基于全寿命周期的大坝安全监测分析

赵 妮

（新疆水利水电规划设计管理局，新疆 乌鲁木齐 830000）

1 大坝运行特性

由于大坝结构各异，施工规模宏大，运行条件特殊，承受荷载复杂，从勘测设计到施工建成经过的程序和环节非常多，因此与一般的土木工程相比，有其特殊性[1]。

首先，大坝的独特之处在于其使用寿命一般较长，尤其是大型水工程的结构服役期要求为100年甚至更长，而使用周期约为其整个寿命的90%以上。由于各类内因及外因的影响，尤其是在外因作用下，大坝的各项功能、性能必将发生巨大的改变。

其次，大坝的重要性还在于它不仅是一个建筑物，更是水利工程能够顺利运行的唯一屏障。若大坝安全得不到保障，无法正常运行，水库无法蓄水，则所有的功能都无法体现。

最后，坝工理论虽然经过多年的发展，已基本成熟，但某种程度上，大坝仍然属于经验型工程，通过技术规范、模型试验以及数值计算等方法设计建成的大坝，必须经历实际运行的检验，而大坝建成后无法进入坝体内部进行详细检查，只能通过埋入坝体的监测仪器，并结合外部表观的检查才能对其安全状态进行评价。

2 大坝安全监测现状

2.1 仪器设备

目前，国内已建、在建的大中型水利水电工程，以常规仪器为主要监测手段。新的仪器不断研制，并得到了一些应用。如大坝CT技术、GPS变形测量系统、分布式光纤测温系统、光纤光栅仪器、水下监测技术等。进口仪器质量可靠，长期稳定性好，适用于大型工程或一般工程重点部位，但价格昂贵；虽然国内大型仪器厂家都有各自的专长，但技术开发和设备更新还有待提高。

2.2 设计

随着监测设计水平不断提高，大多数工程的安全监测设计，重点突出、项目全面，仪器选型和布置合理，监测方法可靠，能够监控主要水工建筑物的运行状况。另外，大部分设计院设有专门的监测设计室或专业的设计人员，设计成果能够满足工程需要。但设计院的水平参差不齐，少数设计院没有专业的监测设计人员，存在设计照搬其他工程的现象，造成设计方案不能完全达到预期。由于大坝安全关乎社会、人民群众的生命财产安全，不容忽视，建议从事大坝设计的单位均应设置相关专业处室及一定资历的设计研究人员，以便更好地做好监测工作。

2.3 施工

三峡、洪家渡、龙滩、小湾等大型或巨型工程监测系统的成功建立，表明我国监测工程的施工已达到了较高的水平，监测项目部也由原来的小组管理逐步提升至项目管理的高度，质量、进度、成本等管理要素已纳入监测项目管理的范畴。

施工队伍技术水平参差不齐，技术人员经验和水平良莠不齐。即使是专业的施工单位，也严重缺乏有经验的专业人员和技术骨干，这就造成很多工程仪器安装埋设质量低，完好率得不到保证，观测资料长期积压，没有及时处理分析和评价。

大多数业主对安全监测的重要性认识不够。往往是在工程前期忽略对监测仪器的保护，蓄水后又急切希望能够通过有限的完好仪器获得足够多的监测数据。安全监测工程投资普遍偏低，挫伤了承包商的积极性，严重影响到安全监测工程质量及其效益目标的实现。

2.4 观测及自动化

在可行性研究阶段，大部分工程已为自动化的实施做了考虑，并在仪器选型和测站布置等方面为监测自动化做足准备。近期已建工程大多在工程竣工后两年左右开始实施监测自动化，20世纪90年代前建设的工程大多也进行了自动化改造，总体来讲，前期设计准备充足的工程，自动化程度均较高。自动化采集及数据分析软件研制开发趋于成熟，很多厂家为自动化系统研制了专门的软件，但软件普遍存在通用性不强，分析成果不易识别等问题[2]。未实施自动的监测项目，由人工进行观测。

2.5 资料分析和理论研究

施工期监测资料的分析，主要以定性分析为主，大多工程的监测资料能为主体工程的施工提供及时准确的数据[3]。大多数工程的监测资料分析报告，局限于监测数据的罗列，未能提高至工程整体安全的高度，结合工程设计、地质、计算成果等进行全面综合的评价。虽然目前已经形成了较为系统的安全监控理论，一些数学模型的开发为实现大坝安全监控的多元化开辟了新的途径，但还没有取得突破性进展，仍处于理论研究阶段，没有达到实用的程度。

3 基于全寿命周期的大坝安全监测

国内已出版的多本监测技术专著及规范，一致认为大坝安全监测主要有三个目的：一是为施工及施工期服务，部分检验施工质量和指导施工；二是为大坝的安全运行提供保障；三是为设计和科研服务。

从全寿命周期角度考虑，大坝安全监测应该是全过程监测，应以满足大坝运行期需求为最终目标，定期做好大坝安全监测工作；满足施工服务的监测，应与永久监测分开，考虑设置临时监测设施；以满足为设计和科研服务的监测，更要设立专项的科研监测，以工程科研为出发点有针对性地开展工作。

