張鐘元，郭翔宇，闞 飛，盧 鑫

(1.四川省都江堰東風(fēng)渠管理處，成都，610081；2.四川省水利科學(xué)研究院，成都，610072)

引言

在我國基礎(chǔ)設(shè)施不斷轉(zhuǎn)向現(xiàn)代化建設(shè)的今天，水利工程的建設(shè)標(biāo)志著傳統(tǒng)水利工程向現(xiàn)代水利工程的轉(zhuǎn)變，標(biāo)志著水利工程的建設(shè)開始轉(zhuǎn)向現(xiàn)代化與精細(xì)化，是我國社會發(fā)展與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的現(xiàn)實(shí)客觀要求[1]。

由于水工建筑物長期在自然環(huán)境、運(yùn)營期荷載工況的作用下，建筑物內(nèi)部損傷會逐漸形成、積累，最終導(dǎo)致水工建筑物安全性降低。當(dāng)遇到突發(fā)情況的發(fā)生，這些安全隱患必將產(chǎn)生破壞性后果。為了保障水利工程的正常運(yùn)行，水工建筑物結(jié)構(gòu)的健康，有必要對水工建筑物進(jìn)行安全監(jiān)測管理。

隨著我國農(nóng)業(yè)的加速發(fā)展，灌區(qū)水利工程已然成為農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要基礎(chǔ)設(shè)施，其在一定程度上可以大幅度提升農(nóng)作物產(chǎn)值。通過灌區(qū)水利工程能夠有效安排水資源進(jìn)行灌溉，季節(jié)性缺水時(shí)增加灌溉頻率，做好灌區(qū)水利工程管理還能通過對水資源的循環(huán)利用，達(dá)到節(jié)約水資源的目的。灌區(qū)水利工程建設(shè)不僅關(guān)系到民生的發(fā)展，更關(guān)系到灌區(qū)資源節(jié)約戰(zhàn)略工程。

我國水利水電工程在歷經(jīng)多年建設(shè)高潮之后，隨著建設(shè)數(shù)量和容量快速增長，水利行業(yè)正在面臨質(zhì)量控制、運(yùn)維管理和效率提升等新一輪亟待解決的熱點(diǎn)、難點(diǎn)問題?！爸亟ㄔO(shè)、輕管理”將不再能夠滿足行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的要求，“水利工程補(bǔ)短板、水利行業(yè)強(qiáng)監(jiān)管”作為新時(shí)代水利強(qiáng)音，提出要聚焦水利工程安全運(yùn)行等水利行業(yè)業(yè)務(wù)需求，形成水利行業(yè)齊心協(xié)力、同頻共振的監(jiān)管格局，為水利建設(shè)現(xiàn)代化提供支撐與保障。

1 安全監(jiān)測的必要性

隨著現(xiàn)代工業(yè)與科學(xué)技術(shù)的日益發(fā)展，水利工程日益趨向大規(guī)模、多功能、高智能發(fā)展，與此同時(shí)產(chǎn)生的安全問題也日益顯著。由水利工程安全問題所導(dǎo)致的災(zāi)難性事件包括大壩潰壩、海難、透水、瓦斯天然氣爆炸、火災(zāi)、生物危害性事件等，造成的人員、經(jīng)濟(jì)和社會損失均十分慘重。如1928年美國加利福尼亞州的St.Francis重力壩潰壩事件導(dǎo)致450人死亡；1959年法國Malpasset拱壩潰壩事件導(dǎo)致421人死亡；1963年意大利Vajont拱壩庫岸滑坡導(dǎo)致2000余人死亡；1975年河南板橋水庫潰壩事件導(dǎo)致26座水庫相繼潰決，直接、間接死亡24萬余人，造成直接經(jīng)濟(jì)損失34.97億元；1993年，青海省溝后水庫發(fā)生潰壩，造成300余人死亡；2003年，因三峽水庫蓄水及降雨等綜合因素導(dǎo)致庫區(qū)千將坪發(fā)生特大型滑坡災(zāi)害，死亡24人，直接經(jīng)濟(jì)損失超過了8000萬元[2-3]。這些觸目驚心的案例警醒我們開展水利工程安全監(jiān)測理論研究及技術(shù)實(shí)踐的相關(guān)研究與工作是至關(guān)重要的，對做好我國水利工程風(fēng)險(xiǎn)防控和安全監(jiān)測工作具有借鑒意義。

