大壩安全監(jiān)測技術研究

田俊生，高明忠

(1.四川大唐國際甘孜水電開發(fā)有限公司，四川康定626001;2.四川大學水利水電學院，四川成都610065)

新中國成立以來，水利水電工程事業(yè)快速發(fā)展，尤其是在改革開放之后，在短短幾十年間，水電建設事業(yè)已取得巨大成就，建設的水電工程數(shù)量越來越多，工程規(guī)模也越來越大。隨著近年來各種高壩的建設，如今的中國已躋身世界水電大國之列。在“十二五”規(guī)劃綱要中，水電資源成為需要積極發(fā)展的能源種類。國內(nèi)的水資源稟賦、水電開發(fā)利用程度以及節(jié)能減排要求等因素，共同決定了“十二五”期間大力發(fā)展水電。水利水電建設事業(yè)的發(fā)展必然引導水電站或水庫大壩運行管理技術的發(fā)展。隨著工程規(guī)模的不斷提升，大壩的安全運行將會越來越復雜，對大壩管理提出的要求也會更多，所需達到的標準也會更高。因此，為了確保水利水電工程高效而可靠地運行，大壩的安全監(jiān)測及其自動化就顯得越來越重要。目前，國家相關部門已將大壩安全監(jiān)測工作提上日程。

大壩安全監(jiān)測有三大環(huán)節(jié)，分別為數(shù)據(jù)量測、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)分析。利用現(xiàn)代信息技術中的傳感器技術、通信技術和計算機技術，這三大環(huán)節(jié)分別構(gòu)成了安全監(jiān)測系統(tǒng)中的“感官”、“神經(jīng)”和“頭腦”。隨著大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)自動化程度的不斷提高以及其復雜性的日趨增加，對安全監(jiān)測儀器的精度、可靠性和響應的要求也越來越高。可以這么說，如果“感官”出了毛病，給出的信息失真了，那么，“神經(jīng)“所傳送的信息其本身就是錯誤的，無論再聰明的“頭腦”也無能為力。由此可知，在大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)量測環(huán)節(jié)是大壩安全評價系統(tǒng)的根基，做好數(shù)據(jù)的量測工作具有重要意義。而數(shù)據(jù)的量測是通過各類安全監(jiān)測設備實現(xiàn)的，高效穩(wěn)定的安全監(jiān)測儀器將會為數(shù)據(jù)量測環(huán)節(jié)提供有力的保障。

筆者在對國內(nèi)大壩安全監(jiān)測自動化設備、儀器調(diào)查研究的基礎上，著重研究了土石壩變形、滲流、壓力(應力)、應變、溫度及環(huán)境量等安全監(jiān)測項目中所使用的新設備、新技術，對各類儀器的工作原理、技術特點、布設要點進行了詳細闡述，從大壩安全監(jiān)測儀器、設備發(fā)展角度出發(fā)，探究了土石壩的安全監(jiān)測技術。最后，闡明了土石壩安全監(jiān)測儀器設備選擇和布設的基本依據(jù)以及需要注意的一些問題，對當代大壩安全技術的發(fā)展提出了一些建議和展望，為今后水電站大壩安全監(jiān)測設計提供了一定的依據(jù)。

1 大壩安全監(jiān)測的重要意義

大壩建造在復雜的水文地質(zhì)和工程地質(zhì)環(huán)境中，運行中的大壩不僅承受著巨大的水壓力和溫度等環(huán)境荷載，有時還會受到地震荷載的沖擊，工作條件極為復雜。同時，由于材料性能、施工過程中造成的人為影響等因素，隨著使用年限的增長，大壩也會出現(xiàn)不同程度的老化、病變和裂縫等問題。這些缺陷或隱患若不能及時被診斷發(fā)現(xiàn)并解決，將隨時可能影響到大壩的安全運行，嚴重時還會造成災難性事故。目前，國內(nèi)已建成大壩8.6萬多座，其中大部分是20世紀50～60年代修建的中小型土石壩，這些大壩或沒有布設安全監(jiān)測設備，或設備儀器落后，其病害十分嚴重。此外，隨著時間流逝，一些早年布置了監(jiān)測設備的大壩也出現(xiàn)了老化和安全問題。大壩安全監(jiān)測問題已不容忽視，令人欣慰的是:近年來已得到國家的高度重視。

