方衛(wèi)華，丁慧峰，夏童童

（1.南水北調(diào)中線干線工程建設(shè)管理局，北京，100038；2.水利部南京水利水文自動化研究所，江蘇南京，210012；3.山西省柏葉口水庫建設(shè)管理局，山西太原，030002）

0 引言

高效精準感知工程安全風險是實現(xiàn)有效預(yù)警、風險規(guī)避和感知體系合理性客觀評價的本質(zhì)要求。盡管設(shè)計、施工和管理水平日益提高，但由于老工程結(jié)構(gòu)材料老化和歷史遺留問題、新工程又存在大量不確定因素，特別是隨著極端氣候的增加和地質(zhì)活動的加劇，水工程安全風險依然存在。為有效規(guī)避工程安全風險，風險感知體系不僅應(yīng)能感知水工程當前安全狀態(tài)，還應(yīng)能探測結(jié)構(gòu)隱患，從而分析異常成因、預(yù)知潛在風險和采取相應(yīng)措施服務(wù)。

一方面，盡管安全監(jiān)測與檢測技術(shù)研究成果日益增多、應(yīng)用推廣越來越廣以及相關(guān)規(guī)范日臻完善，但由于水工程安全風險的差異性、動態(tài)性和耦合性，特別是水工程安全風險不僅高度依賴于自身的地理氣候、地形地質(zhì)和結(jié)構(gòu)材料等因素以及時間演化情況，還與自身位置、上游梯級建筑物的安全和運行特征密切相關(guān)，而現(xiàn)有相關(guān)技術(shù)規(guī)范的一般性、滯后性以及經(jīng)驗性削弱了其對于具體工程的針對性。盡管監(jiān)測與檢測都是了解水工程安全狀態(tài)的有力手段，但現(xiàn)存體系都是將監(jiān)測和檢測割裂開來，不利于監(jiān)測-檢測體系的優(yōu)勢互補。另一方面，隨著科技的發(fā)展，新的監(jiān)測技術(shù)、檢測方法和數(shù)據(jù)分析手段不斷涌現(xiàn)，為監(jiān)測-檢測體系的深度融合以及建立基于大數(shù)據(jù)的風險感知體系創(chuàng)造了條件[1]。為此，以更有效規(guī)避水工程安全風險為目標，以現(xiàn)有體系存在的問題為牽引，在分析現(xiàn)有監(jiān)測體系不足和檢測體系特點的基礎(chǔ)上，構(gòu)建適合水工程具體特性和動態(tài)變化的安全風險多層次動態(tài)感知體系。

1 現(xiàn)行監(jiān)測體系分析

雖然安全監(jiān)測在檢驗設(shè)計、反饋施工和指導(dǎo)運行中的作用不可代替，但也存在著感知異常狀態(tài)不靈敏、感知危險區(qū)域不全面和異常測值成因難解析等問題。從感知的基礎(chǔ)來看，監(jiān)測項目分類設(shè)置和時空采樣是兩個根本問題。

1.1 監(jiān)測項目分類和設(shè)置

在監(jiān)測項目分類和設(shè)置方面，結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[2-9]、安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范[10-14]和專門性監(jiān)測技術(shù)規(guī)范[15-17]都有所涉及，上述規(guī)范在監(jiān)測項目設(shè)置時基本規(guī)定都是一致的，即根據(jù)建筑物等級進行監(jiān)測項目設(shè)置，但在監(jiān)測項目名稱、分類和設(shè)置依據(jù)等方面還存在一些不一致的地方。設(shè)計規(guī)范將監(jiān)測分成一般性（安全性）監(jiān)測項目和專門性監(jiān)測項目，前者僅根據(jù)建筑物級別進行設(shè)定，后者則綜合考慮建筑物級別、結(jié)構(gòu)型式及地質(zhì)條件等因素[2]。安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范根據(jù)建筑物級別將監(jiān)測項目分為必設(shè)監(jiān)測項目和可選項目?？傮w上，上述規(guī)范在監(jiān)測項目的設(shè)置中都是依據(jù)建筑物級別，實際上就是依據(jù)工程等別，因為無論是主要建筑物還是次要建筑物，只要工程等別一旦確定，其建筑物級別就已經(jīng)確定。

