水利樞紐外部變形監(jiān)測技術(shù)研究

萬凌翔（廣州市水務規(guī)劃勘測設計研究院，廣東廣州510000）

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水利樞紐外部變形監(jiān)測技術(shù)研究

萬凌翔
（廣州市水務規(guī)劃勘測設計研究院，廣東廣州510000）

水利樞紐屬于水利基礎設施建設的一種，在抗洪防澇、防旱減災中發(fā)揮著重要作用。水利樞紐設施在長期的使用過程中，建筑外部容易發(fā)生變形，會對水利樞紐的安全性產(chǎn)生不良影響，因此水利樞紐工程外部變形監(jiān)測對維護水利樞紐的使用安全具有重要的意義。本文介紹和分析了各種常規(guī)變形監(jiān)測的技術(shù)以及一些新技術(shù)的應用，指出了變形監(jiān)測向一體化、自動化、數(shù)字化、智能化發(fā)展的方向，對水利樞紐外部變形監(jiān)測技術(shù)進行有效的探究。

水利樞紐；外部變形；監(jiān)測技術(shù)；智能化；數(shù)字化

DOI：10.3969 /j.issn.1672-2469.2016.01.026

水利樞紐是集防洪、灌溉、發(fā)電和航運等各種功能于一身的綜合性工程，在我國經(jīng)濟發(fā)展和建設中發(fā)揮著重要的作用。正因為如此，實施水利樞紐的安全監(jiān)測是非常重要的。其中變形監(jiān)測能直觀反映工程運行性態(tài)，許多水工建筑物性態(tài)出現(xiàn)異常，最初都是通過變形監(jiān)測值出現(xiàn)異常得到反映的，因此將變形監(jiān)測項目列為安全監(jiān)測的首選監(jiān)測項目。

變形監(jiān)測的主要內(nèi)容包括幾何量監(jiān)測和物理量檢測，水利樞紐的外部變形監(jiān)測主要以幾何量監(jiān)測為主，主要監(jiān)測的內(nèi)容包括：水平位移、垂直位移、傾斜、撓度、彎曲、扭轉(zhuǎn)、震動、裂縫等。下面就對一些常規(guī)的監(jiān)測項目進行一些介紹和分析。

1 水平位移監(jiān)測技術(shù)

水平位移監(jiān)測技術(shù)又包括很多具體的方法，其中包括激光準直法、視準線法、正倒垂線法、引張線法、前方交匯法以及導線法等等。

1.1 激光準直法

激光具有很多優(yōu)點，比如方向性強和單色性好等，激光準直法就是充分利用激光的這種優(yōu)勢，建立一條視準線，并將這條線作為基準進行測量。測量時所依據(jù)的原理也不同，因此又可以分為衍射法準直和直接準直。衍射法準直所測得精度要比直接準直更高。

衍射法準直的傳播介質(zhì)是不同的，根據(jù)傳播介質(zhì)的不同又可以分為真空激光準直和大氣激光準直兩種。真空激光準直是將激光放在真空管道中，在真空中傳播能夠減少外界因素的干擾，具有很高的精度，現(xiàn)在已經(jīng)應用于很多水利樞紐工程中，主要是針對長壩和高壩的變形監(jiān)測。大氣激光準直法是讓激光直接在大氣中傳播，這種方法針對的是小型壩，大氣激光準直法很容易受到外界的干擾，所以精度相對較低，也很難實現(xiàn)自動化。但是隨著科技的發(fā)展，逐漸采用了新的技術(shù)，比如CCD技術(shù)，該項技術(shù)的運用能夠消除外界因素的影響，精度提高了很多，也實現(xiàn)了自動化監(jiān)測，亦被運用到很多工程中。

1.2 視準線法

對于直線型的大壩，這種方法主要是測量水平位移；如果是非直線型的大壩，要采用分段的方法進行測量。視準線法包括兩種方法，分別是測小角法和活動覘牌法，前者的精度要比后者高。視準線法具有很大的局限性，它的測量精度較低，很容易受外界環(huán)境的影響，不容易實現(xiàn)全自動的監(jiān)測。但是它的造價很低。為了能夠發(fā)揮它的作用必須要采取相應的措施，盡量選擇像TCA2003自動跟蹤全站儀這樣精度高的儀器，還要不斷改進操作方法和監(jiān)測技術(shù)，全面提高視準線法的自動化監(jiān)測水平。

