監(jiān)測的評價指標在文中已經(jīng)做了詳盡的分析，即：在以B樣條曲線而形成的曲面誤差的基礎(chǔ)之上，用相關(guān)規(guī)定明確指出的范圍內(nèi)可以允許存在的誤差容許值來進行分析，從而對水工建筑物安全監(jiān)測進行評價。

（3）在水工建筑物的設(shè)計中，實際上已經(jīng)廣泛采用了有限元分析的方法，所以，可以采用設(shè)計分析成果來進行水工建筑物安全監(jiān)測的優(yōu)化布置，與此同時，在不增加設(shè)計工作量的情況下，實現(xiàn)安全監(jiān)測系統(tǒng)布置的優(yōu)化。

結(jié)束語： 綜上所述，要想做好水工建筑物的安全監(jiān)測，不僅要做好監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計優(yōu)化，還要做好監(jiān)測點的布置等工作。目前來說，水工建筑物的安全監(jiān)測也一直是現(xiàn)代企業(yè)與有關(guān)單位正在面臨的技術(shù)難題。做好水工建筑物安全監(jiān)測布置優(yōu)化意義重大，同時，水工建筑物安全監(jiān)測也是一個長遠的歷史性的任務(wù)。比如大壩的安全監(jiān)測、水利事業(yè)中水庫等建筑物的安全監(jiān)測、不管是對國家的經(jīng)濟發(fā)展，還是與人們的生活都是息息相關(guān)的。本文在利用數(shù)理學的有關(guān)方法的同時，還結(jié)合了水工建筑物安全監(jiān)測系統(tǒng)的相關(guān)原則，闡述了優(yōu)化水工建筑物監(jiān)測的一些行之有效的方法。以期能夠有助于提高水工建筑物安全監(jiān)測的水平。

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