浅谈安全监测系统设计

李有根

(中国水利水电第七工程局有限公司科研设计院，四川成都 611730)

1 概述

鉴于水电工程的重要性，对其实施安全监测十分重要。笔者详细介绍了安全监测系统设置的目的、资料的确定、系统的设计、仪器的选择与埋设，自动化系统的设计、资料的搜集、整理分析与反馈，旨在强调安全监测系统设置的重要性。

2 安全监测系统设计

2.1 设置安全监测系统的目的

工程安全监测设计是整个工程设计中的一个重要组成部分，必须与其它设计一样，要努力去做，精心设计并尽量做到优化设计。由于目前人们对建坝所需要研究的地质条件、水文情况、自然环境因素的影响、水流的耗损作用等在认识上尚有一定的局限性;加之大坝下游常有人烟稠密、经济发达的地区，一旦发生不测，损失惨重。大坝及其他水工建筑物的安全性尤其重要，对大坝及其它水工建筑物运行性状进行监测，就成为保证其安全运行所必备的措施。

监测的主要目的是确定工程是否处于预计的状态，也可能是施工控制、诊断不利事件的特性、检验设计的合理程度、证明施工技术的适应程度、检验长期运行的性能并要达到下面三个目的:

(1)为了短期(水库第一次蓄水)和长期水工建筑物统一体的安全，对其运行性状进行监测。

(2)为了提高设计水平，应将实际状况与设计预测的结果进行对比。

(3)掌握施工过程中水工建筑物的实际性状，据以修改、补充设计或施工技术方案。

要达到第一个目的，首先要能准确、及时地提出监测资料，特别是要能够及时检测出反常的性状。完成第二、三个目的所要求的任务，必须要由有经验的工程技术人员掌握一个比较符合实际的设计模型或预报模型，通过预测与实测的对比来检验和判断设计所采用的参数和假设与实际相差的程度并做出相应的修改、补充，以达到提高设计和施工水平的目的。

设计时应按照建筑物的永久性和临时性，永久性建筑物中的主要和次要建筑物，分级别、作用及荷载情况等确定监测设计。鉴于以上情况，对于设计基本资料的确定、仪器选择、仪器埋设、资料的采集、处理解释和管理各方面应综合考虑，精心安排;尽量利用当今一切先进可靠的技术手段，加速专用硬件和软件的开发，逐步实现联机实时的自动化监测和及时定量的安全监控。从近几年一些国家大坝监测技术发展趋势看，有下面一些重点和特点。

2.2 安全监测系统设计资料的基本确定

(1)工程形式、工程规模、使用年限、几何形状、尺寸及边界条件。

(2)地质条件及工程技术特点。

(3)环境条件。水文气象、生命财产危险性、附近建筑物或其他设施的状况。

(4)岩土体物理力学性质和地应力状态。

(5)施工方法和程序、各种结构的类型。

(6)工程前期试验资料、模拟计算成果、结构布置形式。

(7)确定安全监测参照模型。

(8)预测工程的运行性能，通过预选定的仪器量程及精度，确定仪器定位和定向依据。

2.3 安全监测系统的设计

(1)监测布置应该把大坝及基础作为一个单元综合考虑。要加强对基础及坝肩岩体的变形观测和渗流观测。

(2)监测工作包括资料的量测采集、资料的处理、解释和管理，以及现场的巡视检查。因此，监测系统的设计应包括资料量测系统和资料管理系统的设计，还要对现场巡视检查所需要的条件作出设计和安排。

(3)监测系统必须具有快速反应能力和应变能力，能适应不同阶段和不同条件下监测工作的需要。

(4)坝体及基础的位移监测倾向于以正倒垂线与引张线相结合组成整体观测系统，辅以静力水准仪、滑动测微计、钻孔测斜仪、多点位移计等仪器量测坝体转动和基础变形。同时，在坝体外围布设多级控制网，以观测和控制坝体两岸的整体位移。

(5)对于混凝土坝，应变计只用在一些部位。关于渗漏量测，重要的是将一个有效的排水系统与这些仪表相结合。

2.4 仪器的选择和仪器埋设

(1)仪器的可靠性、稳定性、准确度、精密度、灵敏度和分辨力等必须满足监测的要求。

(2)仪器的量程和精度必须满足监测要求。

(3)仪器的元器件应长期耐用，运行可靠，能使用于恶劣的环境。

(4)更多地选用在空间和时间上能连续量测的仪器，如可沿深度连续量测位移的滑动测微计。

(5)定位放样、土建施工、仪器检验率定与试安装、观测电缆的敷设、安装埋设记录必须严格按正确的方法进行，以保证埋设后的仪器运行可靠。

2.5 自动化系统的设计

设计自动化系统的目的是组装一个具有灵活性的定性监测系统，就其组件和功能而言，它能够适应各种特定的实际情况，因为监测系统的测点多、仪器种类多、面积大、周期长、人工观测同步性差，在紧急情况下不能连续完成数据采集。在设计和建立自动化监测系统时，要注意以下事项:

