灌區(qū)水利工程全方位安全監(jiān)測探析

張鐘元，郭翔宇，闞 飛，盧 鑫

(1.四川省都江堰東風渠管理處，成都，610081；2.四川省水利科學研究院，成都，610072)

引言

在我國基礎(chǔ)設(shè)施不斷轉(zhuǎn)向現(xiàn)代化建設(shè)的今天，水利工程的建設(shè)標志著傳統(tǒng)水利工程向現(xiàn)代水利工程的轉(zhuǎn)變，標志著水利工程的建設(shè)開始轉(zhuǎn)向現(xiàn)代化與精細化，是我國社會發(fā)展與經(jīng)濟發(fā)展的現(xiàn)實客觀要求[1]。

由于水工建筑物長期在自然環(huán)境、運營期荷載工況的作用下，建筑物內(nèi)部損傷會逐漸形成、積累，最終導(dǎo)致水工建筑物安全性降低。當遇到突發(fā)情況的發(fā)生，這些安全隱患必將產(chǎn)生破壞性后果。為了保障水利工程的正常運行，水工建筑物結(jié)構(gòu)的健康，有必要對水工建筑物進行安全監(jiān)測管理。

隨著我國農(nóng)業(yè)的加速發(fā)展，灌區(qū)水利工程已然成為農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要基礎(chǔ)設(shè)施，其在一定程度上可以大幅度提升農(nóng)作物產(chǎn)值。通過灌區(qū)水利工程能夠有效安排水資源進行灌溉，季節(jié)性缺水時增加灌溉頻率，做好灌區(qū)水利工程管理還能通過對水資源的循環(huán)利用，達到節(jié)約水資源的目的。灌區(qū)水利工程建設(shè)不僅關(guān)系到民生的發(fā)展，更關(guān)系到灌區(qū)資源節(jié)約戰(zhàn)略工程。

我國水利水電工程在歷經(jīng)多年建設(shè)高潮之后，隨著建設(shè)數(shù)量和容量快速增長，水利行業(yè)正在面臨質(zhì)量控制、運維管理和效率提升等新一輪亟待解決的熱點、難點問題。“重建設(shè)、輕管理”將不再能夠滿足行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的要求，“水利工程補短板、水利行業(yè)強監(jiān)管”作為新時代水利強音，提出要聚焦水利工程安全運行等水利行業(yè)業(yè)務(wù)需求，形成水利行業(yè)齊心協(xié)力、同頻共振的監(jiān)管格局，為水利建設(shè)現(xiàn)代化提供支撐與保障。

1 安全監(jiān)測的必要性

隨著現(xiàn)代工業(yè)與科學技術(shù)的日益發(fā)展，水利工程日益趨向大規(guī)模、多功能、高智能發(fā)展，與此同時產(chǎn)生的安全問題也日益顯著。由水利工程安全問題所導(dǎo)致的災(zāi)難性事件包括大壩潰壩、海難、透水、瓦斯天然氣爆炸、火災(zāi)、生物危害性事件等，造成的人員、經(jīng)濟和社會損失均十分慘重。如1928年美國加利福尼亞州的St.Francis重力壩潰壩事件導(dǎo)致450人死亡；1959年法國Malpasset拱壩潰壩事件導(dǎo)致421人死亡；1963年意大利Vajont拱壩庫岸滑坡導(dǎo)致2000余人死亡；1975年河南板橋水庫潰壩事件導(dǎo)致26座水庫相繼潰決，直接、間接死亡24萬余人，造成直接經(jīng)濟損失34.97億元；1993年，青海省溝后水庫發(fā)生潰壩，造成300余人死亡；2003年，因三峽水庫蓄水及降雨等綜合因素導(dǎo)致庫區(qū)千將坪發(fā)生特大型滑坡災(zāi)害，死亡24人，直接經(jīng)濟損失超過了8000萬元[2-3]。這些觸目驚心的案例警醒我們開展水利工程安全監(jiān)測理論研究及技術(shù)實踐的相關(guān)研究與工作是至關(guān)重要的，對做好我國水利工程風險防控和安全監(jiān)測工作具有借鑒意義。

