基于全壽命周期的大壩安全監(jiān)測思考

陳 剛，張平俊

（貴州省水利投資（集團）有限責任公司，550002，貴陽）

一、大壩安全監(jiān)測的歷史

大壩安全監(jiān)測是近些年發(fā)展起來的一個新興學(xué)科，屬于水利水電工程專業(yè)范疇。它融入了水工結(jié)構(gòu)、力學(xué)、地質(zhì)、材料、電子儀器儀表、機械、計算科學(xué)、現(xiàn)代數(shù)學(xué)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等諸多現(xiàn)代理論和高新技術(shù)?？傮w來看，我國大壩安全監(jiān)測的發(fā)展歷程可分為3個階段。

①原型觀測階段。自20世紀50年代，隨著國內(nèi)水電站的建設(shè)，中國水利水電科學(xué)研究院開始引進、學(xué)習(xí)國外監(jiān)測技術(shù)，研制差動電阻式儀器，開展了應(yīng)變計組資料分析，并出版了《混凝土壩的內(nèi)部觀測》，舉辦了多個培訓(xùn)班，開始在部分大壩中埋設(shè)監(jiān)測儀器。為與模型試驗區(qū)分，此階段的監(jiān)測工作普遍稱為“原型觀測”。

②大壩觀測階段。自20世紀70年代，因國外一些著名大壩的失事，各國政府對大壩的安全深切關(guān)注，水工建筑物的安全觀測工作被提高到一個重要的地位。監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析方法和理論也得到了深入的發(fā)展，儲海寧、李珍照、吳中如等學(xué)習(xí)并引進了監(jiān)測數(shù)據(jù)分析的新理論，經(jīng)過國內(nèi)工程的實踐，創(chuàng)建了以統(tǒng)計模型、確定性模型、混合模型為基礎(chǔ)的正分析和大壩結(jié)構(gòu)性態(tài)的反分析，形成了較為系統(tǒng)的大壩安全監(jiān)測理論體系。該階段監(jiān)測工作的主要目的是獲取觀測數(shù)據(jù)，對結(jié)構(gòu)性態(tài)進行評價，發(fā)現(xiàn)工程存在的安全隱患。

③安全監(jiān)測階段。20世紀90年代末至今，為安全監(jiān)測的成熟階段，各種新型監(jiān)測儀器研制并投入使用，監(jiān)測技術(shù)已在大壩、邊坡、地下洞室的安全監(jiān)測中得到廣泛應(yīng)用，國內(nèi)已發(fā)布較為系統(tǒng)的監(jiān)測技術(shù)規(guī)范，安全監(jiān)測已成為人們的共識。監(jiān)測目的已轉(zhuǎn)變?yōu)榻】翟\斷、綜合評價、安全監(jiān)視，并開始出現(xiàn)“安全監(jiān)控”的提法。

二、大壩安全監(jiān)測的現(xiàn)狀

1.儀器設(shè)備

①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。

②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。

③進口儀器價格昂貴，但質(zhì)量可靠、穩(wěn)定性好，適用于大型工程或一般工程重點部位；國內(nèi)大型儀器廠家都有各自的專長，但不注重技術(shù)開發(fā)和設(shè)備更新。

2.設(shè)計

①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。

②大部分設(shè)計院均有專門的監(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。少數(shù)設(shè)計院沒有專業(yè)的監(jiān)測設(shè)計人員，往往照搬其他工程，造成設(shè)計方案不能完全達到預(yù)期。如某大壩設(shè)置了變形監(jiān)測控制網(wǎng)，但是沒有在壩體上設(shè)置變形工作點。

③少數(shù)設(shè)計人員對儀器了解不夠，經(jīng)常出現(xiàn)儀器的型號、量程等不屬于廠家產(chǎn)品系列而又沒有特殊說明的現(xiàn)象；部分設(shè)計人員片面追求新技術(shù)，喜歡使用新型監(jiān)測儀器，而部分人員較為保守，只使用成熟的監(jiān)測方法，兩者均不可取。

3.施工

①三峽、洪家渡、龍灘、小灣等大型或巨型水利工程監(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)測項目管理范疇。

②施工隊伍技術(shù)水平參差不齊，技術(shù)人員經(jīng)驗和態(tài)度亦良莠不齊。即使是專業(yè)的設(shè)計院，也嚴重缺乏有安全監(jiān)測經(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，沒有及時進行處理分析和評價。

③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)。

④安全監(jiān)測工程投資普遍偏低，挫傷了承包商的積極性，嚴重影響安全監(jiān)測工程質(zhì)量及其效益目標的實現(xiàn)。

4.觀測及自動化

①大部分工程在可研階段已為安全監(jiān)測自動化的實施做了考慮，并在儀器選型和測站布置等方面做足準備。

②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。未實施自動監(jiān)測的項目由人工進行觀測。

③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。

5.資料分析和理論研究

①施工期監(jiān)測資料的分析主要以定性分析為主，大多數(shù)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)。

②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高度，應(yīng)結(jié)合工程設(shè)計、地質(zhì)、計算成果等進行全面地綜合評價。

③已經(jīng)形成了較為系統(tǒng)的安全監(jiān)控理論?；诂F(xiàn)代數(shù)學(xué)理論的新型監(jiān)控模型不斷開發(fā)，例如，模糊數(shù)學(xué)監(jiān)控模型、灰色理論監(jiān)控模型、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控模型，以及突變、混沌、分形等非線性動力監(jiān)控模型等，這些模型為實現(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。

