張禮兵，鄒 青

（中國(guó)電建集團(tuán)昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，云南省昆明市 650051）

0 引言

我國(guó)已建和在建壩高超過100m的混凝土面板堆石壩近40座，為監(jiān)測(cè)高壩大庫(kù)的安全運(yùn)行，通過“六五”“七五”“八五”和“九五”國(guó)家科技攻關(guān)項(xiàng)目，研發(fā)了一批適應(yīng)于高土石壩原型觀測(cè)（安全監(jiān)測(cè)）的大量程、高精度監(jiān)測(cè)儀器和設(shè)備，如引張線式水平位移計(jì)、水管式沉降儀、活動(dòng)式測(cè)斜儀、孔隙水壓力計(jì)等[1]，形成了200m級(jí)高土石壩（包括高面板堆石壩）關(guān)鍵監(jiān)測(cè)技術(shù)和儀器。

隨著我國(guó)面板堆石壩筑壩技術(shù)的不斷發(fā)展，我國(guó)還將興建多座300m級(jí)超高面板堆石壩，目前已有的200m級(jí)面板堆石壩的安全監(jiān)測(cè)技術(shù)很難滿足300m級(jí)超高壩的要求，為此需要針對(duì)超高面板堆石壩的特點(diǎn)，開展?jié)M足300m級(jí)超高面板堆石壩的監(jiān)測(cè)技術(shù)、儀器設(shè)備、監(jiān)測(cè)方法、儀器安裝埋設(shè)工藝及儀器電纜保護(hù)等方面的研究，并結(jié)合工程智能化運(yùn)行要求提出監(jiān)測(cè)儀器發(fā)展趨勢(shì)與展望[2]。

1 傳統(tǒng)安全監(jiān)測(cè)技術(shù)

在面板堆石壩監(jiān)測(cè)特別是壩體內(nèi)變形監(jiān)測(cè)技術(shù)方面，傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)技術(shù)主要是采用水管式沉降儀、電磁沉降儀、橫梁式沉降計(jì)等監(jiān)測(cè)壩體內(nèi)部垂直位移，采用引張線式位移計(jì)、測(cè)斜儀、桿式水平位移計(jì)等監(jiān)測(cè)壩體內(nèi)部水平位移，許多監(jiān)測(cè)儀器的適應(yīng)性仍然停留在100m級(jí)壩高水平。目前已建200m級(jí)高面板堆石壩，壩體內(nèi)部監(jiān)測(cè)管路長(zhǎng)達(dá)400～500m，已達(dá)到安全監(jiān)測(cè)設(shè)備所用材料和技術(shù)工藝的極限，現(xiàn)有監(jiān)測(cè)設(shè)備也明顯滯后于面板堆石壩筑壩技術(shù)的發(fā)展，隨著300m級(jí)高面板堆石壩的開工建設(shè)，現(xiàn)有高土石壩監(jiān)測(cè)技術(shù)和儀器設(shè)備的已難以滿足要求[3]。

1.1 引張線式水平位移計(jì)和水管式沉降儀

南京水利科學(xué)研究院從西北口面板堆石壩開始，引進(jìn)銦鋼絲引張線式水平位移計(jì)和水管式沉降計(jì)，通過模型試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)成功用于面板堆石壩的內(nèi)部變形觀測(cè)，并逐步推廣到我國(guó)10m級(jí)面板堆石壩內(nèi)部變形監(jiān)測(cè)中，取得了大量面板堆石壩的內(nèi)部變形原位觀測(cè)資料，為我國(guó)面板堆石壩技術(shù)發(fā)展提供了可靠的基礎(chǔ)資料。