對水利工程進行安全監(jiān)測，是我國長期以來高度重視和重點研究的熱點領(lǐng)域，我國已先后頒布《土石壩安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》(SL 551-2012)、《混凝土壩安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》(SL 601-2013)、《水利水電工程水力學原型觀測規(guī)范》(SL 616-2013)、《水利水電工程安全監(jiān)測設(shè)計規(guī)范》(SL 725-2016)、《水工隧洞安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》(SL 764-2018)、《水閘安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》(SL 768-2018)等一系列水利工程安全監(jiān)測相關(guān)的標準規(guī)范，為水利工程安全監(jiān)測提供了指導(dǎo)性與規(guī)范化的技術(shù)保證。

2 安全監(jiān)測技術(shù)現(xiàn)狀及灌區(qū)需求

水利工程安全監(jiān)測技術(shù)經(jīng)歷了定性判別、定量分析、人機結(jié)合3個階段。

19世紀末，水利工程安全監(jiān)測拉開了序幕。1881年，德國的Eisbach大壩開始了對大壩表面變形的觀測；1903年，美國布萊恩重力壩開展了溫度觀測工作；1926年，美國對愛達荷州的瓦美利加-佛爾茲壩進行了揚壓力和應(yīng)變觀測；1952年Chester Floyd Carlson發(fā)明了混凝土應(yīng)力計，法國、德國等國家先后研制出了鋼弦式儀器，與此同時，美國開始研發(fā)差動電阻式儀器，從此，以應(yīng)力計為代表的傳感器進入了比較完善的階段[4]。

20世紀60年代中期，安全監(jiān)測進入定量分析階段。由于當時幾次大型水利事故的產(chǎn)生，使人們的注意力轉(zhuǎn)移到了對運行期水利工程的安全監(jiān)測，并在一些大型的水利工程水工建筑物上開展了變形監(jiān)測、滲流監(jiān)測、應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測、環(huán)境量監(jiān)測等項目。通過安全監(jiān)測，及時了解水工建筑的結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)。20世紀70年代以后，監(jiān)測儀器、監(jiān)測技術(shù)、儀器安裝埋設(shè)水平、觀測資料的分析及應(yīng)用等方面均得到了迅速發(fā)展，隨著監(jiān)測儀器中晶體管的出現(xiàn)，進一步改善了安全監(jiān)測技術(shù)水平，實現(xiàn)了監(jiān)測智能化、遙測化、監(jiān)測設(shè)備小型化。

20世紀80年代之后，隨著科學技術(shù)的前進，計算機的使用越來越廣泛，監(jiān)測儀器的生產(chǎn)工藝、監(jiān)測精度越來越高，智能科技的發(fā)展，推動了水利工程的安全監(jiān)測向新一階段發(fā)展。在監(jiān)測儀器方面，一些振弦式、差動式、電感、電容儀器及其他類型的監(jiān)測儀器得到了廣泛的應(yīng)用。20世紀90年代后，水利工程安全監(jiān)測技術(shù)飛速發(fā)展，以大型水庫大壩為代表的許多水利工程完成了自動化監(jiān)測系統(tǒng)的更新?lián)Q代，如二灘、三峽、小浪底等。安全監(jiān)測成為工程上的一個必要手段，成為提供設(shè)計理論依據(jù)、優(yōu)化設(shè)計和可靠度評價不可缺少的環(huán)節(jié)，成為工程設(shè)計、施工質(zhì)量控制的重要手段。進入21世紀以后，工程安全監(jiān)測自動化已成為主流，數(shù)據(jù)分析，數(shù)據(jù)查詢，數(shù)據(jù)的計算等等這些對于以后資料整理分析和質(zhì)量控制帶來了相當大的方便，這對以后工程的建設(shè)和實施有了安全保障。

大型灌區(qū)是我國農(nóng)業(yè)和農(nóng)村經(jīng)濟發(fā)展的重要基礎(chǔ)設(shè)施，是國家糧食安全的基礎(chǔ)保障[5]。大型灌區(qū)水利工程涵蓋了如水庫、渠道及渠系建筑物、水閘、隧洞、堤防等常見水利工程。但由于大型灌區(qū)具有工程的分散性、水資源的有限性、水情雨情的變化性、農(nóng)作物需水的時效性、灌溉供水的動態(tài)性等方面的特點，導(dǎo)致灌區(qū)水管理工作復(fù)雜。如果不采用現(xiàn)代管理方法和技術(shù)，將難以實現(xiàn)灌區(qū)水資源的優(yōu)化配置和高效利用[6]。