實際上，工程等別難以準確、實時地反映工程所屬不同建筑物的安全風險大小及其動態(tài)特征。首先，對于包括多個建筑物的水工程而言，由于不同建筑物之間安全風險不同，其失效模式、影響因素及其演化特征也各不相同，并非規(guī)范“規(guī)定”的各建筑物級別是相互確定的。此時監(jiān)測項目的設(shè)置應(yīng)分別根據(jù)各建筑物的安全風險及其對整個樞紐安全風險的影響程度確定。其次，風險感知應(yīng)考慮建筑物本身、連接部位及關(guān)鍵部位不同結(jié)構(gòu)尺度的風險大小。對于高風險工程應(yīng)從工程-建筑物-關(guān)鍵結(jié)構(gòu)或部位，根據(jù)其總體安全風險-建筑物安全風險-關(guān)鍵結(jié)構(gòu)或部位安全風險及其之間的關(guān)系逐級精準定位，明確各自感知要素。而對于小風險工程，則總體從工程尺度設(shè)置感知項即可，沒有必要精細到建筑物或建筑物關(guān)鍵部位。

1.2 測點布置與測次

目前的測點布置主要體現(xiàn)在重點、代表性和典型部位，以及空間上形成監(jiān)測斷面和易于比較分析等方面。由于工程實際安全狀況及其發(fā)展的不確定性，基于規(guī)范、經(jīng)驗或某一時刻工程安全狀態(tài)的測點布置往往難以跟蹤風險演化，從而存在缺乏動態(tài)和實時針對性等問題。由于不連續(xù)性、非均勻性、應(yīng)力集中和應(yīng)變局部化，以及現(xiàn)有監(jiān)測儀器或設(shè)施本身可能改變了監(jiān)測部位的原有結(jié)構(gòu)或測值屬性，在實際工程中往往存在難以將測點布置在最危險部位或測值不能反映真正想要測量的物理量等問題，甚至存在越危險的部位越難以有效、準確監(jiān)測的問題。如壩踵應(yīng)力，越是危險部位其應(yīng)力集中愈明顯，而現(xiàn)有埋設(shè)應(yīng)變計組的監(jiān)測方法誤差就越大。存在上述現(xiàn)象的本質(zhì)原因是監(jiān)測狀態(tài)輸出與結(jié)構(gòu)狀態(tài)本身聯(lián)合感知能力不足。

為能及時、準確地感知工程異常信息，為風險預(yù)警創(chuàng)造條件，測點（群）應(yīng)能捕獲一定影響程度的安全信息，無論是直接地還是間接地。由于結(jié)構(gòu)本身的自組織、應(yīng)力重分布以及自愈特征，測點布置應(yīng)體現(xiàn)敏感性、動態(tài)性、非均勻性和代表性（即測點部位的異常能反映建筑物一定尺度的安全狀態(tài)）等要求。如果監(jiān)測到的僅是局部異常，而這種異常不能反映建筑本身的安全狀態(tài)，這樣的測點是沒有意義的。

在測次方面，現(xiàn)有的規(guī)范體系中將測次分成施工期、蓄水期和運行期，同時對地震、臺風和暴雨等特殊工況條件下加密測次進行了規(guī)定，顯然這些都是合理的。但真實條件下，危險發(fā)生總是伴隨儀器設(shè)備損壞、電源通訊中斷、觀測條件惡化等問題，這時如何保證能采集到有效信息是現(xiàn)有安全監(jiān)測體系必須考慮的問題。如果總是在極端工況或水工程特征轉(zhuǎn)異時錯失異常信息的采集，說明現(xiàn)有安全監(jiān)測體系尚不完備。

