既有渡槽结构安全监测系统分析与应用

白文斌 冯飒 万忠海 李劲

摘要：近年来，早期修建的渡槽结构开始逐步进入病害多发期，渡槽结构的安全运行和管理工作面临着严峻的挑战。为了有效地掌控既有渡槽的工作状态，以四川省东风渠灌区既有渡槽为研究对象，同时结合现有工程结构安全监测技术，从渡槽结构安全监测内容选取、测点布设、结构安全预警与应急响应、结构安全评估与决策支持等方面进行了系统分析与研究，最终形成了一套集监测-预警-决策为一体的渡槽监督与管理体系。研究成果对国内灌区既有渡槽建立结构安全监测系统具有一定的参考价值。

关 键 词：

渡槽; 结构安全监测; 安全预警; 决策支持

中图法分类号： TV672+3

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.05.035

国内工程结构安全监测始于20世纪60年代初，最早是在水工大坝工程方面得到应用[1-3]。近年来，随着早期建设的渡槽结构逐步超过设计年限，渡槽结构的安全运行和维护管理工作面临着严峻的挑战。同时受当时施工条件限制，既有结构已逐步进入病害多发及性能退化期，产生不同程度的结构损伤或性能劣化，致使现有渡槽结构不能满足正常输水要求，甚至影响其结构安全。在此背景下，强化渡槽动态运行监管，防范突发安全事故，进一步提升灌区既有渡槽结构安全运行和智能养护管理水平就显得尤为重要和迫切[4-6]。渡槽是重要的输水建筑物，为确保渡槽在运行期间的安全，避免发生重大事故，需定期对渡槽进行安全检测和分析评价，根据评估结果决定是否进行维修加固或拆除[7-10]。

但是时至今日，渡槽结构健康诊断与安全评估尚无规范可依，且对于既有病险渡槽的检测与评估问题，国内外亦无成熟的理论和工程经验可以借鉴[11-12]。在此背景下，强化渡槽动态运行监管，防范突发安全事故，进一步提升灌区既有渡槽结构安全运行和维护管理水平，充分体现水利工程“补短板”的原则，实现智慧水利的要求显得尤为重要和迫切[13-16]。

鉴于此，本文以四川省东风渠灌区渡槽为研究对象，结合现有工程结构安全监测技术，从监测内容选取与测点布设、结构安全预警与应急响应、结构安全评估与决策支持等方面对既有渡槽结构的安全监测进行探索与分析，旨在形成一套完善的渡槽监督与管理体系。

1 东风渠渡槽工程简介

东风渠灌区位于成都平原腹心，是都江堰水利工程的重要组成部分，给成都市工业、生活、龙泉山灌区及黑龙滩水库灌区供水，为区域经济社会和文化的繁荣作出了巨大贡献，使成都平原从“水旱从人，不知饥谨”变为“天府之国”。图1为四川省东风渠某渡槽工程现状。

东风渠灌区由都江堰部分老灌区，东风渠1～4期工程灌区及牧马山灌区组成。供水灌溉成都市的都江堰、彭州、郫县、温江、双流、新津、青白江、金堂、龙泉驿、青羊、金牛、成华、锦江、武侯、高新等16个县（市、区）和眉山市的仁寿、彭山、东坡3个县区。灌区内共有干渠16条。都江堰老灌区有柏条河、走马河、府河、江安河、徐堰河、沱江河、清水河、毗河、杨柳河。东风渠1～4期工程灌区有总干渠、北干渠、东干渠、老南干渠、新南干渠、眉彭干渠以及牧马山干渠。东风渠灌区位于龙门山与龙泉山之间，西至岷江都江堰至彭山江口段的左岸，北至毗河右岸直抵沱江，东沿龙泉山脉西麓，南抵粤江河两岸，区域呈三角形。

2 监测内容选取与测点布设

2.1 基本原则

监测内容选取与测点布设应依据渡槽结构安全风险辨识与分析结果，全面考察东风渠渡槽结构受力特点和材料特性、结构既有缺陷和病害、荷载作用与外部环境因素、及其相互作用和叠加效应，进行充分辨识和综合分析。监测内容选取与测点布设应具有代表性、实用性、经济性、少而精的特点，应遵循“灾害-风险”、“目标-功能”、“功能-成本”分析3个基本原则。

（1）“灾害-风险”分析原则。

对具体监测内容的选取应建立在对渡槽结构安全风险的准确辨识和结构易损性分析的基础上，避免出现以下情况：

① 危及结构安全的重要风险事件或致灾风险未被覆盖，安全隐患突出暴露;