以四川省大型灌區(qū)東風渠灌區(qū)為例，東風渠灌區(qū)是四川省特大型灌區(qū)—都江堰灌區(qū)的重要組成部分，地處成都平原腹心地帶，系成都以東丘陵地區(qū)及外圍丘陵地區(qū)農(nóng)田灌溉、工業(yè)及生活用水的輸水動脈，作為成都平原腹地骨干供水工程，承擔著成都、眉山兩市20個縣(市、區(qū))的輸供水任務(wù)和水安全保障任務(wù)，同時承擔向黑龍?zhí)豆鄥^(qū)、龍泉山灌區(qū)15.09萬hm2農(nóng)田的輸水任務(wù)，對整個成都平原的經(jīng)濟發(fā)展至關(guān)重要。灌區(qū)內(nèi)水利工程運行狀況的好壞，直接關(guān)系工程的正常輸供水、安全運行和社會經(jīng)濟效益發(fā)揮，對保障工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生活用水、人居環(huán)境和生態(tài)環(huán)境供水意義重大[7]。

東風渠灌區(qū)水利工程數(shù)量大、種類多，且分布廣泛，工程病害(險)問題較為突出，已有安全監(jiān)測覆蓋不足，監(jiān)測方式較為落后，且監(jiān)測站點布局不夠優(yōu)化，當前亦無相關(guān)規(guī)劃。灌區(qū)水利工程病險自動預(yù)警業(yè)務(wù)支撐不足，當前水利工程安全病險分析大多通過經(jīng)驗知識進行判別，對工程安全監(jiān)測數(shù)據(jù)的應(yīng)用能力不足，需要業(yè)務(wù)管理人員具備較為豐富的工作經(jīng)驗，該方法不利于工程險情的及時發(fā)現(xiàn)，不利于水利工程的安全管理。由于灌區(qū)內(nèi)各類水利工程安全監(jiān)管“覆蓋不全、技術(shù)落后、協(xié)同困難”等問題和不足，使得灌區(qū)工程管理存在盲區(qū)和短板。因此，從“全方位安全監(jiān)管”角度做好灌區(qū)水利工程安全監(jiān)測研究，研究如何保障水利工程安全運行、有效提升水利工程管理效率、發(fā)揮水利工程綜合效益，具有十分重大的現(xiàn)實意義。

3 安全監(jiān)測內(nèi)容

3.1 變形監(jiān)測

變形監(jiān)測的主要目的是掌握水利工程與地基變形的空間分布特征和隨時間變化的規(guī)律，監(jiān)控有害變形及裂縫等的發(fā)展趨勢。變形監(jiān)測一般可分為表面變形監(jiān)測和內(nèi)部變形監(jiān)測兩大類，其中表面變形監(jiān)測包括水平位移、垂直位移監(jiān)測；內(nèi)部變形監(jiān)測根據(jù)水利工程的特點包括撓度、接縫開合度等。

位移監(jiān)測的目的是觀測測點的水平及垂直位移變化量，監(jiān)測精度的確定主要考慮了監(jiān)測等級和位移控制值兩方面的因素，位移控制值包括變化速率控制值和累計變化量控制值。位移監(jiān)測的精度首先要根據(jù)控制值的大小來確定，特別是要滿足速率控制值或在不同工況條件下按各階段分別進行控制的要求。監(jiān)測精度確定的原則是監(jiān)測控制值越小要求的監(jiān)測精度就越高，同時還要滿足不低于同級別監(jiān)測等級條件下的監(jiān)測精度要求。

3.2 滲流監(jiān)測

水利工程滲流監(jiān)測對于了解水利工程在上下游水位、降雨、溫度等環(huán)境量作用下的滲流規(guī)律及驗證渡槽防滲設(shè)計具有重要意義。滲流監(jiān)測的主要項目包括滲透壓力和側(cè)向繞滲。必要時，還需配合進行滲流量、水質(zhì)分析等監(jiān)測項目。

滲流監(jiān)測各項目應(yīng)相互配合，并同時觀測水利工程上下游水位、降雨量和大氣溫度等環(huán)境因素。已建工程在進行滲流監(jiān)測設(shè)施更新改造時，應(yīng)避免對工程滲流安全造成不利影響。凡不能在工程竣工后補設(shè)的儀器(如岸墻和翼墻底部的儀器)，均應(yīng)在工程施工期適時安裝。

