白文斌 馮颯 萬忠海 李勁

摘要：近年來，早期修建的渡槽結(jié)構(gòu)開始逐步進入病害多發(fā)期，渡槽結(jié)構(gòu)的安全運行和管理工作面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。為了有效地掌控既有渡槽的工作狀態(tài)，以四川省東風(fēng)渠灌區(qū)既有渡槽為研究對象，同時結(jié)合現(xiàn)有工程結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測技術(shù)，從渡槽結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測內(nèi)容選取、測點布設(shè)、結(jié)構(gòu)安全預(yù)警與應(yīng)急響應(yīng)、結(jié)構(gòu)安全評估與決策支持等方面進行了系統(tǒng)分析與研究，最終形成了一套集監(jiān)測-預(yù)警-決策為一體的渡槽監(jiān)督與管理體系。研究成果對國內(nèi)灌區(qū)既有渡槽建立結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測系統(tǒng)具有一定的參考價值。

關(guān) 鍵 詞：

渡槽; 結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測; 安全預(yù)警; 決策支持

中圖法分類號： TV672+3

文獻標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.05.035

國內(nèi)工程結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測始于20世紀(jì)60年代初，最早是在水工大壩工程方面得到應(yīng)用[1-3]。近年來，隨著早期建設(shè)的渡槽結(jié)構(gòu)逐步超過設(shè)計年限，渡槽結(jié)構(gòu)的安全運行和維護管理工作面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。同時受當(dāng)時施工條件限制，既有結(jié)構(gòu)已逐步進入病害多發(fā)及性能退化期，產(chǎn)生不同程度的結(jié)構(gòu)損傷或性能劣化，致使現(xiàn)有渡槽結(jié)構(gòu)不能滿足正常輸水要求，甚至影響其結(jié)構(gòu)安全。在此背景下，強化渡槽動態(tài)運行監(jiān)管，防范突發(fā)安全事故，進一步提升灌區(qū)既有渡槽結(jié)構(gòu)安全運行和智能養(yǎng)護管理水平就顯得尤為重要和迫切[4-6]。渡槽是重要的輸水建筑物，為確保渡槽在運行期間的安全，避免發(fā)生重大事故，需定期對渡槽進行安全檢測和分析評價，根據(jù)評估結(jié)果決定是否進行維修加固或拆除[7-10]。

但是時至今日，渡槽結(jié)構(gòu)健康診斷與安全評估尚無規(guī)范可依，且對于既有病險渡槽的檢測與評估問題，國內(nèi)外亦無成熟的理論和工程經(jīng)驗可以借鑒[11-12]。在此背景下，強化渡槽動態(tài)運行監(jiān)管，防范突發(fā)安全事故，進一步提升灌區(qū)既有渡槽結(jié)構(gòu)安全運行和維護管理水平，充分體現(xiàn)水利工程“補短板”的原則，實現(xiàn)智慧水利的要求顯得尤為重要和迫切[13-16]。

鑒于此，本文以四川省東風(fēng)渠灌區(qū)渡槽為研究對象，結(jié)合現(xiàn)有工程結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測技術(shù)，從監(jiān)測內(nèi)容選取與測點布設(shè)、結(jié)構(gòu)安全預(yù)警與應(yīng)急響應(yīng)、結(jié)構(gòu)安全評估與決策支持等方面對既有渡槽結(jié)構(gòu)的安全監(jiān)測進行探索與分析，旨在形成一套完善的渡槽監(jiān)督與管理體系。

1 東風(fēng)渠渡槽工程簡介

東風(fēng)渠灌區(qū)位于成都平原腹心，是都江堰水利工程的重要組成部分，給成都市工業(yè)、生活、龍泉山灌區(qū)及黑龍灘水庫灌區(qū)供水，為區(qū)域經(jīng)濟社會和文化的繁榮作出了巨大貢獻，使成都平原從“水旱從人，不知饑謹(jǐn)”變?yōu)椤疤旄畤薄D1為四川省東風(fēng)渠某渡槽工程現(xiàn)狀。