對水利工程進(jìn)行安全監(jiān)測，是我國長期以來高度重視和重點(diǎn)研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域，我國已先后頒布《土石壩安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》(SL 551-2012)、《混凝土壩安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》(SL 601-2013)、《水利水電工程水力學(xué)原型觀測規(guī)范》(SL 616-2013)、《水利水電工程安全監(jiān)測設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 725-2016)、《水工隧洞安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》(SL 764-2018)、《水閘安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》(SL 768-2018)等一系列水利工程安全監(jiān)測相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，為水利工程安全監(jiān)測提供了指導(dǎo)性與規(guī)范化的技術(shù)保證。

2 安全監(jiān)測技術(shù)現(xiàn)狀及灌區(qū)需求

水利工程安全監(jiān)測技術(shù)經(jīng)歷了定性判別、定量分析、人機(jī)結(jié)合3個(gè)階段。

19世紀(jì)末，水利工程安全監(jiān)測拉開了序幕。1881年，德國的Eisbach大壩開始了對大壩表面變形的觀測；1903年，美國布萊恩重力壩開展了溫度觀測工作；1926年，美國對愛達(dá)荷州的瓦美利加-佛爾茲壩進(jìn)行了揚(yáng)壓力和應(yīng)變觀測；1952年Chester Floyd Carlson發(fā)明了混凝土應(yīng)力計(jì)，法國、德國等國家先后研制出了鋼弦式儀器，與此同時(shí)，美國開始研發(fā)差動電阻式儀器，從此，以應(yīng)力計(jì)為代表的傳感器進(jìn)入了比較完善的階段[4]。

20世紀(jì)60年代中期，安全監(jiān)測進(jìn)入定量分析階段。由于當(dāng)時(shí)幾次大型水利事故的產(chǎn)生，使人們的注意力轉(zhuǎn)移到了對運(yùn)行期水利工程的安全監(jiān)測，并在一些大型的水利工程水工建筑物上開展了變形監(jiān)測、滲流監(jiān)測、應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測、環(huán)境量監(jiān)測等項(xiàng)目。通過安全監(jiān)測，及時(shí)了解水工建筑的結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)。20世紀(jì)70年代以后，監(jiān)測儀器、監(jiān)測技術(shù)、儀器安裝埋設(shè)水平、觀測資料的分析及應(yīng)用等方面均得到了迅速發(fā)展，隨著監(jiān)測儀器中晶體管的出現(xiàn)，進(jìn)一步改善了安全監(jiān)測技術(shù)水平，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測智能化、遙測化、監(jiān)測設(shè)備小型化。

20世紀(jì)80年代之后，隨著科學(xué)技術(shù)的前進(jìn)，計(jì)算機(jī)的使用越來越廣泛，監(jiān)測儀器的生產(chǎn)工藝、監(jiān)測精度越來越高，智能科技的發(fā)展，推動了水利工程的安全監(jiān)測向新一階段發(fā)展。在監(jiān)測儀器方面，一些振弦式、差動式、電感、電容儀器及其他類型的監(jiān)測儀器得到了廣泛的應(yīng)用。20世紀(jì)90年代后，水利工程安全監(jiān)測技術(shù)飛速發(fā)展，以大型水庫大壩為代表的許多水利工程完成了自動化監(jiān)測系統(tǒng)的更新?lián)Q代，如二灘、三峽、小浪底等。安全監(jiān)測成為工程上的一個(gè)必要手段，成為提供設(shè)計(jì)理論依據(jù)、優(yōu)化設(shè)計(jì)和可靠度評價(jià)不可缺少的環(huán)節(jié)，成為工程設(shè)計(jì)、施工質(zhì)量控制的重要手段。進(jìn)入21世紀(jì)以后，工程安全監(jiān)測自動化已成為主流，數(shù)據(jù)分析，數(shù)據(jù)查詢，數(shù)據(jù)的計(jì)算等等這些對于以后資料整理分析和質(zhì)量控制帶來了相當(dāng)大的方便，這對以后工程的建設(shè)和實(shí)施有了安全保障。