部分水利工程滲流監(jiān)測應(yīng)符合其工程特性與需求，如水閘還應(yīng)進行閘基揚壓力監(jiān)測，閘基揚壓力監(jiān)測應(yīng)根據(jù)水閘的結(jié)構(gòu)型式、工程規(guī)模、閘基輪廓線、地質(zhì)條件、滲流控制措施等進行布置，并應(yīng)以能測出閘基揚壓力分布及其變化為基本原則。

3.3 應(yīng)力應(yīng)變及溫度監(jiān)測

應(yīng)力應(yīng)變及溫度監(jiān)測的主要監(jiān)測內(nèi)容包括鋼筋應(yīng)力、土壓力、錨索(錨桿)應(yīng)力監(jiān)測、混凝土溫度、混凝土應(yīng)力應(yīng)變等。一般僅對重要的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進行鋼筋應(yīng)力監(jiān)測，鋼筋計焊接在鋼筋的同一軸線上，可在鋼筋計附近進行應(yīng)力應(yīng)變觀測，以便同時監(jiān)測鋼筋及周圍混凝土的應(yīng)力應(yīng)變狀況。

應(yīng)力應(yīng)變及溫度監(jiān)測的布置應(yīng)和變形、滲流監(jiān)測相結(jié)合，測點布設(shè)應(yīng)根據(jù)水利工程結(jié)構(gòu)特點、應(yīng)力狀態(tài)、分層分塊施工情況以及數(shù)值模擬和模型試驗成果進行合理布置，以更好地反映結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布特征。

水利工程溫度測點的布置應(yīng)考慮水利工程結(jié)構(gòu)特點、施工方法以及溫度場的分布規(guī)律，在溫度梯度較大的面板及孔口處附近應(yīng)適當加密測點。

3.4 環(huán)境量監(jiān)測

環(huán)境量監(jiān)測的目的是了解環(huán)境量的變化規(guī)律及對水利工程變形、滲流和應(yīng)力應(yīng)變等的影響。環(huán)境量監(jiān)測內(nèi)容包括水位、氣溫、降水量等。施工期水位、降水量監(jiān)測宜應(yīng)用當?shù)厮?、氣象站觀測資料。此外，在重要交界斷面和水源地開展水質(zhì)監(jiān)測，水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)亦可采用環(huán)保水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)。

環(huán)境量監(jiān)測應(yīng)嚴格按《水位觀測標準》(GB/T 50138-2010)、《降水量觀測規(guī)范》(SL 21-2015)等環(huán)境量監(jiān)測相關(guān)標準規(guī)范內(nèi)容執(zhí)行。

3.5 專項監(jiān)測

灌區(qū)水利工程應(yīng)根據(jù)其工程規(guī)模、等級、運用條件和環(huán)境等因素，有針對性地設(shè)置專門性監(jiān)測項目。灌區(qū)常見水利工程專項監(jiān)測內(nèi)容主要包括水力學、施工環(huán)境安全監(jiān)測和生物危害監(jiān)測等。

水力學監(jiān)測項目包括水流流態(tài)、水面線(水位)、波浪、凍水壓強、水流流速、流量、消能(率)、沖刷(淤)變化、通氣量、摻氣濃度、空化噪聲、過流面磨蝕等，應(yīng)根據(jù)水利工程類別、等級，開展相應(yīng)監(jiān)測項目；施工環(huán)境安全監(jiān)測應(yīng)包括粉塵濃度、有毒有害氣體及放射性監(jiān)測；生物危害監(jiān)測應(yīng)根據(jù)水利工程類型及生物危害種類(如白蟻、老鼠、蛇等)開展相應(yīng)監(jiān)測項目。

4 安全監(jiān)測技術(shù)發(fā)展探析

傳統(tǒng)水利工程安全監(jiān)測儀器按照觀測儀器埋設(shè)在水利工程內(nèi)部和外部分為內(nèi)觀儀器和外觀儀器2大類。

應(yīng)用于水利工程內(nèi)部性態(tài)監(jiān)測的儀器主要有差動電阻式和振弦式兩大類。差動電阻式儀器又稱為卡爾遜式儀器，以電阻絲變形與電阻比成正比的原理研制而成，具有密封性好、穩(wěn)定性較強、可靠性高、簡單易用等優(yōu)點，但對于大應(yīng)變狀態(tài)輸出信號較弱，不適用于長期監(jiān)測；振弦式儀器通過鋼弦震動頻率隨鋼絲應(yīng)力變化的原理研制而成。具有精度高、量程大、受環(huán)境影響小、便于自動化等優(yōu)點，但對于傳感器材料和加工工藝要求較高。此外，傳統(tǒng)水利工程內(nèi)觀儀器還常用到垂直水平位移計、測斜儀、三向測縫針等。傳統(tǒng)的水利工程安全監(jiān)測外觀儀器除了水準儀、經(jīng)緯儀、全站儀、測距儀等測繪儀器設(shè)備外，還包括引張線法、激光準直法、垂線坐標儀等方法。