東風(fēng)渠灌區(qū)由都江堰部分老灌區(qū)，東風(fēng)渠1～4期工程灌區(qū)及牧馬山灌區(qū)組成。供水灌溉成都市的都江堰、彭州、郫縣、溫江、雙流、新津、青白江、金堂、龍泉驛、青羊、金牛、成華、錦江、武侯、高新等16個縣（市、區(qū)）和眉山市的仁壽、彭山、東坡3個縣區(qū)。灌區(qū)內(nèi)共有干渠16條。都江堰老灌區(qū)有柏條河、走馬河、府河、江安河、徐堰河、沱江河、清水河、毗河、楊柳河。東風(fēng)渠1～4期工程灌區(qū)有總干渠、北干渠、東干渠、老南干渠、新南干渠、眉彭干渠以及牧馬山干渠。東風(fēng)渠灌區(qū)位于龍門山與龍泉山之間，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，東沿龍泉山脈西麓，南抵粵江河兩岸，區(qū)域呈三角形。

2 監(jiān)測內(nèi)容選取與測點布設(shè)

2.1 基本原則

監(jiān)測內(nèi)容選取與測點布設(shè)應(yīng)依據(jù)渡槽結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險辨識與分析結(jié)果，全面考察東風(fēng)渠渡槽結(jié)構(gòu)受力特點和材料特性、結(jié)構(gòu)既有缺陷和病害、荷載作用與外部環(huán)境因素、及其相互作用和疊加效應(yīng)，進行充分辨識和綜合分析。監(jiān)測內(nèi)容選取與測點布設(shè)應(yīng)具有代表性、實用性、經(jīng)濟性、少而精的特點，應(yīng)遵循“災(zāi)害-風(fēng)險”、“目標(biāo)-功能”、“功能-成本”分析3個基本原則。

（1）“災(zāi)害-風(fēng)險”分析原則。

對具體監(jiān)測內(nèi)容的選取應(yīng)建立在對渡槽結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險的準(zhǔn)確辨識和結(jié)構(gòu)易損性分析的基礎(chǔ)上，避免出現(xiàn)以下情況：

① 危及結(jié)構(gòu)安全的重要風(fēng)險事件或致災(zāi)風(fēng)險未被覆蓋，安全隱患突出暴露;

② 在不必要的監(jiān)測內(nèi)容上花費重金，得到對安全預(yù)警和評估無用或無法處理分析的海量閑置數(shù)據(jù)。

（2）“目標(biāo)-功能”分析原則。

渡槽結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測系統(tǒng)總體目標(biāo)主要是降低渡槽結(jié)構(gòu)的安全風(fēng)險，提高渡槽結(jié)構(gòu)運行期養(yǎng)護維修管理水平。服務(wù)于此目標(biāo)，監(jiān)測項目應(yīng)主要瞄準(zhǔn)與渡槽結(jié)構(gòu)安全密切相關(guān)的環(huán)境、荷載和結(jié)構(gòu)響應(yīng)參數(shù)和指標(biāo)。

（3）“功能-成本”分析原則。

監(jiān)測系統(tǒng)的功能需求直接決定監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)和運行的成本預(yù)算。對于特定的渡槽，監(jiān)測系統(tǒng)覆蓋的風(fēng)險事件和風(fēng)險源越多，系統(tǒng)就越龐大，建設(shè)和維護成本也越高。另一方面，渡槽結(jié)構(gòu)的安全評估應(yīng)結(jié)合實時監(jiān)測數(shù)據(jù)和人工檢測成果進行綜合分析，安全監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)與人工檢測制度形成互補機制，監(jiān)測系統(tǒng)不能準(zhǔn)確識別的安全風(fēng)險可通過人工定期巡檢或應(yīng)急檢測來彌補。綜上，應(yīng)把握安全監(jiān)測系統(tǒng)與人工檢測互補機制的平衡點，力求達到渡槽結(jié)構(gòu)全生命周期內(nèi)的性價比最優(yōu)，為此監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計需進行“功能-成本”分析。

各監(jiān)測內(nèi)容的選取和測點布設(shè)應(yīng)統(tǒng)籌考慮，互相驗證，便于綜合分析。當(dāng)結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險分析結(jié)果表明渡槽處的水文、地質(zhì)、氣候等各類自然災(zāi)害及人為活動對渡槽結(jié)構(gòu)安全有直接影響時，應(yīng)將災(zāi)害和活動本身納入到監(jiān)測內(nèi)容體系中。

2.2 監(jiān)測內(nèi)容與測點布設(shè)

若將渡槽結(jié)構(gòu)當(dāng)作一個系統(tǒng)，則其安全監(jiān)測內(nèi)容可分為輸入監(jiān)測和輸出監(jiān)測兩類。輸入監(jiān)測主要為荷載及環(huán)境監(jiān)測（如水位、溫濕度等）;輸出監(jiān)測主要為渡槽結(jié)構(gòu)的響應(yīng)監(jiān)測（如振動、變形、應(yīng)變等）。

