[科普中國]-水工建筑物安全監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)

簡介

水工建筑物安全監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)是指為達(dá)到水工建筑物安全監(jiān)測(cè)的目的而確定監(jiān)測(cè)部位、監(jiān)測(cè)項(xiàng)目、監(jiān)測(cè)方法、儀器類型和儀器布置并規(guī)定監(jiān)測(cè)設(shè)施埋設(shè)安裝、數(shù)據(jù)采集、資料分析的技術(shù)方法和技術(shù)要求的工作。水工建筑物安全監(jiān)測(cè)的主要目的是掌握施工期和運(yùn)行期水工建筑物的實(shí)際工作性態(tài)，以便及時(shí)采取應(yīng)急或加固措施，保障安全運(yùn)用。同時(shí)，監(jiān)測(cè)也可為檢驗(yàn)工程設(shè)計(jì)、指導(dǎo)施工、檢驗(yàn)施工質(zhì)量以及提高運(yùn)行水平提供依據(jù)。監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)要為實(shí)現(xiàn)上述監(jiān)測(cè)目的作出策劃、論證和安排。監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)的成果一般為監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)報(bào)告、監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)圖，有的工程還有專題報(bào)告1。

我國對(duì)監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)內(nèi)容的規(guī)定中國對(duì)各階段監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)內(nèi)容的規(guī)定有:

①可行性研究階段，應(yīng)提出安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案，說明監(jiān)測(cè)項(xiàng)目及其所需儀器設(shè)備的數(shù)量和投資估算。

②初步設(shè)計(jì)階段，應(yīng)優(yōu)化安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案、測(cè)點(diǎn)布置、監(jiān)測(cè)設(shè)備及儀器的數(shù)量，提出投資概算和各監(jiān)測(cè)設(shè)備應(yīng)投入觀測(cè)的時(shí)間。

③招標(biāo)設(shè)計(jì)階段，應(yīng)提出監(jiān)測(cè)儀器設(shè)備的清單、各主要監(jiān)測(cè)項(xiàng)目及測(cè)次、各監(jiān)測(cè)設(shè)施和儀器安裝的技術(shù)要求及投資預(yù)算。

④施工詳圖階段，應(yīng)提出監(jiān)測(cè)設(shè)施施工圖，制定初期蓄水期間監(jiān)測(cè)工作的計(jì)劃和主要的監(jiān)控技術(shù)指標(biāo)。對(duì)于己經(jīng)投入運(yùn)行的水工建筑物，當(dāng)工程進(jìn)行除險(xiǎn)加固、擴(kuò)建、改建或出現(xiàn)安全監(jiān)測(cè)儀器故障、失效、不完備而需要補(bǔ)充、更新時(shí)，需作出監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的更新設(shè)計(jì)。

水工建筑物安全監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)的注意事項(xiàng)水工建筑物監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)需考慮建筑物的級(jí)別、規(guī)模、結(jié)構(gòu)型式、地形、地質(zhì)條件和地理環(huán)境等因素和施工、運(yùn)用條件。監(jiān)測(cè)項(xiàng)目和測(cè)點(diǎn)的布設(shè)應(yīng)能較全面地反映建筑物的工作狀況;同時(shí)，應(yīng)以安全上的關(guān)鍵部位和薄弱環(huán)節(jié)(如結(jié)構(gòu)復(fù)雜或地基軟弱的部位)為主要監(jiān)測(cè)對(duì)象，突出重點(diǎn)，有明確的針對(duì)性，測(cè)點(diǎn)少而精，相關(guān)項(xiàng)目應(yīng)統(tǒng)籌安排，配合布置。觀測(cè)方法宜簡捷、直觀，滿足精度要求，并便于校核。各監(jiān)測(cè)儀器、設(shè)施的選擇，要在精確可靠、穩(wěn)定耐久、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的前提下，力求先進(jìn)和便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化觀測(cè)。采用自動(dòng)化觀測(cè)系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)論證，所選用系統(tǒng)應(yīng)能采集到連續(xù)、準(zhǔn)確、完整的數(shù)據(jù)，并具有人工觀測(cè)的條件。監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)應(yīng)注意在出現(xiàn)大洪水、嚴(yán)寒冰凍等惡劣條件下仍然能進(jìn)行必要項(xiàng)目的觀測(cè)。監(jiān)測(cè)設(shè)備要有必需的保護(hù)裝置，觀測(cè)場(chǎng)所具備必需的交通和操作條件，并有照明、防潮、防寒等設(shè)施，必要時(shí)可設(shè)置專門的觀測(cè)站房和觀測(cè)廊道。施工期的正常觀測(cè)條件，特別是初期蓄水時(shí)基準(zhǔn)值的觀測(cè)要得到保證2。

