水工建筑物安全监测布置优化方法研究

王泽源

摘要：随着近年来社会经济的发展，人们对于水利的需求越来越高，对水利建筑的各方面质量要求也越来越高。水利工程是关系民生的基建工程之一，因此，水工建筑的安全性也一直是备受关注的问题。在进行水工建筑作业之前，要对水工建筑物的安全性进行监测，关于水工建筑安全性的监测工作是重中之重，进行安全性检测的主要工作有两个部分，一个部分主要是从巡视检查工作入手，另一部分是仪器监测工作。这两个部分一个是从外部情况来进行安全监测，一个是从精确的数据来分析水工建筑物的安全性，缺一不可。目前，我国在水工建筑物的仪器监测环节上还有一些工作局限性，比如只能做到“点检测”这种监测形式。不同级别的水工建筑物应该用不同的监测原则来进行监测与把控，这也是我国目前一些相关的监测设计规范所明确要求的水工建筑监测工作重心。但是这里就存在一个问题，就是虽然规范规定了不同水工建筑的监测标准，但是监测项目的监测点并没有做出较明确的要求。因而，在实际的水工建筑物安全监测工作中，监测点的分布只能依靠工作人员的经验来进行实际操作。这就可能导致监测点布置的不合理问题。所以，本文针对研究水工建筑物的安全监测布置优化方案就显得尤为重要。

关键字：水工建筑物；安全监测；监测点；布置优化；方法研究；存在问题

引言：近年来我国的水利工程事业不断地发展进步，水利建设项目也越来越多，需求量逐年上涨的大环境下，水利工程的质量必须得到保障。因此，水工建筑物安全监测就在监控水利建筑物的质量与安全性上起到了重要的监控作用。总所周知，水利工程的建设项目规模都是十分大的，安全性问题是十分重要的。一旦发生了一点安全质量问题甚至安全隐患，就会导致非常严重的安全事故以及不可估量的后果与损失。同时，人们的财产与人生安全也可能面临威胁，这是一个很严肃的问题，影响着社会乃至国家的经济发展与稳定。所以，对水工建筑物进行安全监测是非常有必要且十分重要的工作。本文首先分析水工建筑物中安全监测点的布置优化方法，然后讨论安全监测工作中的空间分布样本，并且抽取出样本探究其空间分布的特点。进而对水工建筑物安全监测布置优化进行细致的参数分析与研究。

一、水工建筑物安全监测的重要性

（一）水工建筑物安全事故的概述。水工建筑物在建筑前的设计、建筑过程中的施工、建成后的维护与监测，每一个环节的安全性都至关重要。一旦出现安全事故，都可能会造成很严重的后果。一些水建筑物中，尤其是堤坝这种重要的水工建筑物。在设计时要兼顾各方面因素，精心设计。施工的时候要注意各个环节的质量把控，精心施工。切记安全第一的原则。但是近年来任然有水工建筑物的安全事故发生，究其原因，不外乎种种因素引起的安全隐患事故。据不完全统计，在第14届国际大坝会议的报告中指出，在历年来已经完工建成的堤坝当中，有14000个高于15m的堤坝里，破坏率接近1%。得益于近代以来社会的快速发展与科技的迅猛进步，堤坝的可靠性与安全性逐年增高，如今的堤坝破坏率已经下降至0.2%左右了。

（二）水工建筑物安全监测的意义。之所以要对水工建筑物进行安全监测，其目的就是对水工建筑物的整体变化状态进行监测，保证水工建筑物的各方面参数维持在正常安全数值范围内。水工建筑物实际上是处于动态的变化过程中的，宏观上看水工建筑物的外部是看不出变化情况的，这种动态的变化是十分微小的，需要借助仪器来对水工建筑物体进行监测。在建筑物体上选取不同的监测点，采集监测数据，对数据进行处理与分析等。因此，水工建筑安全监测不论是对建筑物本身还是对人们而言都是十分重要的。

二、水工建筑物安全監测系统的设计优化原则探究

对于水工建筑物进行安全监测是十分必要的，其目的性也极其明确：就是对水工建筑物的安全问题进行实时监控。这里要注意的是，在对建筑物进行监控的工作过程中，不仅要注意监测设计，还要考虑到施工水平问题。要始终以“安全”为宗旨做好整个建筑物的安全监控工作。下面介绍一下水工建筑物安全监测系统中的设计要求：

