文/黨萬(wàn)琳，青海黃河水電公司大壩管理中心

大壩變形監(jiān)測(cè)自動(dòng)化技術(shù)的運(yùn)用

文/黨萬(wàn)琳，青海黃河水電公司大壩管理中心

大壩變形是壩體和基礎(chǔ)狀態(tài)的綜合反映，也是衡量大壩運(yùn)行時(shí)結(jié)構(gòu)是否正常、可靠、安全的重要標(biāo)志，而大壩變形監(jiān)測(cè)為大壩的安全運(yùn)行和維護(hù)提供了可靠的依據(jù)。為了確保大壩的正常運(yùn)行就要采取有效措施來(lái)保證大壩質(zhì)量，變形監(jiān)測(cè)自動(dòng)化技術(shù)的運(yùn)用對(duì)保證大壩安全有著非常重要的意義。

大壩；變形監(jiān)測(cè)；自動(dòng)化；GPS

大壩安全監(jiān)測(cè)是通過(guò)儀器觀測(cè)和巡視檢查對(duì)大壩壩體、壩基、壩肩、近壩區(qū)岸坡及壩周圍環(huán)境所作的測(cè)量和觀察。大壩變形監(jiān)測(cè)是大壩安全監(jiān)測(cè)的重要組成部分，它是利用儀器通過(guò)一定的觀測(cè)手段量測(cè)出某點(diǎn)某一時(shí)刻的位置與起始位置的變化量，包括大壩、電站廠房、溢洪道等水工建筑物的變形監(jiān)測(cè)、基巖和滑坡體變形監(jiān)測(cè)以及現(xiàn)場(chǎng)巡視檢查等。

1 大壩變形監(jiān)測(cè)自動(dòng)化主要技術(shù)

1.1 傳感器光纖傳感技術(shù)

從實(shí)際應(yīng)用形式來(lái)看傳感器分為“機(jī)械式、光敏式、磁式以及電式傳感器”；從以往經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，電式和磁式傳感器的應(yīng)用非常廣泛。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中應(yīng)該根據(jù)實(shí)際需要來(lái)進(jìn)行選擇。

光纖傳感目前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域當(dāng)中，利用光纖傳感將能夠使得光線傳播通過(guò)全反射的形式展開(kāi)，這樣就能把光和圖像曲折傳遞到所需要的任意空間中去。測(cè)量對(duì)象廣泛、通信容量大、靈敏度高、頻帶寬及耐水性強(qiáng)是其典型特征。正是因?yàn)榫哂羞@樣的優(yōu)勢(shì)，因而能夠被廣泛應(yīng)用于大壩變形監(jiān)測(cè)當(dāng)中。

1.2 GPS技術(shù)

當(dāng)前GPS衛(wèi)星定位技術(shù)已經(jīng)滲透到了經(jīng)濟(jì)建設(shè)和科學(xué)技術(shù)等多個(gè)領(lǐng)域當(dāng)中，在測(cè)量界的應(yīng)用更是產(chǎn)生了深刻影響。GPS監(jiān)測(cè)系統(tǒng)自身安全可靠、抗干擾能力非常強(qiáng)、監(jiān)測(cè)精度較高，能有效確保大壩安全，同時(shí)也能實(shí)現(xiàn)洪水錯(cuò)峰，對(duì)于防洪減災(zāi)起非常重要的作用。在今后應(yīng)用過(guò)程中要求硬件必須及時(shí)更新，同時(shí)還要對(duì)軟件設(shè)計(jì)中的解算功能進(jìn)一步優(yōu)化，這樣才能真正滿足實(shí)際需要。

1.3 激光技術(shù)