造成大壩失事的原因很多，主要有:(1)壩體泄水能力不足或遭遇超標準的洪水;(2)壩體質(zhì)量和基礎存在問題;(3)其他運行管理方面引發(fā)的問題。土石壩失事的主要原因是滲透破壞和壩坡失穩(wěn)，表現(xiàn)為壩體滲漏、壩基滲漏、塌坑、管涌、流土及滑坡等現(xiàn)象。據(jù)統(tǒng)計［1］，在失事大壩中，僅有35%是由于其自身泄洪能力不足，也就是勘測設計中存在洪水計算和防洪能力方面的問題;大部分大壩失事仍是由于其他工程原因或運行管理問題造成的，而這些問題卻是可以通過加強安全監(jiān)測及早發(fā)現(xiàn)問題并及時處理解決的。因此，建設和完善大壩安全監(jiān)測設施重要且必需。

2 大壩安全監(jiān)測技術現(xiàn)狀

大壩安全監(jiān)測是近幾十年才發(fā)展起來的一門新興的邊緣技術學科。在20世紀70年代之前，大壩安全監(jiān)測被稱為大壩原型觀測，即是在大壩原型中設置觀測儀器進行現(xiàn)場測量，以期獲得一些能夠反映大壩結(jié)構(gòu)性態(tài)變化的特征量。對大壩的安全進行監(jiān)測最早始于19世紀末，1891年，德國的埃施巴赫重力壩進行了變形觀測［2］。20世紀初，澳大利亞的巴倫杰克溪薄拱壩和瑞士的孟薩溫斯拱壩進行了撓度觀測，孟薩溫斯拱壩壩體還埋設了壓阻式儀器;美國新澤西州的波頓重力壩進行了溫度觀測。這些監(jiān)測最初主要是為了研究大壩的實際變形、溫度及應力狀態(tài)，用來驗證大壩的設計計算方法，從而改進壩工理論，發(fā)展壩工技術，其后才真正成為大壩安全管理的手段。自此之后，法國、德國等國家先后研制出了振弦式儀器，利用測量儀器中的鋼弦自振頻率，將所對應的大壩應力、應變、滲流壓力等物理量計算出來。與此同時，美國還開發(fā)研制出了差動電阻式儀器，并在許多國家得到了廣泛應用。

伴隨著20世紀30～70年代世界各國的筑壩高潮，大壩失事事件也時有發(fā)生。其中，知名的有法國Malpasset雙曲拱壩(最大壩高66.5 m)于1959年12月2日在蓄水期因左岸基礎滑動而潰壩;意大利Vajont雙曲高拱壩(最大壩高261.5 m)于1963年10月9日因庫岸滑坡造成漫頂，水庫廢棄;美國Teton土壩(最大壩高91.5 m)于1976年6月5日因壩基管涌而潰決。大壩失事造成的巨大災害引起了國際社會的高度重視，各國政府相繼建立和加強了大壩安全管理機構(gòu)，并且頒布了有關法令法規(guī)，大壩觀測也由最初的主要為設計、施工、科研等技術服務的輔助項目而發(fā)展成為監(jiān)視大壩安全運行這一涉及社會公共安全的重要事業(yè)。20世紀70年代以來，各國均致力于發(fā)展大壩安全監(jiān)測技術，各類新型監(jiān)測設備大量涌現(xiàn)，大壩安全監(jiān)控的理論和方法也得到了不斷完善［3］。隨著現(xiàn)代科技的進步，大壩安全監(jiān)測事業(yè)正在經(jīng)歷著一個前所未有的發(fā)展時期。