（一）通过系统来监测建筑物的整体性状的变化过程。首先要说明的是，这里提到的水工建筑物的性状实际上是包含了多方面的状态。一方面是水工建筑物的力学状态，一方面是水工建筑物材料的物理学状态以及化学状态。要明确一点：水工建筑物在其施工和运行的整个过程中，它并不是静止地维持在某一固定状态下的，相反的，它始终是处在一种不断运动以及变化的状态当中的。通常情况下来说，这种情况的出现并不是异常现象，而是正常的变化状态，当然，如果发生了非正常的变化也是有可能的。因此，监测系统对水工建筑物的整体性变化全过程的监测就尤为重要。

（二）在监测某一水工建筑物时，注意原音量参数与效应量参数应当相互配套。咋一看这二者比较晦涩难懂，实际上简而言之就是说，如若在某一个水工建筑物上选中的那个重要效应量，那么还需要考虑引发效应量产生变化的那些原音量，单一的只分析一个参数是不正确的，得到的分析结果也是有偏差的。不仅如此，还要将二者组合在一起进行分析。综合考虑分析原音量参数与效应量参数，得到的分析结果才是最接近水工建筑物监测的实际安全状态。

（三）监测数据要备份。在对水工建筑物进行监测的时候，建筑物主要部位的一些关键监测数据必须进行备份，保证搜集的监测数据完整没有丢失。如果不进行数据备份还可以在同一个监测点的测量点上，用两个同样的仪器来进行监测和采集监测数据。也可以利用不同的技术方式来获取同一监测点的监测数据。总而言之，监测数据一定要充足且有效。

（四）监测系统的影响因素。在对水工建筑物进行监测的时候，在以下几个工作环节上要重点关注，因为这些环节影响着建筑物安全监测系统的安全性。其一，水工建筑物监测数据的采集。数据采集要注意数据信息的准确性，不能出现采集缺失，采集错误，记录失误等情况；其二，水工建筑物监测数据的检验。采集好的水工建筑物数据比较多也比较杂，有些数据可能会存在偏差，因此要对采集数据进行检验。采集数据要确保有效性，检验后的数据才会更加精准；其三，水建筑物监测数据在采集数据时的处理与存储。采集好的水建筑物安全监测数据要做好处理工作，同时要及时存储，防止数据采集好之后因为没有及时存储而丢失。其四，水建筑物监测数据的分析。监测数据要进行细致的分析，是判断水建筑物安全的重要监测环节。以上这些都是监测系统在高速运转的时候不可缺少的构成部分。在自动化程度的高低上这些环节对整个水工建筑物安全监测系统的安全与否有着极其重要的影响。所以，在制定安全监测系统的设计方案时，一定要优先考虑好自动化的问题，切不可在设计已经完成的时候再去考虑自动化程度的高低设计，不能舍本逐末。

三、水工建筑物监测点布置的点集划划分方法与步骤

（一）划分点集合的组成方法。利用数理统计的方法找出体系中主要因素与各因素之间的相互关系，也就是所谓的主成分分析方法。这种方法可以将高空间的问题转化到低维空间里去分析处理，这种方法的一般思路是：设样本集X 有 n 个 p维样本，即 X = { x1，x2，？，xn} ；Rp，xi= （ xi1，xi2，？，xip） T∈ Rp，因此，希望可以找到 Rp的一个子空间 Rm（ m < p），y1，y2，？，ym∈ Rm为x1，x2，？，xn在子空间 Rm上的投影，使得用 y1，y2，？，ym来描述 x1，x2，？，xn时信息损失量，以期信息损失量达到最小值。

水工建筑物安全监测点在空间上的分布，构成了相应的监测曲面，我们可以采用主成分析法进行曲面区域的划分，用不间断的折面进行逼近，从而使得信息损失达到最小。以x，y，z为三个方向上的变量值，如果有n个节点，那么样本的资料数据矩阵应该为X为n×3阶矩阵。因此，结点的协方差矩阵为S： S =1n - 1（ HTH） ，n 为点集中点的个数，H 是矩阵。