2 安全風險感知的要求

上述分析表明，水工程安全風險感知應(yīng)根據(jù)工程各組成建筑物的安全風險及其對整個樞紐的安全影響進行動態(tài)設(shè)置。在測點布置方面，應(yīng)考慮測點局部特征、測值真實性以及局部對整體安全的代表性等方面。同時，為提高感知系統(tǒng)緊急狀態(tài)下感知信息的可靠性，必須有相應(yīng)的預(yù)防措施。

2.1 工程運行環(huán)境及荷載效應(yīng)

地理位置、氣候條件和地應(yīng)力場分布和演化，特別是地質(zhì)活動、河勢變化、梯級建設(shè)、淤積沖刷情況的不斷改變等因素都將影響水工程安全風險。針對技術(shù)規(guī)范的普適性，其中的“可選項目”不能理解為可有可無的項目，而應(yīng)根據(jù)工程實際情況設(shè)置，甚至在某些工程中可上升為“必設(shè)項目”。如對于北方和南方不同位置的水工建筑物，北方攔河工程不僅需要設(shè)置冰凌和冰壓力監(jiān)測，而且應(yīng)該是必設(shè)監(jiān)測項目，而南方攔河工程則可不用考慮冰凌和冰壓力監(jiān)測；對于多泥沙河流，淤積和含沙量已經(jīng)成為相關(guān)工程安全的重要荷載因素，因此必須將泥沙設(shè)置為必設(shè)監(jiān)測項目；對于受風荷載影響比較大的沿海堤壩或水閘，風荷載也應(yīng)設(shè)置為必設(shè)監(jiān)測項目。再者，由于規(guī)范依據(jù)的樣本、設(shè)計階段信息和現(xiàn)場實際情況了解的有限性，建筑物在運行過程中可能出現(xiàn)事先并未預(yù)料到的情況，如機組或閘門振動嚴重、冰壓力或風荷載很大、鹽潮及氯離子腐蝕嚴重、壩體及壩基析出物突出、消能或溢洪道沖刷超出估計、白蟻危害嚴重等，當上述現(xiàn)象可能對水工程安全構(gòu)成威脅或能通過這些現(xiàn)象反演水工程安全狀態(tài)時，這些現(xiàn)象則應(yīng)當設(shè)置為安全監(jiān)測項目?？傊?，是否設(shè)置為必設(shè)監(jiān)測項目或一般性監(jiān)測項目，應(yīng)考慮建成后工程運行的具體環(huán)境和實際工程運行后的具體反應(yīng)進行動態(tài)優(yōu)化。

2.2 結(jié)構(gòu)材料及地質(zhì)特征

不同結(jié)構(gòu)材料的破壞模式、耐久性、影響因素、衰減模型、突變拐點都存在明顯的差異，如土石料與混凝土其抗?jié)B性能和抗凍性能明顯不同、金屬結(jié)構(gòu)與混凝土結(jié)構(gòu)的破壞形式也不一樣。隨著時間的改變，不同結(jié)構(gòu)、材料的老化和表現(xiàn)形式也不一樣，而監(jiān)測項目設(shè)置必須與此相適應(yīng)。即將頒布的國家標準《混凝土壩安全監(jiān)測技術(shù)標準》明確指出，“根據(jù)目前的施工技術(shù)水平，100 m以下常態(tài)混凝土壩可不設(shè)壩體滲透壓力監(jiān)測。而碾壓混凝土的壩體混凝土層間縫是薄弱環(huán)節(jié)，應(yīng)加強滲透壓力監(jiān)測”?？梢娂词雇腔炷翂危绻┕し椒ê筒牧喜煌?，監(jiān)測項目設(shè)置也應(yīng)不同。

在建設(shè)和運行過程中，建筑物與地基之間將發(fā)生動態(tài)相互作用，從而改變建筑物和基礎(chǔ)的初始狀態(tài)，甚至超過了初始估計，這些都對風險感知提出了新要求。