為滿足200m級(jí)面板堆石壩內(nèi)部變形觀測(cè)需要，南京水利科學(xué)研究院首先通過模型試驗(yàn)驗(yàn)證引張線式水平位移計(jì)和水管式沉降計(jì)用于200m級(jí)面板堆石壩內(nèi)部變形觀測(cè)的適用性及其合理的儀器測(cè)點(diǎn)結(jié)構(gòu)型式、保護(hù)結(jié)構(gòu)、管路結(jié)構(gòu)和自動(dòng)化系統(tǒng)等，并在水布埡面板堆石壩的內(nèi)部變形觀測(cè)中開展應(yīng)用研究，獲得了200m級(jí)面板堆石壩的內(nèi)部變形原位觀測(cè)資料[4]。但同時(shí)也暴露出用于200m級(jí)高面板堆石壩內(nèi)部變形觀測(cè)中存在的一些問題。

（1）壩高增加，導(dǎo)致引張線和水管管路長(zhǎng)度大大增加，為保證測(cè)量過程中銦鋼絲引張線處于繃直狀態(tài)以準(zhǔn)確傳遞測(cè)點(diǎn)水平位移，必須大量增加引張線配重，造成銦鋼絲可能因強(qiáng)度不足被拉斷；水管管路長(zhǎng)度的大量增加，導(dǎo)致水管式沉降計(jì)通過管路充水至沉降計(jì)的難度大大增加，而且其測(cè)量裝置和沉降計(jì)溢流水杯的水位平衡過程和時(shí)間將成倍增加，從而影響水管式沉降計(jì)的測(cè)量準(zhǔn)確性。

（2）引張線式水平位移計(jì)每個(gè)測(cè)點(diǎn)需要配置一條銦鋼絲引張線，同樣水管式沉降計(jì)每個(gè)測(cè)點(diǎn)均需要一套水管和氣管管路，隨著壩高增加，相應(yīng)測(cè)點(diǎn)數(shù)量也同步增加，水平位移計(jì)的引張線數(shù)量和沉降計(jì)的管路數(shù)量也相應(yīng)增加，對(duì)保護(hù)管尺寸、分線和導(dǎo)向結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度等指標(biāo)的要求也大大提高，而在面板堆石壩內(nèi)保護(hù)管的上述指標(biāo)也不可能無限度地提高的，尤其對(duì)于300m級(jí)面板堆石壩，由于其測(cè)點(diǎn)設(shè)計(jì)要求數(shù)量將近3倍于100m級(jí)面板堆石壩的測(cè)點(diǎn)數(shù)量，管路的保護(hù)技術(shù)也是難以克服的難題之一。

（3）引張線式水平位移計(jì)和水管式沉降計(jì)必須在臨時(shí)或永久觀測(cè)房建好后才能進(jìn)行安裝調(diào)試，面板堆石壩的壩后臨時(shí)或永久觀測(cè)房由于保護(hù)要求和施工干擾等原因，往往滯后嚴(yán)重，導(dǎo)致觀測(cè)結(jié)果難以全面反映堆石壩內(nèi)部變形變化過程[5]。

1.2 桿式水平位移計(jì)和液壓沉降計(jì)

桿式水平位移計(jì)和液壓沉降計(jì)是隨大壩監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)發(fā)展而開發(fā)的用于土石壩內(nèi)部變形監(jiān)測(cè)的儀器，桿式水平位移計(jì)包括串聯(lián)式和并聯(lián)式；液壓沉降計(jì)用于面板堆石壩內(nèi)部沉降觀測(cè)，其基本原理同傳統(tǒng)的水管式沉降計(jì)基本相同，不同之處主要為采用高精度壓力傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

傳統(tǒng)的銦鋼絲引張線式水平位移計(jì)和水管式沉降計(jì)能夠較好地對(duì)100m級(jí)面板堆石壩內(nèi)部變形進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠度高、可自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，使得桿式水平位移計(jì)和液壓沉降計(jì)在面板堆石壩內(nèi)部變形監(jiān)測(cè)未得到推廣應(yīng)用。分析其基本原理及其測(cè)量技術(shù)，桿式水平位移計(jì)和液壓沉降計(jì)用于300m級(jí)高面板堆石壩內(nèi)部變形觀測(cè)中也存在的一些問題。