1.3 正倒垂線法

正倒垂線法具有很多優(yōu)點，既能進行水平位移監(jiān)測，又能對大壩進行撓度監(jiān)測。為了便于觀測大壩各點間的位移、壩基的位移和壩體的撓度，要把正垂線的一端固定在壩頂附近，另外一端要懸掛重錘。倒垂線的處理和正垂線不同，要將倒垂線的一端埋設在大壩的深層基底處，另一端讓它浮起來就可以，用來測大壩的絕對位移。

1.4 引張線法

引張線法是在一條不銹鋼鋼絲的兩端施加張力，并保持投影呈直線，這樣就能測出被測點和直線的偏距。引張線法是以一條物理直線為基準進行的，其特點是應用較為普遍，受外界環(huán)境的影響很小，而且造價很低，測得的精度很高，自動讀數(shù)要比人工讀數(shù)的精度更高。

1.5 前方交匯法

前方交匯法用于下游、拱冠等一些不易測量的點位或者觀測效率很低的位置，并測量這些位置的水平位移。但是測量會存在誤差，導致誤差的原因有很多，比如角度、基線的長度、圖形的機構(gòu)以及外界環(huán)境的變化等，測量精度相對來說很低，一般在±1mm～±3mm之間，這種測量方法操作起來很復雜，涉及到的計算也很多，都是配合其他測量方法使用，一般不單獨使用。

1.6 導線法

導線測量法的應用很廣泛，可以對拱壩的水平位移進行監(jiān)測。但是也有一些缺點，比如量邊過程中涉及的工作量很多，受旁折光的影響很大。要避免這些問題，必須要進行合理的布設，盡量設成直伸環(huán)形網(wǎng)結(jié)構(gòu)，這樣能夠提高測量的精度，也能防止旁折光的影響。

2 垂直位移監(jiān)測技術(shù)

垂直位移監(jiān)測技術(shù)主要包括兩種方法，一是幾何水準法，二是連通管法。

2.1 幾何水準法

進行垂直位移監(jiān)測最常用的方法就是幾何水準法，這種方法比較簡便，精度也很高。其測量步驟是：首先根據(jù)水準基準點分別校測各個工作基點，針對不同的大壩采用不同的水準測量，通?；炷翂尾捎靡坏人疁蕼y量，土壩采用二等水準測量；其次是根據(jù)工作基點分別測定各變形點。

幾何水準法能夠滿足各方面的需求，需要改進的問題就是實現(xiàn)自動化觀測，為了提高工作效率可以采用電子水準儀。

2.2 連通管法

連通管法也叫做流體靜力水準法，這種方法是依據(jù)連通管的原理進行的。其測量精度很高，也能實現(xiàn)自動化，是進行垂直位移監(jiān)測普遍使用的方法。但是這種方法也存在一些缺點，因為測點要保持在同一水平，所以測量范圍就相對較小，但是隨著一些新儀器的使用，其測量范圍也逐漸擴大。

3 三維位移監(jiān)測技術(shù)

上述各種監(jiān)測方法都單獨對變形點一個方向上的變化進行測量，而且還存在著周期性較長、測量成果不具備同時性的特點，這樣一來也就無法準確觀察到水利樞紐周圍觀測物體的具體變化情況，也就影響了施工人員的具體判斷，降低了成果的使用價值。隨著科技的進步，越來越多的實際應用中都采取三維位移監(jiān)測，同時獲取變形點的三維位移值。應用較廣的技術(shù)主要有三個，分別是：極坐標法、全站儀TPS變形監(jiān)測系統(tǒng)和GPS變形監(jiān)測系統(tǒng)。

3.1 極坐標法

這種方法采用的是極坐標測量法原理，使用的是具有超高精度的測量儀器。系統(tǒng)的配置也很高，主要由TCA全站儀、精度極高的數(shù)字溫度計、氣壓計和APSWin軟件等組成。在測量時能夠?qū)崿F(xiàn)自動化，縮短測量時間，能夠減少外界環(huán)境的影響。基準網(wǎng)的信息具有很強的穩(wěn)定性，利用這些信息即使不測量氣象元素也能夠?qū)Υ髿庹凵浜驼酃膺M行實施糾正。極坐標差分監(jiān)測系統(tǒng)主要包括TCA全站儀APSWin軟件和MRDiff軟件，其配置很高，精度很高，能夠準確的獲取三維坐標。該系統(tǒng)現(xiàn)在已被運用到多個水利樞紐的變形監(jiān)測中，并且發(fā)揮了很大的作用。

3.2 全站儀TPS變形監(jiān)測系統(tǒng)