我國對(duì)水工建筑物安全監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的原則規(guī)定許多國家的監(jiān)測(cè)規(guī)范和水工建筑物設(shè)計(jì)規(guī)范中對(duì)觀測(cè)項(xiàng)目都有原則規(guī)定。中國規(guī)定，一級(jí)、二級(jí)混凝土壩宜布置的一般性觀測(cè)項(xiàng)目為:巡視檢查，上、下游水位，氣溫、庫水溫、混凝土溫度及壩基溫度，滲漏量、揚(yáng)壓力、繞壩滲流及水質(zhì)分析，位移、撓度、傾斜、接縫及裂縫，應(yīng)力、應(yīng)變，下游沖淤、壩前淤積等。三級(jí)、四級(jí)混凝土壩宜布置的一般性觀測(cè)項(xiàng)目為:巡視檢查，水位，氣溫，位移，滲漏量，揚(yáng)壓力等。各級(jí)混凝土壩還可根據(jù)工程的具體情況，選設(shè)近壩區(qū)岸坡穩(wěn)定、局部結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變、壩體地震反應(yīng)、水力學(xué)觀測(cè)等項(xiàng)目。一級(jí)、二級(jí)土石壩必設(shè)或選設(shè)的觀測(cè)項(xiàng)目除與混凝土壩相似的巡視檢查，上、下游水位，氣溫，水溫，表面變形，接縫及裂縫變形，滲漏量，繞壩滲流，壩前泥沙，岸坡位移，地震動(dòng)態(tài)，泄水建筑物水力學(xué)觀測(cè)等以外，還有壩體內(nèi)部變形、混凝土面板變形、壩體和壩基滲流特性、孔隙水壓力、土壓力、接觸土壓力、混凝土面板應(yīng)力、降水量、波浪、冰凍、動(dòng)孔隙水壓力等。

國際社會(huì)對(duì)水工建筑物安全監(jiān)測(cè)方面的研究世界各國對(duì)大壩監(jiān)測(cè)及其設(shè)計(jì)都十分重視。國際大壩委員會(huì)(ICOLD)在其60號(hào)公報(bào)《大壩監(jiān)測(cè)基本要求》中指出:為保證獲得建筑物施工期和運(yùn)行期所需的信息，應(yīng)仔細(xì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì);需要監(jiān)測(cè)的不僅是大壩，還有壩基和壩肩。ICOLD在其68號(hào)公報(bào)《大壩及其地基監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展水平》中指出:壩的安全不僅取決于合理的設(shè)計(jì)和正確的施工，而且取決于對(duì)大壩實(shí)際性態(tài)的監(jiān)測(cè);合理的監(jiān)測(cè)能獲得大量資料，增加人們對(duì)大壩實(shí)際性態(tài)的了解，為改進(jìn)分析方法、提高實(shí)驗(yàn)技能、更好更安全地設(shè)計(jì)大壩提供便利條件。又指出:壩的安全水平主要是在設(shè)計(jì)階段規(guī)定的，因此在壩的設(shè)計(jì)階段就應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則來設(shè)計(jì)其觀測(cè)系統(tǒng)，考慮的監(jiān)測(cè)量應(yīng)包括自變量(環(huán)境變量)和因變量(結(jié)構(gòu)物對(duì)環(huán)境變量的反應(yīng))。自變量中最重要的是水位和溫度，因變量中最重要的是位移、滲流量、應(yīng)變、揚(yáng)壓力、孔隙水壓力。各國大壩委員會(huì)在提出的監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展報(bào)告中，總結(jié)其經(jīng)驗(yàn)時(shí)提到:監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是一個(gè)綜合體，它應(yīng)包括表征大壩及其地基安全的要素，能說明大壩性態(tài)的各種參量，能測(cè)定這些參量的儀器，對(duì)儀器數(shù)量、布局和觀測(cè)頻率的設(shè)計(jì)等(意大利、日本)。就大壩的安全而言，最主要的監(jiān)測(cè)物理量是滲流量、揚(yáng)壓力和位移(瑞士)。高度在50m以上的重力壩和30m以上的拱壩，必須設(shè)置漏水量、變形、揚(yáng)壓力等觀測(cè)項(xiàng)目;斜墻和心墻土石壩必須設(shè)置的觀測(cè)項(xiàng)目為漏水量和變形，均質(zhì)土壩還要加測(cè)浸潤線(日本)。使用直觀檢查能夠察覺自動(dòng)儀器所不能測(cè)出的異常情況，直觀檢查是儀器觀測(cè)的一種有用和必要的補(bǔ)充，是不可缺少的(澳大利亞、法國、南非、奧地利、加拿大、美國、葡萄牙、意大利、日本)。寧愿認(rèn)真地、頻繁地、及時(shí)地觀測(cè)較少量審慎地布置在結(jié)構(gòu)內(nèi)的直觀檢查儀器，也比在大量的數(shù)據(jù)中去尋找信息更為合理(法國)。