大型灌區(qū)是我國農(nóng)業(yè)和農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要基礎(chǔ)設(shè)施，是國家糧食安全的基礎(chǔ)保障[5]。大型灌區(qū)水利工程涵蓋了如水庫、渠道及渠系建筑物、水閘、隧洞、堤防等常見水利工程。但由于大型灌區(qū)具有工程的分散性、水資源的有限性、水情雨情的變化性、農(nóng)作物需水的時(shí)效性、灌溉供水的動態(tài)性等方面的特點(diǎn)，導(dǎo)致灌區(qū)水管理工作復(fù)雜。如果不采用現(xiàn)代管理方法和技術(shù)，將難以實(shí)現(xiàn)灌區(qū)水資源的優(yōu)化配置和高效利用[6]。

以四川省大型灌區(qū)東風(fēng)渠灌區(qū)為例，東風(fēng)渠灌區(qū)是四川省特大型灌區(qū)—都江堰灌區(qū)的重要組成部分，地處成都平原腹心地帶，系成都以東丘陵地區(qū)及外圍丘陵地區(qū)農(nóng)田灌溉、工業(yè)及生活用水的輸水動脈，作為成都平原腹地骨干供水工程，承擔(dān)著成都、眉山兩市20個(gè)縣(市、區(qū))的輸供水任務(wù)和水安全保障任務(wù)，同時(shí)承擔(dān)向黑龍?zhí)豆鄥^(qū)、龍泉山灌區(qū)15.09萬hm2農(nóng)田的輸水任務(wù)，對整個(gè)成都平原的經(jīng)濟(jì)發(fā)展至關(guān)重要。灌區(qū)內(nèi)水利工程運(yùn)行狀況的好壞，直接關(guān)系工程的正常輸供水、安全運(yùn)行和社會經(jīng)濟(jì)效益發(fā)揮，對保障工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生活用水、人居環(huán)境和生態(tài)環(huán)境供水意義重大[7]。

東風(fēng)渠灌區(qū)水利工程數(shù)量大、種類多，且分布廣泛，工程病害(險(xiǎn))問題較為突出，已有安全監(jiān)測覆蓋不足，監(jiān)測方式較為落后，且監(jiān)測站點(diǎn)布局不夠優(yōu)化，當(dāng)前亦無相關(guān)規(guī)劃。灌區(qū)水利工程病險(xiǎn)自動預(yù)警業(yè)務(wù)支撐不足，當(dāng)前水利工程安全病險(xiǎn)分析大多通過經(jīng)驗(yàn)知識進(jìn)行判別，對工程安全監(jiān)測數(shù)據(jù)的應(yīng)用能力不足，需要業(yè)務(wù)管理人員具備較為豐富的工作經(jīng)驗(yàn)，該方法不利于工程險(xiǎn)情的及時(shí)發(fā)現(xiàn)，不利于水利工程的安全管理。由于灌區(qū)內(nèi)各類水利工程安全監(jiān)管“覆蓋不全、技術(shù)落后、協(xié)同困難”等問題和不足，使得灌區(qū)工程管理存在盲區(qū)和短板。因此，從“全方位安全監(jiān)管”角度做好灌區(qū)水利工程安全監(jiān)測研究，研究如何保障水利工程安全運(yùn)行、有效提升水利工程管理效率、發(fā)揮水利工程綜合效益，具有十分重大的現(xiàn)實(shí)意義。

