基于全壽命周期的大壩安全監測思考

陳 剛，張平俊

（貴州省水利投資（集團）有限責任公司，550002，貴陽）

一、大壩安全監測的歷史

大壩安全監測是近些年發展起來的一個新興學科，屬于水利水電工程專業范疇。它融入了水工結構、力學、地質、材料、電子儀器儀表、機械、計算科學、現代數學、網絡技術等諸多現代理論和高新技術?？傮w來看，我國大壩安全監測的發展歷程可分為3個階段。

①原型觀測階段。自20世紀50年代，隨著國內水電站的建設，中國水利水電科學研究院開始引進、學習國外監測技術，研制差動電阻式儀器，開展了應變計組資料分析，并出版了《混凝土壩的內部觀測》，舉辦了多個培訓班，開始在部分大壩中埋設監測儀器。為與模型試驗區分，此階段的監測工作普遍稱為“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。監測數據的分析方法和理論也得到了深入的發展，儲海寧、李珍照、吳中如等學習并引進了監測數據分析的新理論，經過國內工程的實踐，創建了以統計模型、確定性模型、混合模型為基礎的正分析和大壩結構性態的反分析，形成了較為系統的大壩安全監測理論體系。該階段監測工作的主要目的是獲取觀測數據，對結構性態進行評價，發現工程存在的安全隱患。

③安全監測階段。20世紀90年代末至今，為安全監測的成熟階段，各種新型監測儀器研制并投入使用，監測技術已在大壩、邊坡、地下洞室的安全監測中得到廣泛應用，國內已發布較為系統的監測技術規范，安全監測已成為人們的共識。監測目的已轉變為健康診斷、綜合評價、安全監視，并開始出現“安全監控”的提法。

二、大壩安全監測的現狀

1.儀器設備

①目前，國內已建、在建的大中型水利水電工程以常規儀器為主要監測手段。

②新的儀器不斷研制，并得到了一些應用。如大壩CT技術、GPS變形測量系統、分布式光纖測溫系統、光纖光柵儀器、水下監測技術等。

③進口儀器價格昂貴，但質量可靠、穩定性好，適用于大型工程或一般工程重點部位；國內大型儀器廠家都有各自的專長，但不注重技術開發和設備更新。

2.設計

①監測設計水平不斷提高，大多數工程的安全監測設計，重點突出、項目全面，儀器選型和布置合理，監測方法可靠，能夠監控主要水工建筑物的運行狀況。

②大部分設計院均有專門的監測設計室或專業的設計人員，設計成果能夠滿足工程需要。少數設計院沒有專業的監測設計人員，往往照搬其他工程，造成設計方案不能完全達到預期。如某大壩設置了變形監測控制網，但是沒有在壩體上設置變形工作點。

③少數設計人員對儀器了解不夠，經常出現儀器的型號、量程等不屬于廠家產品系列而又沒有特殊說明的現象；部分設計人員片面追求新技術，喜歡使用新型監測儀器，而部分人員較為保守，只使用成熟的監測方法，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測系統的成功建立，表明我國監測工程的施工已達到了較高水平，監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，質量、進度、成本等管理要素已納入監測項目管理范疇。

②施工隊伍技術水平參差不齊，技術人員經驗和態度亦良莠不齊。即使是專業的設計院，也嚴重缺乏有安全監測經驗的專業人員和技術骨干，這就造成很多工程儀器安裝埋設質量低，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大多數業主對安全監測的重要性認識不夠，往往是在工程前期忽略對監測儀器的保護，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測數據。

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

4.觀測及自動化

①大部分工程在可研階段已為安全監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測自動化，20世紀90年代前建設的工程大多也進行了自動化改造，總體來講，前期設計準備充足的工程，自動化程度均較高。未實施自動監測的項目由人工進行觀測。

③自動化采集及數據分析軟件研制開發趨于成熟，很多廠家為自動化系統研制了專門的軟件，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施工期監測資料的分析主要以定性分析為主，大多數工程的監測資料能為主體工程的施工提供及時準確的數據。

②大多數工程的監測資料分析報告局限于監測數據的羅列，未能提高至工程整體安全高度，應結合工程設計、地質、計算成果等進行全面地綜合評價。

③已經形成了較為系統的安全監控理論?；诂F代數學理論的新型監控模型不斷開發，例如，模糊數學監控模型、灰色理論監控模型、人工神經網絡監控模型，以及突變、混沌、分形等非線性動力監控模型等，這些模型為實現大壩安全監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，是指工程產品從立項、設計、建造、使用直到報廢淘汰即項目完全失去效益所經歷的全部時間。該理論的提出，主要用于工程經濟成本分析，對于工程成本，不僅考慮經濟意義上的成本，還包括環境成本和社會成本。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不同階段的壽命周期成本發生情況。全壽命周期成本分析方法得到越來越廣泛的應用，是工程經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測

