魏克武 郝耘慶

(陜西省水利電力勘測設(shè)計研究院 西安 710000)

1 安全監(jiān)測系統(tǒng)在巖土工程中的作用

根據(jù)概括的 “巖土工程”定義:巖土工程是以土力學(xué)與基礎(chǔ)工程、巖石力學(xué)與工程為基礎(chǔ),并和工程地質(zhì)學(xué)密切結(jié)合的綜合性學(xué)科。它服務(wù)于各類主體工程的勘察、設(shè)計與施工的全過程,是這些主體工程的組成部分。

土力學(xué)、巖石力學(xué)、工程地質(zhì)這三門專業(yè)課程構(gòu)成了巖土工程的基本學(xué)科。而此三門專業(yè)課程,其基本公式的推導(dǎo)過程,無疑例外的是建立在統(tǒng)計和經(jīng)驗基礎(chǔ)之上的。其提供給設(shè)計工作者的可選設(shè)計參數(shù)也是某一范疇,因而,因人而異的選取必然導(dǎo)致在力學(xué)計算結(jié)果上的顯著差異。

可見,在一些重大的巖土工程事件需要決斷的時刻,設(shè)計者迫切需要某些具體的、可以定量的數(shù)據(jù)輔助做出抉擇。那么建立在各類傳感器及數(shù)據(jù)采集單元上的安全監(jiān)測系統(tǒng),無疑可以提供較為客觀和精確的工程運行資料。

按照某教授的提法,“巖石力學(xué)是研究演示過去的歷史,現(xiàn)在的狀況,將來行為的一門應(yīng)用性很強的學(xué)科”。同樣,工程建設(shè)初期設(shè)置系統(tǒng)的安全監(jiān)測系統(tǒng),在建成后可以為工程管理提供過去、現(xiàn)在的實際工程狀況,并依據(jù)實際的監(jiān)控數(shù)據(jù)所建立的監(jiān)測預(yù)報模型,為工程提供可能發(fā)生或即將發(fā)生變化情況的信息。

1985年6月12日凌晨,長江西陵峽上段,兵書寶劍峽出口處發(fā)生總體積2×107m3的新灘滑坡。新灘古鎮(zhèn)滑入長江被毀,由于自1968年以來對滑坡進行了深入的研究與地表位移的長期監(jiān)測,在滑坡發(fā)生以前及時發(fā)出臨滑警報,能以緊急疏散人員而全鎮(zhèn)1371人無一傷亡。這一大災(zāi)無人員傷亡的事例說明只要重視巖土工程工作,加強監(jiān)測和預(yù)報,地質(zhì)災(zāi)害時可以預(yù)測、預(yù)報,可以減少和避免損失的。

水利工程中,從1959年法國的馬爾帕賽薄拱壩因壩基原因失穩(wěn),到1975年淮河板橋石漫灘水庫因老化而潰壩決口。不難看出,缺乏安全監(jiān)測設(shè)施的巖土工程,由于無法預(yù)測災(zāi)害的發(fā)生,災(zāi)難性事故所造成的損失是慘重的。

2 水利工程投資方式與建設(shè)

水利工程建設(shè)屬于社會基礎(chǔ)建設(shè)領(lǐng)域,它也是水資源開發(fā)利用的最具體體現(xiàn)。世界上,對于國家基礎(chǔ)設(shè)施的投資一般由政府進行。特別是水利水電項目,因其投資規(guī)模大,回收期長,我國長期以來國家是投資主體。但隨著民間資本的積累和投資市場的局限,水利水電項目又因其投資風(fēng)險相對較小,資金回收有保障,逐漸成為了諸多資本追逐的目標(biāo)。

在國內(nèi),改革開放以來,民間和企業(yè)資本迅速得以積累與增加。這些資本在尋求出路的過程中,隨著國家政策的放寬,瞄準(zhǔn)了一些國家基礎(chǔ)性建設(shè)項目——水利水電開發(fā)項目。

有些投資企業(yè),不僅僅著眼國內(nèi)的水資源,更將目光瞄向國外發(fā)展中國家和經(jīng)濟欠發(fā)達 (有的甚至是政局還不穩(wěn)定)國家的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。由此可見,水資源項目能夠得到更多的資金來源。當(dāng)然,水力發(fā)電項目建設(shè)過程中的安全因素及對環(huán)境的長期影響是不容忽視的。所以,專業(yè)技術(shù)人員,不僅僅要考慮短期內(nèi)的工程技術(shù)問題,更應(yīng)該長遠的考慮工程的建設(shè)安全和環(huán)境問題。