三、全壽命周期的概念

全壽命周期的概念始于國外，是指工程產(chǎn)品從立項、設(shè)計、建造、使用直到報廢淘汰即項目完全失去效益所經(jīng)歷的全部時間。該理論的提出，主要用于工程經(jīng)濟成本分析，對于工程成本，不僅考慮經(jīng)濟意義上的成本，還包括環(huán)境成本和社會成本。通過對工程壽命周期成本的分析，可以了解一個工程在整個壽命周期內(nèi)不同階段的壽命周期成本發(fā)生情況。全壽命周期成本分析方法得到越來越廣泛的應(yīng)用，是工程經(jīng)濟評價的重要組成部分。

本文所引入的全壽命周期雖然來自于上述理論，但重點關(guān)注的是大壩安全。由此，對于工程全壽命周期的概念與工程成本分析不同。

全壽命周期在本文的表述中，僅表示一個時間歷程，包含了決策、設(shè)計、施工、運營、老化以及廢除等6個階段。如圖1所示。

圖1 工程全壽命周期時間歷程

四、基于全壽命周期的大壩安全監(jiān)測

1.大壩安全監(jiān)測的責任

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)測的目的有3個：一是為施工及施工期服務(wù)，檢驗施工質(zhì)量和指導(dǎo)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)。

從全壽命周期的角度考慮，大壩安全監(jiān)測應(yīng)該是全過程監(jiān)測，但應(yīng)該以滿足大壩運行期的需求為最終目標，沒有必要賦予大壩安全監(jiān)測過多的責任。安全監(jiān)測的目的如果僅僅是服務(wù)于施工，則應(yīng)當與永久性監(jiān)測分開，可考慮設(shè)置臨時監(jiān)測設(shè)施；如果是為設(shè)計和科研服務(wù)，則要設(shè)立專項的科研內(nèi)容，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運行期直至廢除或重建期間，涉及大壩安全監(jiān)測相關(guān)的單位和個人，為達到準確而有效地了解、分析及評價大壩安全的目的而開展的相關(guān)生產(chǎn)活動。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，各階段工作內(nèi)容不同但目的明確，傳統(tǒng)做法中的讓大壩安全監(jiān)測承擔的相關(guān)任務(wù)改由其他方式分擔。

2.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

（1）可行性研究階段

可研階段是大壩安全監(jiān)測全壽命周期的開始，設(shè)計單位起著重要作用。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)測做針對性的設(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，可對重點部位的重點項目適當增加儀器。另外，對于中型以上水庫，其可研階段應(yīng)將監(jiān)測自動化系統(tǒng)設(shè)計包含在內(nèi)。

在可研審查階段，對審查單位提出的增加斷面和儀器的要求應(yīng)予以接受，對審查單位提出的減少項目或儀器的意見應(yīng)適時給予解釋，說明設(shè)計意圖及目的，避免在招標和施工階段出現(xiàn)考慮不全面的現(xiàn)象。

（2）招標階段

一般情況下，工程進入招標階段后基本由建設(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)測工程單獨招標；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，故不論采用哪種方式，建設(shè)單位應(yīng)當清楚地認識到，在監(jiān)測標段中不是簡單的儀器埋設(shè)，更不是純粹的設(shè)備采購，以最低價中標的單位往往技術(shù)服務(wù)能力及資源投入不足，而由此造成的損失只能由工程本身來承擔。

作為監(jiān)測工程的承包人，要在維護行業(yè)整體技術(shù)水平的基礎(chǔ)上公平競爭，實踐表明，以不合理的低價贏得標的的承包商，最終都自食苦果。無論是設(shè)計院，還是施工局、科研院所，都要秉承“與自己競爭，與同行合作”的理念，專心提高技術(shù)能力和服務(wù)水平，營造良好氛圍，為監(jiān)測行業(yè)樹立良好的口碑。

（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，大部分都隨主體工程的進度而逐步開展，而監(jiān)測設(shè)施的實施質(zhì)量直接決定了儀器設(shè)備的完好率，因此，監(jiān)測施工單位應(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)量進行嚴格控制。

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)測工程質(zhì)量進行全程有效的監(jiān)控；建設(shè)單位重視程度對監(jiān)測工程的完好性也有很大影響；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，能夠彌補可研或招標階段的不足。

總之，施工階段需要參建各方的通力配合。

（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，監(jiān)測工程基本上都被列為重點檢查項目，此時，在前期及施工過程中存在的問題能夠逐步暴露出來。

相關(guān)規(guī)定要求蓄水驗收應(yīng)具備的條件有：監(jiān)測工程施工基本完成并投入正常運行，同時已測得初始值和施工期觀測值。個別工程對此理解不夠，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，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，工程管理單位要特別加強組織，作出詳細監(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。

（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，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%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)。

由此，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(xùn)、交接運行、自行實施等方法主動承擔也是可行的。

五、結(jié) 語

基于全壽命周期的大壩安全監(jiān)測概念的思考，是筆者歷經(jīng)大壩監(jiān)測設(shè)計、審查、安全鑒定、招投標、施工、驗收及運行等各個階段的自身體會和認識。從大壩全壽命周期的角度考慮，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，沒有必要賦予大壩安全監(jiān)測過多的責任?；谌珘勖芷诘拇髩伟踩O(jiān)測對工程參建各方均有更高的要求。