3 安全監(jiān)測內(nèi)容

3.1 變形監(jiān)測

變形監(jiān)測的主要目的是掌握水利工程與地基變形的空間分布特征和隨時(shí)間變化的規(guī)律，監(jiān)控有害變形及裂縫等的發(fā)展趨勢。變形監(jiān)測一般可分為表面變形監(jiān)測和內(nèi)部變形監(jiān)測兩大類，其中表面變形監(jiān)測包括水平位移、垂直位移監(jiān)測；內(nèi)部變形監(jiān)測根據(jù)水利工程的特點(diǎn)包括撓度、接縫開合度等。

位移監(jiān)測的目的是觀測測點(diǎn)的水平及垂直位移變化量，監(jiān)測精度的確定主要考慮了監(jiān)測等級和位移控制值兩方面的因素，位移控制值包括變化速率控制值和累計(jì)變化量控制值。位移監(jiān)測的精度首先要根據(jù)控制值的大小來確定，特別是要滿足速率控制值或在不同工況條件下按各階段分別進(jìn)行控制的要求。監(jiān)測精度確定的原則是監(jiān)測控制值越小要求的監(jiān)測精度就越高，同時(shí)還要滿足不低于同級別監(jiān)測等級條件下的監(jiān)測精度要求。

3.2 滲流監(jiān)測

水利工程滲流監(jiān)測對于了解水利工程在上下游水位、降雨、溫度等環(huán)境量作用下的滲流規(guī)律及驗(yàn)證渡槽防滲設(shè)計(jì)具有重要意義。滲流監(jiān)測的主要項(xiàng)目包括滲透壓力和側(cè)向繞滲。必要時(shí)，還需配合進(jìn)行滲流量、水質(zhì)分析等監(jiān)測項(xiàng)目。

滲流監(jiān)測各項(xiàng)目應(yīng)相互配合，并同時(shí)觀測水利工程上下游水位、降雨量和大氣溫度等環(huán)境因素。已建工程在進(jìn)行滲流監(jiān)測設(shè)施更新改造時(shí)，應(yīng)避免對工程滲流安全造成不利影響。凡不能在工程竣工后補(bǔ)設(shè)的儀器(如岸墻和翼墻底部的儀器)，均應(yīng)在工程施工期適時(shí)安裝。

部分水利工程滲流監(jiān)測應(yīng)符合其工程特性與需求，如水閘還應(yīng)進(jìn)行閘基揚(yáng)壓力監(jiān)測，閘基揚(yáng)壓力監(jiān)測應(yīng)根據(jù)水閘的結(jié)構(gòu)型式、工程規(guī)模、閘基輪廓線、地質(zhì)條件、滲流控制措施等進(jìn)行布置，并應(yīng)以能測出閘基揚(yáng)壓力分布及其變化為基本原則。

3.3 應(yīng)力應(yīng)變及溫度監(jiān)測

應(yīng)力應(yīng)變及溫度監(jiān)測的主要監(jiān)測內(nèi)容包括鋼筋應(yīng)力、土壓力、錨索(錨桿)應(yīng)力監(jiān)測、混凝土溫度、混凝土應(yīng)力應(yīng)變等。一般僅對重要的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行鋼筋應(yīng)力監(jiān)測，鋼筋計(jì)焊接在鋼筋的同一軸線上，可在鋼筋計(jì)附近進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變觀測，以便同時(shí)監(jiān)測鋼筋及周圍混凝土的應(yīng)力應(yīng)變狀況。

應(yīng)力應(yīng)變及溫度監(jiān)測的布置應(yīng)和變形、滲流監(jiān)測相結(jié)合，測點(diǎn)布設(shè)應(yīng)根據(jù)水利工程結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、應(yīng)力狀態(tài)、分層分塊施工情況以及數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)成果進(jìn)行合理布置，以更好地反映結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布特征。

水利工程溫度測點(diǎn)的布置應(yīng)考慮水利工程結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、施工方法以及溫度場的分布規(guī)律，在溫度梯度較大的面板及孔口處附近應(yīng)適當(dāng)加密測點(diǎn)。