激光技術(shù)是一項(xiàng)高效簡(jiǎn)便的測(cè)量方式，這種測(cè)量方式能夠應(yīng)用于大壩壩體和廊道測(cè)量當(dāng)中，由于這項(xiàng)技術(shù)能夠有效提升靈敏度范圍，減少作業(yè)條件限制，因此能進(jìn)一步提升測(cè)量精庋。當(dāng)前激光技術(shù)在大壩變形監(jiān)測(cè)中已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化測(cè)量，采用這項(xiàng)技術(shù)將能有效滿足大壩變形監(jiān)測(cè)迅速、及時(shí)、準(zhǔn)確的要求。但是，這項(xiàng)技術(shù)本身也存在一定的局限性，激光技術(shù)無(wú)法對(duì)拱壩、曲線壩實(shí)現(xiàn)測(cè)量。為了彌補(bǔ)這種缺陷在實(shí)際工作中要利用激光轉(zhuǎn)角，通過(guò)這種形式將能有效拓展激光技術(shù)的應(yīng)用范圍。

1.4 CT技術(shù)

所謂CT技術(shù)主要指的是計(jì)算機(jī)層析成像技術(shù)，這種技術(shù)是在不破壞物體結(jié)構(gòu)的前提下獲取某種物理量，然后利用數(shù)學(xué)方法，通過(guò)計(jì)算機(jī)處理構(gòu)成 2D圖像的技術(shù)。意大利、日本等國(guó)家先后把CT技術(shù)應(yīng)用到了大壩性態(tài)診斷當(dāng)中，這樣將能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)大壩安全檢查及工程處理效果的驗(yàn)證。通過(guò)應(yīng)用CT技術(shù)將能夠及時(shí)掌握壩址地質(zhì)構(gòu)造，對(duì)斷層破碎帶分布情況也可有效推測(cè)。當(dāng)前CT技術(shù)在壩體選擇、施工以及運(yùn)營(yíng)期間所發(fā)揮的作用非常巨大，通過(guò)采用這項(xiàng)技術(shù)將能有效減少儀器設(shè)備的復(fù)雜性，同時(shí)還能提升大壩安全度，此外該技術(shù)可為大壩內(nèi)部性態(tài)檢測(cè)、老化評(píng)判以及缺陷搜索提供數(shù)據(jù)。

2 三種系統(tǒng)的應(yīng)用

2.1 GPS系統(tǒng)的應(yīng)用

在大壩變形監(jiān)測(cè)測(cè)量中，人們對(duì)GPS測(cè)量精度要求較高，為了滿足要求需采用全載波相位測(cè)量法，同時(shí)還需要采用全跟蹤操作、SAW濾波技術(shù)、抗射頻干擾的多位信號(hào)處理技術(shù)等。

GPS系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中典型優(yōu)點(diǎn)是其自動(dòng)化程度高，能夠得到每個(gè)觀測(cè)點(diǎn)在xMz這三個(gè)方向的位移。同時(shí)，GPS系統(tǒng)的測(cè)量將不會(huì)受到測(cè)點(diǎn)之間通訊條件的限制，能夠?qū)崿F(xiàn)全天候測(cè)量。缺點(diǎn)是費(fèi)用高、對(duì)測(cè)點(diǎn)位置有一定要求、穩(wěn)定性有待觀察、精度值確定時(shí)間較長(zhǎng)。為了有效減少對(duì)地形的依賴，在今后測(cè)量中對(duì)于GPS單星系統(tǒng)應(yīng)改進(jìn)為雙星系統(tǒng)。

2.2 光纖變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用

光纖變形監(jiān)測(cè)在實(shí)際工作中主要是通過(guò)光參數(shù)交化來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測(cè)量，這種技術(shù)“抗干擾能力強(qiáng)”已在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中由于傳感器剛度比較小，其抗震性能和對(duì)測(cè)量的影響誤差也將會(huì)是非常小。光纖在其中不僅是感應(yīng)部件，同時(shí)也是傳輸部件，因此能夠?qū)崿F(xiàn)分布式測(cè)量。今后工作中為了提升測(cè)量效果需要采用頻率域反射測(cè)量技術(shù)。