3 現(xiàn)行建設(shè)模式下的設(shè)計工作

在國家基礎(chǔ)性建設(shè)領(lǐng)域現(xiàn)行的政策和法規(guī)要求下,企業(yè)投資行為與政府投資在水電站項目設(shè)計上,相同之處在于:最優(yōu)投資,最大產(chǎn)出;最大不同是:企業(yè)行為對工程建設(shè)周期、投資規(guī)模、首臺機組發(fā)電 (并網(wǎng))的時間要求更加苛刻。

依據(jù)國內(nèi)相關(guān)部門的水電項目政策和法規(guī),對于工程建設(shè)分為若干階段:項目建議書階段、可行性研究階段、招標(biāo)初步設(shè)計階段、施工圖階段。這樣的階段劃分,對于計劃經(jīng)濟時代工程建設(shè)的逐步深入與細(xì)化是非常有益的。對于設(shè)計單位而言,只是按照不同階段的設(shè)計工作深度要求,依據(jù)生產(chǎn)任務(wù)或者設(shè)計合同約定完成相應(yīng)內(nèi)容的工作即可。

但各個階段的審批過程存在較長的周期,對工程投資與回報產(chǎn)生的影響是投資方所忌諱的。顯然,這樣的建設(shè)方式不完全適應(yīng)現(xiàn)代企業(yè)的投資行為對工程造價和進度控制的要求,難以讓投資市場所接受。

巖土工程領(lǐng)域從事水利水電工程樞紐設(shè)計工程技術(shù)人員,從步入行業(yè)之初,就確定必須了解和掌握:修筑各種功能建筑物的同時還要充分理解在不同類型 (荷載)作用下構(gòu)筑物能否抵抗、平衡這些作用,發(fā)揮設(shè)計功能并具有一定安全儲備的能力。當(dāng)然該能力在以時間為參數(shù)的漸變 (運行過程)中,仍然需要具備當(dāng)初設(shè)計的功能。

既然考慮時間這個參數(shù),就應(yīng)該在前期的地質(zhì)勘察、工程測量階段,有效掌對于后來的工程建設(shè)是必不可少的巖土方面信息。盡管依據(jù)巖土工程歷史經(jīng)驗的總結(jié)和國家有關(guān)技術(shù)文件下開展的工作已經(jīng)做得很好,但還遠遠不夠。首先,沒有動態(tài)地考慮地質(zhì)情況在時間歷程中是否變化及變化情況,而只是靜態(tài)的參考、依據(jù)地質(zhì)、測量工作成果,這是技術(shù)工作上的損失。工程的設(shè)計者應(yīng)在EPC模式的工程建設(shè)環(huán)境中,充分調(diào)動技術(shù)上優(yōu)勢,實時掌控巖土及各種作用初始信息,并要隨著時間變化、人為擾動等改變情況,更新該信息的。這種工作方法對于在施工中處理各種非設(shè)計狀況有著巨大的作用,并能提供最直接的科學(xué)數(shù)據(jù)上的支持。

無疑以時間為參數(shù)的巖土工程,設(shè)計者必須時刻了解巖土工程的現(xiàn)狀,以便在社會和工程需要的時刻能夠作出科學(xué)的決策。

4 EPC模式下的設(shè)計工作探討

工程總承包 (EPC)的基本內(nèi)容是:進行初步設(shè)計 (需要時)、詳細(xì)設(shè)計、設(shè)備材料采購、施工安裝、開車指導(dǎo)等,通過招投標(biāo),實行固定價總承包。

實行工程總承包和項目管理承包的主要優(yōu)點:有利于充分發(fā)揮設(shè)計在工程建設(shè)過程中的主導(dǎo)作用,使工程項目的整體方案可以在建設(shè)過程中不斷優(yōu)化。有利于克服設(shè)計、采購、施工相互制約和脫節(jié)的矛盾,避免施工過程中各單位間的行政程序上的消耗與扯皮,使設(shè)計、采購、施工各環(huán)節(jié)的工作合理交叉,確保工程進度和質(zhì)量。

