魏克武 郝耘庆

(陕西省水利电力勘测设计研究院 西安 710000)

1 安全监测系统在岩土工程中的作用

根据概括的 “岩土工程”定义:岩土工程是以土力学与基础工程、岩石力学与工程为基础,并和工程地质学密切结合的综合性学科。它服务于各类主体工程的勘察、设计与施工的全过程,是这些主体工程的组成部分。

土力学、岩石力学、工程地质这三门专业课程构成了岩土工程的基本学科。而此三门专业课程,其基本公式的推导过程,无疑例外的是建立在统计和经验基础之上的。其提供给设计工作者的可选设计参数也是某一范畴,因而,因人而异的选取必然导致在力学计算结果上的显著差异。

可见,在一些重大的岩土工程事件需要决断的时刻,设计者迫切需要某些具体的、可以定量的数据辅助做出抉择。那么建立在各类传感器及数据采集单元上的安全监测系统,无疑可以提供较为客观和精确的工程运行资料。

按照某教授的提法,“岩石力学是研究演示过去的历史,现在的状况,将来行为的一门应用性很强的学科”。同样,工程建设初期设置系统的安全监测系统,在建成后可以为工程管理提供过去、现在的实际工程状况,并依据实际的监控数据所建立的监测预报模型,为工程提供可能发生或即将发生变化情况的信息。

1985年6月12日凌晨,长江西陵峡上段,兵书宝剑峡出口处发生总体积2×107m3的新滩滑坡。新滩古镇滑入长江被毁,由于自1968年以来对滑坡进行了深入的研究与地表位移的长期监测,在滑坡发生以前及时发出临滑警报,能以紧急疏散人员而全镇1371人无一伤亡。这一大灾无人员伤亡的事例说明只要重视岩土工程工作,加强监测和预报,地质灾害时可以预测、预报,可以减少和避免损失的。

水利工程中,从1959年法国的马尔帕赛薄拱坝因坝基原因失稳,到1975年淮河板桥石漫滩水库因老化而溃坝决口。不难看出,缺乏安全监测设施的岩土工程,由于无法预测灾害的发生,灾难性事故所造成的损失是惨重的。

2 水利工程投资方式与建设

水利工程建设属于社会基础建设领域,它也是水资源开发利用的最具体体现。世界上,对于国家基础设施的投资一般由政府进行。特别是水利水电项目,因其投资规模大,回收期长,我国长期以来国家是投资主体。但随着民间资本的积累和投资市场的局限,水利水电项目又因其投资风险相对较小,资金回收有保障,逐渐成为了诸多资本追逐的目标。

在国内,改革开放以来,民间和企业资本迅速得以积累与增加。这些资本在寻求出路的过程中,随着国家政策的放宽,瞄准了一些国家基础性建设项目——水利水电开发项目。

有些投资企业,不仅仅着眼国内的水资源,更将目光瞄向国外发展中国家和经济欠发达 (有的甚至是政局还不稳定)国家的基础设施建设。由此可见,水资源项目能够得到更多的资金来源。当然,水力发电项目建设过程中的安全因素及对环境的长期影响是不容忽视的。所以,专业技术人员,不仅仅要考虑短期内的工程技术问题,更应该长远的考虑工程的建设安全和环境问题。

3 现行建设模式下的设计工作

在国家基础性建设领域现行的政策和法规要求下,企业投资行为与政府投资在水电站项目设计上,相同之处在于:最优投资,最大产出;最大不同是:企业行为对工程建设周期、投资规模、首台机组发电 (并网)的时间要求更加苛刻。

依据国内相关部门的水电项目政策和法规,对于工程建设分为若干阶段:项目建议书阶段、可行性研究阶段、招标初步设计阶段、施工图阶段。这样的阶段划分,对于计划经济时代工程建设的逐步深入与细化是非常有益的。对于设计单位而言,只是按照不同阶段的设计工作深度要求,依据生产任务或者设计合同约定完成相应内容的工作即可。

但各个阶段的审批过程存在较长的周期,对工程投资与回报产生的影响是投资方所忌讳的。显然,这样的建设方式不完全适应现代企业的投资行为对工程造价和进度控制的要求,难以让投资市场所接受。

岩土工程领域从事水利水电工程枢纽设计工程技术人员,从步入行业之初,就确定必须了解和掌握:修筑各种功能建筑物的同时还要充分理解在不同类型 (荷载)作用下构筑物能否抵抗、平衡这些作用,发挥设计功能并具有一定安全储备的能力。当然该能力在以时间为参数的渐变 (运行过程)中,仍然需要具备当初设计的功能。

既然考虑时间这个参数,就应该在前期的地质勘察、工程测量阶段,有效掌对于后来的工程建设是必不可少的岩土方面信息。尽管依据岩土工程历史经验的总结和国家有关技术文件下开展的工作已经做得很好,但还远远不够。首先,没有动态地考虑地质情况在时间历程中是否变化及变化情况,而只是静态的参考、依据地质、测量工作成果,这是技术工作上的损失。工程的设计者应在EPC模式的工程建设环境中,充分调动技术上优势,实时掌控岩土及各种作用初始信息,并要随着时间变化、人为扰动等改变情况,更新该信息的。这种工作方法对于在施工中处理各种非设计状况有着巨大的作用,并能提供最直接的科学数据上的支持。