與國際上大壩安全監(jiān)測的發(fā)展進程相類似，中國從20世紀50年代開始了大壩原型觀測的研究和應用，也經(jīng)歷了一個從注重大壩的微觀觀測到關注宏觀監(jiān)測的發(fā)展過程。當時，國內(nèi)剛剛開始的大壩觀測工作正處于國際社會加強大壩性態(tài)研究的高潮時期，因而很自然地把工作重點放在了內(nèi)部觀測方面。例如:20世紀50年代，國內(nèi)開始在永定河上的官廳水庫和淮河上的南灣、薄山等大型水庫大壩上進行了水平位移、垂直沉降和浸潤線等項目的觀測;其后，在豐滿、佛子嶺、梅山水電站以及上猶江、流溪河等水庫大壩上安裝了溫度、應變計等監(jiān)測儀器;20世紀60年代后期，開始對一些大型水庫大壩進行滲流、滲流量、滲水濁度、波浪、傾斜、撓度、揚壓力、拉裂縫和應力應變以及水位、雨量等項目的觀測。到20世紀80年代，在各種會議和學術期刊的論文中，論述大壩變形、滲流、滲壓的文章已占絕大多數(shù)，同時，量測大壩變形、滲流、滲壓的儀器設備的研制也有了長足的發(fā)展。經(jīng)過多年的努力，如今，國內(nèi)主要安全監(jiān)測設備的研制及其工藝水平也取得了極大的進步，一些高、精、尖的技術和先進的儀器、設備已應用到了大壩安全監(jiān)測工作中，例如基礎的巖層電測、光纖傳感、電荷耦合元件(CCD)、全球定位系統(tǒng)(GPS)、大壩CT［4］和滲流熱監(jiān)測等技術，為大壩安全監(jiān)測技術的發(fā)展提供了有力的保障。

但是，國內(nèi)土石壩安全監(jiān)測的自動化滯后于混凝土壩。除20世紀90年代后期的小浪底堆石壩由國外公司承包施工，布置了一些進口儀器設備以外，安裝國內(nèi)設備并由國內(nèi)實施的土石壩工程則是21世紀初新疆烏魯瓦提水利樞紐工程的管理自動化，其首次系統(tǒng)地實施了土石壩的安全監(jiān)測管理自動化。此后，隨著土石壩安全監(jiān)測自動化設備的逐漸完善，結(jié)合混凝土壩安全監(jiān)測自動化的成功經(jīng)驗，土石壩安全監(jiān)測自動化技術發(fā)展的速度不斷加快。目前，新建的大型土石壩工程在設計時就已按自動化的方式進行布置，并從施工階段就已開始陸續(xù)實施自動化監(jiān)測。而今，土石壩安全監(jiān)測的自動化程度及其水平已同混凝土壩相當了。

3 土石壩安全監(jiān)測項目

對大壩的安全狀況進行實時監(jiān)測的主要目的有:(1)了解大壩在運行期間的安全狀況，及時準確地收集大壩安全監(jiān)測資料，可為評估大壩工作性態(tài)提供科學依據(jù)，進而通過控制運用或加固等工程措施保障大壩的安全;只要監(jiān)測及時、監(jiān)測數(shù)據(jù)可靠、分析判斷準確，就可以避免重大災害事故的發(fā)生或減少災害所造成的損失;(2)可以在施工過程中不斷獲得反饋信息，用以驗證設計的合理性，并為修正水工設計提供科學依據(jù)?？傊?，大壩安全監(jiān)測是為了了解大壩安全性態(tài)、對大壩安全實施科學管理所必不可少的重要手段。

了解大壩是否安全，一般需要通過日常的人工例行檢查和儀器監(jiān)測實現(xiàn)。日常人工例行檢查已被大多數(shù)水庫管理單位所理解和接受，且已普遍付諸實施，在水庫/水電站的安全管理中發(fā)揮了較好的作用。而儀器的監(jiān)測則是指依據(jù)相關規(guī)范，結(jié)合工程實際，在水庫大壩上布設各類安全監(jiān)測儀器和設備，從而采集大壩安全運行的各類性態(tài)信息。通過對這些信息進行處理和整編分析，結(jié)合人工例行檢查所提供的情況，對大壩的運行、安全狀況做出比較客觀的評價，這種評價結(jié)果可以作為大壩安全運行和水庫調(diào)度的依據(jù)，還可作為大壩除險加固或采取其他工程措施的依據(jù)［5］。