3.4 環(huán)境量監(jiān)測

環(huán)境量監(jiān)測的目的是了解環(huán)境量的變化規(guī)律及對水利工程變形、滲流和應(yīng)力應(yīng)變等的影響。環(huán)境量監(jiān)測內(nèi)容包括水位、氣溫、降水量等。施工期水位、降水量監(jiān)測宜應(yīng)用當(dāng)?shù)厮?、氣象站觀測資料。此外，在重要交界斷面和水源地開展水質(zhì)監(jiān)測，水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)亦可采用環(huán)保水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)。

環(huán)境量監(jiān)測應(yīng)嚴(yán)格按《水位觀測標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50138-2010)、《降水量觀測規(guī)范》(SL 21-2015)等環(huán)境量監(jiān)測相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范內(nèi)容執(zhí)行。

3.5 專項(xiàng)監(jiān)測

灌區(qū)水利工程應(yīng)根據(jù)其工程規(guī)模、等級、運(yùn)用條件和環(huán)境等因素，有針對性地設(shè)置專門性監(jiān)測項(xiàng)目。灌區(qū)常見水利工程專項(xiàng)監(jiān)測內(nèi)容主要包括水力學(xué)、施工環(huán)境安全監(jiān)測和生物危害監(jiān)測等。

水力學(xué)監(jiān)測項(xiàng)目包括水流流態(tài)、水面線(水位)、波浪、凍水壓強(qiáng)、水流流速、流量、消能(率)、沖刷(淤)變化、通氣量、摻氣濃度、空化噪聲、過流面磨蝕等，應(yīng)根據(jù)水利工程類別、等級，開展相應(yīng)監(jiān)測項(xiàng)目；施工環(huán)境安全監(jiān)測應(yīng)包括粉塵濃度、有毒有害氣體及放射性監(jiān)測；生物危害監(jiān)測應(yīng)根據(jù)水利工程類型及生物危害種類(如白蟻、老鼠、蛇等)開展相應(yīng)監(jiān)測項(xiàng)目。

4 安全監(jiān)測技術(shù)發(fā)展探析

傳統(tǒng)水利工程安全監(jiān)測儀器按照觀測儀器埋設(shè)在水利工程內(nèi)部和外部分為內(nèi)觀儀器和外觀儀器2大類。

應(yīng)用于水利工程內(nèi)部性態(tài)監(jiān)測的儀器主要有差動電阻式和振弦式兩大類。差動電阻式儀器又稱為卡爾遜式儀器，以電阻絲變形與電阻比成正比的原理研制而成，具有密封性好、穩(wěn)定性較強(qiáng)、可靠性高、簡單易用等優(yōu)點(diǎn)，但對于大應(yīng)變狀態(tài)輸出信號較弱，不適用于長期監(jiān)測；振弦式儀器通過鋼弦震動頻率隨鋼絲應(yīng)力變化的原理研制而成。具有精度高、量程大、受環(huán)境影響小、便于自動化等優(yōu)點(diǎn)，但對于傳感器材料和加工工藝要求較高。此外，傳統(tǒng)水利工程內(nèi)觀儀器還常用到垂直水平位移計(jì)、測斜儀、三向測縫針等。傳統(tǒng)的水利工程安全監(jiān)測外觀儀器除了水準(zhǔn)儀、經(jīng)緯儀、全站儀、測距儀等測繪儀器設(shè)備外，還包括引張線法、激光準(zhǔn)直法、垂線坐標(biāo)儀等方法。

