基于监测-检测融合的水工程安全风险多层次动态感知体系

2019-01-16方卫华丁慧峰夏童童

大坝与安全 2018年6期

方卫华，丁慧峰，夏童童

（1.南水北调中线干线工程建设管理局，北京，100038；2.水利部南京水利水文自动化研究所，江苏南京，210012；3.山西省柏叶口水库建设管理局，山西太原，030002）

0 引言

高效精准感知工程安全风险是实现有效预警、风险规避和感知体系合理性客观评价的本质要求。尽管设计、施工和管理水平日益提高，但由于老工程结构材料老化和历史遗留问题、新工程又存在大量不确定因素，特别是随着极端气候的增加和地质活动的加剧，水工程安全风险依然存在。为有效规避工程安全风险，风险感知体系不仅应能感知水工程当前安全状态，还应能探测结构隐患，从而分析异常成因、预知潜在风险和采取相应措施服务。

一方面，尽管安全监测与检测技术研究成果日益增多、应用推广越来越广以及相关规范日臻完善，但由于水工程安全风险的差异性、动态性和耦合性，特别是水工程安全风险不仅高度依赖于自身的地理气候、地形地质和结构材料等因素以及时间演化情况，还与自身位置、上游梯级建筑物的安全和运行特征密切相关，而现有相关技术规范的一般性、滞后性以及经验性削弱了其对于具体工程的针对性。尽管监测与检测都是了解水工程安全状态的有力手段，但现存体系都是将监测和检测割裂开来，不利于监测-检测体系的优势互补。另一方面，随着科技的发展，新的监测技术、检测方法和数据分析手段不断涌现，为监测-检测体系的深度融合以及建立基于大数据的风险感知体系创造了条件[1]。为此，以更有效规避水工程安全风险为目标，以现有体系存在的问题为牵引，在分析现有监测体系不足和检测体系特点的基础上，构建适合水工程具体特性和动态变化的安全风险多层次动态感知体系。

1 现行监测体系分析

虽然安全监测在检验设计、反馈施工和指导运行中的作用不可代替，但也存在着感知异常状态不灵敏、感知危险区域不全面和异常测值成因难解析等问题。从感知的基础来看，监测项目分类设置和时空采样是两个根本问题。

1.1 监测项目分类和设置

在监测项目分类和设置方面，结构设计规范[2-9]、安全监测技术规范[10-14]和专门性监测技术规范[15-17]都有所涉及，上述规范在监测项目设置时基本规定都是一致的，即根据建筑物等级进行监测项目设置，但在监测项目名称、分类和设置依据等方面还存在一些不一致的地方。设计规范将监测分成一般性（安全性）监测项目和专门性监测项目，前者仅根据建筑物级别进行设定，后者则综合考虑建筑物级别、结构型式及地质条件等因素[2]。安全监测技术规范根据建筑物级别将监测项目分为必设监测项目和可选项目。总体上，上述规范在监测项目的设置中都是依据建筑物级别，实际上就是依据工程等别，因为无论是主要建筑物还是次要建筑物，只要工程等别一旦确定，其建筑物级别就已经确定。

实际上，工程等别难以准确、实时地反映工程所属不同建筑物的安全风险大小及其动态特征。首先，对于包括多个建筑物的水工程而言，由于不同建筑物之间安全风险不同，其失效模式、影响因素及其演化特征也各不相同，并非规范“规定”的各建筑物级别是相互确定的。此时监测项目的设置应分别根据各建筑物的安全风险及其对整个枢纽安全风险的影响程度确定。其次，风险感知应考虑建筑物本身、连接部位及关键部位不同结构尺度的风险大小。对于高风险工程应从工程-建筑物-关键结构或部位，根据其总体安全风险-建筑物安全风险-关键结构或部位安全风险及其之间的关系逐级精准定位，明确各自感知要素。而对于小风险工程，则总体从工程尺度设置感知项即可，没有必要精细到建筑物或建筑物关键部位。