(1)经济比较要放在首要位置，要考虑功能价格比。

(2)自动观测仪器的选择及其在建筑物上的布置，必须适应自动化联网和采集系统的统一性。对每个仪器要进行性能和可靠性试验。

(3)采集网络的选择可根据需要执行扫描的仪器数量和位置进行，网络既可以集中，也可以分散。

(4)在计算机上完成的比较模型要通过适当的证实后方能开始正常使用。

(5)装置必须加以保护，以防可能损害其功能的电磁场等的干扰。

(6)系统应具有多功能的硬、软件，能兼容各种传感器，并能与工程中其他自动化设备联网，且数据、信息共享。

(7)系统应有操作灵活的数据库群，其中包括:观测仪器测点特点、观测数据库、工程档案数据图形库、人工巡检数据信息库、数学模型及其参数库、环境参量及其他辅助数据库。

(8)系统应具有人工观测接口，以便在系统完建之前或发生故障时进行人工补测。系统正常运行时又可进行校测。

(9)系统要有离线输入口，机械式测量和人工观测数据可用键盘输入。

(10)系统对同一工程的各建筑物的重要信息能够实现联机实时的安全监控，以便得到恰当、可靠的安全评价和预测。

(11)系统应当具有人工智能特性，即以仿真模拟专家对工程的运行状况作出综合评价和决策的知识库为核心，综合应用最新成果，建立具有多种功能的方法库，结合数据库和图形库，利用推理求解公式，对工程安全状况进行综合评估和辅助决策，实现实时监测工程安全状态、综合评估工程安全、反馈控制运行、紧急防范决策以及及时反馈设计、施工等目标。

2.6 资料的搜集、整理分析和反馈

要使安全监测系统起到监测安全的作用，一是根据已掌握的大坝及其基础的性状定期进行监测，及时发现反常现象;二是及时处理搜集到的各项监测资料，及时对所揭露出来的大坝及基础性状的信息作出解释，一旦确认出现异常性状，立即报告给主管部门，以便迅速采取干预措施，确保大坝安全。

2.6.1 监测资料的搜集

监测资料的搜集包括监测数据的采集、人工巡视检查的实施和记录、其他相关资料搜集三部分。主要包括以下内容:

(1)详细的监测数据记录、观测环境的说明、与观测同步的气象、水文等环境资料及水位等运控资料。

(2)监测仪器设备及安装的考证资料。监测设备的考证表、监测系统设计、施工详图、加工图、设计说明书、仪器规格和数量、仪器安装埋设记录、仪器检验和电缆联接记录、竣工图、仪器说明书及出厂证明、观测设备的损坏和改装情况、仪器率定资料等。

(3)现场观察巡视资料。大坝和坝基按大坝安全监测规范开展的现场巡视检查记录、报告及有关资料;地下洞室监测应有与监测同步的观察巡视记录资料，重点是仪器埋设位置附近及掌子面附近的地质调查、支护状况的观察资料等。

(4)监测与工程有关的设计资料及监测仪器附近的施工资料。

(5)设计、计算分析、模拟实验、前期监测工作提出的成果报告、技术警戒值、安全判断依据及其他技术指标和文件资料。

(6)有关工程的类比资料、规程规范及有关文件等。

2.6.2 观测资料的处理和分析

(1)数据的可靠性检查。观测资料是大坝及基础性状的真实反映，包含了大坝及基础性状施工状态和运行状态的很多宝贵信息。但原始观测资料也含有误差和错误(可分为随机误差和系统误差)，观测资料只有在消除了显见的错误和各种误差之后，方可用作进一步的处理和分析。

(2)观测资料的规律性分析。目前，除了使用一般的列表和绘制过程线方法外，已广泛使用曲线拟合方法，以求得对某一测量资料的数学描述，并对观测资料进行趋势分析。通常使用的分析方法有4种:一是定性常规分析方法。如比较法、作图法、特征值统计法和测值因数分析法等;二是定量的数值计算方法。如统计分析法、有限元分析法、反分析方法等;三是数学物理模型分析方法。如统计分析模型、确定性模型和混合性模型等;四是应用某一领域专业知识和理论的专门性理论方法。如边坡和地下工程中常用的岩体结构分析法。

(3)观测资料的解释和预报。由于观测资料分析工作的深入和安全评价的需要，监测资料分析正从单纯的数据解释向预报发展。而正确的预报模型来源于对观测数据的科学解释。

(4)反馈分析。为了解决施工设计中所面临的工程问题，包括本工程存在的、迫切需要解决的技术困难和同类工程中普遍存在的技术问题。原型观测资料是大坝及基础实际性状的反映，通过对原设计模型的反馈，可以求得更符合实际的物理参数，从而对原设计方案提出评价和改进意见，供设计、施工部门使用。

2.6.3 监测资料的管理

由于计算机的普遍使用，已有许多单位采用微型机作数据采集、数据转换，并复制出各种成果报表和曲线。各自建立了包括监测资料的存储、管理、分析、制表、作图等功能在内的离线管理分析系统，其主导思想是将数据库、管理系统和分析处理程序紧密相结合，既便于数据管理，又避免了分析软件和数据的重复调用，实现了数据处理、解释、存储管理的自动化。

3 结语

只有认真、细致地进行安全管理系统的设计并付诸实施，才有可能并保证工程设施的安全稳定。