土石壩安全監(jiān)測的主要項目有:變形、滲流、壓力、應力應變、水力學及環(huán)境量等。其中變形和滲流監(jiān)測是最為重要的監(jiān)測項目，因為這些監(jiān)測量直觀可靠，可基本反映大壩在各種荷載作用下的安全性態(tài)。筆者著重介紹了土石壩變形、滲流、壓力(應力)、應變、溫度及環(huán)境量等安全監(jiān)測項目的監(jiān)測方法及儀器設備。

4 土石壩安全監(jiān)測設備革新

隨著新型水工建筑物的興建和發(fā)展，人們開始研制并安裝一些專門儀器設備用于觀測水工建筑物的性態(tài)，例如美國1927年建造的Stevenson Creek拱壩(最大壩高36 m)，埋設了140支電測儀器進行實際測量?？栠d(美國)發(fā)明的差動電阻式儀器運用于工程以后，人們對混凝土的應變、徐變、自身體積變形以及溫度等有了實際了解，從而建立了一整套由應變計觀測值計算混凝土應力的方法。差動電阻式儀器的測量長期穩(wěn)定性較好，適用于大體積混凝土建筑物的變形、應力、滲壓等方面的監(jiān)測，同時還能兼測測點的溫度，因此，該系列儀器經(jīng)過不斷改進后一直到現(xiàn)在仍被廣泛運用［6］。中國是生產(chǎn)差動電阻式儀器的大國，目前已生產(chǎn)了超過30萬支儀器應用于各類工程。振弦式儀器也已開始在水工建筑物中大量應用，這種儀器結(jié)構(gòu)簡單，測量長期穩(wěn)定性較好，儀器輸出的是頻率值，便于自動化和長距離測量。隨著監(jiān)測技術的發(fā)展，振弦式儀器的性能也得到了不斷的改進，使得該類儀器直到現(xiàn)在仍廣泛應用于土建、水工、橋梁等工程。

目前，研制出的用于監(jiān)測大壩變形的儀器有電容感應式、電磁感應式、光電式(CCD)、渦流感應式、電感式及步進馬達跟蹤式等遙測垂線座標儀;電容感應式、CCD及步進馬達跟蹤式等遙測引張線儀。監(jiān)測壩體沉降的儀器有電容感應式、CCD、步進馬達跟蹤式、電感式及差動變壓器式等遙測靜力水準儀;對壩體、基礎廊道、廠房、洞室、邊坡等基巖不同深度變形進行監(jiān)測的多點變位計;所用的位移傳感器有電位器式、電容感應式、鋼弦式、差動電阻式及LVDT等［7］。中國所筑的土石壩數(shù)量居世界首位，隨著建壩理論及施工技術的不斷發(fā)展，還興建了許多大型面板壩。為了滿足土石壩安全監(jiān)測的需要，國內(nèi)自行研制并生產(chǎn)了技術先進的土石壩監(jiān)測儀器，例如用于監(jiān)測面板周邊縫的差動電阻式、電位器式、振弦式三向測縫計;監(jiān)測土石壩內(nèi)部變形并可實現(xiàn)自動遙測的引張線式水平位移計、水管式沉降儀等。目前，國產(chǎn)儀器在技術性能、品種以及數(shù)量上都能夠滿足工程需要，并且還有很多技術創(chuàng)新。

5 結(jié)論與建議

筆者在研究國內(nèi)大壩安全監(jiān)測儀器的基礎上，著重對土石壩安全監(jiān)測的相關問題進行了介紹。土石壩安全監(jiān)測相關儀器種類繁多，筆者僅從安全監(jiān)測儀器選擇及布設方面探究了土石壩安全監(jiān)測的基礎工作，至于后續(xù)的自動化監(jiān)測系統(tǒng)的確立及監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理、分析和評價，還有待進一步的研究。

