既有渡槽結構安全監測系統分析與應用

白文斌 馮颯 萬忠海 李勁

摘要：近年來，早期修建的渡槽結構開始逐步進入病害多發期，渡槽結構的安全運行和管理工作面臨著嚴峻的挑戰。為了有效地掌控既有渡槽的工作狀態，以四川省東風渠灌區既有渡槽為研究對象，同時結合現有工程結構安全監測技術，從渡槽結構安全監測內容選取、測點布設、結構安全預警與應急響應、結構安全評估與決策支持等方面進行了系統分析與研究，最終形成了一套集監測-預警-決策為一體的渡槽監督與管理體系。研究成果對國內灌區既有渡槽建立結構安全監測系統具有一定的參考價值。

關 鍵 詞：

渡槽; 結構安全監測; 安全預警; 決策支持

中圖法分類號： TV672+3

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.05.035

國內工程結構安全監測始于20世紀60年代初，最早是在水工大壩工程方面得到應用[1-3]。近年來，隨著早期建設的渡槽結構逐步超過設計年限，渡槽結構的安全運行和維護管理工作面臨著嚴峻的挑戰。同時受當時施工條件限制，既有結構已逐步進入病害多發及性能退化期，產生不同程度的結構損傷或性能劣化，致使現有渡槽結構不能滿足正常輸水要求，甚至影響其結構安全。在此背景下，強化渡槽動態運行監管，防范突發安全事故，進一步提升灌區既有渡槽結構安全運行和智能養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，避免發生重大事故，需定期對渡槽進行安全檢測和分析評價，根據評估結果決定是否進行維修加固或拆除[7-10]。

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

鑒于此，本文以四川省東風渠灌區渡槽為研究對象，結合現有工程結構安全監測技術，從監測內容選取與測點布設、結構安全預警與應急響應、結構安全評估與決策支持等方面對既有渡槽結構的安全監測進行探索與分析，旨在形成一套完善的渡槽監督與管理體系。

1 東風渠渡槽工程簡介

東風渠灌區位于成都平原腹心，是都江堰水利工程的重要組成部分，給成都市工業、生活、龍泉山灌區及黑龍灘水庫灌區供水，為區域經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”變為“天府之國”。圖1為四川省東風渠某渡槽工程現狀。

東風渠灌區由都江堰部分老灌區，東風渠1～4期工程灌區及牧馬山灌區組成。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）和眉山市的仁壽、彭山、東坡3個縣區。灌區內共有干渠16條。都江堰老灌區有柏條河、走馬河、府河、江安河、徐堰河、沱江河、清水河、毗河、楊柳河。東風渠1～4期工程灌區有總干渠、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。東風渠灌區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，區域呈三角形。

2 監測內容選取與測點布設

2.1 基本原則

監測內容選取與測點布設應依據渡槽結構安全風險辨識與分析結果，全面考察東風渠渡槽結構受力特點和材料特性、結構既有缺陷和病害、荷載作用與外部環境因素、及其相互作用和疊加效應，進行充分辨識和綜合分析。監測內容選取與測點布設應具有代表性、實用性、經濟性、少而精的特點，應遵循“災害-風險”、“目標-功能”、“功能-成本”分析3個基本原則。

（1）“災害-風險”分析原則。

對具體監測內容的選取應建立在對渡槽結構安全風險的準確辨識和結構易損性分析的基礎上，避免出現以下情況：

① 危及結構安全的重要風險事件或致災風險未被覆蓋，安全隱患突出暴露;

② 在不必要的監測內容上花費重金，得到對安全預警和評估無用或無法處理分析的海量閑置數據。

（2）“目標-功能”分析原則。

渡槽結構安全監測系統總體目標主要是降低渡槽結構的安全風險，提高渡槽結構運行期養護維修管理水平。服務于此目標，監測項目應主要瞄準與渡槽結構安全密切相關的環境、荷載和結構響應參數和指標。

