（中国水利水电第七工程局有限公司第三分局 四川 成都 611170）
【摘 要】在水电建设领域，随着筑坝技术的进步与成熟，特大型电站和高坝建设不断刷新纪录，目前在我国西南地区正在或即将新建的众多大型水电工程，由于其所处的地质环境与设计、施工技术复杂，对安全提出了更高的要求。开展工程安全监测，尤其是重要水利水电工程的安全监测，有效减少事故的发生，提早预防、预警和控制恶性灾难事故的发生就显得极其迫切和重要。本文阐述了安全监测的重要意义，并对水利水电工程安全监测的内容、方法进行了归纳总结，同时还对目前安全监测方面的重要理论和方法进行了梳理，以及对工程安全监测新技术的应用、发展进行了展望。
【关键词】水利水电工程；安全监测；监测理论；监测技术；发展趋势
【中图分类号】TV22 【文献标识码】A 【文章编号】1002-8544（2017）18-0170-04
1.概述
在水电建设领域，随着筑坝技术的进步与成熟，特大型电站和高坝建设不断刷新纪录，目前在我国西南地区正在或即将新建的众多大型水电工程，由于其所处的地质环境与设计、施工技术复杂，对安全提出了更高、更多的要求。在国内外曾经发生的各种大坝、堤防溃决事故中，造成的人员伤亡、经济损失、和社会影响都十分惊人。这些特大灾难事故的后果触目惊心，不但造成巨大经济损失，而且也造成很大的人员伤亡、环境破坏和人们心灵的创伤，在社会上引起强烈反响，因此，开展工程安全监测，尤其是重要水利水电工程的安全监测，有效减少事故的发生，提早预防、预警和控制恶性灾难事故的发生就显得极其迫切和重要。
2.水电工程安全监测的目的和意义
水电工程安全监测主要是通过仪器观测和巡视检查对大坝坝体、坝基、坝肩、近坝区岸坡以及大坝周围环境进行的测量和观察，是保证工程安全运行的重要手段，其首要目的是就是掌握工程实际健康安全状况，为判断工程安全提供必要信息。
2.1.水电工程安全监测的目的
2.1.1 实时掌控工程安全健康状况，服务于工程安全管理
水工建筑物从施工到完建，从挡水到运行，其安全健康状况处在不断变化中，也隐含着相应风险。在施工期要了解临时建筑物及永久建筑物在建设工程中的性状变化和可能发生的安全问题，要了解基坑、洞室开挖爆破、大体积混凝土浇筑、土石方填筑对工程安全可能造成的不利影响；蓄水试运行阶段，大坝面临第一次真正的考验，工程安全监测要为工程设计和施工部门提供建筑物工作状况的第一手资料，对工程安全作出第一次评判，并为工程验收提供依据；当工程进入正常运行期后，监测系统基本建成，安全监测应成为工程安全管理部门的耳目和技术手段，在长期的工程运行和安全管理中监测工程安全性状变化，以识别和规避工程风险，保证工程安全，为提高工程效益发挥作用。所以说，掌握工程健康安全性状变化，保证工程安全是工程安全监测的首要目的。
2.1.2.检验和完善设计理论和方法
随着水利水电工程的数量和难度、复杂地质条件、以及高坝、超高坝建设中，要求水工设计人员在设计理论和设计方法上要不断改进和创新，但是这些新理论和新方法在实践中究竟效果如何，是否与设计人员原来预想的一致，都需要建筑物运行后的实测数据来检验。
2.1.3 优化施工工艺，指导施工
由于水工建筑物施工的复杂性，为了改进和优化施工方法和施工工艺，有时需要边施工、边监测、边反馈。地下洞室开挖过程中的监测反馈控制、施工围堰建成后基坑抽水抽水过程中的安全监测，大体积混泥土浇筑工程中的温度控制，以及堤防加固新工艺实验性施工等。
2.1.4.配合科学研究及其他
对于一些规模宏大和技术复杂的水工建筑物，在设计阶段除了要在实验室作模型试验研究外，有时还需要在类似的建筑物上布设仪器作研究，或者专门修建实体建筑物予以研究，有一些是利用在建工程的某些施工部位或施工程序作一些专项试验，这些都需要监测工作的配合。
2.2 水电工程安全监测的意义