（二）点集合的欧式距离聚类划分。通过上文的分析，我们知道，主成分划分方法是指在曲面主要变化方向上进行划分，如果说曲面在主平面方向上的面积特别大，则主平面很有可能包括某几个点之间的空间距离过大的点。为了将局部上所有的点聚集到一起，就需要减小插值，对误差进行拟合，按照空间距离对向量e进行聚类划分。在聚类划分中，通常用欧式距离。

这里笔者主要采用欧氏距离聚类法，来对点集进行再划分的算法。一般的思路是：假定要对点集 C进行划分，为了把点集 C 划分为集合c1和c2，定义两个点 P1= c2-νmax和 P2= c1 + νmax。其中c 是点集C 的中心，Vmax= | λmax| emax。根据式（ 7） 分别计点集C 中所有点x与P1、P2的欧氏距离d1k、d2k。如果样点xk与P1的距离比较大，即d1k≥d2k，则将样点 xk划分到点集 c1中；反之，如果 d1k

（三）水工建筑安全监测监测点布置的评价。所谓的水工建筑安全监测点的布置，也就是说，在布置监测点的时候，要遵循用最少点有效反应水工建筑物体空间变化情况原则。因此，当前我国在这方面的研究重心之一就是如何用最少的监测点，同时用最优化的布置方法来反映水工建筑物的安全性与工作状态。这也是水工建筑物安全监测的设计难题之一。

布置监测点的时候，要选择尽可能少的点，监测建筑物典型部位的空间分布变化情况。可以用一个形象点的建模来比喻：用最少的监测点建立的曲面模型问题。这样一来，可以通过曲面建模的误差监测法，来对水工建筑物进行监测点的布置的分析与相关评价。

首先，给定数据点数 t（ 1，2，？，m × n） 因此，样条曲线形成曲面的矩阵形式为：TG = P （ 8） 在上述公式中： T 为（ m × n） ×（ r × s） 阶矩阵，含有两个 B 样条基函数的乘积；而 G 是（ r × s） × 3 阶矩阵，含有未知曲面控制顶点的坐标；P 则是（ m × n） × 3 阶矩阵。

按照解析几何的相关解方程的相关方法，上述方程式的解可以表示为：G = [TTT-1TTP，从而可以将每一点的误差矢量用矩阵的形式表示，其矩阵表达式是哦：e = P-G = P-T[TTT-1T；P =[I-T[TTT-1TT]P = RP。

四、结论

从上面的这些分析来看，我们不难得出如下的一些结论：

（1）借用有限元的成果来作为理论分析的依据，依照“小曲率区域保留下最少的点，大曲率区域则应当保留多一点的点”这个原则，通过对水建筑物监测的曲面主要成分和聚类分析与发现，能够提取建筑物各个效应量的空间分布特征，从而通过点集划分，提出水工建筑物安全监测布置优化方法。

（2）关于水工建筑物安全监测的评价指标在文中已经做了详尽的分析，即：在以B样条曲线而形成的曲面误差的基础之上，用相关规定明确指出的范围内可以允许存在的误差容许值来进行分析，从而对水工建筑物安全监测进行评价。

（3）在水工建筑物的设计中，实际上已经广泛采用了有限元分析的方法，所以，可以采用设计分析成果来进行水工建筑物安全监测的优化布置，与此同时，在不增加设计工作量的情况下，实现安全监测系统布置的优化。

结束语： 综上所述，要想做好水工建筑物的安全监测，不仅要做好监测系统的设计优化，还要做好监测点的布置等工作。目前来说，水工建筑物的安全监测也一直是现代企业与有关单位正在面临的技术难题。做好水工建筑物安全监测布置优化意义重大，同时，水工建筑物安全监测也是一个长远的历史性的任务。比如大坝的安全监测、水利事业中水库等建筑物的安全监测、不管是对国家的经济发展，还是与人们的生活都是息息相关的。本文在利用数理学的有关方法的同时，还结合了水工建筑物安全监测系统的相关原则，阐述了优化水工建筑物监测的一些行之有效的方法。以期能够有助于提高水工建筑物安全监测的水平。

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