換言之,EPC模式下,需要能夠完成EPC全部工作內(nèi)容的聯(lián)營體或者個體。這種專業(yè)化的工程公司和項目管理公司有與項目管理和工程總承包相適應(yīng)的機構(gòu)、功能、經(jīng)驗、先進技術(shù)、管理方法和人力資源,對建設(shè)項目的前期策劃與項目定義,對項目實施的進度、費用、質(zhì)量、資源、財務(wù)、風(fēng)險、安全等建設(shè)全過程實行動態(tài)、量化管理和有效控制,有利于達到最佳投資效益,實現(xiàn)業(yè)主所期待的目標(biāo)。

由此可見,工程總承包制度,在保證收益的前提下,讓投資 (建設(shè)水利工程的)企業(yè)找到了一條在程序上和技術(shù)上實現(xiàn)最小投入、最優(yōu)投入的途徑——即以設(shè)計機構(gòu)為龍頭的工程總承包制度。

一套完善的設(shè)計方案是工程建設(shè)的基礎(chǔ),設(shè)計方作為工程建設(shè)的龍頭自始至終服務(wù)于工程項目。設(shè)計方對工程的理解與技術(shù)上的掌控程度,與建設(shè)方、施工方、監(jiān)理方或者其他部門和機構(gòu)是有區(qū)別的,具有絕對的技術(shù)優(yōu)勢,毫無爭議應(yīng)當(dāng)是EPC的核心和主角。

工程總承包——立項、設(shè)計、施工、運行管理。這一完整的投資行為鏈,不僅能夠為企業(yè)贏得最小投資、最短建設(shè)周期,也必將贏得最大收益。而設(shè)計環(huán)節(jié),也不必機械地按前述 (現(xiàn)行建設(shè)程序)分若干階段進行,而可能實現(xiàn)邊設(shè)計、邊施工,動態(tài)地對運行管理的細(xì)部問題和責(zé)任提出更高的要求。

由此,對于國內(nèi)土木工程界大多數(shù)設(shè)計者的工作又提出了更高的要求和全新的課題——信息化設(shè)計與管理!

巖土工程監(jiān)測技術(shù)隨著國民經(jīng)濟和建設(shè)者技術(shù)水平與認(rèn)識的提升,會在宏觀的巖土工程建設(shè)領(lǐng)域發(fā)揮其應(yīng)有的作用,不僅僅是巖土工程各個專業(yè)的一個組成部分,而是會引發(fā)信息化工程建設(shè)新課題。

這一課題是難以在現(xiàn)行工程建設(shè)模式下運作的,而EPC工程建設(shè)模式卻提供了實施的可能。通過現(xiàn)代化、信息化技術(shù),結(jié)合現(xiàn)代管理模式,即可達到改變以經(jīng)驗為主的傳統(tǒng)巖土工程建設(shè)方式,使之成為以科學(xué)的、量化的數(shù)據(jù)為依托的現(xiàn)代化巖土工程建設(shè)方式。

在工程建設(shè)過程中,地質(zhì)、水文、氣象及人工對工程建設(shè)的改變作用,使得地下結(jié)構(gòu)與地面建筑及建設(shè)過程受到影響和干擾。其中有些是可以預(yù)計的,有些是可以控制的,但更多情況下,人力所不能及的環(huán)境改變,將直接導(dǎo)致工程建設(shè)費用的增加。最直接體現(xiàn)就是設(shè)計工作者經(jīng)常面臨缺乏地質(zhì)、水文、氣象方面信息,而又必須對工程處理措施做出決斷的情況。當(dāng)然,依據(jù)傳統(tǒng)的實踐經(jīng)驗,可以解決很多問題。而較為充分詳盡的巖土工程監(jiān)測信息,無疑能為工程技術(shù)人員的決斷提供最客觀的技術(shù)支持,以得于作出正確抉擇。

5 安全監(jiān)測與信息化設(shè)計在EPC模式下的作用

“信息化設(shè)計”在鐵路隧道工程中,“隨著隧道工程量測項目的規(guī)劃、測試手段和工具、量測數(shù)據(jù)處理以及量測信息的反饋等方面的試驗研究成果,提出了工程監(jiān)測實施方法……”①。在壩工領(lǐng)域,隨著計算機技術(shù)的普及,監(jiān)測儀器設(shè)備的升級換代,監(jiān)測手段方法的改進和提高,分析理論的進步等,安全監(jiān)測技術(shù)已經(jīng)和信息化設(shè)計技術(shù)在工程建設(shè)過程中緊密結(jié)合,而且密不可分。