1.2 测点布置与测次

目前的测点布置主要体现在重点、代表性和典型部位，以及空间上形成监测断面和易于比较分析等方面。由于工程实际安全状况及其发展的不确定性，基于规范、经验或某一时刻工程安全状态的测点布置往往难以跟踪风险演化，从而存在缺乏动态和实时针对性等问题。由于不连续性、非均匀性、应力集中和应变局部化，以及现有监测仪器或设施本身可能改变了监测部位的原有结构或测值属性，在实际工程中往往存在难以将测点布置在最危险部位或测值不能反映真正想要测量的物理量等问题，甚至存在越危险的部位越难以有效、准确监测的问题。如坝踵应力，越是危险部位其应力集中愈明显，而现有埋设应变计组的监测方法误差就越大。存在上述现象的本质原因是监测状态输出与结构状态本身联合感知能力不足。

为能及时、准确地感知工程异常信息，为风险预警创造条件，测点（群）应能捕获一定影响程度的安全信息，无论是直接地还是间接地。由于结构本身的自组织、应力重分布以及自愈特征，测点布置应体现敏感性、动态性、非均匀性和代表性（即测点部位的异常能反映建筑物一定尺度的安全状态）等要求。如果监测到的仅是局部异常，而这种异常不能反映建筑本身的安全状态，这样的测点是没有意义的。

在测次方面，现有的规范体系中将测次分成施工期、蓄水期和运行期，同时对地震、台风和暴雨等特殊工况条件下加密测次进行了规定，显然这些都是合理的。但真实条件下，危险发生总是伴随仪器设备损坏、电源通讯中断、观测条件恶化等问题，这时如何保证能采集到有效信息是现有安全监测体系必须考虑的问题。如果总是在极端工况或水工程特征转异时错失异常信息的采集，说明现有安全监测体系尚不完备。

2 安全风险感知的要求

上述分析表明，水工程安全风险感知应根据工程各组成建筑物的安全风险及其对整个枢纽的安全影响进行动态设置。在测点布置方面，应考虑测点局部特征、测值真实性以及局部对整体安全的代表性等方面。同时，为提高感知系统紧急状态下感知信息的可靠性，必须有相应的预防措施。

2.1 工程运行环境及荷载效应

地理位置、气候条件和地应力场分布和演化，特别是地质活动、河势变化、梯级建设、淤积冲刷情况的不断改变等因素都将影响水工程安全风险。针对技术规范的普适性，其中的“可选项目”不能理解为可有可无的项目，而应根据工程实际情况设置，甚至在某些工程中可上升为“必设项目”。如对于北方和南方不同位置的水工建筑物，北方拦河工程不仅需要设置冰凌和冰压力监测，而且应该是必设监测项目，而南方拦河工程则可不用考虑冰凌和冰压力监测；对于多泥沙河流，淤积和含沙量已经成为相关工程安全的重要荷载因素，因此必须将泥沙设置为必设监测项目；对于受风荷载影响比较大的沿海堤坝或水闸，风荷载也应设置为必设监测项目。再者，由于规范依据的样本、设计阶段信息和现场实际情况了解的有限性，建筑物在运行过程中可能出现事先并未预料到的情况，如机组或闸门振动严重、冰压力或风荷载很大、盐潮及氯离子腐蚀严重、坝体及坝基析出物突出、消能或溢洪道冲刷超出估计、白蚁危害严重等，当上述现象可能对水工程安全构成威胁或能通过这些现象反演水工程安全状态时，这些现象则应当设置为安全监测项目。总之，是否设置为必设监测项目或一般性监测项目，应考虑建成后工程运行的具体环境和实际工程运行后的具体反应进行动态优化。