我国先后进行过3次溃坝失事的统计。1962年，第一次统计了1954年~1961年底的失事大坝共532座。1979年第二次统计在62年的基础上补充整理了到1980年底的溃坝数据，编制了《全国水库垮坝登记册》，当时全国累计溃坝2976座（包括溢洪道和输水洞的冲毁）；按坝型计，溃坝中属土石坝最多，为2944座；按破坏部位分，坝体破坏2586起，占86.9%，溢洪道破坏197起，占6.6%，输水洞破坏157起，占5.3%。1991年第三次统计了1981年到1990年的266座溃坝，编制了《全国水库垮坝统计资料》。水利部前部长汪恕诚在2003年防汛工作会议上谈到我国自1991年到2002年12月来，共发生235座水库溃坝事件，其中小型水库233座，中型水库2座。
其实，绝大多数水工建筑物破坏都有一个缓慢的逐渐积累的成灾过程，即使建筑物存在缺陷或在设计理论和技术上有有一些不确定的因素，当运行中出现异常征兆时，通过安全监测系统的连续观测和认真仔细地检查分析，也会被发现，可以早作处理，预防灾害发生，防患于未然。因此，对水电工程进行安全监测，不仅是为了验证设计和施工质量，更重要的是为了保证大坝等水工建筑物的运行安全，发现问题，及时处理。
保证水电工程安全的措施，主要是工程措施和非工程措施，这两方面相互依存，缺一不可。工程措施主要是采取合理、科学的工程技术和手段，保证工程得到良好的设计和施工，运行中对水工建筑物进行科学的维护和加固；非工程措施主要是指通过洪水预报、安全监测等手段来保障水电工程运行安全的措施。按照我们目前的情况，当前突出强调非工程措施的作用具有十分重要的现实意义，加强工程安全监测是非工程措施中的非常重要的一个方面。
水电工程安全监测作为安全管理的一个重要手段，在工程勘察、设计、科研、施工、运行各阶段都是非常必要的，在一些动态设计的工程中，要求边勘测、边监测、边设计、边施工，更需要监测及时提供数据。随着我国水电工程建设水平的日益提升，安全监测在其中也发挥了越来越大的作用，展现的意义也越来越重大而非凡。
3.水电工程安全监测的内容和方法
3.1 水电工程安全监测的内容及方法
水电工程安全监测的内容就建筑物的性状而言，有环境量监测和效应量监测两大类。环境量是一类环境因素物理量，它的变化可以导致建筑物和相关岩体内部的性状变化，通常包括库水位、气温、水温、降水（降雨降雪）、大气状态（湿度、气压、风情）、冰厚、地震、洪水等，其中温度、水位、降雨是最主要的。效应量是建筑物和相关岩体对环境变化所产生反应的一类物理量，通常包括内外部的绝对和相对位移及偏转，接缝及裂缝的张合，渗流压力和渗流量及渗流水的化学成份、浊度，内部应力、应变、温度，局部应力集中，大坝及基础材料物理力学性能等。在效应量中变形及渗流量监测是最重要的监测项目，因为这些量直观、可靠、易获取，基本上可以反应在各种环境作用下的水工建筑物的安全状态。
3.1.1 环境量监测
为了解大坝上下游水位、降雨量、温度等环境量的变化对坝体变形、渗流等情况的影响，提供分析计算所需的环境量资料，必须在每次观测时首先对环境量监测读数，这些监测包括上下游水位、降雨量、气温、水温、地震、波浪、冰压力及坝前和库区泥沙冲淤等。
水位观测可在大坝上下游选择合适的观测点，采用水尺、水位计等方式进行观测。降雨量、气温、波浪的观测可在坝区设水文气象观测站，按规定进行观测，泥沙冲淤分布主要是依靠流域机构的水文观测站来提供。水温可在坝前选择合适的断面用温度计进行水温观测。地震强度采用强震仪观测，包括强震加速度仪和峰值记录加速度仪等，或依靠国家地震网提供；在地震基本烈度Ⅶ度及以上地区的Ⅰ、Ⅱ级水库大坝，须经论证进行坝区地震反应监测。
3.1.2 变形监测
大坝等水工建筑物在自重及各种环境因素的综合作用下会产生变形，变形监测是水电工程安全监测工作的重要内容。变形监测主要有如下几方面的工作内容：
（1）表面变形。主要包括水平位移和垂直位移；水平位移包括垂直于坝轴线的横向位移和平行于坝轴线的纵向位移。表面变形监测可以采用水准测量和变形监测三角网及视准线法进行观测，一般采用水准仪、全站仪进行测量，也可用自动化方式进行，如引张线系统、激光准直系统、GPS位移观测系统。
