大坝安全监测技术浅谈

科技信皇　工程技术　大坝安至监测技术浅谈　佛山市顺德区水利水电勘测设计院有限公司　黄成国　华东勘测设计研究院　胡士兵　［摘要］本文论述了不同监测技术的优缺点，阐述了大坝安全监测技术的发展概况和发展方向，为全面了解大坝安全技术和提高安　全监测水平提供了参考。　［关键词］大坝安全监测　监测技术监测自动化　资料分析　１．前言　国内外大量Ｔ程实例表明，对水利水电工程实行全面的监测和监　控，是保证工程安全运行的重要措施之一。同时，将监测和监控的资料　及时反馈给设计、施工和运营管理部门，又可为提高水利水电工程的设　计及运行管理水平提供可靠的科学依据。现代化的监测系统，应当具　有数据采集、数据管理、对工程安全状况做出实时分析和评价及对其异　常或险情做出辅助决策等功能，因此，大坝安全监测系统包括监测技　直、水平位移的系统，随着ＣＣＤ技术及激光图像处理技术的发展，其测　量精度和可靠性都有很大提高。静力水准是监测坝体、基础沉降倾斜　的重要手段，因测量要求精度高、长期测量稳定可靠，目前的遥测静力　水准仪多采用位移测量方式测量液面变化来获得建筑物变形，主要有　电容感应式、差动电感式、步进马达式、钢弦式以及涡流式、超声传感器　式遥测静力水准仪。准直法（引张线、真空激光准直测量）、静力水准等　测量方法测得的是相对位移，需要借助大地测量法或者垂线法作为丁　术、监测自动化技术、资料分析及安全评价技术三部分。　２．大坝监测技术及监测仪器　２．１外部观测　大坝外部观测主要指大坝外部变形观测。变形测量主要采用大地　测量、垂线、准直法、静力水准等方法。监测仪器有水准仪、经纬仪、测　距仪、全站仪、垂线坐标仪、引张线、真空激光准直系统、ＧＰＳ、合成孑Ｌ径　雷达干涉技术等。　常规大地测量是用水准仪、经纬仪、测距仪、全站仪等测量仪器采　水『伟法、交会法测得大坝垂直和水平位移。经纬仪和水准仪是传统　的外部变形观测手段，从上世纪５０年代起，测绘仪器开始朝电子化和　自动化方向发展。电磁测距仪的出现开创了距离测量的新纪元，电子　经纬仪取代光学经纬仪后与电磁测距仪组合就成了智能型全站仪，智　能型全站仪集测距、测角、计算记录于一体，并具备自动搜索功能，俗称　“测量机器人”，它可真正做到无人值守，操作简便、自动化程度高，尤其　适应在地势狭窄、气候恶劣等不适应人Ｔ观测的位置使用。测量机器　人观测精度可达ｌＦｑｌｎ＋１ｐｐｍ／０．５”。水准仪、全站仪测量原理是利用光　波反射，所以常规大地测量需要仪器与测点之间满足通视要求，这是常　规大地测量法的不足之处。　近年来大地测量法新技术不断出现，主要有ＧＰＳ法、合成孔径雷达　干涉测量技术等。ＧＰＳ是随着现代科学技术的迅速发展而建立起来的　新一代精密卫星定位系统。由美国国防部于１９７３年开始研制，历经方　案论证、系统论证、生产实验三个阶段，于１９９３年建设完成。该系统是　以　星为基础的无线电导航定位系统，有三大组成部分，即空间星座部　分、地面监控部分和用户设备。ＧＰＳ的定位原理是利用空间分布的卫　星以及卫星与地面点间进行距离交会来确定地面点位置，从测量的角　度看，则相似于测距后方交会。ＧＰＳ具有全天候、连续性和实时　定位　功能，能提供测点的三维坐标。目前一般测地型ＧＰＳ接收机的标称精　度为ｍｍ＋ｌｐｐｍ，实践表明平面位置精度相当好，高程方面稍逊一些，国　内－ｒ程上通过改进接收机接收方式、多站联测、对电离层和对流层折射　进行修正、对天线强制对中等措施，高程测量可达二等水准测量精度甚　至更高。ＧＰＳ法测量原理类似于后方交会法，因此对于用户设备的ＧＰＳ　接收天线同一时刻可见卫星需在４颗以上，因此地面测点需要满足卫　星高度角的要求，山区滑坡监测时滑坡体前缘测点受对岸山体遮挡有　时不易满足。合成孔径雷达干涉测量技术是利用一定时间间隔和轻微　的轨道偏离（相邻两次轨道间隔为几十米至一公里左右）重复成像，借助　覆盖同一地区的两个ＳＡＲ图像的相位差来获得地表变形，随着干涉和　差分技术的发展，该测量技术精度将不断提高。由于合成孔径雷达干　涉测量技术是利用地球同步卫星载ＳＡＲ系统，所以不能实现地表位移　的连续观测。　