因渡槽結(jié)構(gòu)所承受的荷載和所處的環(huán)境條件較為復(fù)雜，各荷載源對渡槽結(jié)構(gòu)的作用大小不一，宜選擇單一的、主要的荷載源進行監(jiān)測，了解其是否超過設(shè)計計算假定條件，并為渡槽結(jié)構(gòu)有限元建模及修正、渡槽結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)評估提供原始數(shù)據(jù);對于復(fù)雜的、次要的荷載源宜弱化對其進行直接監(jiān)測，可通過間接監(jiān)測—輸出監(jiān)測了解其對渡槽結(jié)構(gòu)的影響和發(fā)展變化。結(jié)構(gòu)響應(yīng)監(jiān)測包括結(jié)構(gòu)整體響應(yīng)監(jiān)測和結(jié)構(gòu)局部響應(yīng)監(jiān)測，應(yīng)以結(jié)構(gòu)整體響應(yīng)監(jiān)測為主，結(jié)構(gòu)局部響應(yīng)的應(yīng)變、裂縫、腐蝕等監(jiān)測為輔。圖2為東風(fēng)渠黎家溝渡槽測點布設(shè)方案。

具體監(jiān)測內(nèi)容選取和測點布設(shè)應(yīng)滿足以下技術(shù)要求：

（1） 荷載與環(huán)境監(jiān)測內(nèi)容選取和測點布設(shè)應(yīng)根據(jù)荷載與環(huán)境作用特點確定;

（2） 結(jié)構(gòu)整體響應(yīng)監(jiān)測內(nèi)容選取和測點布設(shè)應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)振動和變形特點、模態(tài)參數(shù)識別及安全評估要求確定;

（3） 結(jié)構(gòu)局部響應(yīng)監(jiān)測內(nèi)容選取和測點布設(shè)應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)計算分析和易損性分析結(jié)果確定;

（4） 測點布設(shè)應(yīng)體現(xiàn)優(yōu)化原則，利用盡可能少的傳感器獲取全面、精確的荷載與環(huán)境、結(jié)構(gòu)響應(yīng)信息;

（5） 根據(jù)渡槽結(jié)構(gòu)的受力特點，對其監(jiān)測內(nèi)容及監(jiān)測部位進行分析和優(yōu)化確定，測量的參數(shù)應(yīng)與有限元模型分析的結(jié)果建立起對應(yīng)關(guān)系;

（6） 對結(jié)構(gòu)構(gòu)件進行重要性、危險性和易損性分析，將該分析結(jié)果作為測點布置的參考指標(biāo);

（7） 對特殊、重要部位進行重點監(jiān)測以分析、計算和評估重要構(gòu)件的工作狀態(tài)，并預(yù)測其他構(gòu)件的內(nèi)力分布和變化;

（8） 對施工過程中發(fā)生過嚴(yán)重事故，經(jīng)檢測、處理與評估后恢復(fù)施工或使用的渡槽部位應(yīng)考慮布設(shè)對比測點;

（9）采用埋入式監(jiān)測設(shè)備的監(jiān)測點應(yīng)考慮同時布設(shè)與其關(guān)聯(lián)性較強的表貼式監(jiān)測點;在埋入式監(jiān)測設(shè)備失效前，建立埋入式監(jiān)測設(shè)備與表貼式監(jiān)測設(shè)備的監(jiān)測值相互換算關(guān)系，以便埋入式監(jiān)測設(shè)備失效后，表貼式監(jiān)測設(shè)備能對其繼續(xù)“接力”監(jiān)測;

（10）測點數(shù)量和設(shè)備能力等應(yīng)具有適度冗余，以確保系統(tǒng)的可靠性，并滿足系統(tǒng)未來改進、擴充和系統(tǒng)升級。

3 結(jié)構(gòu)安全預(yù)警與應(yīng)急響應(yīng)