② 在不必要的监测内容上花费重金，得到对安全预警和评估无用或无法处理分析的海量闲置数据。

（2）“目标-功能”分析原则。

渡槽结构安全监测系统总体目标主要是降低渡槽结构的安全风险，提高渡槽结构运行期养护维修管理水平。服务于此目标，监测项目应主要瞄准与渡槽结构安全密切相关的环境、荷载和结构响应参数和指标。

（3）“功能-成本”分析原则。

监测系统的功能需求直接决定监测系统建设和运行的成本预算。对于特定的渡槽，监测系统覆盖的风险事件和风险源越多，系统就越庞大，建设和维护成本也越高。另一方面，渡槽结构的安全评估应结合实时监测数据和人工检测成果进行综合分析，安全监测系统应与人工检测制度形成互补机制，监测系统不能准确识别的安全风险可通过人工定期巡检或应急检测来弥补。综上，应把握安全监测系统与人工检测互补机制的平衡点，力求达到渡槽结构全生命周期内的性价比最优，为此监测系统设计需进行“功能-成本”分析。

各监测内容的选取和测点布设应统筹考虑，互相验证，便于综合分析。当结构安全风险分析结果表明渡槽处的水文、地质、气候等各类自然灾害及人为活动对渡槽结构安全有直接影响时，应将灾害和活动本身纳入到监测内容体系中。

2.2 监测内容与测点布设

若将渡槽结构当作一个系统，则其安全监测内容可分为输入监测和输出监测两类。输入监测主要为荷载及环境监测（如水位、溫湿度等）;输出监测主要为渡槽结构的响应监测（如振动、变形、应变等）。

因渡槽结构所承受的荷载和所处的环境条件较为复杂，各荷载源对渡槽结构的作用大小不一，宜选择单一的、主要的荷载源进行监测，了解其是否超过设计计算假定条件，并为渡槽结构有限元建模及修正、渡槽结构安全状态评估提供原始数据;对于复杂的、次要的荷载源宜弱化对其进行直接监测，可通过间接监测—输出监测了解其对渡槽结构的影响和发展变化。结构响应监测包括结构整体响应监测和结构局部响应监测，应以结构整体响应监测为主，结构局部响应的应变、裂缝、腐蚀等监测为辅。图2为东风渠黎家沟渡槽测点布设方案。

具体监测内容选取和测点布设应满足以下技术要求：

（1） 荷载与环境监测内容选取和测点布设应根据荷载与环境作用特点确定;

（2） 结构整体响应监测内容选取和测点布设应根据结构振动和变形特点、模态参数识别及安全评估要求确定;

（3） 结构局部响应监测内容选取和测点布设应根据结构计算分析和易损性分析结果确定;

（4） 测点布设应体现优化原则，利用尽可能少的传感器获取全面、精确的荷载与环境、结构响应信息;

（5） 根据渡槽结构的受力特点，对其监测内容及监测部位进行分析和优化确定，测量的参数应与有限元模型分析的结果建立起对应关系;

（6） 对结构构件进行重要性、危险性和易损性分析，将该分析结果作为测点布置的参考指标;

（7） 对特殊、重要部位进行重点监测以分析、计算和评估重要构件的工作状态，并预测其他构件的内力分布和变化;

（8） 对施工过程中发生过严重事故，经检测、处理与评估后恢复施工或使用的渡槽部位应考虑布设对比测点;

（9）采用埋入式监测设备的监测点应考虑同时布设与其关联性较强的表贴式监测点;在埋入式监测设备失效前，建立埋入式监测设备与表贴式监测设备的监测值相互换算关系，以便埋入式监测设备失效后，表贴式监测设备能对其继续“接力”监测;

（10）测点数量和设备能力等应具有适度冗余，以确保系统的可靠性，并满足系统未来改进、扩充和系统升级。

3 结构安全预警与应急响应

渡槽结构安全监测系统应建立基于监测数据在线分析、监测数据离线分析和人工检测结果相结合的综合安全预警和应急响应机制。当渡槽运行环境或结构响应的某项监测指标特征值超过阈值时，应在监测系统内触发异常情况的告警。监测系统或技术支持单位收到告警后，应分别启动监测数据在线分析和离线分析，并结合预设的专业规则，判断渡槽结构当前的工作状态是否影响运行安全。当判断渡槽结构工作状态影响其运行安全时，系统应向相关责任单位发出结构安全预警。相关单位收到安全预警后，应根据技术支持单位会同专家建议及时采取应急响应措施保障渡槽运行安全。

3.1 传感器告警

系统的各类传感器应设置阈值实现告警功能，传感器超阈值告警包括一般告警和严重告警两类，对应阈值为一般告警阈值和严重告警阈值。告警阈值宜采用以下3种形式中的一种或多种组合。