（2）内部变形。包括分层水平位移和垂直位移（或沉降）。分层水平位移是指在水压力作用下垂直坝轴线方向或平行于坝轴线方向上的不同层面的水平位移，或由于坝基或坝体的抗剪强度低而产生的侧向位移；垂直位移则是大坝等建筑物施工或运行期坝体内的固结和沉降。在坝体内可能发生较大位移的部位安装监测仪器，观察内部位移情况，进行综合分析，判断大坝的稳定性和坝体内有无隐蔽裂缝，以此作为安全运行的重要依据。测量内部水平位移的仪器主要有测斜仪、引张线式水平位移计、正倒垂线式位移计、电位器式位移计等。测量内部分层垂直位移的仪器有连通管式沉降仪、横梁式沉降仪、电磁式沉降仪、干簧管式沉降仪、连杆式分层沉降仪。
（3）坝基及洞室围岩变形。可用位移计、基岩变形计、收敛计和静力水准仪等设备进行观测。
（4）裂缝及接缝。水工建筑物在设计和施工中常设有一些接缝（沉降缝、结构缝、施工缝），也可能在运行中产生新的裂缝。对这些接缝和裂缝进行观测分析，可了解其应力、变形的现状和发展趋势，分析其对建筑物结构安全的影响。监测接缝和裂缝的仪器有单项测缝计、双向测缝计、三向测缝计等。
（5）挠度观测。主要采用垂线法观测，如正垂线法和倒垂线法。
（6）混泥土面板变形。混泥土面板的变形观测包括面板的表面位移、挠度、接缝和裂缝等。水面上的部分可采用表面变形的观测方法进行，水面下的部分可采用连通管式沉降仪、斜坡测斜仪、测缝计等进行观测。
（7）岸坡位移。对于危及大坝、输水泄水建筑物及附属设施安全和运行的滑坡体及边坡应进行监测，了解其发展趋势，必要时采取处理措施。岸坡位移观测主要包括表面位移、裂缝及深层位移。表面位移、裂缝可采用前述方法观测，深层位移采用多点位移计和测斜仪进行观测。
3.1.3 渗流监测
渗流监测是对上下游水位差作用下产生的渗流场的监测，包括渗流压力、渗流量和渗流水质的观测。渗流观测项目有坝体渗流、坝基渗流、绕坝渗流、渗流量、地下洞室围岩渗流、边坡岩体渗流场监测和水质分析。渗流压力主要采用测压管和埋设渗压计的方法进行观测；渗流量采用三角量水堰进行观测，对渗流量较小的可采用容器直接量测（容积法）。水质分析可在一些重要的渗漏处设取水点，提取水样观测透明度和进行化学分析，了解渗流性质、渗流通道，查找渗漏原因。
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3.1.4 结构内部应力、应变、压力、温度观测
应力应变监测设计主要根据建筑物的结构设计及其在不同工况下承受荷载后的应力分布规律来布置，还可以参考结构设计时所作的的计算分析和模型实验成果，选择典型断面和对控制结构安全罪敏感的部位布置测点，主要包括混凝土应力、应变、锚杆（锚索）应力、钢筋应力、钢板应力、基岩应变、空隙水压力、土压力及温度场等监测。使用的仪器有各种原理的单项应变计、测平面应力状态的多向应变计、测空间应力状态的多向应变计及扣除自身体积变形的无应力计，还有钢筋计、钢板计、锚杆测力计、锚索测力计、土压力盒、测坝体温度的温度计以及测坝面温度的红外测量装置和分布式光纤测量系统。
3.1.5 水力学观测
水力学观测包括坝后和水流通道的流速、流态、动水荷载、空化、空蚀、雾化、通气、掺气等监测。监测断面的选择应根据溢流、泄洪消能设施布置的特点和消能要求来选定，时间安排在泄洪阶段重点观测不同泄洪方案的消能效果和溢流坝面可能出现的空化现象。
泄水建筑物压强观测包括时均压强、瞬时压强及脉动压强，可采用测压管、压力表、及埋入脉动压力传感器等进行观测。流速观测可采用浮标法、流速仪法和毕托管法。泄水建筑物流量观测一般采用水工模型试验的水位流量关系根据上下游水位差进行计算，也可采用流速观测结果进行流量计算。水面线观测一般采用在边墙上设置红白相间的直立水位尺和摄像等方式进行。
3.1.6 外观巡视检查
水电工程外观巡视检查包括对坝体、坝基、坝肩、库岸、及附属工程进行巡视检查。检查项目有裂缝、渗水、冻胀、冲蚀、磨损、松软老化、塌方、淘刷及止水等。
4.水电工程安全监测的理论与方法