目前，傳統(tǒng)的安全監(jiān)測技術已趨于完善，但新型監(jiān)測技術的開發(fā)和應用仍較為滯后，一些新技術仍處于理論探討和試驗性的研究階段，例如:①GPS監(jiān)測技術在一機多天線等方面取得了快速進展，但其造價較高，很難被大部分業(yè)主所接受，有待開發(fā)降低其造價的新理論和新方法;②大壩CT技術在結(jié)構(gòu)損傷檢測、力學特性測試等幾個方面取得了一些成果，但是其在波的傳播和圖像重構(gòu)方面還較為原始，難以被大規(guī)模推廣和應用;③光纖光柵技術在溫度、滲流、裂縫監(jiān)測等方面得到了一定的應用，但其多元化和智能化程度還不夠高;④當前的土石壩變形監(jiān)測自動化技術手段還很少，這也是監(jiān)測技術中亟待研究解決的重大課題。

我國的大壩安全監(jiān)測技術雖然已經(jīng)較為成熟，某些方面甚至已達到了國際先進水平，但是，在新的時代仍然面臨著許多新的挑戰(zhàn)。展望未來，希望能夠看到的是一個完整的、滿足大壩及工程安全監(jiān)測需求的儀器系列，它們將是高精度、高可靠性、高穩(wěn)定性和智能化的儀器系統(tǒng);一個功能強大、性能優(yōu)良、穩(wěn)定可靠、小型化的自動化采集裝置;一個可采用多總線、多介質(zhì)構(gòu)建各種規(guī)模的、穩(wěn)定可靠、智能化的大壩安全監(jiān)測自動化系統(tǒng);一個具有區(qū)域性綜合管理能力的大壩安全監(jiān)控網(wǎng)絡管理系統(tǒng)，它擁有完備的智能化在線監(jiān)測、離線分析、安全評判、風險評估和決策支持系統(tǒng)，能及時、充分地挖掘大壩安全監(jiān)測的有用信息，在確保大壩安全運行的基礎上，充分發(fā)揮水電站/水庫的最大經(jīng)濟效益和社會效益。

國內(nèi)的水電建設事業(yè)尚在蓬勃發(fā)展，水電站/水庫自動化的應用需求也在不斷提高，可以預期，水電站/水庫的綜合一體化、智能化即將實現(xiàn)，在不久的將來，中國大壩安全監(jiān)測自動化的水平將全面處于國際領先水平。

［1］吳中如.水工建筑安全監(jiān)控理論及應用［M］.北京:高等教育出版社，2003.

［2］趙志仁，徐銳.國內(nèi)外大壩安全監(jiān)測技術發(fā)展現(xiàn)狀與展望［J］.水電自動化與大壩監(jiān)測，2010，34(5):52－57.

［3］程勝祥，帥永建，何領軍.國際工程大壩安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)設計與施工［J］.四川水力發(fā)電，2010，29(4):98－101.

［4］Xu Youren，Tang Hongwu，Yang Jiansheng，et al.Optical CT applied to dam pendulum wire coordinatemeasurement［J］.Laser journal，1999，20(4):27－28.

［5］酈能惠.土石壩安全監(jiān)測分析評價預報系統(tǒng)［M］.北京:中國水利水電出版社，2002.

［6］Gu Chongshi，Zhao Erfeng，Jin Yi.Singular value diagnosis in dam safetymonitoring effect values［J］.Science China:Technological Sciences，2011，54(5):1169–1176.

［7］Li Nenghui，Li Zechong，LiGuoying.New advances on monitoring safety of concrete faced rockfill dam in China［C］.In:Proc.International Symposium on Concrete Faced Rockfill Dams，International Symposium on Concrete Faced Rock－fill Dams，Beijing，2000.