1、    水工建筑物安全監測布置優化方法研究    王澤源摘要：隨著近年來社會經濟的發展，人們對于水利的需求越來越高，對水利建筑的各方面質量要求也越來越高。水利工程是關系民生的基建工程之一，因此，水工建筑的安全性也一直是備受關注的問題。在進行水工建筑作業之前，要對水工建筑物的安全性進行監測，關于水工建筑安全性的監測工作是重中之重，進行安全性檢測的主要工作有兩個部分，一個部分主要是從巡視檢查工作入手，另一部分是儀器監測工作。這兩個部分一個是從外部情況來進行安全監測，一個是從精確的數據來分析水工建筑物的安全性，缺一不可。目前，我國在水工建筑物的儀器監測環節上還

2、有一些工作局限性，比如只能做到“點檢測”這種監測形式。不同級別的水工建筑物應該用不同的監測原則來進行監測與把控，這也是我國目前一些相關的監測設計規范所明確要求的水工建筑監測工作重心。但是這里就存在一個問題，就是雖然規范規定了不同水工建筑的監測標準，但是監測項目的監測點并沒有做出較明確的要求。因而，在實際的水工建筑物安全監測工作中，監測點的分布只能依靠工作人員的經驗來進行實際操作。這就可能導致監測點布置的不合理問題。所以，本文針對研究水工建筑物的安全監測布置優化方案就顯得尤為重要。關鍵字：水工建筑物；安全監測；監測點；布置優化；方法研究；存在問題引言：近年來我國的水利工程事業不斷地發展進步，水利

3、建設項目也越來越多，需求量逐年上漲的大環境下，水利工程的質量必須得到保障。因此，水工建筑物安全監測就在監控水利建筑物的質量與安全性上起到了重要的監控作用。總所周知，水利工程的建設項目規模都是十分大的，安全性問題是十分重要的。一旦發生了一點安全質量問題甚至安全隱患，就會導致非常嚴重的安全事故以及不可估量的后果與損失。同時，人們的財產與人生安全也可能面臨威脅，這是一個很嚴肅的問題，影響著社會乃至國家的經濟發展與穩定。所以，對水工建筑物進行安全監測是非常有必要且十分重要的工作。本文首先分析水工建筑物中安全監測點的布置優化方法，然后討論安全監測工作中的空間分布樣本，并且抽取出樣本探究其空間分布的特點。

4、進而對水工建筑物安全監測布置優化進行細致的參數分析與研究。一、水工建筑物安全監測的重要性（一）水工建筑物安全事故的概述。水工建筑物在建筑前的設計、建筑過程中的施工、建成后的維護與監測，每一個環節的安全性都至關重要。一旦出現安全事故，都可能會造成很嚴重的后果。一些水建筑物中，尤其是堤壩這種重要的水工建筑物。在設計時要兼顧各方面因素，精心設計。施工的時候要注意各個環節的質量把控，精心施工。切記安全第一的原則。但是近年來任然有水工建筑物的安全事故發生，究其原因，不外乎種種因素引起的安全隱患事故。據不完全統計，在第14屆國際大壩會議的報告中指出，在歷年來已經完工建成的堤壩當中，有14000個高于15m

5、的堤壩里，破壞率接近1%。得益于近代以來社會的快速發展與科技的迅猛進步，堤壩的可靠性與安全性逐年增高，如今的堤壩破壞率已經下降至0.2%左右了。（二）水工建筑物安全監測的意義。之所以要對水工建筑物進行安全監測，其目的就是對水工建筑物的整體變化狀態進行監測，保證水工建筑物的各方面參數維持在正常安全數值范圍內。水工建筑物實際上是處于動態的變化過程中的，宏觀上看水工建筑物的外部是看不出變化情況的，這種動態的變化是十分微小的，需要借助儀器來對水工建筑物體進行監測。在建筑物體上選取不同的監測點，采集監測數據，對數據進行處理與分析等。因此，水工建筑安全監測不論是對建筑物本身還是對人們而言都是十分重要的。二