（1）液壓沉降計(jì)和水管式沉降儀一樣，由于傳遞液壓壓力的水管管線過長(zhǎng)，其水壓力傳遞和平衡過程的時(shí)間將成倍增加，從而影響液壓沉降計(jì)的測(cè)量準(zhǔn)確性。

（2）用串聯(lián)式桿式水平位移計(jì)測(cè)量壩體內(nèi)水平位移是通過串聯(lián)在一起的各個(gè)位移計(jì)的測(cè)值計(jì)算得到，其中任何一個(gè)位移計(jì)出現(xiàn)測(cè)量誤差或損壞都將影響整條系統(tǒng)。

（3）桿式水平位移計(jì)監(jiān)測(cè)300m級(jí)面板堆石壩內(nèi)部變形的測(cè)點(diǎn)錨固板、位移計(jì)和傳遞測(cè)桿的連接結(jié)構(gòu)型式、材料、合理的直徑等有待通過模型試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證其適用性和可靠性。

（4）液壓沉降計(jì)中高精度壓力傳感器安裝結(jié)構(gòu)，進(jìn)、出水管與沉降計(jì)的連接方式，傳遞壓力水管管路直徑、材料等有待通過模型試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證其適用性和可靠性[6]。

2 新型監(jiān)測(cè)技術(shù)研究

2.1 管道機(jī)器人系統(tǒng)

圖1 管道機(jī)器人實(shí)物及裝配橫剖面圖Figure 1 Pipeline robot physical and assembly cross section

南京水利科學(xué)研究院與中國(guó)電建集團(tuán)昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司聯(lián)合開發(fā)了高面板堆石壩內(nèi)部變形觀測(cè)機(jī)器人系統(tǒng)，主要包括機(jī)器人、管道、測(cè)量和保護(hù)系統(tǒng)[7]。機(jī)器人多種工作臂可以選擇更換，包括全景攝像頭、清障工作臂、測(cè)量臂，自帶動(dòng)力和自行走；測(cè)量系統(tǒng)可監(jiān)測(cè)大壩水平位移和沉降，測(cè)量數(shù)據(jù)自動(dòng)存儲(chǔ)和讀??；軌道系統(tǒng)包括軌道長(zhǎng)度測(cè)量和計(jì)數(shù)裝置，機(jī)器人和測(cè)量系統(tǒng)行走精密軌道；保護(hù)系統(tǒng)為適用于面板堆石壩堆石體內(nèi)的管道保護(hù)結(jié)構(gòu)型式和保護(hù)材料（見圖1）。大壩內(nèi)部水平和沉降變形觀測(cè)機(jī)器人系統(tǒng)的測(cè)量系統(tǒng)在軌道系統(tǒng)中行走動(dòng)力除機(jī)器人提供動(dòng)力方式外，也可以采用自動(dòng)控制卷?yè)P(yáng)機(jī)和高強(qiáng)度不銹鋼鋼絲繩牽引行走。系統(tǒng)中水平變形和沉降監(jiān)測(cè)采用高精度伺服加速度計(jì)傳感器，其沉降測(cè)量精度為0.02mm/m，換算得300m級(jí)面板堆石壩800m長(zhǎng)軌道的沉降測(cè)量精度不大于16mm，相對(duì)于300m級(jí)面板堆石壩可能發(fā)生的最大沉降，其沉降測(cè)量精度為0.46%～0.53%F.S，水平位移采用高精度光學(xué)測(cè)距技術(shù)，其水平位移測(cè)量精度為1mm，相對(duì)于300m級(jí)面板堆石壩可能發(fā)生的最大水平位移，其水平測(cè)量精度為0.17%～0.33%F.S[8]。

2.2 柔性測(cè)斜儀

柔性測(cè)斜儀是基于連續(xù)測(cè)斜原理設(shè)計(jì)的高精度一體化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，它由數(shù)個(gè)長(zhǎng)度0.5m或1m的剛性傳感器節(jié)點(diǎn)、首尾連接而組成的一個(gè)傳感器陣列，傳感器節(jié)點(diǎn)之間采用軸向±60°范圍內(nèi)可自由彎曲的關(guān)節(jié)連接，能充分匹配型面變化要求。節(jié)點(diǎn)的儀器電纜穿過中空柔性連接件逐級(jí)傳遞，整套系統(tǒng)保持單根電纜傳輸信號(hào)[9]（見圖2）。