（3）“功能-成本”分析原則。

監測系統的功能需求直接決定監測系統建設和運行的成本預算。對于特定的渡槽，監測系統覆蓋的風險事件和風險源越多，系統就越龐大，建設和維護成本也越高。另一方面，渡槽結構的安全評估應結合實時監測數據和人工檢測成果進行綜合分析，安全監測系統應與人工檢測制度形成互補機制，監測系統不能準確識別的安全風險可通過人工定期巡檢或應急檢測來彌補。綜上，應把握安全監測系統與人工檢測互補機制的平衡點，力求達到渡槽結構全生命周期內的性價比最優，為此監測系統設計需進行“功能-成本”分析。

各監測內容的選取和測點布設應統籌考慮，互相驗證，便于綜合分析。當結構安全風險分析結果表明渡槽處的水文、地質、氣候等各類自然災害及人為活動對渡槽結構安全有直接影響時，應將災害和活動本身納入到監測內容體系中。

2.2 監測內容與測點布設

若將渡槽結構當作一個系統，則其安全監測內容可分為輸入監測和輸出監測兩類。輸入監測主要為荷載及環境監測（如水位、溫濕度等）;輸出監測主要為渡槽結構的響應監測（如振動、變形、應變等）。

因渡槽結構所承受的荷載和所處的環境條件較為復雜，各荷載源對渡槽結構的作用大小不一，宜選擇單一的、主要的荷載源進行監測，了解其是否超過設計計算假定條件，并為渡槽結構有限元建模及修正、渡槽結構安全狀態評估提供原始數據;對于復雜的、次要的荷載源宜弱化對其進行直接監測，可通過間接監測—輸出監測了解其對渡槽結構的影響和發展變化。結構響應監測包括結構整體響應監測和結構局部響應監測，應以結構整體響應監測為主，結構局部響應的應變、裂縫、腐蝕等監測為輔。圖2為東風渠黎家溝渡槽測點布設方案。

具體監測內容選取和測點布設應滿足以下技術要求：

（1） 荷載與環境監測內容選取和測點布設應根據荷載與環境作用特點確定;

（2） 結構整體響應監測內容選取和測點布設應根據結構振動和變形特點、模態參數識別及安全評估要求確定;

（3） 結構局部響應監測內容選取和測點布設應根據結構計算分析和易損性分析結果確定;

（4） 測點布設應體現優化原則，利用盡可能少的傳感器獲取全面、精確的荷載與環境、結構響應信息;

（5） 根據渡槽結構的受力特點，對其監測內容及監測部位進行分析和優化確定，測量的參數應與有限元模型分析的結果建立起對應關系;

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

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

（8） 對施工過程中發生過嚴重事故，經檢測、處理與評估后恢復施工或使用的渡槽部位應考慮布設對比測點;

（9）采用埋入式監測設備的監測點應考慮同時布設與其關聯性較強的表貼式監測點;在埋入式監測設備失效前，建立埋入式監測設備與表貼式監測設備的監測值相互換算關系，以便埋入式監測設備失效后，表貼式監測設備能對其繼續“接力”監測;

（10）測點數量和設備能力等應具有適度冗余，以確保系統的可靠性，并滿足系統未來改進、擴充和系統升級。

3 結構安全預警與應急響應

渡槽結構安全監測系統應建立基于監測數據在線分析、監測數據離線分析和人工檢測結果相結合的綜合安全預警和應急響應機制。當渡槽運行環境或結構響應的某項監測指標特征值超過閾值時，應在監測系統內觸發異常情況的告警。監測系統或技術支持單位收到告警后，應分別啟動監測數據在線分析和離線分析，并結合預設的專業規則，判斷渡槽結構當前的工作狀態是否影響運行安全。當判斷渡槽結構工作狀態影響其運行安全時，系統應向相關責任單位發出結構安全預警。相關單位收到安全預警后，應根據技術支持單位會同專家建議及時采取應急響應措施保障渡槽運行安全。

3.1 傳感器告警

系統的各類傳感器應設置閾值實現告警功能，傳感器超閾值告警包括一般告警和嚴重告警兩類，對應閾值為一般告警閾值和嚴重告警閾值。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。當監測參數存在容許值時，可根據監測數據是否超過容許值來判斷;同時，通過監測數據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。容許值為設計取值、設計計算值或規范限值。