隨著自動化及信息化在水利行業(yè)的深入應(yīng)用，傳統(tǒng)的水利工程安全監(jiān)測技術(shù)逐漸完善，但基于技術(shù)與成本的限制，傳統(tǒng)的監(jiān)測技術(shù)多為“點(diǎn)監(jiān)測”，即在空間上對水利工程某代表部位或區(qū)段進(jìn)行典型觀測，以典型點(diǎn)位代表水利工程的整體安全性狀，且在時(shí)間上多不能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)測，對于水利工程動態(tài)管護(hù)及安全預(yù)警不能做到實(shí)時(shí)響應(yīng)，急需采用科學(xué)、先進(jìn)、可靠、精確的自動化技術(shù)實(shí)現(xiàn)在空間與時(shí)間上的“面監(jiān)測”，最大化水利工程安全監(jiān)測與病險(xiǎn)預(yù)警能力。

近年來，隨著激光、電磁波、光波、3S等技術(shù)的不斷發(fā)展，三維激光掃描、合成孔徑雷達(dá)、地震CT、InSAR、光纖光柵等新技術(shù)在水利工程安全監(jiān)測應(yīng)用中不斷涌現(xiàn)，為連續(xù)實(shí)時(shí)的水利工程安全“面監(jiān)測”提供了廣泛的應(yīng)用空間，但在自動化監(jiān)測技術(shù)方面，還需進(jìn)行進(jìn)一步的深化研究，形成一個(gè)科學(xué)完善的監(jiān)測管理體系，以在線監(jiān)測、動態(tài)預(yù)警為基本，離線分析、安全評判、風(fēng)險(xiǎn)評估等為方向，將水利工程安全監(jiān)測的有用信息充分挖掘，促使水利工程更加安全穩(wěn)定地運(yùn)行。

5 結(jié)語

水利工程作為保障民生的重要基礎(chǔ)設(shè)施，加強(qiáng)對水利工程的安全監(jiān)測，能有效延長水利工程使用壽命，保障水利工程運(yùn)行效率，產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)與社會效益，使水利工程造福于民，服務(wù)民生。在水利工程安全監(jiān)測實(shí)施的過程中，主要建議如下：

(1)突出重點(diǎn)，兼顧全面。水利工程安全監(jiān)測應(yīng)根據(jù)工程規(guī)模、等級，并結(jié)合地基條件、施工方法及其上下游影響等因素設(shè)置監(jiān)測項(xiàng)目，有針對性地設(shè)置專門監(jiān)測項(xiàng)目，相關(guān)監(jiān)測項(xiàng)目應(yīng)該配合布置，突出重點(diǎn)，兼顧全面，關(guān)鍵部位測點(diǎn)宜冗余設(shè)置。

(2)高度重視，人才保障。應(yīng)充分認(rèn)識到水利工程安全監(jiān)測的重要性，高瞻遠(yuǎn)矚，統(tǒng)籌謀劃，提前布局，做到防患于未然，常態(tài)化監(jiān)測。此外，在水利工程監(jiān)測技術(shù)趨向?qū)I(yè)化、自動化、信息化的形勢下，應(yīng)重視人才隊(duì)伍建設(shè)，培養(yǎng)一批水利工程安全監(jiān)測專業(yè)人員，為水利工程安全運(yùn)行保駕護(hù)航。

(3)新老結(jié)合，創(chuàng)新引領(lǐng)。水利工程安全監(jiān)測應(yīng)在傳統(tǒng)監(jiān)測手段的基礎(chǔ)上應(yīng)用新技術(shù)、新方法、新理論，拓展前沿技術(shù)在水利工程安全監(jiān)測方面的應(yīng)用，將傳統(tǒng)與創(chuàng)新充分融合，以創(chuàng)新驅(qū)動水利現(xiàn)代化建設(shè)與長效發(fā)展。

(4)重視標(biāo)準(zhǔn)，依規(guī)而行。水利工程安全監(jiān)測應(yīng)嚴(yán)格按照國家、行業(yè)、地方相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，遵循各標(biāo)準(zhǔn)中對水利工程監(jiān)測頻次、監(jiān)測精度、監(jiān)測內(nèi)容等要求，在所監(jiān)測工程無相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)不能滿足業(yè)務(wù)現(xiàn)狀的情況下，可根據(jù)實(shí)際情況編制相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。