无疑以时间为参数的岩土工程,设计者必须时刻了解岩土工程的现状,以便在社会和工程需要的时刻能够作出科学的决策。

4 EPC模式下的设计工作探讨

工程总承包 (EPC)的基本内容是:进行初步设计 (需要时)、详细设计、设备材料采购、施工安装、开车指导等,通过招投标,实行固定价总承包。

实行工程总承包和项目管理承包的主要优点:有利于充分发挥设计在工程建设过程中的主导作用,使工程项目的整体方案可以在建设过程中不断优化。有利于克服设计、采购、施工相互制约和脱节的矛盾,避免施工过程中各单位间的行政程序上的消耗与扯皮,使设计、采购、施工各环节的工作合理交叉,确保工程进度和质量。

换言之,EPC模式下,需要能够完成EPC全部工作内容的联营体或者个体。这种专业化的工程公司和项目管理公司有与项目管理和工程总承包相适应的机构、功能、经验、先进技术、管理方法和人力资源,对建设项目的前期策划与项目定义,对项目实施的进度、费用、质量、资源、财务、风险、安全等建设全过程实行动态、量化管理和有效控制,有利于达到最佳投资效益,实现业主所期待的目标。

由此可见,工程总承包制度,在保证收益的前提下,让投资 (建设水利工程的)企业找到了一条在程序上和技术上实现最小投入、最优投入的途径——即以设计机构为龙头的工程总承包制度。

一套完善的设计方案是工程建设的基础,设计方作为工程建设的龙头自始至终服务于工程项目。设计方对工程的理解与技术上的掌控程度,与建设方、施工方、监理方或者其他部门和机构是有区别的,具有绝对的技术优势,毫无争议应当是EPC的核心和主角。

工程总承包——立项、设计、施工、运行管理。这一完整的投资行为链,不仅能够为企业赢得最小投资、最短建设周期,也必将赢得最大收益。而设计环节,也不必机械地按前述 (现行建设程序)分若干阶段进行,而可能实现边设计、边施工,动态地对运行管理的细部问题和责任提出更高的要求。

由此,对于国内土木工程界大多数设计者的工作又提出了更高的要求和全新的课题——信息化设计与管理!

岩土工程监测技术随着国民经济和建设者技术水平与认识的提升,会在宏观的岩土工程建设领域发挥其应有的作用,不仅仅是岩土工程各个专业的一个组成部分,而是会引发信息化工程建设新课题。

这一课题是难以在现行工程建设模式下运作的,而EPC工程建设模式却提供了实施的可能。通过现代化、信息化技术,结合现代管理模式,即可达到改变以经验为主的传统岩土工程建设方式,使之成为以科学的、量化的数据为依托的现代化岩土工程建设方式。

在工程建设过程中,地质、水文、气象及人工对工程建设的改变作用,使得地下结构与地面建筑及建设过程受到影响和干扰。其中有些是可以预计的,有些是可以控制的,但更多情况下,人力所不能及的环境改变,将直接导致工程建设费用的增加。最直接体现就是设计工作者经常面临缺乏地质、水文、气象方面信息,而又必须对工程处理措施做出决断的情况。当然,依据传统的实践经验,可以解决很多问题。而较为充分详尽的岩土工程监测信息,无疑能为工程技术人员的决断提供最客观的技术支持,以得于作出正确抉择。

5 安全监测与信息化设计在EPC模式下的作用

“信息化设计”在铁路隧道工程中,“随着隧道工程量测项目的规划、测试手段和工具、量测数据处理以及量测信息的反馈等方面的试验研究成果,提出了工程监测实施方法……”①。在坝工领域,随着计算机技术的普及,监测仪器设备的升级换代,监测手段方法的改进和提高,分析理论的进步等,安全监测技术已经和信息化设计技术在工程建设过程中紧密结合,而且密不可分。

随着对工程建设安全的日益重视,安全监测技术水平日益提高,工程建设过程中进度、管理方面的信息量也随之增多。工程安全信息化、工程管理信息化的结合与统一,是保证工程建设安全,提高建设管理效率的有效途径。

它是一个广义的信息化设计概念,却又是一个狭义的信息化设计概念。

广义,在于它与地下结构的信息化设计工作相比,工作内容不仅仅满足地下结构的设计、施工要求,而且要满足地面结构的设计、施工要求。同时,也包含安全监测、水情测报、闸控、工控、地震、工程边坡等专项监控领域,达到在工程建设过程中,能够对工程的安全情况起到掌控的作用。