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

（3） 基于某基準時點（如建成初期）數據的分析。通過當前監測數據與基準時點的相應結構參數指標進行比較而判斷是否異常?；鶞蕰r點通常可選用結構剛建設完成時，或者監測系統構建完成時的時間點。

報警閾值設置應結合監測參數對渡槽結構安全的敏感程度而定，對結構安全較敏感的監測參數宜設一般告警閾值和嚴重告警閾值兩類，其余監測參數可僅設一般告警閾值或嚴重告警閾值之一。告警閾值應根據環境變化、危險種類、結構狀態、認知深入而定期進行檢驗、補充、修正和優化，盡量減少虛警現象的發生，降低系統運維成本。

3.2 結構安全預警

渡槽結構安全預警宜設綠色、黃色、橙色、紅色共4個預警級別，具體如下。

（1） 綠色安全。

渡槽荷載與環境、結構響應等各項監測參數均在正常范圍之內，滿足設計和規范要求，渡槽使用功能正常，結構安全。

（2） 黃色預警。

某項荷載與環境或結構響應監測參數出現一般告警，影響渡槽的正常使用功能。

（3） 橙色預警。

與結構安全相關的多項監測參數（荷載與環境或結構響應）同時出現一般告警，或某項關鍵監測參數出現嚴重告警;嚴重影響渡槽的正常使用功能，若不及時處置會顯著增加結構安全風險。

（4） 紅色預警。

離線分析評估和專項檢測發現，渡槽已出現危及結構安全的嚴重缺陷，或荷載與環境參數中風險源顯著加劇;渡槽結構無法正常使用，需臨時中斷輸水，否則隨時可能造成渡槽結構安全事故。

渡槽結構安全預警觸發模式應包括系統自動觸發和人工手動觸發兩類。系統告警后可根據系統在線分析結果自動觸發安全預警，也可根據人工離線分析結果手動觸發安全預警。黃色預警宜由系統自動觸發，橙色預警宜由系統自動觸發或人工手動觸發，紅色預警應由人工手動觸發。人工手動觸發預警主要為對系統自動觸發的預警進行升級或降級（甚至解除），判斷依據為監測數據相關性分析結果、人工復查或專項檢測結果、離線安全評估結果等。安全預警狀態應及時根據應急響應結果予以調整或解除，預警調整包括預警升級和預警降級。當渡槽結構恢復至安全運營狀態時，應及時解除預警狀態。

渡槽管護單位應對渡槽結構的各級預警狀態制定相應的應急預案，以便預警產生后及時采取應急響應措施。

4 結構安全評估與決策支持

根據東風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測數據和有限元模型進行;安全二級評估在安全一級評估的基礎上基于修正有限元模型進行結構重分析和極限承載力分析評估;專項評估則是針對突發事件（如地震等）后對渡槽整體或局部進行的針對性評估。

結合現行傳統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急評估2類。定期評估根據監測數據，結合渡槽定期檢測結果進行;評估技術深度根據渡槽結構實際狀況、評估目的等選擇安全一級評估或安全二級評估;當安全一級評估結果難以判斷渡槽結構安全狀態時，應進行安全二級評估。

專項評估是在災害、突發事件、紅色預警后或因其他特定評估目的而開展的渡槽結構或構件安全評估工作;評估技術深度根據評估目的等選擇安全一級評估或安全二級評估;當安全一級評估結果難以判斷渡槽結構安全狀態時，應進行安全二級評估。

渡槽結構定期安全評估結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依據，而專項安全評估結果可作為臨時應急處理（如中斷輸水或維修、加固等）的主要技術依據。

5 結 語

本文結合現有結構安全監測技術，從監測內容選取與測點布設、結構安全預警與應急響應、結構安全評估與決策支持等方面對四川省灌區既有渡槽結構安全監測進行了探究和分析。在對既有渡槽結構各個構件及其之間的相互關系做出準確全面的分析的基礎上，綜合考慮既有渡槽的適用性、耐久性、安全性等方面，初步構建了適用于灌區渡槽健康診斷與安全評估的指標評價模型。相關結論可為中國各灌區既有渡槽建立工程結構安全監測系統提供一定的參考。

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（編輯：胡旭東）