水工结构损伤监测及风险评估概述

吴一凡+宋子元

摘要：水工结构在实际建设中对于工程项目至关重要，随着时间的推移，水工结构在水环境中有发生损伤的可能和失效的风险。因此对水工结构损伤的监测和判定，以及对水工结构的风险评估都必不可少。本文概述了水工结构损伤监测的方法，并对水工结构风险评估的极限方程和理论进行了简述。

关键词：水工结构；损伤监测；风险评估

1.水工结构概述

水工结构学科的主要研究任务为对水利水电工程勘测、水利水电工程设计、以及水利水电施工和运行管理等多种方面进行的一系列研究。水工结构学科的研究进展层次对水利水电工程的整体安全以及项目施工过程进度，甚至对于建设工程投资都有着直接以及至关重要的影响。比如，在高坝设计和施工方面如高坝的筑坝技术和边坡加固技术等，以及所涉及到的物理仿真和水工结构中必不可少的加固技术，光学检测等，都有水工结构学的相关应用。水工结构地基的动力学相互作用理论以及与地震的地震波之间的输入输出研究，对建筑所用的混凝土的研究，以及对坝体的抗震性能等都与水工结构理论密切相关。

在水工结构的实际应用中，随着时间的推移，各类水工构筑物的寿命以及性能都面临老化和损伤的风险，降低了它们的安全性能和可靠性，因此，为了水工结构的使用安全保证性要求，对水工结构的相关构筑物进行安全监测和对结构损伤程度的诊断显得尤为重要甚至是必不可少的环节。但是，监测设备的数量总是有限的，应对大量的水工构筑物，有效的监测显得非常困难甚至是不可实现，因此，为了最大限度地利用有限的试验仪器，并且为了能够获取尽量多的监测反馈信息，在水工结构的监测中，传感器的优化布置就自然而然的成为了一个重点课题。

2.水工结构损伤监测和健康诊断

众所周知，水工结构构筑物的工作环境是水中，构筑物的局部或者全部都在水环境中，因此为了在水中获取监测的有效且大量的信息，就比实施正常的地面监测更为困难。又因为水下构筑物的监测要求多种多样，当今时代所常用的传感器监测实在难以满足复杂多样的要求，不能对水工结构构筑物进行有效且高效率的健康监测。在监测水工结构构筑物时，要对模拟参数进行识别和认证，最后再进行处理和分析，这种信号之间的转换是实施检测过程的必须手段，也是对水工结构构筑物的损伤和健康判定的必要方法。

在水环境和周遭环境中，水工结构构筑物对外界噪声的反应较大，意味着构筑物的健康检测在一定程度上收到外界噪声的影响，噪声干扰了信号，使得信号的质量部分下降甚至严重下降。因此，对模拟信号的识别在监测效果和准确性上就显得至关重要，提高对模拟信号的识别的精度和准确度，就能在一定程度上提高对水工构筑物健康和损伤诊断的精度和准确度。由此可知，推求一种高效率的并且能应用于在未知环境的不确定性中的监测方法，并且能够克服有限的监测仪器的负面影响和限制，来对水工结构的健康监测提供质量保证。

在水工结构损伤监测中，对于钢架结构损伤的监测，监测规律和特点在数值计算方法和传统的位移模拟监测方法进行了对比后，有结论得出传统的模拟监测对水工结构的损伤的敏感性较之于曲率模拟振型较低，用传统方法来判定水工结构是够有局部的损伤以及对损伤程度、位置的鉴定都较为困难。然而，曲率模拟振型却可以对水工结构损伤进行有效的检测和判定。更重要的是，曲率模拟振型方法的在水工结构损伤监测中应用时，还可以同时对多个部位的结构损伤进行有效的检测，各方面的实验结果都一一表明，应用曲率模拟振型的方法对水工结构损伤进行监测，具有明显的高效性和优越性。

水工结构长期处于水下环境，难以实现对其的直接监测，因此可以利用间接的监测手法实施诊断。其中，有一些较为应景和前沿的方法来对水工结构损伤进行监测和诊断，如局部损伤因子法。这种方法的实用性在于，能够同时对水工结构进行构筑物结构损伤是否存在判定、对水工结构的损伤程度进行判定并且能够对水工结构的损伤位置进行判定。在现场测试中，局部损伤因子法所使用的检测仪器设备数目较之于传统监测方法明显变少，说明其监测方法的便利性和创新性。并且，测试的成本较低，说明这种方法具有明显的经济性，对水工结构构筑物的损伤监测非常适用，在实际尺度结构中，可以克服监测困难，对构筑物进行无损质量检测。因为在局部损伤因子方法中，该方法的本身已经考虑了环境中以及监测系统中噪声的影响，以及水工构筑物本身结构非线性的影响，所以利用该方法对水工结构损伤进行监测的精确度比较高，能够达到所期望的精度。

3.水工结构风险分析

水工结构是一种低风险的结构，但是一旦水工结构风险一旦反正，其后果必定相当严重，故我们认为，对于水工结构这种低风险高后果的构筑物来讲，其风险的评估和分析也是相当重要并且必不可少的程环境中，有很多的因素能够造成水工结构的损伤和失效，例如：较为严重的大面积和灾难性洪水的发生，以及在流域面积以内的特大暴雨的出现；自然因素还有地震，地震的發生会严重影响水工结构的安全性和效益性，严重的地震会直接损坏水工结构，使其失效发生严重的后果；水工结构自身的性质，如坝本身的性质和地基的特性等等，都会对水工结构的效益带来影响，甚至导致其失效。

那么，对水工结构风险的评估，自然会根据能够导致其失效的因素来进行。其中包括有坝体与地基的整体安全性，称之为可靠度。对水工结构风险的评估一般利用水工结构的极限方程，通过概率的手段和统计学的方法，初步得到极限方程中各个随机变量的统计量，即各个随机变量的均值，方差以及其分布函数等等，最后，利用结构可靠度的求解方法来对极限方程进行求解。

由于坝的失效会有多种因素引起，因此水工结构的失效模式也多种多样，因而就有多种模型来对可能的实效方式进行控制。在此就要利用坝与地基等的整体可靠度来进行评估。水工结构一旦发生失效，造成的经济损失和自然伤害极其严重，后果甚至是不可逆转和补救的，因此，对水工结构进行积极地、安全可靠的风险评估不容小觑，必须全面考虑并且多方位评估风险。评估风险后要采用积极的措施进行风险规避措施，并且要按照要求进行水工结构的损伤监测，以此来保证水工结构的安全性，并且发挥其最大的效益。

参考文献：

[1]吴世伟，水工结构风险分析[J].河海科技进展，1991，11，4：29-33.

[2]郑栋梁，结构早期损伤识别技术的现状和发展趋势[J].振动与冲击，2002，02.

[3]吴君如，中国大坝的安全和管理[J].中国工程科学，2001，05.

作者简介：

吴一凡（1996.10）男，汉族，安徽省黄山市，341021199610224039，本科生，研究方向：水工结构

宋子元（1996.02）男，汉族，河南省南阳市，411322199602052418，本科生，研究方向：水工结构