基于全寿命周期的大坝安全监测思考

陈 刚，张平俊

（贵州省水利投资（集团）有限责任公司，550002，贵阳）

一、大坝安全监测的历史

大坝安全监测是近些年发展起来的一个新兴学科，属于水利水电工程专业范畴。它融入了水工结构、力学、地质、材料、电子仪器仪表、机械、计算科学、现代数学、网络技术等诸多现代理论和高新技术。总体来看，我国大坝安全监测的发展历程可分为3个阶段。

①原型观测阶段。自20世纪50年代，随着国内水电站的建设，中国水利水电科学研究院开始引进、学习国外监测技术，研制差动电阻式仪器，开展了应变计组资料分析，并出版了《混凝土坝的内部观测》，举办了多个培训班，开始在部分大坝中埋设监测仪器。为与模型试验区分，此阶段的监测工作普遍称为“原型观测”。

②大坝观测阶段。自20世纪70年代，因国外一些著名大坝的失事，各国政府对大坝的安全深切关注，水工建筑物的安全观测工作被提高到一个重要的地位。监测数据的分析方法和理论也得到了深入的发展，储海宁、李珍照、吴中如等学习并引进了监测数据分析的新理论，经过国内工程的实践，创建了以统计模型、确定性模型、混合模型为基础的正分析和大坝结构性态的反分析，形成了较为系统的大坝安全监测理论体系。该阶段监测工作的主要目的是获取观测数据，对结构性态进行评价，发现工程存在的安全隐患。

③安全监测阶段。20世纪90年代末至今，为安全监测的成熟阶段，各种新型监测仪器研制并投入使用，监测技术已在大坝、边坡、地下洞室的安全监测中得到广泛应用，国内已发布较为系统的监测技术规范，安全监测已成为人们的共识。监测目的已转变为健康诊断、综合评价、安全监视，并开始出现“安全监控”的提法。

二、大坝安全监测的现状

1.仪器设备

①目前，国内已建、在建的大中型水利水电工程以常规仪器为主要监测手段。

②新的仪器不断研制，并得到了一些应用。如大坝CT技术、GPS变形测量系统、分布式光纤测温系统、光纤光栅仪器、水下监测技术等。

③进口仪器价格昂贵，但质量可靠、稳定性好，适用于大型工程或一般工程重点部位；国内大型仪器厂家都有各自的专长，但不注重技术开发和设备更新。

2.设计

①监测设计水平不断提高，大多数工程的安全监测设计，重点突出、项目全面，仪器选型和布置合理，监测方法可靠，能够监控主要水工建筑物的运行状况。

②大部分设计院均有专门的监测设计室或专业的设计人员，设计成果能够满足工程需要。少数设计院没有专业的监测设计人员，往往照搬其他工程，造成设计方案不能完全达到预期。如某大坝设置了变形监测控制网，但是没有在坝体上设置变形工作点。

③少数设计人员对仪器了解不够，经常出现仪器的型号、量程等不属于厂家产品系列而又没有特殊说明的现象；部分设计人员片面追求新技术，喜欢使用新型监测仪器，而部分人员较为保守，只使用成熟的监测方法，两者均不可取。

3.施工

①三峡、洪家渡、龙滩、小湾等大型或巨型水利工程监测系统的成功建立，表明我国监测工程的施工已达到了较高水平，监测项目部也由原来的小组管理逐步提升至项目管理的高度，质量、进度、成本等管理要素已纳入监测项目管理范畴。

②施工队伍技术水平参差不齐，技术人员经验和态度亦良莠不齐。即使是专业的设计院，也严重缺乏有安全监测经验的专业人员和技术骨干，这就造成很多工程仪器安装埋设质量低，完好率得不到保证，观测资料长期积压，没有及时进行处理分析和评价。