圖2 柔性測(cè)斜儀結(jié)構(gòu)示意圖Figure 2 Schematic diagram of node structure of flexible fixed inclinometer

柔性測(cè)斜儀具有如下優(yōu)點(diǎn)，外表面敷以高強(qiáng)度不銹鋼編織網(wǎng)，具有極高的抗拉強(qiáng)度，采用整體防水密封結(jié)構(gòu)，能在各種惡劣環(huán)境下工作；可以連續(xù)、準(zhǔn)確地測(cè)量整個(gè)裝置覆蓋區(qū)域的位移變形情況，埋設(shè)安裝簡(jiǎn)便，無須控制方向，無須使用帶有導(dǎo)槽的測(cè)斜管，無論是鉛直、水平還是傾斜，只需將傳感器整體插入預(yù)先埋設(shè)的套管中或者直接埋入預(yù)留的回填溝槽中即可；從原理上克服了活動(dòng)式測(cè)斜儀類產(chǎn)品在工程應(yīng)用中存在的各種技術(shù)缺陷，如累積誤差大、人工監(jiān)測(cè)強(qiáng)度高、自動(dòng)化監(jiān)測(cè)功能不足等，同時(shí)解決了固定式測(cè)斜儀類產(chǎn)品在工程應(yīng)用中碰到的各種技術(shù)問題，如測(cè)點(diǎn)間距較大帶來的位移疊加成果失真、安裝方法復(fù)雜、測(cè)點(diǎn)布設(shè)數(shù)量受限等。

2.3 磁性桿式位移計(jì)和電磁式沉降儀

磁性位移計(jì)是通過感知傳感器外部的磁體相對(duì)位置的變化來測(cè)量位移變化，磁環(huán)作為固定在待測(cè)位置的土體中的測(cè)點(diǎn)，當(dāng)測(cè)點(diǎn)與錨固點(diǎn)之間產(chǎn)生相對(duì)位移時(shí)，錨固墩通過傳遞桿帶動(dòng)磁性位移計(jì)產(chǎn)生相對(duì)于磁環(huán)的位移變化，從而通過傳感器感知土體的位移變化。磁性位移計(jì)傳感器采用數(shù)字接口通信，并通過電纜引至測(cè)站與專用的數(shù)據(jù)采集裝置連接，也可通過藍(lán)牙手機(jī)或無線模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。

基于液壓測(cè)量的水管沉降儀，即在待測(cè)點(diǎn)位置設(shè)置密封容器（測(cè)頭），密封容器通過兩根通液管與設(shè)置在觀測(cè)站處的儲(chǔ)液灌連接，當(dāng)測(cè)頭相對(duì)于儲(chǔ)液灌的高差產(chǎn)生變化時(shí)，測(cè)頭內(nèi)的壓力傳感器可感知測(cè)頭內(nèi)壓力變化。由于容器與管線是完全密封的，因此永久不用補(bǔ)充液體，且儲(chǔ)液灌內(nèi)的液位保持不變。由于采用液壓測(cè)量來反映沉降量，因此需要傳感器在滿足量程的同時(shí)還需要有較高的分辨率，液位壓力信號(hào)傳輸?shù)接^測(cè)站或指定位置與數(shù)據(jù)采集裝置連接，也可通過藍(lán)牙手機(jī)或無線模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。

每個(gè)測(cè)點(diǎn)均為一個(gè)獨(dú)立的測(cè)線，便于埋設(shè)、安裝調(diào)試，如有多個(gè)測(cè)點(diǎn)則形成多條并列的測(cè)線，并且在工作時(shí)互不影響。

2.4 300m級(jí)高面板壩SAR變形監(jiān)測(cè)技術(shù)