全站儀TPS變形監(jiān)測系統(tǒng)是集多種監(jiān)測儀器為一體的監(jiān)測系統(tǒng)，他不僅可以實現(xiàn)測量的智能化全程控制，還能夠自動進行目標的識別、照準、測距以及記錄。因為能實現(xiàn)一體化的自動操作，全站儀TPS變形儀器又被叫做測量機器人。在大壩周圍環(huán)境視野較為開闊的條件下，可以在大壩周圍較為穩(wěn)定的地方設置測量機器人。與此同時，因為全站儀TPS是集多種監(jiān)測儀器為一體的監(jiān)測系統(tǒng)，所以在大壩兩側(cè)地形較為平整的地方設置基準點以及反射棱鏡。這樣無需人工看守，只需要一臺計算機就可以實現(xiàn)對水利樞紐的監(jiān)測。然而，在測量當中應該注意的是，因為監(jiān)測系統(tǒng)采用的

是智能化自動控制，所以在受天氣因素影響和周圍視野模糊的情況下，全站儀TPS變形監(jiān)測系統(tǒng)很難得到準確的監(jiān)測數(shù)據(jù)，也就影響了水利工程施工工人的準確判斷。

3.3 GPS導航系統(tǒng)變形監(jiān)測系統(tǒng)

GPS變形監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)σ坏絻汕滓詢?nèi)的短基線進行測量，并能夠獲得極高的精度，可以達到亞毫米級的定位精度。這個系統(tǒng)主要有五個模塊組成，分別是數(shù)據(jù)的采集、處理、分析、管理和總控。通常在水利樞紐建筑物不受變形影響的地方設置GPS基準站，在被監(jiān)測物上合理布置幾個恰當?shù)奈灰票O(jiān)測點，然后在各點架設GPS接受機進行信號接收的監(jiān)測，從而確保其能夠準確的接收到GPS衛(wèi)星信號。然后再通過網(wǎng)絡技術(shù)把各點GPS接受機所接收到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)街行木W(wǎng)絡服務器當中，網(wǎng)絡服務器根據(jù)數(shù)據(jù)推出位移觀測點的空間三維坐標，最后得出觀察點的空間三維坐標之差。

該系統(tǒng)有很多優(yōu)點：具有很高的精度，可以實現(xiàn)連續(xù)自動觀測。但是也存在一些缺點：第一是觀測點必須要對空開闊，對于衛(wèi)星的要求也是很多的，必須要四個以上；第二是不能得到實時觀測數(shù)據(jù)；第三是成本相對來說很高，觀測點增加就要相應增加GPS接收機。

4 新技術(shù)的發(fā)展

無論是全站儀TPS變形監(jiān)測系統(tǒng)還是GPS變形監(jiān)測系統(tǒng)，都給變形監(jiān)測技術(shù)帶來了很大的進步，當然他們也有著自身的局限性，但是技術(shù)總是在不斷革新的。在很多復雜的大型水利工程中，GPS/TPS組合系統(tǒng)也得到了開發(fā)和應用，這是一套可靠性極高的綜合性自動監(jiān)測系統(tǒng)，將GPS和TPS優(yōu)點很好的結(jié)合在一起。還有為了解決GPS接收機成本問題而出現(xiàn)的多天線GPS監(jiān)測系統(tǒng)，通過多個GPS天線與一臺GPS接收機連接在一起，并設置天線轉(zhuǎn)換開關逐個切換，來實現(xiàn)分時段接受觀測信號，節(jié)省了大量的硬件成本。同時還有為了應對GPS系統(tǒng)管理者美國軍方的人為控制和干擾，將俄羅斯的GLONASS、歐洲的GALILEO以及我國的北斗等多種衛(wèi)星導航系統(tǒng)結(jié)合到變形觀測系統(tǒng)中，給變形監(jiān)測工作帶來了更可靠的保證。

5 結(jié)語

綜上所述，科技的進步使得水利樞紐外部變形監(jiān)測技術(shù)經(jīng)歷了從手工到自動，從低精度到高精度，從一維到三維的過程。水利樞紐外部變形監(jiān)測技術(shù)包括三種，分別是水平位移監(jiān)測、縱向位移監(jiān)測、三維位移監(jiān)測。每一種監(jiān)測技術(shù)中都容納了眾多的技術(shù)，隨著智能傳感器以及互聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)的發(fā)展，我們可以預見，未來的變形監(jiān)測技術(shù)將會具有高精度、高效率、人工智能化等特點，可以更好的為水利樞紐工程的正常運行保駕護航。

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2015-09-18

萬凌翔（1986年—），男，工程師。