大体积水工建筑物安全监测平台设计初探

大体积水工建筑物安全监测平台设计初探

郭诗文 李玲

安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司  安徽合肥  230000

摘要：“水利工程补短板，水利行业强监管”是当前水利改革与发展的总基调，为我国新时期治水工作指明了方向，建立完整的安全监测系统，提高风险预警能力，才能保障水工建筑物安全稳定运行。笔者认为依靠现有成熟的现代化监测技术以及水工材料类研究成果，建立完整的水工建筑物安全监测系统平台对于水工建筑物的高效长久运行具有重要意义，提出一种水利工程安全监测平台设计方式，包括数据采集平台、系统分析平台和维护平台。

关键字：安全监测；系统平台；预警。

0 引言

2018年11月水利部鄂部长结合水利改革发展实际，进一步解读了习近平新时代中国特色社会主义思想、十六字治水方针，分析水利改革与发展面临的形势，从实现“两个一百年”大局出发，指出了我国治水主要矛盾已经从人民群众对除水害、兴水利的需求与水利工程保障能力不足之间的矛盾，转变为人民群众对水资源、水环境、 水生态的需求与水利行业监管能力不足之间的矛盾，总结提出“水利工程补短板，水利行业强监管”是当前水利改革与发展的总基调，为我国新时期治水工作指明了方向[1-2]。

据有关部门统计，全国3100多座大中型水库中均存在不同程度的病险问题，特别是70年代以前修建的大坝，设计和施工问题较多，坝体和坝基防渗帷幕老化病害严重。可以预见，21世纪将是病险大坝加固的高潮。与此同时，输水输电工程仍在大力开展，高坝大库，跨流域调水工程也越来越多，如已建的白鹤滩、溪洛渡、向家坝、南水北调东中线等，还有拟建的南水北调西线工程等，随着全球气候变暖，极端天气气候事件呈现出增多增强的趋势，如河南“7·20”暴雨等[3]，所以保障水工建筑物安全稳定运行将是水利事业的又一重大难题，如何利用现代技术建立完整的安全监测系统，提高风险预警能力，对水利工程做到“望、闻、问、切”，在源头发现工程安全隐患，快速化解工程安全风险，是解决这一问题的有效途径。

1 安全监测平台搭建

1.1 安全监测平台搭建的必要性

水工建筑物在建设和服役阶段，会遇到不同的主客观因素，比如建造时期受施工工艺、水文条件和地质因素方面的影响，在运行过程受极端气候变化、地震荷载、材料性能、人类活动等影响。在长期服役条件下，很容易出现渗漏、裂缝、变形等问题，如果无法及时的诊断和解决这些隐患，那么水工建筑物的安全运行就会受到严重影响，甚至还会带来较大的灾难性事故。

而目前所采取的水工建筑物运维管理方式主要包括两部分，人工日常安全巡查和设备监测。人工日常安全巡查主要依靠视觉和听觉进行宏观判断，并且形成完整的巡查制度和巡查模式，而在现实巡查过程中，受人体局限性、工作经验、巡查周期、巡台人员状态等影响，通常巡查结果存在不精确、不连贯、巡查不全面等问题，导致巡查出现遗漏区，同时对监测结果分析时效性差，无法第一时间处理问题，长期病患累计，进而影响到整体结果稳定，爆发安全事故[4]。设备监测即根据实际需要在水工建筑物内部和外部预埋或设置监测点或监测仪，去监测一些数据以便得到大坝的安全现状，从而实现了对大坝的结构的监测[5]。通过实时的对大坝状况进行监测，可以得到大坝状况的一些数据，从而通过对这些数据的科学分析，可以得到大坝目前的安全情况，但如何将人工巡查和设备监测结果进行有效结合，对水工建筑物安全状况作出快速准备判断，提出有效合理的解决办法，对水利工程的安全稳定运行具有重要意义。

1.2安全监测平台搭建的可行性

1.2.1 数据传输技术发展

快速的传输技术大大降低现场数据失效的可能性，为快速的应急防控措施提供保证。5G移动通信技术是4G之后所延伸出来的新一代通信技术，因此又被人们称作为第五代移动通信技术，该项通信技术的创新应用能够保障用户信息数据传输过程更加安全稳定，并且传输效率有了质的提升，能够让市场网络用户享受到更为优质高效的网络体验服务，5G通信技术的传输速率最高能够达到4G通信技术的100倍，实现10Gb/s的峰值速率。而在超低时延方面，5G通信技术的空口时延能够低至1毫秒，仅仅只有4G通信技术的十分之一。