1.大壩安全監測的責任

國內已出版的多本監測技術專著及規范一致認為大壩安全監測的目的有3個：一是為施工及施工期服務，檢驗施工質量和指導施工；二是為大壩的安全運行提供保障；三是為設計和科研服務。

從全壽命周期的角度考慮，大壩安全監測應該是全過程監測，但應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測過多的責任。安全監測的目的如果僅僅是服務于施工，則應當與永久性監測分開，可考慮設置臨時監測設施；如果是為設計和科研服務，則要設立專項的科研內容，以工程科研為出發點有針對性地開展工作。

基于全壽命周期的大壩安全監測的定義為：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，涉及大壩安全監測相關的單位和個人，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生產活動。其內涵在于及時判斷“物的不安全狀態”，其外延表現在大壩的壽命即為安全監測工作的時間，參建各方的利益和需求有差異，但目標一致，各階段工作內容不同但目的明確，傳統做法中的讓大壩安全監測承擔的相關任務改由其他方式分擔。

2.基于全壽命周期的大壩安全監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測全壽命周期的開始，設計單位起著重要作用。設計人員除了嚴格按照規范選定監測項目、布設監測儀器外，還應考慮工程實際情況，對特殊建筑物的監測做針對性的設計，同時考慮到施工及運行期儀器可能存在一定數量的損耗，不宜選擇規范規定的最小數量和最少項目，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，其可研階段應將監測自動化系統設計包含在內。

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予以接受，對審查單位提出的減少項目或儀器的意見應適時給予解釋，說明設計意圖及目的，避免在招標和施工階段出現考慮不全面的現象。

（2）招標階段

一般情況下，工程進入招標階段后基本由建設單位負責組織，通常有以下幾種形式：監測工程包含在土建施工標中；監測工程單獨招標；設備采購、儀器埋設及施工期觀測分開招標；將監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，大壩安全監測工程不同于一般的施工標，它是設備采購標、設備安裝標、施工標以及技術咨詢服務的綜合體。

由于監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，建設單位應當清楚地認識到，在監測標段中不是簡單的儀器埋設，更不是純粹的設備采購，以最低價中標的單位往往技術服務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。

作為監測工程的承包人，要在維護行業整體技術水平的基礎上公平競爭，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，專心提高技術能力和服務水平，營造良好氛圍，為監測行業樹立良好的口碑。

（3）施工階段

在施工階段，監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，而監測設施的實施質量直接決定了儀器設備的完好率，因此，監測施工單位應當對儀器設備的采購、檢驗、率定、安裝、保護及觀測等各個環節的質量進行嚴格控制。

同時，監理單位應當配備有經驗的監理工程師，按照《大壩安全監測系統施工監理規范》的要求，對監測工程質量進行全程有效的監控；建設單位重視程度對監測工程的完好性也有很大影響；設計單位根據現場施工情況，對監測布置做出及時的調整或補充，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歷安全鑒定、蓄水驗收等程序，監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。

相關規定要求蓄水驗收應具備的條件有：監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觀測，首次蓄水過程中最重要的監測數據沒有記錄，造成的損失已無法彌補。

實際上，首次蓄水對大壩和監測系統都是一次重要考驗。根據多個工程經驗，在首次蓄水期間，工程管理單位要特別加強組織，作出詳細監測計劃，參建各方分工協作，嚴格按照規范或設計要求進行觀測，對觀測資料應及時進行整編分析，保證取得完整的首次蓄水監測資料。

（5）運行期

根據水利部對全國近3000座水庫大壩安全監測情況進行的調查分析，在日常監測、設施技術、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測系統。

由此，中小型水庫的運行管理單位應當引起重視，采用打包管理、打包設計和委托有資質的單位承擔相應的日常監測以及承擔監測系統工程運行維護是小型水庫安全監測可供考慮的思路，通過技術人員培訓、交接運行、自行實施等方法主動承擔也是可行的。

五、結 語

基于全壽命周期的大壩安全監測概念的思考，是筆者歷經大壩監測設計、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，大壩安全監測應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測過多的責任?；谌珘勖芷诘拇髩伟踩O測對工程參建各方均有更高的要求。