水工結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測及風險評估概述

吳一凡+宋子元

摘要：水工結(jié)構(gòu)在實際建設(shè)中對于工程項目至關(guān)重要，隨著時間的推移，水工結(jié)構(gòu)在水環(huán)境中有發(fā)生損傷的可能和失效的風險。因此對水工結(jié)構(gòu)損傷的監(jiān)測和判定，以及對水工結(jié)構(gòu)的風險評估都必不可少。本文概述了水工結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測的方法，并對水工結(jié)構(gòu)風險評估的極限方程和理論進行了簡述。

關(guān)鍵詞：水工結(jié)構(gòu)；損傷監(jiān)測；風險評估

1.水工結(jié)構(gòu)概述

水工結(jié)構(gòu)學科的主要研究任務(wù)為對水利水電工程勘測、水利水電工程設(shè)計、以及水利水電施工和運行管理等多種方面進行的一系列研究。水工結(jié)構(gòu)學科的研究進展層次對水利水電工程的整體安全以及項目施工過程進度，甚至對于建設(shè)工程投資都有著直接以及至關(guān)重要的影響。比如，在高壩設(shè)計和施工方面如高壩的筑壩技術(shù)和邊坡加固技術(shù)等，以及所涉及到的物理仿真和水工結(jié)構(gòu)中必不可少的加固技術(shù)，光學檢測等，都有水工結(jié)構(gòu)學的相關(guān)應(yīng)用。水工結(jié)構(gòu)地基的動力學相互作用理論以及與地震的地震波之間的輸入輸出研究，對建筑所用的混凝土的研究，以及對壩體的抗震性能等都與水工結(jié)構(gòu)理論密切相關(guān)。

在水工結(jié)構(gòu)的實際應(yīng)用中，隨著時間的推移，各類水工構(gòu)筑物的壽命以及性能都面臨老化和損傷的風險，降低了它們的安全性能和可靠性，因此，為了水工結(jié)構(gòu)的使用安全保證性要求，對水工結(jié)構(gòu)的相關(guān)構(gòu)筑物進行安全監(jiān)測和對結(jié)構(gòu)損傷程度的診斷顯得尤為重要甚至是必不可少的環(huán)節(jié)。但是，監(jiān)測設(shè)備的數(shù)量總是有限的，應(yīng)對大量的水工構(gòu)筑物，有效的監(jiān)測顯得非常困難甚至是不可實現(xiàn)，因此，為了最大限度地利用有限的試驗儀器，并且為了能夠獲取盡量多的監(jiān)測反饋信息，在水工結(jié)構(gòu)的監(jiān)測中，傳感器的優(yōu)化布置就自然而然的成為了一個重點課題。

2.水工結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測和健康診斷

眾所周知，水工結(jié)構(gòu)構(gòu)筑物的工作環(huán)境是水中，構(gòu)筑物的局部或者全部都在水環(huán)境中，因此為了在水中獲取監(jiān)測的有效且大量的信息，就比實施正常的地面監(jiān)測更為困難。又因為水下構(gòu)筑物的監(jiān)測要求多種多樣，當今時代所常用的傳感器監(jiān)測實在難以滿足復(fù)雜多樣的要求，不能對水工結(jié)構(gòu)構(gòu)筑物進行有效且高效率的健康監(jiān)測。在監(jiān)測水工結(jié)構(gòu)構(gòu)筑物時，要對模擬參數(shù)進行識別和認證，最后再進行處理和分析，這種信號之間的轉(zhuǎn)換是實施檢測過程的必須手段，也是對水工結(jié)構(gòu)構(gòu)筑物的損傷和健康判定的必要方法。

在水環(huán)境和周遭環(huán)境中，水工結(jié)構(gòu)構(gòu)筑物對外界噪聲的反應(yīng)較大，意味著構(gòu)筑物的健康檢測在一定程度上收到外界噪聲的影響，噪聲干擾了信號，使得信號的質(zhì)量部分下降甚至嚴重下降。因此，對模擬信號的識別在監(jiān)測效果和準確性上就顯得至關(guān)重要，提高對模擬信號的識別的精度和準確度，就能在一定程度上提高對水工構(gòu)筑物健康和損傷診斷的精度和準確度。由此可知，推求一種高效率的并且能應(yīng)用于在未知環(huán)境的不確定性中的監(jiān)測方法，并且能夠克服有限的監(jiān)測儀器的負面影響和限制，來對水工結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測提供質(zhì)量保證。

在水工結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測中，對于鋼架結(jié)構(gòu)損傷的監(jiān)測，監(jiān)測規(guī)律和特點在數(shù)值計算方法和傳統(tǒng)的位移模擬監(jiān)測方法進行了對比后，有結(jié)論得出傳統(tǒng)的模擬監(jiān)測對水工結(jié)構(gòu)的損傷的敏感性較之于曲率模擬振型較低，用傳統(tǒng)方法來判定水工結(jié)構(gòu)是夠有局部的損傷以及對損傷程度、位置的鑒定都較為困難。然而，曲率模擬振型卻可以對水工結(jié)構(gòu)損傷進行有效的檢測和判定。更重要的是，曲率模擬振型方法的在水工結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測中應(yīng)用時，還可以同時對多個部位的結(jié)構(gòu)損傷進行有效的檢測，各方面的實驗結(jié)果都一一表明，應(yīng)用曲率模擬振型的方法對水工結(jié)構(gòu)損傷進行監(jiān)測，具有明顯的高效性和優(yōu)越性。