6、、水工建筑物安全監測系統的設計優化原則探究對于水工建筑物進行安全監測是十分必要的，其目的性也極其明確：就是對水工建筑物的安全問題進行實時監控。這里要注意的是，在對建筑物進行監控的工作過程中，不僅要注意監測設計，還要考慮到施工水平問題。要始終以“安全”為宗旨做好整個建筑物的安全監控工作。下面介紹一下水工建筑物安全監測系統中的設計要求：（一）通過系統來監測建筑物的整體性狀的變化過程。首先要說明的是，這里提到的水工建筑物的性狀實際上是包含了多方面的狀態。一方面是水工建筑物的力學狀態，一方面是水工建筑物材料的物理學狀態以及化學狀態。要明確一點：水工建筑物在其施工和運行的整個過程中，它并不是靜止地維持在

7、某一固定狀態下的，相反的，它始終是處在一種不斷運動以及變化的狀態當中的。通常情況下來說，這種情況的出現并不是異常現象，而是正常的變化狀態，當然，如果發生了非正常的變化也是有可能的。因此，監測系統對水工建筑物的整體性變化全過程的監測就尤為重要。（二）在監測某一水工建筑物時，注意原音量參數與效應量參數應當相互配套。咋一看這二者比較晦澀難懂，實際上簡而言之就是說，如若在某一個水工建筑物上選中的那個重要效應量，那么還需要考慮引發效應量產生變化的那些原音量，單一的只分析一個參數是不正確的，得到的分析結果也是有偏差的。不僅如此，還要將二者組合在一起進行分析。綜合考慮分析原音量參數與效應量參數，得到的分析結

8、果才是最接近水工建筑物監測的實際安全狀態。（三）監測數據要備份。在對水工建筑物進行監測的時候，建筑物主要部位的一些關鍵監測數據必須進行備份，保證搜集的監測數據完整沒有丟失。如果不進行數據備份還可以在同一個監測點的測量點上，用兩個同樣的儀器來進行監測和采集監測數據。也可以利用不同的技術方式來獲取同一監測點的監測數據。總而言之，監測數據一定要充足且有效。（四）監測系統的影響因素。在對水工建筑物進行監測的時候，在以下幾個工作環節上要重點關注，因為這些環節影響著建筑物安全監測系統的安全性。其一，水工建筑物監測數據的采集。數據采集要注意數據信息的準確性，不能出現采集缺失，采集錯誤，記錄失誤等情況；其二，

9、水工建筑物監測數據的檢驗。采集好的水工建筑物數據比較多也比較雜，有些數據可能會存在偏差，因此要對采集數據進行檢驗。采集數據要確保有效性，檢驗后的數據才會更加精準；其三，水建筑物監測數據在采集數據時的處理與存儲。采集好的水建筑物安全監測數據要做好處理工作，同時要及時存儲，防止數據采集好之后因為沒有及時存儲而丟失。其四，水建筑物監測數據的分析。監測數據要進行細致的分析，是判斷水建筑物安全的重要監測環節。以上這些都是監測系統在高速運轉的時候不可缺少的構成部分。在自動化程度的高低上這些環節對整個水工建筑物安全監測系統的安全與否有著極其重要的影響。所以，在制定安全監測系統的設計方案時，一定要優先考慮好自

10、動化的問題，切不可在設計已經完成的時候再去考慮自動化程度的高低設計，不能舍本逐末。 三、水工建筑物監測點布置的點集劃劃分方法與步驟（一）劃分點集合的組成方法。利用數理統計的方法找出體系中主要因素與各因素之間的相互關系，也就是所謂的主成分分析方法。這種方法可以將高空間的問題轉化到低維空間里去分析處理，這種方法的一般思路是：設樣本集x 有 n 個 p維樣本，即 x = x1，x2，？，xn ；rp，xi= （ xi1，xi2，？，xip） t rp，因此，希望可以找到 rp的一個子空間 rm（ m < p），y1，y2，？，ym rm為x1，x2，？，xn在子空間 rm上的投影，使得用 y1

11、，y2，？，ym來描述 x1，x2，？，xn時信息損失量，以期信息損失量達到最小值。水工建筑物安全監測點在空間上的分布，構成了相應的監測曲面，我們可以采用主成分析法進行曲面區域的劃分，用不間斷的折面進行逼近，從而使得信息損失達到最小。以x，y，z為三個方向上的變量值，如果有n個節點，那么樣本的資料數據矩陣應該為x為n×3階矩陣。因此，結點的協方差矩陣為s： s =1n - 1（ hth） ，n 為點集中點的個數，h 是矩陣。（二）點集合的歐式距離聚類劃分。通過上文的分析，我們知道，主成分劃分方法是指在曲面主要變化方向上進行劃分，如果說曲面在主平面方向上的面積特別大，則主平面很有可能包