③大多数业主对安全监测的重要性认识不够，往往是在工程前期忽略对监测仪器的保护，蓄水后又急切希望能够通过有限的完好仪器获得足够多的监测数据。

④安全监测工程投资普遍偏低，挫伤了承包商的积极性，严重影响安全监测工程质量及其效益目标的实现。

4.观测及自动化

①大部分工程在可研阶段已为安全监测自动化的实施做了考虑，并在仪器选型和测站布置等方面做足准备。

②近期已建工程大多在工程竣工后两年左右开始实施监测自动化，20世纪90年代前建设的工程大多也进行了自动化改造，总体来讲，前期设计准备充足的工程，自动化程度均较高。未实施自动监测的项目由人工进行观测。

③自动化采集及数据分析软件研制开发趋于成熟，很多厂家为自动化系统研制了专门的软件，但软件普遍存在通用性不强、分析成果不易识别等问题。

5.资料分析和理论研究

①施工期监测资料的分析主要以定性分析为主，大多数工程的监测资料能为主体工程的施工提供及时准确的数据。

②大多数工程的监测资料分析报告局限于监测数据的罗列，未能提高至工程整体安全高度，应结合工程设计、地质、计算成果等进行全面地综合评价。

③已经形成了较为系统的安全监控理论。基于现代数学理论的新型监控模型不断开发，例如，模糊数学监控模型、灰色理论监控模型、人工神经网络监控模型，以及突变、混沌、分形等非线性动力监控模型等，这些模型为实现大坝安全监控的多元化开辟了新的途径，但还没有取得突破性进展，仍处于理论研究阶段，没有达到实用的程度。

三、全寿命周期的概念

全寿命周期的概念始于国外，是指工程产品从立项、设计、建造、使用直到报废淘汰即项目完全失去效益所经历的全部时间。该理论的提出，主要用于工程经济成本分析，对于工程成本，不仅考虑经济意义上的成本，还包括环境成本和社会成本。通过对工程寿命周期成本的分析，可以了解一个工程在整个寿命周期内不同阶段的寿命周期成本发生情况。全寿命周期成本分析方法得到越来越广泛的应用，是工程经济评价的重要组成部分。

本文所引入的全寿命周期虽然来自于上述理论，但重点关注的是大坝安全。由此，对于工程全寿命周期的概念与工程成本分析不同。

全寿命周期在本文的表述中，仅表示一个时间历程，包含了决策、设计、施工、运营、老化以及废除等6个阶段。如图1所示。

图1 工程全寿命周期时间历程

四、基于全寿命周期的大坝安全监测

1.大坝安全监测的责任

国内已出版的多本监测技术专著及规范一致认为大坝安全监测的目的有3个：一是为施工及施工期服务，检验施工质量和指导施工；二是为大坝的安全运行提供保障；三是为设计和科研服务。

从全寿命周期的角度考虑，大坝安全监测应该是全过程监测，但应该以满足大坝运行期的需求为最终目标，没有必要赋予大坝安全监测过多的责任。安全监测的目的如果仅仅是服务于施工，则应当与永久性监测分开，可考虑设置临时监测设施；如果是为设计和科研服务，则要设立专项的科研内容，以工程科研为出发点有针对性地开展工作。

基于全寿命周期的大坝安全监测的定义为：从可行性研究阶段到大坝进入运行期直至废除或重建期间，涉及大坝安全监测相关的单位和个人，为达到准确而有效地了解、分析及评价大坝安全的目的而开展的相关生产活动。其内涵在于及时判断“物的不安全状态”，其外延表现在大坝的寿命即为安全监测工作的时间，参建各方的利益和需求有差异，但目标一致，各阶段工作内容不同但目的明确，传统做法中的让大坝安全监测承担的相关任务改由其他方式分担。

2.基于全寿命周期的大坝安全监测对工程参建各方均有更高的要求

（1）可行性研究阶段

可研阶段是大坝安全监测全寿命周期的开始，设计单位起着重要作用。设计人员除了严格按照规范选定监测项目、布设监测仪器外，还应考虑工程实际情况，对特殊建筑物的监测做针对性的设计，同时考虑到施工及运行期仪器可能存在一定数量的损耗，不宜选择规范规定的最小数量和最少项目，可对重点部位的重点项目适当增加仪器。另外，对于中型以上水库，其可研阶段应将监测自动化系统设计包含在内。