基于全寿命周期的大坝安全监测的定义为：从可行性研究阶段到大坝进入长期运行、直至废除或重建，涉及到大坝安全监测相关的单位和个人，为达到准确而有效的了解、分析及评价大坝安全的目的，而开展的相关生产活动（见图1）。其内涵在于及时判断“物的不安全状态”；其外延表现在大坝的寿命，即为安全监测工作的时间，参建各方的利益和需求有差异，但目标一致；基于全寿命周期的大坝安全监测对工程参建各方均有更高的要求。

图1 大坝全寿命周期时间历程

3.1 可行性研究阶段

可行性研究阶段是全寿命周期的开始，设计单位起重要的作用，往往可行性研究阶段以建筑物设计为主，监测设计处于次要位置。设计人员除了严格按照规范选定监测项目、布设监测仪器外，还应考虑工程实际情况，对特殊建筑物的监测，进行针对性的设计；同时，考虑到施工及运行期仪器可能存在一定数量的损耗，不宜选择规范规定的最小数量和最少项目，可对重点项目的重点部位适当增加仪器；另外，对于中型以上水库，应将监测自动化系统设计包含在内。

在可行性研究审查阶段，对审查单位提出的增加断面和仪器应予以接受，对审查单位提出的减少项目或仪器应适时解释，说明设计意图及目的，避免在招标和施工阶段出现没有考虑全面的现象。

3.2 招标阶段

一般情况下，工程进入招标阶段，基本由建设单位负责组织，通常有以下几种形式：监测工程包含在土建施工标中；监测单独招标；设备采购、仪器埋设及施工期观测分开招标；将监测项目划分为几个标；或者上述4种形式的组合。需要说明的是，大坝安全监测工程不同于一般的施工标，它是设备采购标、设备安装标、施工标以及技术咨询服务的综合体。

由于监测工程总体造价在整个建安费用中比例很小，但仍需引起建设单位的重视，毕竟监测工程标段不仅涉及到仪器的采购、埋设等因素，而且对工程本身的影响较大。

3.3 施工阶段

在施工阶段，监测工程基本上没有独立的工作面，大部分都随主体的进度而逐步开展，而监测设施的施工质量直接决定了仪器设备的完好率。因此，监测设备施工单位，应当对仪器设备的采购、检验、率定、安装、保护及观测等各个环节的质量严格控制。同时，监理单位应当配备有经验的监理工程师，按照《大坝安全监测系统施工监理规范》的要求，对监测工程实施质量进行全程有效的监控。建设单位在施工阶段对监测工程的重视程度，对工程的完好性也有很大的影响。设计单位根据现场施工情况，对监测布置做出及时的调整或补充，能够弥补可行性研究或招标阶段的不足。总之，为保证施工正常顺利进行，施工阶段需要参建各方通力配合。

3.4 首次蓄水期

首次蓄水阶段，由于要经历安全鉴定、蓄水验收等程序，基本上能将监测作为重点的检查项目之一，此时，在前期及施工过程中存在的问题，已经能够逐步暴露出来。相关规定要求，蓄水验收应具备的条件是监测工程施工基本完成并投入正常运行，并已测得初始值和施工期观测值。个别工程对其理解不够，在蓄水验收前，所有仪器均取得了初始值，但蓄水后，就没有再继续观测了，结果，首次蓄水过程中最重要的监测数据没有记录，造成的损失已无法弥补。

实际上，首次蓄水对大坝和监测系统都是一次重要考验，根据多个工程经验，在首次蓄水期间，管理单位要特别重视，做出详细监测计划，参建各方分工协作，严格按照规范或设计的要求进行观测，对观测资料应及时进行整编分析，保证取得完整的首次蓄水监测资料。

3.5 运行期

根据水利部对全国近3000座水库大坝安全监测情况进行的调查分析[4]，在日常监测、设施技术、维护维修、更新改造等方面，特大型和大型水库较好，中型水库50%的以上存在不同的问题，而小型水库大多没有建立相对完整的监测系统。

因此，中小型水库的运行管理单位应当引起重视，采用打包管理、打包设计和委托有资质的单位承担相应的日常监测，以及承担监测系统工程运行维护，是小型水库安全监测可供考虑的思路，通过技术人员培训、交接运行、自行实施等方法主动承担也是可行的。

4 结语

大坝的安全运行事关人民福祉，规范大坝安全监测是了解大坝状态的有效手段，因此以大坝全寿命周期的安全监测要做到：一是从大坝全寿命周期考虑，大坝安全监测应该以满足大坝运行期的需求为最终目标，在工程建设中，参建各方均应担负起相应的责任才能保证大坝安全退役。二是在今后的理论研究中，应逐步过渡到理论研究和具体实践相结合，用理论指导实践，用实践检验理论，相互验证才能保证大坝健康运行。三是在大坝运行期，不间断的监测、维修、养护等工作也是一项重要任务，这样才能使大坝更好地造福于民。