4.1 安全监测数据合理性分析的理论和方法
安全监测资料的合理性分析主要包括对监测数据的误差处理和不同测量仪器所测数据的归一化处理。目前，主要是基于最小二乘原理处理监测数据的粗差，常用的方法有数据探测法和稳健估计法。
数据探测法的基本思想是假定平差系统中只存在一个粗差观测值，并将该粗差纳入函数模型，用统计假设检验方法检测粗差并剔除粗差。莱茵达准则是数据探测法中最常用的一种粗差检验方法，将残差超过3倍中误差的观测值判定为粗差加以剔除。目前大坝安全监测中，利用各种监控指标判别粗差都是基于该准则而进行的。
稳健估计法的基本思想是通过变权是观测中正常方差和异常大方差对参数产生不同影响，以达到定位粗差和削弱其对参数解的不良影响。
此外，粗差处理还常用统计量检验法，比如肖维勒准则、t检验准则、F检验准则等。针对采用不同仪器得到的监测数据，为保持资料的完整性和使得样本较多，向衍采用单位跃阶函数建立统计模型，从而实现不同测量仪器监测数据的归一化处理。
大坝安全监测数据合理性分析的发展方向，一是基于数理统计的残差分析，二是基于概率的随机模糊诊断技术研究。
4.2 大坝安全监测数据的模型分析理论
1955年，意大利的Faneli和葡萄牙的Roeha首次采用统计回归法来定量分析大坝变形观测资料。1977年Faneli又提出了大坝变形的确定性模型和混合模型，将理论计算值和实际资料有机结合起来，对大坝进行监控。我国的大坝监测资料分析在以前主要是采用定量分析，即通过绘制过程线和最大、最小等统计特征值来分析大坝运行状况。
20世纪80年代以来，模糊数学、灰色理论、神经网络、滤波法、小波分析、突变理论、混沌理论等各种理论和方法纷纷被引入大坝安全监测资料分析中来，提出了多种分析模型理论。如齐长鑫等人应用灰色系统理论建立了相关统计预测模型；魏虹等人建立了人工神经网络大坝监测预报模型；邓跃进提出了大坝变形失稳尖点突变模型；张进平等提出了位移分布模型，用于监测大坝的原型性态。这些理论的应用，大大丰富和发展了大坝安全监测数值模型方法。
4.3 基于监测资料结构性态反分析
反分析是根据原型观测资料利用数学模型反求正分析中的计算参数、计算模型和某些结构特征。大坝反分析主要包括对材料本构关系的模拟分析和模型参数的计算。大坝及坝基的参数反演有常规分析法和确定性模型法两种，国内外对大坝及坝基参数的反演分析研究比较深入，尤其对混凝土坝反分析较为普遍并取得许多成果。土石坝反分析目前主要用于土层和荷载较简单的情况，仅限于线弹性模型。
目前由于商业有限元软件拥有丰富和完善的单元库、材料模型库和高效的求解器、接口的开放性，使用户可以很方便地扩展程序功能进行分析计算。这也是未来基于安全监测资料的土石坝结构性态反分析的发展方向。
4.4 大坝安全决策支持系统
大坝安全监测的目的是为管理部门评断大坝安全状态提供依据，大坝安全决策支持系统（或称为大坝安全信息管理系统）是随着计算机科学、数据库、网络、数据挖掘等技术的发展而在传统水利水电行业发展起来的信息化产品和工具。大坝安全决策支持系统从最初简易的信息管理系统发展到专家系统；专家系统是模拟人类专家对专业问题作出专家水平级解答，将大坝安全领域内的专家知识整理、编码成计算机可识别的信息，将专家的经验和思维转化成合理的推理策略，从而实现对大坝的实时安全监控。
4.5 大坝安全监控及综合评判与决策
在大坝安全评价方面，我国以往都偏重于结构安全系数K的复核评判，国外则早已采用SEED法和风险值的概念来加以计量。国内的一些相关研究，有的则采用模糊数学方法确定大坝实测性态评价体系各层元素的权重，实现对大坝安全实测性态的评判。
近年来，可靠度理论、突变理论、风险分析方法也逐渐用于大坝安全度评价，吴中如在“三峡水工建筑物安全监测与反馈设计”研究中，根据三峡工程的特点，利用层次分析和模糊评判及其相结合、突变理论、多级灰关联分析、可靠度理论等理论和方法，依据实测资料对大坝实测性态进行综合分析和安全评价。
5.水电工程安全监测新技术及其发展趋势