1.2.2 监测设备的发展

对于水工建筑物，变形是外部观测主要指标。目前所用的设备主要有北斗、GPS、激光准直系统、垂线坐标仪、雷达干涉技术，以及传统的经纬仪和水准仪等，其中北斗和GPS具有全天候、连续实时、精度高的特点，完全可以满足现实需求；感应式坐标仪具有精度高、稳定型号、自动化程度高、结构简单、防水性高等特点，并且应用成本低[6]。

内部观测的主要指标有：变形、应力应变、渗漏情况、温度、裂缝、孔结构等[5]，对于变形观测，在垂直位移上的测量时，可以使用水管式沉降仪等仪器进行监测，对于裂缝的观测可用的仪器有差动电阻式仪器和振弦式仪器，两种设备各有优缺点，对于应力应变观测预先布置应变计组及相应的无压力计，还有渗漏温度等均可以通过预埋传感器实现

[7-8]。

1.2.3 三维数字化建模技术发展

传统的三维模型创建均是基于传统建模软件，其所构建的三维模型偏重表观造型，数据承载能力较差，而且多仅限于集成安全监测等类型的数据，难以与工程其他方面( 如结构设计、机电设备等) 信息进行更广度的集成。BIM 技术的出现为解决上述问题提供了新的思路，该技术以三维数字信息为基础构建工程数据模型，可综合集成项目实施过程中的多源信息，实现项目全生命周期内的数据存储、交换和共享[9-10]。

为了精确反映大坝结构、监测仪器布置的三维可视化，提高监测信息的实时程度和大坝安全管理的效率，基于 BIM 技术可以构建了大坝可视化实体，如图1所示，并在其中嵌入监测信息，开发出集成三维可视化模型展示、数据查询、数据展示及安全预警等模块的大坝安全监控系统，以提高大坝安全管理效率[11-12]。

1.2.4 工程模型仿真理论研究

依据大坝及坝基的原型监测资料，应用各种数学、力学、信息科学等方法，建立大坝及坝基安全监控模型，其主要任务是由实测资料建立数学监控模型，应用这些模型监控大坝及坝基等水工建筑物的施工、运行，同时对模型中的各个分量（特别是时效分量）进行物理解释，借以分析大坝、边坡等的工作性态。

根据建立模型方法的不同，可以归纳为：用统计学方法建立统计模型；用灰色系统理论建立预测模型；用模糊数学建立预测模型：用有限无法分析计算，并与实测值拟合，建立确定性模型或混合模型；针对大坝施工期卸载、加载及其相互作用的复杂过程，建立施工期特殊监控模型；依据监测资料，建立坝肩稳定分析预测模型以及用突变理论判别坝肩稳定性的突变模型；针对大坝的库区和坝址存在较普遍的岩土边坡滑坡地质灾害，建立岩土边坡稳定分析和预测的混沌模型[13-14]。

综上所述数据传输技术、监测技术、三维数字化建模技术、工程模型仿真理论研究的发展为平台设计提供了可行性。

2安全监测平台的设计

目前，在监测设备、技术和理论方面的技术已经趋于成熟，监测设备可以提供全周期监测数据，数据快速传输技术可以实现数据实时同传，理论研究通过数模计算能够建立风险判断机制，三维数字化建模可以实现破坏模拟。

而实现将现有监测技术与实际水利工程安全监测进行全面匹配，建立完整的监测系统平台将是重中之重。结合现有研究，提出一种水利工程安全监测平台设计方式，包括数据采集平台、系统分析平台和维护平台三部分，如图3所示。

图3 水利工程安全监测平台

参考文献：

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[4]谭理则. 水利水电工程中的大坝安全监测技术研究[J]. 四川建材, 2021, 47(11): 237-238.

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[13]王燕芬. 基于有限元法的大坝应力应变计算及监测结果分析[D]. 贵州大学, 2020.

[14]赵妮. 基于全寿命周期的大坝安全监测分析[J]. 山西水利, 2019, 35(4): 50-52.