（1） 基于容许值分析。当监测参数存在容许值时，可根据监测数据是否超过容许值来判断;同时，通过监测数据与容许值之间的差距也可大致判断其安全富余度或危险程度。容许值为设计取值、设计计算值或规范限值。

（2） 基于合理值或合理范围分析。基于监测数据是否在合理值附近或者在合理范围之内进行异常分析和判断。

（3） 基于某基准时点（如建成初期）数据的分析。通过当前监测数据与基准时点的相应结构参数指标进行比较而判断是否异常。基准时点通常可选用结构刚建设完成时，或者监测系统构建完成时的时间点。

报警阈值设置应结合监测参数对渡槽结构安全的敏感程度而定，对结构安全较敏感的监测参数宜设一般告警阈值和严重告警阈值两类，其余监测参数可仅设一般告警阈值或严重告警阈值之一。告警阈值应根据环境变化、危险种类、结构状态、认知深入而定期进行检验、补充、修正和优化，尽量减少虚警现象的发生，降低系统运维成本。

3.2 结构安全预警

渡槽结构安全预警宜设绿色、黄色、橙色、红色共4个预警级别，具体如下。

（1） 绿色安全。

渡槽荷载与环境、结构响应等各项监测参数均在正常范围之内，满足设计和规范要求，渡槽使用功能正常，结构安全。

（2） 黄色预警。

某项荷载与环境或结构响应监测参数出现一般告警，影响渡槽的正常使用功能。

（3） 橙色预警。

与结构安全相关的多项监测参数（荷载与环境或结构响应）同时出现一般告警，或某项关键监测参数出现严重告警;严重影响渡槽的正常使用功能，若不及时处置会显著增加结构安全风险。

（4） 红色预警。

离线分析评估和专项检测发现，渡槽已出现危及结构安全的严重缺陷，或荷载与环境参数中风险源显著加剧;渡槽结构无法正常使用，需临时中断输水，否则随时可能造成渡槽结构安全事故。

渡槽结构安全预警触发模式应包括系统自动触发和人工手动触发两类。系统告警后可根据系统在线分析结果自动触发安全预警，也可根据人工离线分析结果手动触发安全预警。黄色预警宜由系统自动触发，橙色预警宜由系统自动触发或人工手动触发，红色预警应由人工手动触发。人工手动触发预警主要为对系统自动触发的预警进行升级或降级（甚至解除），判断依据为监测数据相关性分析结果、人工复查或专项检测结果、离线安全评估结果等。安全预警状态应及时根据应急响应结果予以调整或解除，预警调整包括预警升级和预警降级。当渡槽结构恢复至安全运营状态时，应及时解除预警状态。

渡槽管护单位应对渡槽结构的各级预警状态制定相应的应急预案，以便预警产生后及时采取应急响应措施。

4 结构安全评估与决策支持

根据东风渠渡槽工程实际情况，将安全评估分為安全一级评估、安全二级评估和专项评估3类。安全一级评估基于监测数据和有限元模型进行;安全二级评估在安全一级评估的基础上基于修正有限元模型进行结构重分析和极限承载力分析评估;专项评估则是针对突发事件（如地震等）后对渡槽整体或局部进行的针对性评估。

结合现行传统的渡槽检测维护制度，在组织模式上，可将安全评估分为定期评估和应急评估2类。定期评估根据监测数据，结合渡槽定期检测结果进行;评估技术深度根据渡槽结构实际状况、评估目的等选择安全一级评估或安全二级评估;当安全一级评估结果难以判断渡槽结构安全状态时，应进行安全二级评估。

专项评估是在灾害、突发事件、红色预警后或因其他特定评估目的而开展的渡槽结构或构件安全评估工作;评估技术深度根据评估目的等选择安全一级评估或安全二级评估;当安全一级评估结果难以判断渡槽结构安全状态时，应进行安全二级评估。

渡槽结构定期安全评估结果可作为渡槽管护单位编制渡槽大中修或改建计划的主要技术依据，而专项安全评估结果可作为临时应急处理（如中断输水或维修、加固等）的主要技术依据。

5 结 语

本文结合现有结构安全监测技术，从监测内容选取与测点布设、结构安全预警与应急响应、结构安全评估与决策支持等方面对四川省灌区既有渡槽结构安全监测进行了探究和分析。在对既有渡槽结构各个构件及其之间的相互关系做出准确全面的分析的基础上，综合考虑既有渡槽的适用性、耐久性、安全性等方面，初步构建了适用于灌区渡槽健康诊断与安全评估的指标评价模型。相关结论可为中国各灌区既有渡槽建立工程结构安全监测系统提供一定的参考。

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（编辑：胡旭东）