垂线法是大坝变形监测的重要手段，用于监测大坝水平位移，分正　垂线法和倒垂线法，正垂线法只能测得相对位移，倒垂线法将垂线下端　买埋人稳定基岩，可测得绝对位移。倒垂线法常与正垂线法组合形成　正倒垂组，倒垂还常与极坐标法、引张线法结合测量大坝水平位移，此　时倒垂作为校核基点。垂线法读数仪叫垂线坐标仪，垂线坐标仪从人　工观测发展到自动遥测，遥测垂线坐标仪从接触式发展到非接触式，非　接触式坐标仪从步进马达光学跟踪式到近十几年发展起来的ＣＣＤ式和　感应式垂线坐标仪。其中感应式垂线坐标仪具有测试精度高、长期稳　定性好、自动化程度高、结构简单、防水性能好、成本低等特点，特别适　合在环境恶劣的大坝监测中应用。正垂线需要设在坝体设孔洞，测孔　不易太多，而且需要和倒垂联合使用；倒垂线需要钻孔至基岩，成本较　高，一般仅设置少量作为校核基准点。　引张线法用于观测大坝水平位移，双向引张线法自动测量技术可　同时测量水平和垂直位移。引张线读数仪与垂线坐标仪原理一样，除　了电容感应式，还有电磁感应式、步进电机光电跟踪式。真空激光准直　测量系统是在激光准直测量基础上消除大气折射影响的一种测量大垂　作基点。　２．２内部观测　大坝内部变形监测项目一般有内部变形、应力应变、渗漏、温度、裂　缝等。　土石坝中常需测量内部变形，内部变形包括垂直位移和水平位移，　垂直位移主要采用水管式沉降仪、振弦式沉降仪、电测垂直水平位移测　量仪等仪器进行观测；水平位移主要采用引张线式水平位移计、测斜管　等进行观测。水管式沉降仪、振弦式沉降仪利用连通管原理测量沉降，　因此易受掺气、渗漏影响；引张线式水平位移计易受坝体不均匀沉降的　影响。这三种仪器安装埋设受施工干扰较大，对于大断面坝体无法做　到全断面上升，导致仪器必须分段埋设，仪器埋设后无法及时进行监　测，其监测成果不能真实反映坝体施工期变形。电测垂直水平位移测　量仪是通过埋设在坝体中测斜兼沉降管，采用活动式测斜仪和电磁式　沉降仪进行监测，它可以从填筑施Ｔ一开始就进行埋设和监测，对位移　进行累加，可获得施—１二期全部位移情况，但这类仪器埋设时易受施Ｔ影　响受损，不易埋设好。　大坝应力应变、温度、渗漏、裂缝等项目监测长期以来主要采用差　动电阻式和振弦式两类仪器。差动电阻式仪器又称卡尔逊式仪器，是　利用电阻丝变形与电阻比成正比的原理研制成功的，这种仪器具有密　封性能好、测试方法简单、可兼测温度等优点，其电缆导线电阻及其变　差带来的电阻比测量误差已被五芯观测系统及利用恒流源技术的观测　仪表解决，所以差动电阻式仪器已被广泛运用。但差动电阻式仪器稳　定性、耐久性不如弦式仪器好。振弦式仪器是利用钢弦振动频率随钢　丝应力变化的原理制成的，通过电磁铁激振钢弦，测量由磁铁线圈感应　钢弦振动频率得知钢丝应变，该型仪器具有精度高、分辨率高、量程大、　受环境影响小、可长距离传输、便于进行自动化观测等优点，且传感器　可做得很小。　光纤传感器近几年得到快速发展，它是一种集光学、电子学为一体　的新兴技术，具有灵敏度高、动态性能好、耐候性好、抗干扰能力强、自　动化程度高、可实现分布式测量等优点，其运用已从单一的温度测量发　展到渗漏、变形、位移、应力等内容监测。分布式光纤被认为是目前最　有前途的安全监测技术。　３．监测自动化技术　３．１自动化监测内容　大坝外部变形可采用垂线坐标仪、引张线读数仪、ＧＰＳ接收机、测　量机器人等方法进行自动化观测；内部应力应变、扬压力、钢筋应力、温　度、接缝等主要采用差动电阻式和振弦式传感器仪器进行自动化观测；　环境量（水位、水温、气温、降雨量等）通常由水文气象测报系统进行自　动化观测。　３．２自动化结构模式　自动化采集系统按采集方式分为集中式、分布式和混合式三种结　构模式。集中式适用于仪器种类少、测量数量不多、布置相对集中和传　输距离不远的中小型工程中。分布式结构测量控制单元可以安装在靠　近传感器的地方，传感器的信号不需要传输较远的距离，信号的衰减和　外界的干扰可以大大减轻。分布式体系结构既可适合于传感器分布　广、数量多、种类多、总线距离长的大中型『［程的自动化监测系统中，也　能适合于传感器数量少的小型工程的自动化监测系统中，使用方便灵　活。