隨著自動化及信息化在水利行業(yè)的深入應(yīng)用，傳統(tǒng)的水利工程安全監(jiān)測技術(shù)逐漸完善，但基于技術(shù)與成本的限制，傳統(tǒng)的監(jiān)測技術(shù)多為“點監(jiān)測”，即在空間上對水利工程某代表部位或區(qū)段進行典型觀測，以典型點位代表水利工程的整體安全性狀，且在時間上多不能實現(xiàn)實時連續(xù)監(jiān)測，對于水利工程動態(tài)管護及安全預(yù)警不能做到實時響應(yīng)，急需采用科學、先進、可靠、精確的自動化技術(shù)實現(xiàn)在空間與時間上的“面監(jiān)測”，最大化水利工程安全監(jiān)測與病險預(yù)警能力。

近年來，隨著激光、電磁波、光波、3S等技術(shù)的不斷發(fā)展，三維激光掃描、合成孔徑雷達、地震CT、InSAR、光纖光柵等新技術(shù)在水利工程安全監(jiān)測應(yīng)用中不斷涌現(xiàn)，為連續(xù)實時的水利工程安全“面監(jiān)測”提供了廣泛的應(yīng)用空間，但在自動化監(jiān)測技術(shù)方面，還需進行進一步的深化研究，形成一個科學完善的監(jiān)測管理體系，以在線監(jiān)測、動態(tài)預(yù)警為基本，離線分析、安全評判、風險評估等為方向，將水利工程安全監(jiān)測的有用信息充分挖掘，促使水利工程更加安全穩(wěn)定地運行。

5 結(jié)語

水利工程作為保障民生的重要基礎(chǔ)設(shè)施，加強對水利工程的安全監(jiān)測，能有效延長水利工程使用壽命，保障水利工程運行效率，產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟與社會效益，使水利工程造福于民，服務(wù)民生。在水利工程安全監(jiān)測實施的過程中，主要建議如下：

(1)突出重點，兼顧全面。水利工程安全監(jiān)測應(yīng)根據(jù)工程規(guī)模、等級，并結(jié)合地基條件、施工方法及其上下游影響等因素設(shè)置監(jiān)測項目，有針對性地設(shè)置專門監(jiān)測項目，相關(guān)監(jiān)測項目應(yīng)該配合布置，突出重點，兼顧全面，關(guān)鍵部位測點宜冗余設(shè)置。

(2)高度重視，人才保障。應(yīng)充分認識到水利工程安全監(jiān)測的重要性，高瞻遠矚，統(tǒng)籌謀劃，提前布局，做到防患于未然，常態(tài)化監(jiān)測。此外，在水利工程監(jiān)測技術(shù)趨向?qū)I(yè)化、自動化、信息化的形勢下，應(yīng)重視人才隊伍建設(shè)，培養(yǎng)一批水利工程安全監(jiān)測專業(yè)人員，為水利工程安全運行保駕護航。

(3)新老結(jié)合，創(chuàng)新引領(lǐng)。水利工程安全監(jiān)測應(yīng)在傳統(tǒng)監(jiān)測手段的基礎(chǔ)上應(yīng)用新技術(shù)、新方法、新理論，拓展前沿技術(shù)在水利工程安全監(jiān)測方面的應(yīng)用，將傳統(tǒng)與創(chuàng)新充分融合，以創(chuàng)新驅(qū)動水利現(xiàn)代化建設(shè)與長效發(fā)展。

(4)重視標準，依規(guī)而行。水利工程安全監(jiān)測應(yīng)嚴格按照國家、行業(yè)、地方相關(guān)標準進行，遵循各標準中對水利工程監(jiān)測頻次、監(jiān)測精度、監(jiān)測內(nèi)容等要求，在所監(jiān)測工程無相關(guān)標準或現(xiàn)有標準不能滿足業(yè)務(wù)現(xiàn)狀的情況下，可根據(jù)實際情況編制相關(guān)標準。