合成孔徑雷達(dá)（Synthetic Aperture Radar，SAR）是一種工作在微波波段的相干遙感成像系統(tǒng)，既能感知地表對(duì)微波的后向散射特性，又能精確量測(cè)地形及其變化的獨(dú)特的對(duì)地觀測(cè)數(shù)據(jù)源[10]。此外，SAR系統(tǒng)獲取數(shù)據(jù)不受氣象條件的影響，在多云雨天氣的地區(qū)仍能夠以固定重訪周期對(duì)地表進(jìn)行穩(wěn)定、連續(xù)的觀測(cè)。近十幾年來，隨著InSAR技術(shù)理論不斷完善和運(yùn)用實(shí)踐，InSAR技術(shù)在地表高程和形變量測(cè)方面的精確性及有效性得以大幅度提升，當(dāng)SAR數(shù)據(jù)具有合適范圍覆蓋和成像參數(shù)，則可獲得目標(biāo)的信息；應(yīng)用星載SAR技術(shù)可以獲得面狀分布的變形信息，而常規(guī)的地面測(cè)量技術(shù)（GPS，測(cè)量機(jī)器人等）受限于量測(cè)點(diǎn)布設(shè)的約束，只能對(duì)少量的點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè)，無法全面掌握壩體結(jié)構(gòu)及其周邊的整體變形情況，因此利用SAR數(shù)據(jù)對(duì)堆石壩開展變形監(jiān)測(cè)將成為一種便捷高效的方式，并可作為監(jiān)測(cè)人員難以到達(dá)地區(qū)地面監(jiān)測(cè)的主要手段[11]。

通過實(shí)驗(yàn)和分析，驗(yàn)證了應(yīng)用SAR技術(shù)進(jìn)行土石壩變形監(jiān)測(cè)的可行性。并提出了實(shí)施改進(jìn)建議：

（1）進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間序列SAR數(shù)據(jù)分析。面板壩往往在地形復(fù)雜的山區(qū)建設(shè)，數(shù)據(jù)解算的難度和精度都有可能發(fā)生變化，有必要根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整數(shù)據(jù)處理流程和拓展關(guān)鍵技術(shù)。在實(shí)際工程應(yīng)用中，增加觀測(cè)次數(shù)可以有效地提高形變量提取的精度和可靠性。

（2）引入更高分辨率的星載SAR數(shù)據(jù)。從SAR影像和幅度和相位的分析和解譯結(jié)果來看，采用較高分辨率(1m甚至0.25m)的時(shí)間序列SAR數(shù)據(jù)集，能更好地探測(cè)大壩的細(xì)部結(jié)構(gòu)，并給出更精細(xì)的監(jiān)測(cè)結(jié)果。目前星載SAR數(shù)據(jù)的商業(yè)價(jià)格不斷降低，從而大大增加了工程應(yīng)用中采用高分辨率星載SAR數(shù)據(jù)的可行性。

（3）結(jié)合地基雷達(dá)SAR系統(tǒng)（GBSAR）。星載SAR數(shù)據(jù)比較適合提取垂直方向的形變量。為了進(jìn)一步獲取大壩的詳細(xì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，可以使用地基雷達(dá)SAR。地基SAR系統(tǒng)可以根據(jù)觀測(cè)場(chǎng)景選擇最佳觀測(cè)視角和時(shí)間基線，具有很好的靈活性和可操作性，而且地基SAR系統(tǒng)的空間分辨率更高、重復(fù)觀測(cè)周期更短，具有亞毫米級(jí)的測(cè)量精度。因此，地基SAR是星載SAR變形監(jiān)測(cè)的有效補(bǔ)充手段。地基雷達(dá)SAR可以獲取近乎實(shí)時(shí)的變化，為大壩穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)提供依據(jù)。