2.2 结构材料及地质特征

不同结构材料的破坏模式、耐久性、影响因素、衰减模型、突变拐点都存在明显的差异，如土石料与混凝土其抗渗性能和抗冻性能明显不同、金属结构与混凝土结构的破坏形式也不一样。随着时间的改变，不同结构、材料的老化和表现形式也不一样，而监测项目设置必须与此相适应。即将颁布的国家标准《混凝土坝安全监测技术标准》明确指出，“根据目前的施工技术水平，100 m以下常态混凝土坝可不设坝体渗透压力监测。而碾压混凝土的坝体混凝土层间缝是薄弱环节，应加强渗透压力监测”。可见即使同是混凝土坝，如果施工方法和材料不同，监测项目设置也应不同。

在建设和运行过程中，建筑物与地基之间将发生动态相互作用，从而改变建筑物和基础的初始状态，甚至超过了初始估计，这些都对风险感知提出了新要求。

初应力分布、初始缺陷、运行中出现的损伤、材料徐变、残余应力、应力松弛及应力重分布、泥沙淤积等或裂缝咬合带来刚度或防渗性能的改变等难以通过现有监测手段得到有效反映，而这些安全风险影响因素必须在新的感知体系中得到考虑。

2.3 运行调度与除险加固

工程运行目的、相关政策和调度方式的改变，特别是经过除险加固等工程措施以及运行调度变化后，工程安全风险都可能发生改变，而在设计阶段完成的监测项目的设置和测点布置难以考虑上述因素的影响，因此安全监测必须适应新情况，反映新状态。

3 检测及其对风险感知的意义

结构检测主要通过电磁场（波）、机械波或图像等方式进行水工程状态的显示，具体方法包括探地雷达、地震勘探、弹性波、层析成像、水声探测、放射性测量、综合示踪、综合测井、太赫兹、声发射、震电效应检测等。上述方法有些可以实现静态检测，有些可以实现动态检测。具体检测项目包括水工程覆盖层、隐伏构造破碎带、喀斯特、岩体风化带、卸荷带、软弱夹层、滑坡体产状、性质以及参数，同时可用于感知堤防隐患、隧道施工超前预报、地下水、环境放射性、地基岩体质量、灌浆效果、混凝土质量、洞室混凝土衬砌质量、洞室松弛圈、锚杆锚固质量、防渗墙质量、堆石（土）体密度、地基承载力、钢衬与混凝土/岩石接触状况、堆石坝面板、水文地质参数、岩土物理和力学参数等[18-19]。

以旋转台的方位角变化曲线为对比，观察图13中的航向角变化基本与其斜率相同，因此航向角的变化可以满足可视化辅助截割系统的精度要求。

相较于主要通过获取输入因素和输出效应从而分析结构安全状态的安全监测，检测则主要直接针对结构和材料的几何、力学、物理状态参数，能够获得结构一定尺度的空间连续多场信息，因此具有更直接、更本质和更全面等特征，对于揭示结构变异机理、预测结构性态演化和成因分析都具有十分重要的意义。由于初始应力对结构失效路径具有显著影响，特别是进入塑性状态以后，现有监测手段无法探知结构初始应力，而检测方法却可以有效感知初始应力，如对于软弱疏松岩体，可用空心包体应力计法等传统方法，还可以采用结合粘滞剩磁和声发射Kaiser效应的方法感知围岩初始应力。总之，检测可以从更合适的尺度对水工程内部进行针对性地检查。美国奥洛维尔水库溢洪道泄槽破坏事件直接说明了安全监测必须结合安全检测，才能更好地进行工程安全风险预警[20]。

随着无人机监测、视频与图像识别、卫星遥感、（次）声波监测、太赫兹等技术的发展，监测和检测的界限日趋模糊，而新形势下安全管理对风险感知提出了更高要求：智慧感知、协同感知、自适应感知、应急感知、鲁棒感知等。准确规避风险和高效预警要求安全监测和检测技术必须实现融合，并根据水工程安全状态的演化在监测项目设置和时空采样等方面进行动态优化。西安交通大学等单位开发的复杂工况三维全场动态变形检测技术、数字图像相关法以及工业三维摄影测量等技术能够在多种工况、多种尺寸下对三维全场变形、应变、运动轨迹、轮廓外形等进行检测，相对于安全监测只能获取“点”信息而言其覆盖范围更为全面。