渡槽結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)建立基于監(jiān)測數(shù)據(jù)在線分析、監(jiān)測數(shù)據(jù)離線分析和人工檢測結(jié)果相結(jié)合的綜合安全預(yù)警和應(yīng)急響應(yīng)機制。當(dāng)渡槽運行環(huán)境或結(jié)構(gòu)響應(yīng)的某項監(jiān)測指標(biāo)特征值超過閾值時，應(yīng)在監(jiān)測系統(tǒng)內(nèi)觸發(fā)異常情況的告警。監(jiān)測系統(tǒng)或技術(shù)支持單位收到告警后，應(yīng)分別啟動監(jiān)測數(shù)據(jù)在線分析和離線分析，并結(jié)合預(yù)設(shè)的專業(yè)規(guī)則，判斷渡槽結(jié)構(gòu)當(dāng)前的工作狀態(tài)是否影響運行安全。當(dāng)判斷渡槽結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)影響其運行安全時，系統(tǒng)應(yīng)向相關(guān)責(zé)任單位發(fā)出結(jié)構(gòu)安全預(yù)警。相關(guān)單位收到安全預(yù)警后，應(yīng)根據(jù)技術(shù)支持單位會同專家建議及時采取應(yīng)急響應(yīng)措施保障渡槽運行安全。

3.1 傳感器告警

系統(tǒng)的各類傳感器應(yīng)設(shè)置閾值實現(xiàn)告警功能，傳感器超閾值告警包括一般告警和嚴(yán)重告警兩類，對應(yīng)閾值為一般告警閾值和嚴(yán)重告警閾值。告警閾值宜采用以下3種形式中的一種或多種組合。

（1） 基于容許值分析。當(dāng)監(jiān)測參數(shù)存在容許值時，可根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)是否超過容許值來判斷;同時，通過監(jiān)測數(shù)據(jù)與容許值之間的差距也可大致判斷其安全富余度或危險程度。容許值為設(shè)計取值、設(shè)計計算值或規(guī)范限值。

（2） 基于合理值或合理范圍分析?；诒O(jiān)測數(shù)據(jù)是否在合理值附近或者在合理范圍之內(nèi)進行異常分析和判斷。

（3） 基于某基準(zhǔn)時點（如建成初期）數(shù)據(jù)的分析。通過當(dāng)前監(jiān)測數(shù)據(jù)與基準(zhǔn)時點的相應(yīng)結(jié)構(gòu)參數(shù)指標(biāo)進行比較而判斷是否異常。基準(zhǔn)時點通?？蛇x用結(jié)構(gòu)剛建設(shè)完成時，或者監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)建完成時的時間點。

報警閾值設(shè)置應(yīng)結(jié)合監(jiān)測參數(shù)對渡槽結(jié)構(gòu)安全的敏感程度而定，對結(jié)構(gòu)安全較敏感的監(jiān)測參數(shù)宜設(shè)一般告警閾值和嚴(yán)重告警閾值兩類，其余監(jiān)測參數(shù)可僅設(shè)一般告警閾值或嚴(yán)重告警閾值之一。告警閾值應(yīng)根據(jù)環(huán)境變化、危險種類、結(jié)構(gòu)狀態(tài)、認(rèn)知深入而定期進行檢驗、補充、修正和優(yōu)化，盡量減少虛警現(xiàn)象的發(fā)生，降低系統(tǒng)運維成本。

3.2 結(jié)構(gòu)安全預(yù)警

渡槽結(jié)構(gòu)安全預(yù)警宜設(shè)綠色、黃色、橙色、紅色共4個預(yù)警級別，具體如下。

（1） 綠色安全。

渡槽荷載與環(huán)境、結(jié)構(gòu)響應(yīng)等各項監(jiān)測參數(shù)均在正常范圍之內(nèi)，滿足設(shè)計和規(guī)范要求，渡槽使用功能正常，結(jié)構(gòu)安全。

（2） 黃色預(yù)警。

某項荷載與環(huán)境或結(jié)構(gòu)響應(yīng)監(jiān)測參數(shù)出現(xiàn)一般告警，影響渡槽的正常使用功能。

（3） 橙色預(yù)警。

與結(jié)構(gòu)安全相關(guān)的多項監(jiān)測參數(shù)（荷載與環(huán)境或結(jié)構(gòu)響應(yīng)）同時出現(xiàn)一般告警，或某項關(guān)鍵監(jiān)測參數(shù)出現(xiàn)嚴(yán)重告警;嚴(yán)重影響渡槽的正常使用功能，若不及時處置會顯著增加結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險。

（4） 紅色預(yù)警。

離線分析評估和專項檢測發(fā)現(xiàn)，渡槽已出現(xiàn)危及結(jié)構(gòu)安全的嚴(yán)重缺陷，或荷載與環(huán)境參數(shù)中風(fēng)險源顯著加劇;渡槽結(jié)構(gòu)無法正常使用，需臨時中斷輸水，否則隨時可能造成渡槽結(jié)構(gòu)安全事故。

