水工建筑物安全监测布置优化方法研究

符杰

（深圳市水务规划设计院股份有限公司）

1 引言

水工建筑物与其他建筑物相比，有一些自己独特的建筑特点，其安全施工和稳定运行价值和意义尤其巨大。为此，需要建设布置安全监测网络，通过设置多个监测点，并且所有监测点可以形成相互的呼应和协同效果，使得整个监测网络作为一个系统，发挥监测有效性效果，需要研究一个最优化的布设方案，不但确保整个水工建筑物的安全，还要实现成本的有效控制。从技术层面讲，这些监测点布置的效果和质量，也是企业总体水平的真实展示，监测能力是企业运营生产力的一个重要侧面，需要引起相关各方的高度重视。

2 水工建筑物安全监测现状

对水工建筑物进行全面系统的安全监测，这是强化水工建筑物自身的安全管理必要环节，其实施的方式主要有两种形式，一是安全巡视检查，二是通过安全监测仪器进行布点监测。安全巡视检查与安全布点监测这两种方式的有效结合，可以更大限度保障整个安全监测的实施效果。就目前的安全仪器监测来说，大多采用的是“点监测”方式，各个监测点独立完成安全监测任务，各个监测点之间应有的联动效果并没有得到有效的挖掘。

按照国家相关的监测设计规范内容，对于各种等级的水工建筑物其实际的监测项目也会有具体的原则性要求，以及一些系统的标准和规范，但对于水工建筑物的监测测点布设要求却未能进行明确，只存在一些定性化实施指导原则。至于监测点的数量该保持在什么程度并没有明确，布置部位也没有任何标准的界定，实际监测点的布置大多通过经验做法的方式完成相关布设的设计，这必然会导致安全监测点不合理布设的问题。其造成的根本原因主要来自对水工建筑物的建筑特点缺乏必要的认识，监测点的布设没有将各种因素全面考虑，导致布置网点难以准确到位。其造成的直接后果就是一些较为重要的安全异常问题被失察和遗漏，观测数据不全面、不准确。或者关键断面的监测点布置过于紧密，造成资源浪费和成本损失。

3 水工建筑物安全监测布置优化方法探究

对水工建筑物的使用安全状况进行有效监测，这是确保工程安全使用的关键要点，通过对所有安全监测点的优化布置，实现监测质量和成本控制的双重保障。对于水工建筑物的安全监测，国内外相关研究比较多，具体采用的安全监测侧重点也会因为工程的具体用途和建筑背景有所调整，但总的来说，一些基本的原则会保持不变，基于这些原则形成的优化方法，对于相关的设计和应用探究，都要重要的借鉴意义。

3.1 水工建筑物安全监测布置优化原则

我国的水工建筑物有一定的地域代表性，在实际安全监测布置中，要根据具体情况对各种监测量的空间分布进行深入研究。从工程学角度进行分析，水工建筑物的所有安全监测点数据会组成监测量的一个完整曲面，该曲面的获取可通过有限元法对数据结果进行分析后再构建形成。数学分析形状函数，当变形越大，该处的曲面结构也就会越弯曲，因此其需要设置的监测点就应该越多。因此，水工建筑物的安全监测其优化布置的基本原则就是要突出曲面特征区域的重要性，作为整个建筑体中曲率发生最大变化的建筑区域，对于曲面的有效监测可依据曲率的具体情况进行监测点的相应布置，而在小曲率的地点和区域，可以适当降低监测点数量。

3.2 监测点的布置实施

基于前述的监测点布置原则，可以据此原则进行安全监测点的布置，有效发挥各监测点的作用，确保整个监测工作圆满完成任务，为水工建筑物的使用安全奠定技术基础。

1）监测布置点的布置方法

若水工建筑物主体曲面在主方向上的面积比较大，就有较大的可能性使得某些监测点间距过大，此时，采用主成分分析法在建筑物的曲面变化主要方向上加以详细分析，其目的就是要将局部的所有近似在一个平面的监测点归为一个类别，通过降低插值拟合过程中的计算误差，形成向量空间聚类布置划分。对于相近的一类监测点聚类中，可以考虑采用欧氏距离法完成相关的分析。欧氏距离聚类法可以对各监测点集再进一步划分，那些不满足在同一平面限定条件的安全监测点会被继续进行拆分，最终所有监测点集都能够符合平面度标准。在水工建筑中，安全监测点的的选择可能会更加复杂，必须考虑具体工程的情况，根据需要作出必要的调整。

2）对安全监测点布置的评价

对于水工建筑物安全监测点布置有效性的评价标准是采用最少的监测点来表征作为一个连续体的水工建筑典型部位安全监测量在空间形态分布上的实际变化，这相当于最小化监测点数量的曲面建模，为此，可以通过曲面误差检测的一些方法，对整个建筑物的监测布局实施评价。

通过国家相关规范要求的监测精度对安全监测点的计算有明确的误差容许值要求，并具体给出了实际用于水工建筑物安全监测优化布置的各种评价指标。对于水工建筑物的安全监测布置情况来说，其选择的方式与其建筑结构的设计方法基本相同，基于对安全监测点的设计分析完成具体的优化布置，满足工程建设和使用中对安全监测点布置的设计，通过不额外增加结构性预算和工作量计算的基础上，实现整个安全监测点布置的优化方式，其安全监测的总体评价以确保完成监测任务为最重要的目标。

3.3 水工建筑物安全监测布置实例分析

基于上述的分析，可以通过具体的案例强化度安全监测点设置的有效理解。案例选择某双曲拱坝，坝体采用混凝土材料建设，其结构组成包括了20个坝段，最大的坝段高为155m，建筑物顶端的轴线长度为412m，其宽度为8m。在大坝的一侧岸边对超过2100m的地方设置重力墩。安全监测点按照计划分设在主坝五个不同的高程，共选取了10个样本监测点。同时，对建筑坝体的表平面设置20个位移监测点，每坝段各设有1个。

图1为监测点设置的示意图，从图中可以看到，这些优化布置措施通过增加垂线的数量，采用该设计的主要原因是该坝结构形式为三圆心拱坝，坝体布置了3条泄水道，变形情况比较复杂。通过增加监测垂线，能够更有效描述坝体变化情况。计算这些测点布置的优化结果，与原设计相比，监测点数量有明显降低，其平均误差也远小于原来的设计。基本实现了采用更少测点，完成更准确描述水工建筑物变形情况的设计目的，其效果非常显著。

图1 监测曲面结点分块和测点布置情况

4 结语

综上所述，对于水工建筑物的安全监测，国家有很多具体的规范性要求，但在监测点布置上，并没有监测点位置和数量的明确规定。做这样的设计主要是考虑到安全监测技术的不断发展，必然会形成对布设的直接影响，而要确保实用性和成本的有效控制，实现最优化化的监测点布置有着非常重要的意义。从多个方面分析监测点的布置方案，并确定最适宜的方案内容，这是安全监测作用得以有效发挥的关键条件。加大相关方法的优化和完善，是推动水工建筑安全保障的关键技术，需要加大研究和投入的力度。