初應(yīng)力分布、初始缺陷、運行中出現(xiàn)的損傷、材料徐變、殘余應(yīng)力、應(yīng)力松弛及應(yīng)力重分布、泥沙淤積等或裂縫咬合帶來剛度或防滲性能的改變等難以通過現(xiàn)有監(jiān)測手段得到有效反映，而這些安全風險影響因素必須在新的感知體系中得到考慮。

2.3 運行調(diào)度與除險加固

工程運行目的、相關(guān)政策和調(diào)度方式的改變，特別是經(jīng)過除險加固等工程措施以及運行調(diào)度變化后，工程安全風險都可能發(fā)生改變，而在設(shè)計階段完成的監(jiān)測項目的設(shè)置和測點布置難以考慮上述因素的影響，因此安全監(jiān)測必須適應(yīng)新情況，反映新狀態(tài)。

3 檢測及其對風險感知的意義

結(jié)構(gòu)檢測主要通過電磁場（波）、機械波或圖像等方式進行水工程狀態(tài)的顯示，具體方法包括探地雷達、地震勘探、彈性波、層析成像、水聲探測、放射性測量、綜合示蹤、綜合測井、太赫茲、聲發(fā)射、震電效應(yīng)檢測等。上述方法有些可以實現(xiàn)靜態(tài)檢測，有些可以實現(xiàn)動態(tài)檢測。具體檢測項目包括水工程覆蓋層、隱伏構(gòu)造破碎帶、喀斯特、巖體風化帶、卸荷帶、軟弱夾層、滑坡體產(chǎn)狀、性質(zhì)以及參數(shù)，同時可用于感知堤防隱患、隧道施工超前預(yù)報、地下水、環(huán)境放射性、地基巖體質(zhì)量、灌漿效果、混凝土質(zhì)量、洞室混凝土襯砌質(zhì)量、洞室松弛圈、錨桿錨固質(zhì)量、防滲墻質(zhì)量、堆石（土）體密度、地基承載力、鋼襯與混凝土/巖石接觸狀況、堆石壩面板、水文地質(zhì)參數(shù)、巖土物理和力學參數(shù)等[18-19]。

以旋轉(zhuǎn)臺的方位角變化曲線為對比，觀察圖13中的航向角變化基本與其斜率相同，因此航向角的變化可以滿足可視化輔助截割系統(tǒng)的精度要求。

相較于主要通過獲取輸入因素和輸出效應(yīng)從而分析結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)的安全監(jiān)測，檢測則主要直接針對結(jié)構(gòu)和材料的幾何、力學、物理狀態(tài)參數(shù)，能夠獲得結(jié)構(gòu)一定尺度的空間連續(xù)多場信息，因此具有更直接、更本質(zhì)和更全面等特征，對于揭示結(jié)構(gòu)變異機理、預(yù)測結(jié)構(gòu)性態(tài)演化和成因分析都具有十分重要的意義。由于初始應(yīng)力對結(jié)構(gòu)失效路徑具有顯著影響，特別是進入塑性狀態(tài)以后，現(xiàn)有監(jiān)測手段無法探知結(jié)構(gòu)初始應(yīng)力，而檢測方法卻可以有效感知初始應(yīng)力，如對于軟弱疏松巖體，可用空心包體應(yīng)力計法等傳統(tǒng)方法，還可以采用結(jié)合粘滯剩磁和聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)的方法感知圍巖初始應(yīng)力?？傊瑱z測可以從更合適的尺度對水工程內(nèi)部進行針對性地檢查。美國奧洛維爾水庫溢洪道泄槽破壞事件直接說明了安全監(jiān)測必須結(jié)合安全檢測，才能更好地進行工程安全風險預(yù)警[20]。