水工結(jié)構(gòu)長期處于水下環(huán)境，難以實現(xiàn)對其的直接監(jiān)測，因此可以利用間接的監(jiān)測手法實施診斷。其中，有一些較為應(yīng)景和前沿的方法來對水工結(jié)構(gòu)損傷進行監(jiān)測和診斷，如局部損傷因子法。這種方法的實用性在于，能夠同時對水工結(jié)構(gòu)進行構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)損傷是否存在判定、對水工結(jié)構(gòu)的損傷程度進行判定并且能夠?qū)λそY(jié)構(gòu)的損傷位置進行判定。在現(xiàn)場測試中，局部損傷因子法所使用的檢測儀器設(shè)備數(shù)目較之于傳統(tǒng)監(jiān)測方法明顯變少，說明其監(jiān)測方法的便利性和創(chuàng)新性。并且，測試的成本較低，說明這種方法具有明顯的經(jīng)濟性，對水工結(jié)構(gòu)構(gòu)筑物的損傷監(jiān)測非常適用，在實際尺度結(jié)構(gòu)中，可以克服監(jiān)測困難，對構(gòu)筑物進行無損質(zhì)量檢測。因為在局部損傷因子方法中，該方法的本身已經(jīng)考慮了環(huán)境中以及監(jiān)測系統(tǒng)中噪聲的影響，以及水工構(gòu)筑物本身結(jié)構(gòu)非線性的影響，所以利用該方法對水工結(jié)構(gòu)損傷進行監(jiān)測的精確度比較高，能夠達到所期望的精度。

3.水工結(jié)構(gòu)風險分析

水工結(jié)構(gòu)是一種低風險的結(jié)構(gòu)，但是一旦水工結(jié)構(gòu)風險一旦反正，其后果必定相當嚴重，故我們認為，對于水工結(jié)構(gòu)這種低風險高后果的構(gòu)筑物來講，其風險的評估和分析也是相當重要并且必不可少的程環(huán)境中，有很多的因素能夠造成水工結(jié)構(gòu)的損傷和失效，例如：較為嚴重的大面積和災(zāi)難性洪水的發(fā)生，以及在流域面積以內(nèi)的特大暴雨的出現(xiàn)；自然因素還有地震，地震的發(fā)生會嚴重影響水工結(jié)構(gòu)的安全性和效益性，嚴重的地震會直接損壞水工結(jié)構(gòu)，使其失效發(fā)生嚴重的后果；水工結(jié)構(gòu)自身的性質(zhì)，如壩本身的性質(zhì)和地基的特性等等，都會對水工結(jié)構(gòu)的效益帶來影響，甚至導(dǎo)致其失效。

那么，對水工結(jié)構(gòu)風險的評估，自然會根據(jù)能夠?qū)е缕涫У囊蛩貋磉M行。其中包括有壩體與地基的整體安全性，稱之為可靠度。對水工結(jié)構(gòu)風險的評估一般利用水工結(jié)構(gòu)的極限方程，通過概率的手段和統(tǒng)計學的方法，初步得到極限方程中各個隨機變量的統(tǒng)計量，即各個隨機變量的均值，方差以及其分布函數(shù)等等，最后，利用結(jié)構(gòu)可靠度的求解方法來對極限方程進行求解。

由于壩的失效會有多種因素引起，因此水工結(jié)構(gòu)的失效模式也多種多樣，因而就有多種模型來對可能的實效方式進行控制。在此就要利用壩與地基等的整體可靠度來進行評估。水工結(jié)構(gòu)一旦發(fā)生失效，造成的經(jīng)濟損失和自然傷害極其嚴重，后果甚至是不可逆轉(zhuǎn)和補救的，因此，對水工結(jié)構(gòu)進行積極地、安全可靠的風險評估不容小覷，必須全面考慮并且多方位評估風險。評估風險后要采用積極的措施進行風險規(guī)避措施，并且要按照要求進行水工結(jié)構(gòu)的損傷監(jiān)測，以此來保證水工結(jié)構(gòu)的安全性，并且發(fā)揮其最大的效益。

參考文獻：

[1]吳世偉，水工結(jié)構(gòu)風險分析[J].河海科技進展，1991，11，4：29-33.

[2]鄭棟梁，結(jié)構(gòu)早期損傷識別技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[J].振動與沖擊，2002，02.

[3]吳君如，中國大壩的安全和管理[J].中國工程科學，2001，05.

作者簡介：

吳一凡（1996.10）男，漢族，安徽省黃山市，341021199610224039，本科生，研究方向：水工結(jié)構(gòu)

宋子元（1996.02）男，漢族，河南省南陽市，411322199602052418，本科生，研究方向：水工結(jié)構(gòu)