尽管检测有自身的优势，但由于检测具有不定期和有限检测时间窗口等特点，难以长期对工程安全状态起到实时监控的作用，不仅容易“遗漏”重要安全信息，也难以利用长期检测信息通过学习或训练建立时间预测模型。

总之，检测可以弥补安全监测覆盖度不够、状态滞后和不直接等不足，而安全监测可以起到长期现场“站岗”的作用。对于安全监测发现的异常，可通过检测进一步揭示成因。总之，实现安全监测和检测之间深度融合，对提高水工程安全风险预警具有重要意义[20-23]。

4 安全风险动态感知框架

风险感知体系应能精准捕获结构性态异常、准确实现安全预警，为此风险感知不仅应关心水工程的输入和输出，也应该关心包括结构、材料和基础在内的水工程本身状态，因为三者之间是不可分割的有机体系（图1）。特别是在极端情况下，三者之间的耦合与关联性更强。由于有些变量的不可观性和变量之间的耦合特性，加上解的不适定性和测量误差的存在，有些工程风险及其变化难以仅通过输入和输出监测加以感知（图2），此时必须借助于结构状态感知进行综合分析。

图1 水工程安全风险关联体系Fig.1 Safety risk correlation system for water projects

图2 工程安全状态与输出之间的关系Fig.2 Relationship between project safety state and output

考虑到不同风险级别的工程风险感知要求不同，同时结合系统论和控制论思想，将风险感知按工程风险从低到高划分为输入（影响因素、作用）感知、输出（效应）感知、（结构与基础）状态感知和随动感知四个层次，每个层次根据具体建筑物甚至关键部位所设置的具体项目，可分别拟定相应的预警指标，从而构建多层次预警指标体系。低风险工程其风险感知体系只需要设置输入感知一个层次，随着工程风险的增大，其风险感知层次应逐步增加，即中等风险的工程风险感知体系需设置输入感知和输出感知两个层次，高风险工程风险感知体系需设置输入感知、输出感知、状态感知三个层次，而特高风险工程其风险感知体系需设置输入感知、输出感知、状态感知和随动感知全部四个层次。表1给出了上述四个层次具体内容以及与现有安全监测/检测体系的对应关系。如对于低安全风险的小型水库、塘坝只需要设置降雨、水位和入库流量等第一层次感知项目，而对于特高风险的大型水库大坝，则需要设置全面四个层次的所有感知项目。每层次感知体系中，再根据具体建筑物的安全风险级别及其对整个工程的影响程度进行动态排序后选择重要的感知项。

4.1 输入感知

输入感知是水工程安全风险的各种外界影响因素，根据其对水工程安全风险的影响程度和水工程可接受的风险标准，动态地选择前面若干重要因素，感知其相应物理量及变化过程。输入感知需要根据其对建筑物安全的影响程度、体系可靠度的演化方向和速度确定具体工程的感知要素并优化相应的时空采样频次和密度。如对于水位波动速度和幅度、泄洪雾化以及振动等，只有达到一定量级或对具有一定风险的水工程，才将其作为风险感知要素。

4.2 输出感知

4.3 状态感知

结构状态包括水工程各部件之间的连接状态、姿态、密实状态、均匀状态、力学状态、热力学状态、防渗抗冻状态等。由于许多内在状态难以通过输出效应加以分析（图2），因此必须设置状态感知，尤其当状态对工程安全风险及其演化的影响很大时。应用无损检测方法是感知结构和基础状态的有效措施。对于水工程而言，重点感知的要素包括防渗止水结构、支撑稳定结构、泄水结构、重点部位材料力学和变形状态以及发电设施和供电设施可靠性等。随着认知的不断深入，新的结构参数和敏感系数不断被发现，从而使得感知要素不断得到优化，如螺栓紧固度、堆石结构密实度、管片连接牢固性、接触面状态和整体姿态等。