狭义,在于它与国家提倡建设的 “金水”工程建设内容相比较。它仅仅针对的是以岩土工程建设领域的某个工程个体,并非大区域、流域性的自动化办公通信工程。

水利信息化是数字地球的整体框架下的一个子系统。其共性就是GPS、GIS、RS应用的统一,其特殊性,就是充分体现水利工程安全监测系统、水情测报系统、闸门自动控制系统、运行工况监控系统系统并结合区域地震台网的组建及地球物理专业的相关信息。通过各分系统间的有机紧密结合,将具体的岩土工程运行管理信息,通过快速有效的传递、上报至上级决策部门。能够在确保工程运行安全的前提下,科学有效的开展区域内的联合调度,安全运行管理的需要。

或者说,“金水工程”在水利水电工程建设过程中的体现,就是安全监测系统、水情测报系统、闸门自动控制系统、运行工况监控系统等专项的建设和运行。在水利水电工程建设后期,它将以已经完善的安全监测自动化系统为基础,进一步完善地方、区域与国家水资源工程整体管理需要的自动化办公系统,包括各种软件、文库的建立。

6 变革与展望

为进一步推动我国工程总承包和工程项目管理的发展,2003年2月13日,建设部下发的 “关于培育发展工程总承包和工程项目管理企业的指导意见 (建市 [2003]30号)”,(本文简称为指导意见)对进一步完善和推行工程总承包和工程项目管理模式提供了具体的、可操作性强的实施办法。

下面仅从水电站设计的角度,阐述工程建设总承包形式下设计工作的改变及其要求。

目前国内水电建设行业对建设阶段性的规定及由此产生对设计工作精度与程度是分阶段深入的,那么,在工程总承包的建设模式下,设计工作者会面临什么样的压力与挑战呢?

首先,在企业资本 (非国家投资)介入国民基础性建设领域,为达到控制投资的回收周期而对于建设周期的压缩,使得设计工作要在很短的时间内完成以往分阶段逐步深入的全部设计工作内容。

表面上,似乎回到了二十世纪中期水电行业边设计边施工的建设模式,其实不然。国内现今工程的设计、研究、施工随着工程建设数量的增加,工程经验的积累,使工程建设能力比二十世纪50、60年代的 “三边”阶段,在工程可控性方面,有了质的提高。新设备、新材料、新工艺以及一大批关键工程技术的应用,已使我国在相关领域进入到了世界领先水平。

同时,随着计算机技术的发展进步,计算理论、软件的提升对于设计工作及成果提出了更高的要求。不仅仅要满足施工进度提交设计成果,而且要达到立足施工现状,现场设计、指导施工的目的。然而我国现有的工程建设程序 (设计、施工、监理等)难以发挥计算机技术在工程建设过程中的作用;难以发挥监测工作在施工过程中的科学指导作用。

“指导意见”的发布,让计算机技术和监测工作有机会在现场施工过程中发挥应有的巨大作用。但其前提条件就是工程建设总承包,由一个法人企业负责工程项目的设计、采购、施工、运行等全过程,并对工程质量负责。这样的法人才能为了控制投资、为了工程建设过程中的安全、为了工程建设质量而主动、被动的采用新科技、新技术、新理论。那么,前沿的科技成果、前端的计算机技术理论会大量的应用到基础性工程建设领域,并得到实践,这对国内土木工程界的施工工艺、方法的改进和提高是一股强大的推动力。

7 结论

岩土安全监测的设计是水工设计专业范畴内的重要组成部分,其施工过程牵扯的行业、专业、部门诸多。除了监测设计方面的技术问题,影响监测工作有效实施的因素很多,这项工作对主设人的要求非常高。首先,不仅仅要有扎实的力学基础,还需要丰富的工地实践经历和由此获得的实际地质、测量工作的经验及对水利水电工程从蓝图到建筑物施工过程的经历。否则是难以满足监测设计主设人的基本要求;其次,除了水工方面的能力外,必须有接受新事物的能力。包括掌握必要的传感器、电器、通讯、电脑、水电站运行管理方面必要的基本知识,还要有各个专业、行业间的协调组织能力。

由于安全监测技术在其实施过程中 (设计、施工)与水利工程几乎所有的相关专业都有交叉,而且与参与施工的各个部门在施工工序上也相互影响较大。如果说一个完善的安全监测系统是一个枢纽工程的神经系统,那么各个功能的建筑物就是这个系统的骨肉,这样才可以在管理层面对其能够进行快速反应、灵活管理的的工程。

由此可见,在EPC模式实践的最前端,安全监测专业无疑可以充当排头兵,它不仅仅能够让设计单位以龙头的形式参与到工程施工建设过程中,更重要的是,让设计单位在技术上能够完全的、及时的掌控岩土工程的建设进展情况。

毫无疑问,设计单位如果要进行EPC模式的业务扩展,那么安全监测系统的设计、采购、施工总承包将是一个最基本的基础。也必将由此扩展设计单位在工程建设中的技术主导地位和生产经营路线。并由此推动新技术在岩土工程上的应用,最终带给社会和国家的将是最优的资金投入、最大的工程效益和最强的信息化管理模式。

1 王建宇.《隧道工程监测和信息化设计原理》,中国铁道出版社,1990.