隨著無人機監(jiān)測、視頻與圖像識別、衛(wèi)星遙感、（次）聲波監(jiān)測、太赫茲等技術(shù)的發(fā)展，監(jiān)測和檢測的界限日趨模糊，而新形勢下安全管理對風險感知提出了更高要求：智慧感知、協(xié)同感知、自適應(yīng)感知、應(yīng)急感知、魯棒感知等。準確規(guī)避風險和高效預(yù)警要求安全監(jiān)測和檢測技術(shù)必須實現(xiàn)融合，并根據(jù)水工程安全狀態(tài)的演化在監(jiān)測項目設(shè)置和時空采樣等方面進行動態(tài)優(yōu)化。西安交通大學等單位開發(fā)的復(fù)雜工況三維全場動態(tài)變形檢測技術(shù)、數(shù)字圖像相關(guān)法以及工業(yè)三維攝影測量等技術(shù)能夠在多種工況、多種尺寸下對三維全場變形、應(yīng)變、運動軌跡、輪廓外形等進行檢測，相對于安全監(jiān)測只能獲取“點”信息而言其覆蓋范圍更為全面。

盡管檢測有自身的優(yōu)勢，但由于檢測具有不定期和有限檢測時間窗口等特點，難以長期對工程安全狀態(tài)起到實時監(jiān)控的作用，不僅容易“遺漏”重要安全信息，也難以利用長期檢測信息通過學習或訓練建立時間預(yù)測模型。

總之，檢測可以彌補安全監(jiān)測覆蓋度不夠、狀態(tài)滯后和不直接等不足，而安全監(jiān)測可以起到長期現(xiàn)場“站崗”的作用。對于安全監(jiān)測發(fā)現(xiàn)的異常，可通過檢測進一步揭示成因?？傊瑢崿F(xiàn)安全監(jiān)測和檢測之間深度融合，對提高水工程安全風險預(yù)警具有重要意義[20-23]。

4 安全風險動態(tài)感知框架

風險感知體系應(yīng)能精準捕獲結(jié)構(gòu)性態(tài)異常、準確實現(xiàn)安全預(yù)警，為此風險感知不僅應(yīng)關(guān)心水工程的輸入和輸出，也應(yīng)該關(guān)心包括結(jié)構(gòu)、材料和基礎(chǔ)在內(nèi)的水工程本身狀態(tài)，因為三者之間是不可分割的有機體系（圖1）。特別是在極端情況下，三者之間的耦合與關(guān)聯(lián)性更強。由于有些變量的不可觀性和變量之間的耦合特性，加上解的不適定性和測量誤差的存在，有些工程風險及其變化難以僅通過輸入和輸出監(jiān)測加以感知（圖2），此時必須借助于結(jié)構(gòu)狀態(tài)感知進行綜合分析。

圖1 水工程安全風險關(guān)聯(lián)體系Fig.1 Safety risk correlation system for water projects

圖2 工程安全狀態(tài)與輸出之間的關(guān)系Fig.2 Relationship between project safety state and output

考慮到不同風險級別的工程風險感知要求不同，同時結(jié)合系統(tǒng)論和控制論思想，將風險感知按工程風險從低到高劃分為輸入（影響因素、作用）感知、輸出（效應(yīng)）感知、（結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)）狀態(tài)感知和隨動感知四個層次，每個層次根據(jù)具體建筑物甚至關(guān)鍵部位所設(shè)置的具體項目，可分別擬定相應(yīng)的預(yù)警指標，從而構(gòu)建多層次預(yù)警指標體系。低風險工程其風險感知體系只需要設(shè)置輸入感知一個層次，隨著工程風險的增大，其風險感知層次應(yīng)逐步增加，即中等風險的工程風險感知體系需設(shè)置輸入感知和輸出感知兩個層次，高風險工程風險感知體系需設(shè)置輸入感知、輸出感知、狀態(tài)感知三個層次，而特高風險工程其風險感知體系需設(shè)置輸入感知、輸出感知、狀態(tài)感知和隨動感知全部四個層次。表1給出了上述四個層次具體內(nèi)容以及與現(xiàn)有安全監(jiān)測/檢測體系的對應(yīng)關(guān)系。如對于低安全風險的小型水庫、塘壩只需要設(shè)置降雨、水位和入庫流量等第一層次感知項目，而對于特高風險的大型水庫大壩，則需要設(shè)置全面四個層次的所有感知項目。每層次感知體系中，再根據(jù)具體建筑物的安全風險級別及其對整個工程的影響程度進行動態(tài)排序后選擇重要的感知項。