混合式是介于集中式和分布式之间的一种结构模式。　目前具有代表性的监测自动化系统产品有意大利的ＧＰＤＡＳ系统、　美国的２３８０／３３００和ＩＤＡ等分布式系统、南京南瑞集团公司的ＤＡＭＳ系　统、南京水文自动化研究所的ＤＧ系统、北京木联能工程科技有限公司　研制的ＬＮ１０１８～１１开放型分布式系统。东风、二滩、天荒坪、小浪底等　工程安装了Ｇｅｏｍａｔｉｏｎ２３８０系统，９Ｏ年代初岩滩、大化等新建工程安装　了南京自动化研究院的集中式系统，１９９５年葛洲坝安装了南京水文自　动化所的分布式系统，１９９７年新安江、水口等工程还曾安装过南瑞公司　工程技术　的混合式系统。　３－３测控系统结构模块化　测控系统由以前的专用型逐步改变成了模块化通用型结构，根据　不同的功能需求，开发不同的功能模块。如采集系统可采用内部功能　模块化、传感器接口模块化的思想，将系统内部功能模块化，接口模块　可根据测量传感器类型的不同，相应的配置振弦式、电感式、步进式、卡　尔逊式等测量接口模块，可以通过搭积木的方式，组建满足要求的系　统，而数据处理系统则可根据测量模块与接口模块的特点，配置振弦式　数据处理功能模块、模拟量数据处理功能模块、通信功能模块等。　３－４通信方式多样化　目前大坝安全监测自动化系统的通信方式一般包括有线、无线、卫　星、电话线、光纤、ＧＳＭ／ＧＰＲＳ等多种方式，目前新近投入使用的大坝安　全监测自动化系统大都可提供两种或两种以上的通信方式，以方便系　统的组网应用。目前很多系统优先采用光纤通信，不仅提高了通信速　率，也提高了系统抗电磁干扰能力和抗雷击能力。　３．５供电方式多样化　目前的大坝安全监测自动化系统为了便于不同场合使用，大都设　技　盆　ｉ维有限元分析对大坝建筑物特性参数进行反演分析等都取得了可喜　的成果。这些分析模型已经实现了由单物理量向多物理量、由点向空　间、由简单统计方法向非线性方法的转变。　安全评价技术主要指监控指标的确定。监控指标最初研究主要针　对变形监测，现有监控指标涉及渗流和应力应变，而且采取分级报警的　方法进行。拟定方法近年也有进步，原来拟定监控指标的方法主要是　典型监测量的小概率法、结构数值模拟等方法，或根据大坝变形的线弹　性、粘弹塑性和极限状态拟定三级监控指标。基于蒙特卡罗方法的高　拱坝变形监控指标拟定方法是监控指标拟定中的一个创新，另外还有　基于协同学、突变理论、粗集理论的监控指标的确定方法，这些都是对　监控指标拟订的有益探索。　５．结语　虽然大坝监测技术取得了很大成绩，但仍存在不少问题，系统的可　靠性、稳定性、有效性、针对性等有待进一步加强，监测人员的业务水平　有待进一步提高。近年来一些巨型的高坝大库相继开］一建设，给安全　监测技术领域提出了许多新的课题。监测技术在标准化建设和监测施　工走专业化发展道路等方面还任重道远，一些新兴的监测技术如大坝　计了多种电源管理电路，可以利用交流电、直流电、蓄电池、太阳能供电　安全监测实时监控预警预报系统、基于分布式光纤传感监测技术和传　等多种方式给系统供电。　导型纤维传感技术的智能化监测系统、大坝动态监测系统、大坝ＣＴ层　３．６防雷和抗干扰能力　析技术等，都还处于研究阶段，期待广大的安全监测技术人员进一步研　大坝安全监测自动化系统建设的初期，很多系统的工作不稳定、损　究，早日为工程服务。　坏，甚至瘫痪都是由于抗干扰能力不过关，防雷击性能不够好造成的。　通过近几年的研究和经验的积累，特别是避雷器技术和抗干扰技术的　参考文献　发展，目前的系统已从设计、结构、布局、元器件的筛选、通信、电源、电　［１］方卫华Ｎ内外水库安全管理与大坝安全监测现状与展望…　缆埋设等许多方面得到了改进提高，系统的防雷和抗干扰能力得到加　水利水文自动化，２００８（４）　强，系统的可靠性得到了较大的提高。　［２］吕永宁，王玉洁，赵花城水电站大坝安全监测自动化的现状与　４．安全监测资料分析及安全评价技术　展望［Ｔ］大坝与安全，２００５（７）　随着科学技术的飞速发展，在工程技术人员和软件专家的密切合　［３］王学明．