5.1 水电工程安全监测技术的发展
安全监测技术作为一门学科逐渐发展起来，安全监测技术也从危险性分析和定量分析阶段发展到今天的在线实时监测阶段。随着技术和理论的成熟以及仪器设备的进步完善，20世纪90年代后大坝安全监测技术飞速发展，许多大坝都完成了自动化监测系统的更新改造，新建大坝也具有功能齐全的监测系统。目前大坝安全监测系统基本上都实现了数据采集、数据管理、在线分析、成果预警的计算机自动化监控。
5.2 水电工程安全监测技术的发展趋势
5.2.1 内观监测技术
我国安全监测技术可以说是伴随着监测仪器的发展而发展的，对大坝等建筑物的内部性态长期监测的仪器主要有差动电阻式和震弦式两类，随着仪器质量和性能的不断提高，震弦式仪器在我国水利水电工程中得到广泛应用，在土石坝内部变形监测中还常用到垂直水平位移计、测斜兼沉降仪、三向测缝计等，垂直位移常用水管式沉降仪、钢弦式沉降计等，水平位移主要用引张线式水平位移计。
基础岩层电测技术是监测基础岩层内部内部变位的新方法，其原理是岩石在剧烈变动之前，会有异常电荷释放，局部区域会产生激烈的电荷骤变，骤变的电荷以静电的方式向四周地层或坝体的方向传播，通过测量电荷的变化可预测基础岩层的变化。
5.2.2 外观监测技术
5.2.2.1 传统外观项目监测技术
目前，精密型全站仪测量精度可达1mm+1ppm/0.5”，表面变形监测常用智能型全站仪（俗称测量机器人）实现半自动化监测。正倒垂监测是大坝变形监测的重要手段，垂线坐标仪从人工观测发展到自动遥测，遥测垂线坐标仪从接触式发展到非接触式，非接触式坐标仪从步进马达光学跟踪式到CCD式和感应式垂线坐标仪。遥测引张线仪和垂线坐标仪一样，区别在于只测一个方向。
真空激光准直系统是在激光准直系统的基础上消除大气折射影响的一种测量大坝垂直、水平位移的系统，随着CCD技术和激光图像处理技术的发展，其测量精度和可靠性都有很大提高。
5.2.2.2 GPS监测技术
GPS监测技术精度高、全天候实时连续监测、受外界条件干扰少、基准点和监测点间不需通视、各监测点可同步监测、多种通讯方式可选择、系统兼容性好，能够弥补传统监测手段的不足，实现无人值守，解决恶劣环境条件和不利地形条件下的大坝变形监测的难题。随着GPS系统软硬件技术的提高和成本的降低，GPS技术将更广泛地应用于大坝安全监测。
5.2.2.3 空间连续监测技术
随着激光、电磁波、光波等技术在监测仪器上的应用，出现了光纤传感监测、三维激光扫描、合成孔径雷达、地震CT、渗流热监测等空间监测设备和技术。
5.2.2.4 安全监测自动化技术
目前，安全监测自动化技术向多元方向发展，主要是监测数据采集自动化和监测资料处理分析自动化。其发展大多是从集中式数据采集系统向分布式数据采集系统发展，国内监测自动化系统不论在稳定性、适应性和兼容性方面都有长足进步。
6.结语
随着中国经济社会的发展，人们对工程安全的关注和要求越来越高，尤其是投资大、影响面广的水利水电工程，它的安全关系到国家和人民的重大生命财产安全和社会稳定，切实做好水利水电工程的安全监控是非常重要的。工程安全监测目前在工程安全管理中是一个非常重要的领域，在工程建设中应用十分广泛，得到了工程管理单位和人们的高度重视，在水电工程、高速铁路、城市地铁、高层建筑等重要工程建设中都作为一项专门的专业工作开展，并且采用第三方测量的方式，足显工程安全监测的重要作用和地位。水电工程安全监测作为安全管理的一个重要手段，在工程勘察、设计、科研、施工、运行各阶段都是非常必要的，随着我国水电工程建设水平的日益提升，安全监测在其中也发挥了越来越大的作用，展现的意义也越来越重大而非凡。
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论文作者:宁江
论文发表刊物:《建筑知识》2017年18期
论文发表时间:2017/9/19
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