2.3 真空激光準(zhǔn)直系統(tǒng)的應(yīng)用

設(shè)計(jì)及安裝中要注意四個(gè)方面問(wèn)題：一是管徑選擇。管道的內(nèi)徑主要取決于測(cè)點(diǎn)距激光發(fā)射端的距離及其測(cè)值變幅，同時(shí)還應(yīng)考慮波帶板最大的通光子L徑及抽真空時(shí)管道的流導(dǎo)、放樣及安裝誤差以及管道材料本身的彎曲等。二是注意密封和隔熱。真空激光準(zhǔn)真系統(tǒng)的密封包括激光發(fā)射端和接收端的密封防潮，管道系統(tǒng)包括波紋管、測(cè)點(diǎn)箱、平晶密封段衲密封；管道隔熱的目的就是要盡可能地減少溫度梯度，在安裝使用過(guò)程中還要注意檢漏，逐段與整體檢漏相結(jié)合。三是選擇高質(zhì)量的波帶板及其起落或翻轉(zhuǎn)舅蠢統(tǒng)，以增加其可靠性和減小各種誤差，特別是復(fù)位誤差。四是系統(tǒng)需采用自動(dòng)的循環(huán)冷卻水裝置，在真空泵運(yùn)行期間對(duì)其進(jìn)行冷卻。

3 大壩變形監(jiān)測(cè)的發(fā)展趨勢(shì)

隨著技術(shù)的發(fā)展和人們對(duì)大壩安全認(rèn)識(shí)的深入，監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)的理念也日新月異。從原型觀測(cè)到自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，從人工巡視的僅器監(jiān)測(cè)到智能化的自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)，從靜態(tài)點(diǎn)式觀測(cè)到動(dòng)態(tài)的分布式觀測(cè)，人們對(duì)大壩安全監(jiān)測(cè)的精度和自動(dòng)化的要求越來(lái)越高。同時(shí)，監(jiān)測(cè)儀器自動(dòng)化采集系統(tǒng)和資料處理分析技術(shù)也得到了快速的發(fā)展咒監(jiān)測(cè)儀器的應(yīng)用開(kāi)始出現(xiàn)多元化的格局，一些差動(dòng)變壓器、電容式、電感式監(jiān)測(cè)儀器、振弦式監(jiān)測(cè)儀器以及其他各種類型的儀器得到了廣泛的應(yīng)用，并在多個(gè)大壩的安全保障領(lǐng)域取得了顯著的成效。這些都為大壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)的快速發(fā)展積累了經(jīng)驗(yàn)、奠定了基礎(chǔ)。

大壩變形監(jiān)測(cè)的發(fā)展趨勢(shì)，是內(nèi)外業(yè)一體化。自動(dòng)化、數(shù)字化、智能化，將多媒體系統(tǒng)和模擬仿真技術(shù)應(yīng)用于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在壩體破壞剛開(kāi)始或?qū)⒁_(kāi)始時(shí)實(shí)現(xiàn)大壩的安全預(yù)警功能。也就是說(shuō)，在收集了前期的壩體觀測(cè)數(shù)據(jù)后，從物理力學(xué)角度運(yùn)用多學(xué)科相關(guān)知識(shí)分析，輸入模擬仿真系統(tǒng)進(jìn)行壩體受力后下一時(shí)期的三維變形結(jié)果預(yù)測(cè)；再不斷地用后期收集的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行回代。對(duì)比其可靠性，并加以修正。這樣，仿真技術(shù)成果趨于實(shí)際，并先于實(shí)際得出安全評(píng)判，以確保壩體安全運(yùn)營(yíng)，若發(fā)生故障可以及早補(bǔ)救。

[1]田俊生，高明衷.大壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)研究.四川水利發(fā)電.2012，31（1）.

[2]王玉潔,周建波,董永.水電站大壩安全監(jiān)測(cè)資料分析現(xiàn)狀及展望[J].大壩與安全.2015，(05).