2.5 土石壩監(jiān)測(cè)廊道

隨著高面板堆石壩變性控制技術(shù)的發(fā)展，壩體總變形量和不均勻變形梯度大大減小，在壩體內(nèi)部設(shè)置監(jiān)測(cè)廊道成為可行且安全監(jiān)測(cè)技術(shù)，通過對(duì)該技術(shù)進(jìn)行深入研究，在高土石壩內(nèi)分?jǐn)嗝娣指叱淘O(shè)置監(jiān)測(cè)廊道，監(jiān)測(cè)廊道內(nèi)分段布置變形監(jiān)測(cè)儀器，從而減小土石壩內(nèi)部變形監(jiān)測(cè)儀器的長(zhǎng)度，解決長(zhǎng)距離變形監(jiān)測(cè)儀器的適應(yīng)性和可靠性問題。通過設(shè)置監(jiān)測(cè)廊道，可免去原監(jiān)測(cè)儀器溝槽開挖、回填的工作量，在增快施工進(jìn)度和填筑質(zhì)量；監(jiān)測(cè)儀器布置在監(jiān)測(cè)廊道內(nèi)，堆石體內(nèi)滲流、應(yīng)力等監(jiān)測(cè)儀器電纜可就近引入監(jiān)測(cè)廊道，避免或減少了電纜長(zhǎng)距離在堆石體內(nèi)牽引有可能被損壞等問題，免去碾壓等影響，儀器成活率高，同時(shí)監(jiān)測(cè)儀器如出現(xiàn)異常及損壞等，觀測(cè)人員可通過監(jiān)測(cè)廊道人工巡視檢查，方便維修。

選擇在河中最大壩高部位、岸坡典型部位順河向布置監(jiān)測(cè)廊道，廊道初步設(shè)計(jì)采用預(yù)應(yīng)力預(yù)制廊道，每段預(yù)制廊道長(zhǎng)度在1.5～3.0m之間，預(yù)制廊道之間采用土工膜或?yàn)r青等填充以適應(yīng)堆石壩不均勻沉降。根據(jù)目前高土石壩實(shí)測(cè)和計(jì)算成果，在堆石體沉降較大部位2.0m預(yù)制廊道之間相對(duì)沉降約為2～3cm，可通過適當(dāng)減小預(yù)制廊道的長(zhǎng)度（如1.5m）來適應(yīng)堆石體的變形，對(duì)于相對(duì)沉降較小部位（如靠近下游壩坡）等部位，預(yù)制廊道的長(zhǎng)度可適當(dāng)增加至3.0m左右（見圖3）。

為解決廊道滲流問題，主要措施包括防水和排水措施，防水措施為在廊道接頭部位設(shè)置橡膠等止水條，廊道內(nèi)部設(shè)置排水溝和匯水井，保證廊道內(nèi)部的排水通暢，以便監(jiān)測(cè)儀器的正常工作（見圖4）。

圖3 監(jiān)測(cè)廊道設(shè)置示意圖Figure 3 Diagram of monitoring corridor settings

圖4 監(jiān)測(cè)廊道內(nèi)變形監(jiān)測(cè)儀器布置示意圖Figure 4 Schematic layout of deformation monitoring instruments in monitoring corridors

3 結(jié)束語(yǔ)

通過對(duì)我國(guó)已建的200m級(jí)高面板堆石壩的監(jiān)測(cè)布置、關(guān)鍵監(jiān)測(cè)技術(shù)及應(yīng)用效果、監(jiān)測(cè)成果等進(jìn)行了全面調(diào)查和梳理，對(duì)不同原理的監(jiān)測(cè)技術(shù)手段的適應(yīng)性與缺陷進(jìn)行了對(duì)比分析和總結(jié)。針對(duì)300m級(jí)高面板堆石壩的監(jiān)測(cè)關(guān)鍵技術(shù)，研發(fā)了管道機(jī)器人、柔性測(cè)斜儀、1000m級(jí)超長(zhǎng)管路沉降儀、土石壩監(jiān)測(cè)廊道等內(nèi)部變形監(jiān)測(cè)儀器和監(jiān)測(cè)技術(shù)，通過實(shí)驗(yàn)表明，監(jiān)測(cè)儀器及精度總體滿足高面板堆石壩監(jiān)測(cè)要求。