水工結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估概述

吳一凡+宋子元

摘要：水工結(jié)構(gòu)在實(shí)際建設(shè)中對(duì)于工程項(xiàng)目至關(guān)重要，隨著時(shí)間的推移，水工結(jié)構(gòu)在水環(huán)境中有發(fā)生損傷的可能和失效的風(fēng)險(xiǎn)。因此對(duì)水工結(jié)構(gòu)損傷的監(jiān)測和判定，以及對(duì)水工結(jié)構(gòu)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估都必不可少。本文概述了水工結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測的方法，并對(duì)水工結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的極限方程和理論進(jìn)行了簡述。

關(guān)鍵詞：水工結(jié)構(gòu)；損傷監(jiān)測；風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

1.水工結(jié)構(gòu)概述

水工結(jié)構(gòu)學(xué)科的主要研究任務(wù)為對(duì)水利水電工程勘測、水利水電工程設(shè)計(jì)、以及水利水電施工和運(yùn)行管理等多種方面進(jìn)行的一系列研究。水工結(jié)構(gòu)學(xué)科的研究進(jìn)展層次對(duì)水利水電工程的整體安全以及項(xiàng)目施工過程進(jìn)度，甚至對(duì)于建設(shè)工程投資都有著直接以及至關(guān)重要的影響。比如，在高壩設(shè)計(jì)和施工方面如高壩的筑壩技術(shù)和邊坡加固技術(shù)等，以及所涉及到的物理仿真和水工結(jié)構(gòu)中必不可少的加固技術(shù)，光學(xué)檢測等，都有水工結(jié)構(gòu)學(xué)的相關(guān)應(yīng)用。水工結(jié)構(gòu)地基的動(dòng)力學(xué)相互作用理論以及與地震的地震波之間的輸入輸出研究，對(duì)建筑所用的混凝土的研究，以及對(duì)壩體的抗震性能等都與水工結(jié)構(gòu)理論密切相關(guān)。

在水工結(jié)構(gòu)的實(shí)際應(yīng)用中，隨著時(shí)間的推移，各類水工構(gòu)筑物的壽命以及性能都面臨老化和損傷的風(fēng)險(xiǎn)，降低了它們的安全性能和可靠性，因此，為了水工結(jié)構(gòu)的使用安全保證性要求，對(duì)水工結(jié)構(gòu)的相關(guān)構(gòu)筑物進(jìn)行安全監(jiān)測和對(duì)結(jié)構(gòu)損傷程度的診斷顯得尤為重要甚至是必不可少的環(huán)節(jié)。但是，監(jiān)測設(shè)備的數(shù)量總是有限的，應(yīng)對(duì)大量的水工構(gòu)筑物，有效的監(jiān)測顯得非常困難甚至是不可實(shí)現(xiàn)，因此，為了最大限度地利用有限的試驗(yàn)儀器，并且為了能夠獲取盡量多的監(jiān)測反饋信息，在水工結(jié)構(gòu)的監(jiān)測中，傳感器的優(yōu)化布置就自然而然的成為了一個(gè)重點(diǎn)課題。

2.水工結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測和健康診斷

眾所周知，水工結(jié)構(gòu)構(gòu)筑物的工作環(huán)境是水中，構(gòu)筑物的局部或者全部都在水環(huán)境中，因此為了在水中獲取監(jiān)測的有效且大量的信息，就比實(shí)施正常的地面監(jiān)測更為困難。又因?yàn)樗聵?gòu)筑物的監(jiān)測要求多種多樣，當(dāng)今時(shí)代所常用的傳感器監(jiān)測實(shí)在難以滿足復(fù)雜多樣的要求，不能對(duì)水工結(jié)構(gòu)構(gòu)筑物進(jìn)行有效且高效率的健康監(jiān)測。在監(jiān)測水工結(jié)構(gòu)構(gòu)筑物時(shí)，要對(duì)模擬參數(shù)進(jìn)行識(shí)別和認(rèn)證，最后再進(jìn)行處理和分析，這種信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換是實(shí)施檢測過程的必須手段，也是對(duì)水工結(jié)構(gòu)構(gòu)筑物的損傷和健康判定的必要方法。

在水環(huán)境和周遭環(huán)境中，水工結(jié)構(gòu)構(gòu)筑物對(duì)外界噪聲的反應(yīng)較大，意味著構(gòu)筑物的健康檢測在一定程度上收到外界噪聲的影響，噪聲干擾了信號(hào)，使得信號(hào)的質(zhì)量部分下降甚至嚴(yán)重下降。因此，對(duì)模擬信號(hào)的識(shí)別在監(jiān)測效果和準(zhǔn)確性上就顯得至關(guān)重要，提高對(duì)模擬信號(hào)的識(shí)別的精度和準(zhǔn)確度，就能在一定程度上提高對(duì)水工構(gòu)筑物健康和損傷診斷的精度和準(zhǔn)確度。由此可知，推求一種高效率的并且能應(yīng)用于在未知環(huán)境的不確定性中的監(jiān)測方法，并且能夠克服有限的監(jiān)測儀器的負(fù)面影響和限制，來對(duì)水工結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測提供質(zhì)量保證。