大坝安全监测新技术［Ｉ］．黑龙江水利科技，２０ｏ８（４）　作下，资料分析模型得到了空前发展，统计模型、确定性模型与混合模　［４］梁沛华，何金平大坝安全监测若干新技术［１］装备制造技术，　型ｉ大模型技术日趋完善，在许多水电站开始应用，准确性较高。一些　２００８（２）　学者利用模糊数学理论和人工神经网络技术建立监测预报模型、利用　栅动车安呈性检测数据库设计　核工业二。八大队王友利　［摘要］本文提出数据库技术是机动车检测系统的核心技术之一，分析了机动车安全性检测数据库所包含的子系统，为机动车检测　和管理提供了数据支持。实现了线内资源共享，完成了控制系统实时记录检测数据，并能提供数据的查询、分析和统计功能。　［关键词］机动车　安全性数据库　数据库技术是机动车检测系统的核心技术之一。根据《机动车安　２－２车辆基本数据库　全技术检验机构管理规定》，要求在机动车上线检测时，控制系统应实　车辆基本数据库表，经过实际调查了解车辆共有３０项检测内容，　时记录检测数据，并在完成一辆车辆的所有检测项目后，控制系统应立　目前看这３０项已经包括了车辆的全部有关内容和各项参数。建立车　即将该车辆所有检测项目的检测数据和判定结果存人数据库。　辆基本数据库表就为车辆检测和管理奠定了完备的数据基础。车辆３Ｏ　机动车检测数据库系统是一个复杂的系统，它是采用了数据库技　项内容即该数据库表由３Ｏ个字段组成，分别是：车主单位，车牌号码，　术的计算机控制和管理系统，是一个实际可运行的，按照数据库方法存　发动机号码。底盘号码，载质量座，竣工证号，车辆类型，车身颜色，大灯　储、维护和向应用系统提供数据支持的系统。　高度，底盘类型，检验种类，营运证号，车身装置，维修证号，检验章号，　１．检测数据库系统　许可证号，检测等级，车辆特征，出厂日期，维修单位，维修时间，厂牌型　检测数据库系统包括：　号，检测时间，检测项目，是否复检，车主地址，上次检测编号，备注，外　（１）强大、互动式数据查询、分析、统计系统　检不合格项目，车辆档案号。然后对这３Ｏ个字段定义数据类型。这里　（２）大厅触摸屏自动查询分析系统　涉及的类型有字符型、日期型、数值型和整型等，然后定义字段的宽度，　（３）财务自动收费系统　最后就可以添加检测记录，数据库表中的一行称为一条记录，表中不存　（４）签证系统　・　在完全相同的两条记录。数据库由一个或多个表组成。通过数据控件　（５）大厅检测信息显示与语音广播系统　Ｄａｔａ和ＡＤＯ来实现对数据库的操作。　（６）大厅值班显示系统　２－３登录数据库　（７）引车员调度、语音广播系统　登录数据库共有六张表，检测类别：年检、春检、安检、事故鉴定　（８）考勤管理系统　等。检测项目：车速、排放、制动（含轴重）、侧滑、灯光、喇叭声级和地沟　（９）车辆档案管理系统　检查等。车辆类型：大客、大货、，ｊ、货、小客、出租车、特种车、摩托、轻骑　（１Ｏ）车辆短信催检系统　等。维修单位：根据本地实际情况输入。燃料种类：汽油、柴油。车身　（１１）站长管理系统　颜色：蓝色、红色、白色、黑色、绿色等。设计这些表是为了适应各种车　（１２）摄像监控管理系统　辆检测的需要，也是提高检测速度和办事效率的需要。　２．数据库设计与实现　２．４数据库表视图　２．１车辆数据库　视图就像一个窗口，它是从一个或几个基本表导出的表，透过它可　整个系统建立一个车辆数据库，其中主要数据表有：基本信息表，　以看到数据库中自己感兴趣的数据及其变化。视图能够简化操作和对　档案信息表，检测项目信息表，检测数据信息表，检测项目判定表，检测　机密数据提供安全保护。有了视图机制，就可以在设计数据库应用系　项目合格标准表等；前５个数据表通过车辆标识码（车架号）ｗＮ字段实　统时，对不同的用户操作员定义不同的视图，使重要机密数据不出现在　现关联。系统设有数据源，统一采用ＯＤＢＣ数据接Ｉ：１访问数据库，实现　不应看到这些数据的操作员视图上，这些视图机制就自动提供了对机　了相关数据的增加、删除、修改及查询和打印报告表等数据库操作。　密数据的安全保护功能。图１是车辆基本数据库表视图。　一４２１—