隨著對工程建設(shè)安全的日益重視,安全監(jiān)測技術(shù)水平日益提高,工程建設(shè)過程中進度、管理方面的信息量也隨之增多。工程安全信息化、工程管理信息化的結(jié)合與統(tǒng)一,是保證工程建設(shè)安全,提高建設(shè)管理效率的有效途徑。

它是一個廣義的信息化設(shè)計概念,卻又是一個狹義的信息化設(shè)計概念。

廣義,在于它與地下結(jié)構(gòu)的信息化設(shè)計工作相比,工作內(nèi)容不僅僅滿足地下結(jié)構(gòu)的設(shè)計、施工要求,而且要滿足地面結(jié)構(gòu)的設(shè)計、施工要求。同時,也包含安全監(jiān)測、水情測報、閘控、工控、地震、工程邊坡等專項監(jiān)控領(lǐng)域,達到在工程建設(shè)過程中,能夠?qū)こ痰陌踩闆r起到掌控的作用。

狹義,在于它與國家提倡建設(shè)的 “金水”工程建設(shè)內(nèi)容相比較。它僅僅針對的是以巖土工程建設(shè)領(lǐng)域的某個工程個體,并非大區(qū)域、流域性的自動化辦公通信工程。

水利信息化是數(shù)字地球的整體框架下的一個子系統(tǒng)。其共性就是GPS、GIS、RS應(yīng)用的統(tǒng)一,其特殊性,就是充分體現(xiàn)水利工程安全監(jiān)測系統(tǒng)、水情測報系統(tǒng)、閘門自動控制系統(tǒng)、運行工況監(jiān)控系統(tǒng)系統(tǒng)并結(jié)合區(qū)域地震臺網(wǎng)的組建及地球物理專業(yè)的相關(guān)信息。通過各分系統(tǒng)間的有機緊密結(jié)合,將具體的巖土工程運行管理信息,通過快速有效的傳遞、上報至上級決策部門。能夠在確保工程運行安全的前提下,科學(xué)有效的開展區(qū)域內(nèi)的聯(lián)合調(diào)度,安全運行管理的需要。

或者說,“金水工程”在水利水電工程建設(shè)過程中的體現(xiàn),就是安全監(jiān)測系統(tǒng)、水情測報系統(tǒng)、閘門自動控制系統(tǒng)、運行工況監(jiān)控系統(tǒng)等專項的建設(shè)和運行。在水利水電工程建設(shè)后期,它將以已經(jīng)完善的安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)為基礎(chǔ),進一步完善地方、區(qū)域與國家水資源工程整體管理需要的自動化辦公系統(tǒng),包括各種軟件、文庫的建立。

6 變革與展望

為進一步推動我國工程總承包和工程項目管理的發(fā)展,2003年2月13日,建設(shè)部下發(fā)的 “關(guān)于培育發(fā)展工程總承包和工程項目管理企業(yè)的指導(dǎo)意見 (建市 [2003]30號)”,(本文簡稱為指導(dǎo)意見)對進一步完善和推行工程總承包和工程項目管理模式提供了具體的、可操作性強的實施辦法。

下面僅從水電站設(shè)計的角度,闡述工程建設(shè)總承包形式下設(shè)計工作的改變及其要求。

目前國內(nèi)水電建設(shè)行業(yè)對建設(shè)階段性的規(guī)定及由此產(chǎn)生對設(shè)計工作精度與程度是分階段深入的,那么,在工程總承包的建設(shè)模式下,設(shè)計工作者會面臨什么樣的壓力與挑戰(zhàn)呢?

首先,在企業(yè)資本 (非國家投資)介入國民基礎(chǔ)性建設(shè)領(lǐng)域,為達到控制投資的回收周期而對于建設(shè)周期的壓縮,使得設(shè)計工作要在很短的時間內(nèi)完成以往分階段逐步深入的全部設(shè)計工作內(nèi)容。

表面上,似乎回到了二十世紀(jì)中期水電行業(yè)邊設(shè)計邊施工的建設(shè)模式,其實不然。國內(nèi)現(xiàn)今工程的設(shè)計、研究、施工隨著工程建設(shè)數(shù)量的增加,工程經(jīng)驗的積累,使工程建設(shè)能力比二十世紀(jì)50、60年代的 “三邊”階段,在工程可控性方面,有了質(zhì)的提高。新設(shè)備、新材料、新工藝以及一大批關(guān)鍵工程技術(shù)的應(yīng)用,已使我國在相關(guān)領(lǐng)域進入到了世界領(lǐng)先水平。