水工建筑物監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)的歷史水工建筑物的儀器監(jiān)測(cè)于20世紀(jì)之初即己出現(xiàn)，當(dāng)時(shí)僅限于用大地測(cè)量法觀測(cè)混凝土壩的位移。后來，隨著建筑物高度的增加、厚度的減小以及工程事故的不斷出現(xiàn)，監(jiān)測(cè)逐漸發(fā)展成為水利水電工程的一項(xiàng)必需的工作和掌握工程安全性態(tài)的重要手段。水工建筑物系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)開始于20世紀(jì)20年代。1926年美國拱壩研究委員會(huì)對(duì)史蒂文森溪(Stevenson Creek)薄拱壩進(jìn)行了周密的觀測(cè)設(shè)計(jì)，在壩內(nèi)布置了成百支應(yīng)變計(jì)、溫度計(jì)、傾斜計(jì)，在壩外布設(shè)了三角網(wǎng)。30年代以后，歐美各國修建的壩普遍進(jìn)行了監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)。50年代以后，中國設(shè)計(jì)的水利水電工程也都含有監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)內(nèi)容。中國在70年代以后陸續(xù)頒布的全國性行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，如DI,5020-93《水利水電工程可行性研究報(bào)告編制規(guī)程》、DL5021-93《水利水電工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告編制規(guī)程》等都規(guī)定有監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)條款;SDJ21-78 ((混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范(試行)》、SDJ 145-85《混凝土拱壩設(shè)計(jì)規(guī)范》、SL274-2001《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》、SI,228-89《混凝土面板堆石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》、SLJO1-88《土石壩瀝青混凝土面板和心墻設(shè)計(jì)準(zhǔn)則》、DI州T5005-92《碾壓混凝土壩設(shè)計(jì)導(dǎo)則》、SL25-91《漿砌石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》、SI,253-2000《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》、SD134-84《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》、SI,265-2001《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》、SD303-88《水電站進(jìn)水口設(shè)計(jì)規(guī)范(試行)》、SI,266-2001《水電站廠房設(shè)計(jì)規(guī)范》等都列有觀測(cè)設(shè)計(jì)的專章;SDJ336-89《混凝土大壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范(試行)》、SI,60-94《土石壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》還對(duì)各類監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)作出了具體的規(guī)定。中國對(duì)己建的新安江、劉家峽、丹江口、葛洲壩、龍羊峽、二灘、小浪底等壩都作了全面的監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)，各由成千支儀器組成監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。三峽等水利樞紐的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)更為龐大、復(fù)雜和先進(jìn)，它們的監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)己成為樞紐設(shè)計(jì)中一個(gè)十分重要的部分。建筑物安全監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)被列為三峽工程技術(shù)設(shè)計(jì)階段的8個(gè)專項(xiàng)設(shè)計(jì)之一。在小浪底水利樞紐的安全監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)中，信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)被列為一項(xiàng)專門設(shè)計(jì)，進(jìn)行了大量深入的研究、論證工作3。