4.1 輸入感知

輸入感知是水工程安全風險的各種外界影響因素，根據(jù)其對水工程安全風險的影響程度和水工程可接受的風險標準，動態(tài)地選擇前面若干重要因素，感知其相應(yīng)物理量及變化過程。輸入感知需要根據(jù)其對建筑物安全的影響程度、體系可靠度的演化方向和速度確定具體工程的感知要素并優(yōu)化相應(yīng)的時空采樣頻次和密度。如對于水位波動速度和幅度、泄洪霧化以及振動等，只有達到一定量級或?qū)哂幸欢L險的水工程，才將其作為風險感知要素。

4.2 輸出感知

4.3 狀態(tài)感知

結(jié)構(gòu)狀態(tài)包括水工程各部件之間的連接狀態(tài)、姿態(tài)、密實狀態(tài)、均勻狀態(tài)、力學狀態(tài)、熱力學狀態(tài)、防滲抗凍狀態(tài)等。由于許多內(nèi)在狀態(tài)難以通過輸出效應(yīng)加以分析（圖2），因此必須設(shè)置狀態(tài)感知，尤其當狀態(tài)對工程安全風險及其演化的影響很大時。應(yīng)用無損檢測方法是感知結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)狀態(tài)的有效措施。對于水工程而言，重點感知的要素包括防滲止水結(jié)構(gòu)、支撐穩(wěn)定結(jié)構(gòu)、泄水結(jié)構(gòu)、重點部位材料力學和變形狀態(tài)以及發(fā)電設(shè)施和供電設(shè)施可靠性等。隨著認知的不斷深入，新的結(jié)構(gòu)參數(shù)和敏感系數(shù)不斷被發(fā)現(xiàn)，從而使得感知要素不斷得到優(yōu)化，如螺栓緊固度、堆石結(jié)構(gòu)密實度、管片連接牢固性、接觸面狀態(tài)和整體姿態(tài)等。

4.4 隨動感知

對于非長期或不定期的水工程安全影響因素，盡管這些因素不是長期作用在水工程上，但是由于其巨大影響和嚴重后果，應(yīng)該根據(jù)風險大小予以感知，如社會和電網(wǎng)穩(wěn)定風險評估基礎(chǔ)上的輿情和電網(wǎng)監(jiān)測、船舶航行狀態(tài)和異常狀態(tài)診斷、工程運行或相關(guān)群體和個人異常行為檢測等。

表1 水工程安全風險感知體系與監(jiān)測/檢測項目對照表Table 1 Comparison of safety risk perception system and monitoring or detection items in water project

續(xù)表1

5 結(jié)語

水工程安全狀態(tài)和風險隨時間發(fā)生變化，為有效實現(xiàn)工程安全狀態(tài)評估和風險預(yù)警，有必要結(jié)合安全監(jiān)測與檢測在水工程安全信息感知方面的各自優(yōu)勢建立風險動態(tài)感知體系。

工程安全風險大小決定了感知深度，對于風險大的工程，感知項布設(shè)應(yīng)從工程向具體建筑物、從具體建筑物向建筑物關(guān)鍵結(jié)構(gòu)或部位延伸，而小風險的只需在工程層面設(shè)置感知項即可。

風險感知體系可劃分為輸入感知、輸出感知、狀態(tài)感知和隨動感知四個層次，各層次可設(shè)置相應(yīng)的預(yù)警指標。根據(jù)工程風險從小到大，風險感知體系層次逐步增加。從低風險工程只需要設(shè)置輸入感知，到高風險工程需要設(shè)置全部四個風險感知層，這既保證了與現(xiàn)有監(jiān)測-檢測體系的兼容，也符合水工程風險管理的趨勢。