12、括某幾個點之間的空間距離過大的點。為了將局部上所有的點聚集到一起，就需要減小插值，對誤差進行擬合，按照空間距離對向量e進行聚類劃分。在聚類劃分中，通常用歐式距離。這里筆者主要采用歐氏距離聚類法，來對點集進行再劃分的算法。一般的思路是：假定要對點集 c進行劃分，為了把點集 c 劃分為集合c1和c2，定義兩個點 p1= c2-max和 p2= c1 + max。其中c 是點集c 的中心，vmax= | max| emax。根據式（ 7） 分別計點集c 中所有點x與p1、p2的歐氏距離d1k、d2k。如果樣點xk與p1的距離比較大，即d1kd2k，則將樣點 xk劃分到點集 c1中；反之，如果 d1k

13、< p>（三）水工建筑安全監測監測點布置的評價。所謂的水工建筑安全監測點的布置，也就是說，在布置監測點的時候，要遵循用最少點有效反應水工建筑物體空間變化情況原則。因此，當前我國在這方面的研究重心之一就是如何用最少的監測點，同時用最優化的布置方法來反映水工建筑物的安全性與工作狀態。這也是水工建筑物安全監測的設計難題之一。布置監測點的時候，要選擇盡可能少的點，監測建筑物典型部位的空間分布變化情況。可以用一個形象點的建模來比喻：用最少的監測點建立的曲面模型問題。這樣一來，可以通過曲面建模的誤差監測法，來對水工建筑物進行監測點的布置的分析與相關評價。首先，給定數據點數 t（ 1，2，？，m

14、 × n） 因此，樣條曲線形成曲面的矩陣形式為：tg = p （ 8） 在上述公式中： t 為（ m × n） ×（ r × s） 階矩陣，含有兩個 b 樣條基函數的乘積；而 g 是（ r × s） × 3 階矩陣，含有未知曲面控制頂點的坐標；p 則是（ m × n） × 3 階矩陣。按照解析幾何的相關解方程的相關方法，上述方程式的解可以表示為：g = ttt-1ttp，從而可以將每一點的誤差矢量用矩陣的形式表示，其矩陣表達式是哦：e = p-g = p-tttt-1t；p =i-tttt-1ttp = rp。四、

15、結論從上面的這些分析來看，我們不難得出如下的一些結論：（1）借用有限元的成果來作為理論分析的依據，依照“小曲率區域保留下最少的點，大曲率區域則應當保留多一點的點”這個原則，通過對水建筑物監測的曲面主要成分和聚類分析與發現，能夠提取建筑物各個效應量的空間分布特征，從而通過點集劃分，提出水工建筑物安全監測布置優化方法。（2）關于水工建筑物安全監測的評價指標在文中已經做了詳盡的分析，即：在以b樣條曲線而形成的曲面誤差的基礎之上，用相關規定明確指出的范圍內可以允許存在的誤差容許值來進行分析，從而對水工建筑物安全監測進行評價。（3）在水工建筑物的設計中，實際上已經廣泛采用了有限元分析的方法，所以，可以采

16、用設計分析成果來進行水工建筑物安全監測的優化布置，與此同時，在不增加設計工作量的情況下，實現安全監測系統布置的優化。結束語： 綜上所述，要想做好水工建筑物的安全監測，不僅要做好監測系統的設計優化，還要做好監測點的布置等工作。目前來說，水工建筑物的安全監測也一直是現代企業與有關單位正在面臨的技術難題。做好水工建筑物安全監測布置優化意義重大，同時，水工建筑物安全監測也是一個長遠的歷史性的任務。比如大壩的安全監測、水利事業中水庫等建筑物的安全監測、不管是對國家的經濟發展，還是與人們的生活都是息息相關的。本文在利用數理學的有關方法的同時，還結合了水工建筑物安全監測系統的相關原則，闡述了優化水工建筑物監測的一些行之有效的方法。以期能夠有助于提高水工建筑物安全監測的水平。參考文獻1陳飛.張華.水工建筑物結構設計關鍵問題初探j