渡槽結(jié)構(gòu)安全預(yù)警觸發(fā)模式應(yīng)包括系統(tǒng)自動觸發(fā)和人工手動觸發(fā)兩類。系統(tǒng)告警后可根據(jù)系統(tǒng)在線分析結(jié)果自動觸發(fā)安全預(yù)警，也可根據(jù)人工離線分析結(jié)果手動觸發(fā)安全預(yù)警。黃色預(yù)警宜由系統(tǒng)自動觸發(fā)，橙色預(yù)警宜由系統(tǒng)自動觸發(fā)或人工手動觸發(fā)，紅色預(yù)警應(yīng)由人工手動觸發(fā)。人工手動觸發(fā)預(yù)警主要為對系統(tǒng)自動觸發(fā)的預(yù)警進行升級或降級（甚至解除），判斷依據(jù)為監(jiān)測數(shù)據(jù)相關(guān)性分析結(jié)果、人工復(fù)查或?qū)ｍ棛z測結(jié)果、離線安全評估結(jié)果等。安全預(yù)警狀態(tài)應(yīng)及時根據(jù)應(yīng)急響應(yīng)結(jié)果予以調(diào)整或解除，預(yù)警調(diào)整包括預(yù)警升級和預(yù)警降級。當(dāng)渡槽結(jié)構(gòu)恢復(fù)至安全運營狀態(tài)時，應(yīng)及時解除預(yù)警狀態(tài)。

渡槽管護單位應(yīng)對渡槽結(jié)構(gòu)的各級預(yù)警狀態(tài)制定相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案，以便預(yù)警產(chǎn)生后及時采取應(yīng)急響應(yīng)措施。

4 結(jié)構(gòu)安全評估與決策支持

根據(jù)東風(fēng)渠渡槽工程實際情況，將安全評估分為安全一級評估、安全二級評估和專項評估3類。安全一級評估基于監(jiān)測數(shù)據(jù)和有限元模型進行;安全二級評估在安全一級評估的基礎(chǔ)上基于修正有限元模型進行結(jié)構(gòu)重分析和極限承載力分析評估;專項評估則是針對突發(fā)事件（如地震等）后對渡槽整體或局部進行的針對性評估。

結(jié)合現(xiàn)行傳統(tǒng)的渡槽檢測維護制度，在組織模式上，可將安全評估分為定期評估和應(yīng)急評估2類。定期評估根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，結(jié)合渡槽定期檢測結(jié)果進行;評估技術(shù)深度根據(jù)渡槽結(jié)構(gòu)實際狀況、評估目的等選擇安全一級評估或安全二級評估;當(dāng)安全一級評估結(jié)果難以判斷渡槽結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)時，應(yīng)進行安全二級評估。

專項評估是在災(zāi)害、突發(fā)事件、紅色預(yù)警后或因其他特定評估目的而開展的渡槽結(jié)構(gòu)或構(gòu)件安全評估工作;評估技術(shù)深度根據(jù)評估目的等選擇安全一級評估或安全二級評估;當(dāng)安全一級評估結(jié)果難以判斷渡槽結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)時，應(yīng)進行安全二級評估。

渡槽結(jié)構(gòu)定期安全評估結(jié)果可作為渡槽管護單位編制渡槽大中修或改建計劃的主要技術(shù)依據(jù)，而專項安全評估結(jié)果可作為臨時應(yīng)急處理（如中斷輸水或維修、加固等）的主要技術(shù)依據(jù)。

5 結(jié) 語

本文結(jié)合現(xiàn)有結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測技術(shù)，從監(jiān)測內(nèi)容選取與測點布設(shè)、結(jié)構(gòu)安全預(yù)警與應(yīng)急響應(yīng)、結(jié)構(gòu)安全評估與決策支持等方面對四川省灌區(qū)既有渡槽結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測進行了探究和分析。在對既有渡槽結(jié)構(gòu)各個構(gòu)件及其之間的相互關(guān)系做出準(zhǔn)確全面的分析的基礎(chǔ)上，綜合考慮既有渡槽的適用性、耐久性、安全性等方面，初步構(gòu)建了適用于灌區(qū)渡槽健康診斷與安全評估的指標(biāo)評價模型。相關(guān)結(jié)論可為中國各灌區(qū)既有渡槽建立工程結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測系統(tǒng)提供一定的參考。

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（編輯：胡旭東）