在水工結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測中，對(duì)于鋼架結(jié)構(gòu)損傷的監(jiān)測，監(jiān)測規(guī)律和特點(diǎn)在數(shù)值計(jì)算方法和傳統(tǒng)的位移模擬監(jiān)測方法進(jìn)行了對(duì)比后，有結(jié)論得出傳統(tǒng)的模擬監(jiān)測對(duì)水工結(jié)構(gòu)的損傷的敏感性較之于曲率模擬振型較低，用傳統(tǒng)方法來判定水工結(jié)構(gòu)是夠有局部的損傷以及對(duì)損傷程度、位置的鑒定都較為困難。然而，曲率模擬振型卻可以對(duì)水工結(jié)構(gòu)損傷進(jìn)行有效的檢測和判定。更重要的是，曲率模擬振型方法的在水工結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測中應(yīng)用時(shí)，還可以同時(shí)對(duì)多個(gè)部位的結(jié)構(gòu)損傷進(jìn)行有效的檢測，各方面的實(shí)驗(yàn)結(jié)果都一一表明，應(yīng)用曲率模擬振型的方法對(duì)水工結(jié)構(gòu)損傷進(jìn)行監(jiān)測，具有明顯的高效性和優(yōu)越性。

水工結(jié)構(gòu)長期處于水下環(huán)境，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)其的直接監(jiān)測，因此可以利用間接的監(jiān)測手法實(shí)施診斷。其中，有一些較為應(yīng)景和前沿的方法來對(duì)水工結(jié)構(gòu)損傷進(jìn)行監(jiān)測和診斷，如局部損傷因子法。這種方法的實(shí)用性在于，能夠同時(shí)對(duì)水工結(jié)構(gòu)進(jìn)行構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)損傷是否存在判定、對(duì)水工結(jié)構(gòu)的損傷程度進(jìn)行判定并且能夠?qū)λそY(jié)構(gòu)的損傷位置進(jìn)行判定。在現(xiàn)場測試中，局部損傷因子法所使用的檢測儀器設(shè)備數(shù)目較之于傳統(tǒng)監(jiān)測方法明顯變少，說明其監(jiān)測方法的便利性和創(chuàng)新性。并且，測試的成本較低，說明這種方法具有明顯的經(jīng)濟(jì)性，對(duì)水工結(jié)構(gòu)構(gòu)筑物的損傷監(jiān)測非常適用，在實(shí)際尺度結(jié)構(gòu)中，可以克服監(jiān)測困難，對(duì)構(gòu)筑物進(jìn)行無損質(zhì)量檢測。因?yàn)樵诰植繐p傷因子方法中，該方法的本身已經(jīng)考慮了環(huán)境中以及監(jiān)測系統(tǒng)中噪聲的影響，以及水工構(gòu)筑物本身結(jié)構(gòu)非線性的影響，所以利用該方法對(duì)水工結(jié)構(gòu)損傷進(jìn)行監(jiān)測的精確度比較高，能夠達(dá)到所期望的精度。

3.水工結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)分析

水工結(jié)構(gòu)是一種低風(fēng)險(xiǎn)的結(jié)構(gòu)，但是一旦水工結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)一旦反正，其后果必定相當(dāng)嚴(yán)重，故我們認(rèn)為，對(duì)于水工結(jié)構(gòu)這種低風(fēng)險(xiǎn)高后果的構(gòu)筑物來講，其風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)估和分析也是相當(dāng)重要并且必不可少的程環(huán)境中，有很多的因素能夠造成水工結(jié)構(gòu)的損傷和失效，例如：較為嚴(yán)重的大面積和災(zāi)難性洪水的發(fā)生，以及在流域面積以內(nèi)的特大暴雨的出現(xiàn)；自然因素還有地震，地震的發(fā)生會(huì)嚴(yán)重影響水工結(jié)構(gòu)的安全性和效益性，嚴(yán)重的地震會(huì)直接損壞水工結(jié)構(gòu)，使其失效發(fā)生嚴(yán)重的后果；水工結(jié)構(gòu)自身的性質(zhì)，如壩本身的性質(zhì)和地基的特性等等，都會(huì)對(duì)水工結(jié)構(gòu)的效益帶來影響，甚至導(dǎo)致其失效。

那么，對(duì)水工結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)估，自然會(huì)根據(jù)能夠?qū)е缕涫У囊蛩貋磉M(jìn)行。其中包括有壩體與地基的整體安全性，稱之為可靠度。對(duì)水工結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)估一般利用水工結(jié)構(gòu)的極限方程，通過概率的手段和統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法，初步得到極限方程中各個(gè)隨機(jī)變量的統(tǒng)計(jì)量，即各個(gè)隨機(jī)變量的均值，方差以及其分布函數(shù)等等，最后，利用結(jié)構(gòu)可靠度的求解方法來對(duì)極限方程進(jìn)行求解。

由于壩的失效會(huì)有多種因素引起，因此水工結(jié)構(gòu)的失效模式也多種多樣，因而就有多種模型來對(duì)可能的實(shí)效方式進(jìn)行控制。在此就要利用壩與地基等的整體可靠度來進(jìn)行評(píng)估。水工結(jié)構(gòu)一旦發(fā)生失效，造成的經(jīng)濟(jì)損失和自然傷害極其嚴(yán)重，后果甚至是不可逆轉(zhuǎn)和補(bǔ)救的，因此，對(duì)水工結(jié)構(gòu)進(jìn)行積極地、安全可靠的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估不容小覷，必須全面考慮并且多方位評(píng)估風(fēng)險(xiǎn)。評(píng)估風(fēng)險(xiǎn)后要采用積極的措施進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避措施，并且要按照要求進(jìn)行水工結(jié)構(gòu)的損傷監(jiān)測，以此來保證水工結(jié)構(gòu)的安全性，并且發(fā)揮其最大的效益。

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[3]吳君如，中國大壩的安全和管理[J].中國工程科學(xué)，2001，05.

作者簡介：

吳一凡（1996.10）男，漢族，安徽省黃山市，341021199610224039，本科生，研究方向：水工結(jié)構(gòu)

宋子元（1996.02）男，漢族，河南省南陽市，411322199602052418，本科生，研究方向：水工結(jié)構(gòu)