同時,隨著計算機技術(shù)的發(fā)展進步,計算理論、軟件的提升對于設(shè)計工作及成果提出了更高的要求。不僅僅要滿足施工進度提交設(shè)計成果,而且要達到立足施工現(xiàn)狀,現(xiàn)場設(shè)計、指導(dǎo)施工的目的。然而我國現(xiàn)有的工程建設(shè)程序 (設(shè)計、施工、監(jiān)理等)難以發(fā)揮計算機技術(shù)在工程建設(shè)過程中的作用;難以發(fā)揮監(jiān)測工作在施工過程中的科學(xué)指導(dǎo)作用。

“指導(dǎo)意見”的發(fā)布,讓計算機技術(shù)和監(jiān)測工作有機會在現(xiàn)場施工過程中發(fā)揮應(yīng)有的巨大作用。但其前提條件就是工程建設(shè)總承包,由一個法人企業(yè)負(fù)責(zé)工程項目的設(shè)計、采購、施工、運行等全過程,并對工程質(zhì)量負(fù)責(zé)。這樣的法人才能為了控制投資、為了工程建設(shè)過程中的安全、為了工程建設(shè)質(zhì)量而主動、被動的采用新科技、新技術(shù)、新理論。那么,前沿的科技成果、前端的計算機技術(shù)理論會大量的應(yīng)用到基礎(chǔ)性工程建設(shè)領(lǐng)域,并得到實踐,這對國內(nèi)土木工程界的施工工藝、方法的改進和提高是一股強大的推動力。

7 結(jié)論

巖土安全監(jiān)測的設(shè)計是水工設(shè)計專業(yè)范疇內(nèi)的重要組成部分,其施工過程牽扯的行業(yè)、專業(yè)、部門諸多。除了監(jiān)測設(shè)計方面的技術(shù)問題,影響監(jiān)測工作有效實施的因素很多,這項工作對主設(shè)人的要求非常高。首先,不僅僅要有扎實的力學(xué)基礎(chǔ),還需要豐富的工地實踐經(jīng)歷和由此獲得的實際地質(zhì)、測量工作的經(jīng)驗及對水利水電工程從藍圖到建筑物施工過程的經(jīng)歷。否則是難以滿足監(jiān)測設(shè)計主設(shè)人的基本要求;其次,除了水工方面的能力外,必須有接受新事物的能力。包括掌握必要的傳感器、電器、通訊、電腦、水電站運行管理方面必要的基本知識,還要有各個專業(yè)、行業(yè)間的協(xié)調(diào)組織能力。

由于安全監(jiān)測技術(shù)在其實施過程中 (設(shè)計、施工)與水利工程幾乎所有的相關(guān)專業(yè)都有交叉,而且與參與施工的各個部門在施工工序上也相互影響較大。如果說一個完善的安全監(jiān)測系統(tǒng)是一個樞紐工程的神經(jīng)系統(tǒng),那么各個功能的建筑物就是這個系統(tǒng)的骨肉,這樣才可以在管理層面對其能夠進行快速反應(yīng)、靈活管理的的工程。

由此可見,在EPC模式實踐的最前端,安全監(jiān)測專業(yè)無疑可以充當(dāng)排頭兵,它不僅僅能夠讓設(shè)計單位以龍頭的形式參與到工程施工建設(shè)過程中,更重要的是,讓設(shè)計單位在技術(shù)上能夠完全的、及時的掌控巖土工程的建設(shè)進展情況。

毫無疑問,設(shè)計單位如果要進行EPC模式的業(yè)務(wù)擴展,那么安全監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計、采購、施工總承包將是一個最基本的基礎(chǔ)。也必將由此擴展設(shè)計單位在工程建設(shè)中的技術(shù)主導(dǎo)地位和生產(chǎn)經(jīng)營路線。并由此推動新技術(shù)在巖土工程上的應(yīng)用,最終帶給社會和國家的將是最優(yōu)的資金投入、最大的工程效益和最強的信息化管理模式。

1 王建宇.《隧道工程監(jiān)測和信息化設(shè)計原理》,中國鐵道出版社,1990.