在可研审查阶段，对审查单位提出的增加断面和仪器的要求应予以接受，对审查单位提出的减少项目或仪器的意见应适时给予解释，说明设计意图及目的，避免在招标和施工阶段出现考虑不全面的现象。

（2）招标阶段

一般情况下，工程进入招标阶段后基本由建设单位负责组织，通常有以下几种形式：监测工程包含在土建施工标中；监测工程单独招标；设备采购、仪器埋设及施工期观测分开招标；将监测项目划分为几个标；或者上述4种形式的组合。

需要说明的是，大坝安全监测工程不同于一般的施工标，它是设备采购标、设备安装标、施工标以及技术咨询服务的综合体。

由于监测工程总体造价在整个建安费用中比例很小，故不论采用哪种方式，建设单位应当清楚地认识到，在监测标段中不是简单的仪器埋设，更不是纯粹的设备采购，以最低价中标的单位往往技术服务能力及资源投入不足，而由此造成的损失只能由工程本身来承担。

作为监测工程的承包人，要在维护行业整体技术水平的基础上公平竞争，实践表明，以不合理的低价赢得标的的承包商，最终都自食苦果。无论是设计院，还是施工局、科研院所，都要秉承“与自己竞争，与同行合作”的理念，专心提高技术能力和服务水平，营造良好氛围，为监测行业树立良好的口碑。

（3）施工阶段

在施工阶段，监测工程基本上没有独立的工作面，大部分都随主体工程的进度而逐步开展，而监测设施的实施质量直接决定了仪器设备的完好率，因此，监测施工单位应当对仪器设备的采购、检验、率定、安装、保护及观测等各个环节的质量进行严格控制。

同时，监理单位应当配备有经验的监理工程师，按照《大坝安全监测系统施工监理规范》的要求，对监测工程质量进行全程有效的监控；建设单位重视程度对监测工程的完好性也有很大影响；设计单位根据现场施工情况，对监测布置做出及时的调整或补充，能够弥补可研或招标阶段的不足。

总之，施工阶段需要参建各方的通力配合。

（4）首次蓄水期

首次蓄水阶段由于要经历安全鉴定、蓄水验收等程序，监测工程基本上都被列为重点检查项目，此时，在前期及施工过程中存在的问题能够逐步暴露出来。

相关规定要求蓄水验收应具备的条件有：监测工程施工基本完成并投入正常运行，同时已测得初始值和施工期观测值。个别工程对此理解不够，在蓄水验收前，所有仪器均取得了初始值，但蓄水后就没有再继续观测，首次蓄水过程中最重要的监测数据没有记录，造成的损失已无法弥补。

实际上，首次蓄水对大坝和监测系统都是一次重要考验。根据多个工程经验，在首次蓄水期间，工程管理单位要特别加强组织，作出详细监测计划，参建各方分工协作，严格按照规范或设计要求进行观测，对观测资料应及时进行整编分析，保证取得完整的首次蓄水监测资料。

（5）运行期

根据水利部对全国近3000座水库大坝安全监测情况进行的调查分析，在日常监测、设施技术、维护维修、更新改造等方面，特大型和大型水库较好，中型水库50%以上存在不同的问题，而小型水库大多没有建立相对完整的监测系统。

由此，中小型水库的运行管理单位应当引起重视，采用打包管理、打包设计和委托有资质的单位承担相应的日常监测以及承担监测系统工程运行维护是小型水库安全监测可供考虑的思路，通过技术人员培训、交接运行、自行实施等方法主动承担也是可行的。

五、结 语

基于全寿命周期的大坝安全监测概念的思考，是笔者历经大坝监测设计、审查、安全鉴定、招投标、施工、验收及运行等各个阶段的自身体会和认识。从大坝全寿命周期的角度考虑，大坝安全监测应该以满足大坝运行期的需求为最终目标，没有必要赋予大坝安全监测过多的责任。基于全寿命周期的大坝安全监测对工程参建各方均有更高的要求。