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        基于全壽命周期的大壩安全監(jiān)測思考

        2019-04-16 07:16:02張平俊
        中國水利 2019年6期
        關(guān)鍵詞:大壩壽命儀器

        陳 剛,張平俊

        (貴州省水利投資(集團(tuán))有限責(zé)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(jī)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)。總體來看,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(jì)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(jìn)、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(jì)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(jìn)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(jìn)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(jì)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(jìn)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(dá)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(dá)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(jìn)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(yán)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(jìn)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(rèn)識不夠,往往是在工程前期忽略對監(jiān)測儀器的保護(hù),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(yán)重影響安全監(jiān)測工程質(zhì)量及其效益目標(biāo)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(zhǔn)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(jì)90年代前建設(shè)的工程大多也進(jìn)行了自動化改造,總體來講,前期設(shè)計準(zhǔn)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(jìn)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(qiáng)、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(zhǔn)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(jìn)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。基于現(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(jìn)展,仍處于理論研究階段,沒有達(dá)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(jì)成本分析,對于工程成本,不僅考慮經(jīng)濟(jì)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(jì)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(zé)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(rèn)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(biāo),沒有必要賦予大壩安全監(jiān)測過多的責(zé)任。安全監(jiān)測的目的如果僅僅是服務(wù)于施工,則應(yīng)當(dāng)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(jìn)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(dá)到準(zhǔn)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(biāo)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(dān)的相關(guān)任務(wù)改由其他方式分擔(dān)。

        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(yán)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(dāng)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(biāo)和施工階段出現(xiàn)考慮不全面的現(xiàn)象。

        (2)招標(biāo)階段

        一般情況下,工程進(jìn)入招標(biāo)階段后基本由建設(shè)單位負(fù)責(zé)組織,通常有以下幾種形式:監(jiān)測工程包含在土建施工標(biāo)中;監(jiān)測工程單獨招標(biāo);設(shè)備采購、儀器埋設(shè)及施工期觀測分開招標(biāo);將監(jiān)測項目劃分為幾個標(biāo);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(biāo),它是設(shè)備采購標(biāo)、設(shè)備安裝標(biāo)、施工標(biāo)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(dāng)清楚地認(rèn)識到,在監(jiān)測標(biāo)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(biāo)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(dān)。

        作為監(jiān)測工程的承包人,要在維護(hù)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(biāo)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(jìn)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(dāng)對儀器設(shè)備的采購、檢驗、率定、安裝、保護(hù)及觀測等各個環(huán)節(jié)的質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格控制。

        同時,監(jiān)理單位應(yīng)當(dāng)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(jìn)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(bǔ)充,能夠彌補(bǔ)可研或招標(biāo)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(bǔ)。

        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(qiáng)組織,作出詳細(xì)監(jiān)測計劃,參建各方分工協(xié)作,嚴(yán)格按照規(guī)范或設(shè)計要求進(jìn)行觀測,對觀測資料應(yīng)及時進(jìn)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(jìn)行的調(diào)查分析,在日常監(jiān)測、設(shè)施技術(shù)、維護(hù)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(dāng)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(dān)相應(yīng)的日常監(jiān)測以及承擔(dān)監(jiān)測系統(tǒng)工程運行維護(hù)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(dān)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(biāo)、施工、驗收及運行等各個階段的自身體會和認(rèn)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(biāo),沒有必要賦予大壩安全監(jiān)測過多的責(zé)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。

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