中國高面板堆石壩安全監(jiān)測關(guān)鍵技術(shù)進展與展望

鄒青（中國電建集團昆明勘測設(shè)計研究院有限公司，云南昆明，650051）

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中國高面板堆石壩安全監(jiān)測關(guān)鍵技術(shù)進展與展望

鄒青
（中國電建集團昆明勘測設(shè)計研究院有限公司，云南昆明，650051）

摘要：通過收集整理國內(nèi)具有代表性的高面板堆石壩關(guān)鍵監(jiān)測技術(shù)及應(yīng)用情況，對國內(nèi)200 m級高面板堆石壩安全監(jiān)測技術(shù)進行深入調(diào)查，總結(jié)高堆石壩安全監(jiān)測技術(shù)特點、難點，對主要監(jiān)測措施的有效性和存在的問題進行分析，積累相關(guān)經(jīng)驗，為擬建300 m級高面板堆石壩安全監(jiān)測技術(shù)的提升和改進提供解決思路和方向。

關(guān)鍵詞：高面板堆石壩；安全監(jiān)測；關(guān)鍵技術(shù)；進展與展望

0　引言

自20世紀90年代以來，以天生橋一級（壩高178 m）、洪家渡（壩高179.5 m）、三板溪（壩高185.5 m）和水布埡（壩高233 m）水電站等為代表的一批典型面板堆石壩工程相繼建成，將面板堆石壩筑壩高度由100 m級提升至200 m級，中國面板堆石壩設(shè)計理論及施工技術(shù)達到國際先進水平。但隨著面板堆石壩筑壩技術(shù)由200 m級向300 m級邁進，面板堆石壩監(jiān)測技術(shù)明顯滯后于筑壩技術(shù)的發(fā)展，不少監(jiān)測儀器的適應(yīng)性、耐久性、抗沖擊等性能仍停留在100～200 m級壩高時的水平。

目前中國已建成和在建的壩高超過100 m的混凝土面板堆石壩有近40座，其中已建成的天生橋一級、洪家渡、三板溪和水布埡壩均為世界級的高面板堆石壩，尤其是水布埡和洪家渡面板堆石壩被國際大壩委員會評為里程碑工程。這些高面板堆石壩的安全監(jiān)測設(shè)計、施工及運行既有共性，也有各自的特點。通過對國內(nèi)200 m級高面板堆石壩安全監(jiān)測技術(shù)進行深入調(diào)查，總結(jié)高堆石壩安全監(jiān)測技術(shù)特點、難點，對主要監(jiān)測措施的有效性和存在的問題進行分析，為300 m級高面板堆石壩安全監(jiān)測技術(shù)研究提供技術(shù)支撐。

1　高面板堆石壩安全監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展及現(xiàn)狀

面板堆石壩的監(jiān)測項目一般有壩表面和壩體內(nèi)部變形及面板撓度和脫空，壩身、壩基及繞壩滲流，堆石體應(yīng)力及面板應(yīng)力應(yīng)變和溫度，環(huán)境量和強震等。其中表面變形監(jiān)測主要采用位移標點進行，內(nèi)部主要采用水平垂直位移計和電磁式沉降儀等，部分進行了縱向變形監(jiān)測。滲流監(jiān)測主要采用滲壓計、水位監(jiān)測孔和量水堰等，有的工程滲流量采取分區(qū)監(jiān)測，有的采用光纖傳感器監(jiān)測。環(huán)境量和強震監(jiān)測項目與其他工程監(jiān)測相差不大。

自20世紀80年代引進面板堆石壩技術(shù)以來，中國十分重視面板堆石壩安全監(jiān)測工作，在“六五”至“九五”科技攻關(guān)期間都將高面板堆石壩安全監(jiān)測列為國家科技攻關(guān)項目。有關(guān)科研單位先開發(fā)研制了滿足100 m級高面板堆石壩原型監(jiān)測所需的儀器設(shè)備，隨后又研發(fā)了200 m級高面板堆石壩安全監(jiān)測所需的大量程、高精度監(jiān)測儀器，具有代表性的主要有：由水管式沉降儀和引張線式水平位移計組成的水平垂直位移計，以滿足天生橋一級面板堆石壩監(jiān)測碾壓堆石體內(nèi)部變形的需要；伺服加速度活動式測斜儀和斜面測斜儀，分別滿足高面板堆石壩壩體內(nèi)部水平位移監(jiān)測和高面板堆石壩面板撓度監(jiān)測的需要；高精度、小直徑壓阻式和鋼弦式孔隙水壓力計，可以直接放置在測壓管中，滿足已建面板堆石壩原型監(jiān)測設(shè)施更新改造的需要。特別是在“九五”國家科技攻關(guān)項目研究中，研制出遙控遙測水平垂直位移計和高精度雙向固定測斜儀，滿足了壩高233 m的水布埡面板堆石壩及洪家渡、吉林臺、公伯峽、紫坪鋪等200 m級面板堆石壩工程壩體內(nèi)部變形和面板撓度監(jiān)測的需要，這兩類儀器設(shè)備的技術(shù)性能達到了國際領(lǐng)先水平。經(jīng)過30多年的科技攻關(guān)，中國面板堆石壩安全監(jiān)測已經(jīng)形成了可以觀測200 m級高面板堆石壩的壩體和壩基變形、應(yīng)力和滲流，面板應(yīng)力、應(yīng)變和撓度，周邊縫與垂直縫變形等項目的一整套安全監(jiān)測技術(shù)。

進入20世紀90年代后，中國開始重視面板堆石壩安全監(jiān)測自動化，相關(guān)科研單位開發(fā)了分布式面板堆石壩安全監(jiān)測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，在采用計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通訊技術(shù)的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)數(shù)據(jù)自動采集、數(shù)字量傳輸和資料整理的自動化。目前，國內(nèi)很多水電工程都實現(xiàn)了監(jiān)測自動化。

調(diào)查發(fā)現(xiàn)，隨著筑壩高度的不斷增加，已有多座200 m級高面板堆石壩的水平垂直位移計長度超過400 m后，出現(xiàn)位移計失效問題而不能滿足監(jiān)測要求；水庫蓄水后，存在上游水下面板表面位移點不能監(jiān)測等問題。針對超高混凝土面板堆石壩，需從傳統(tǒng)監(jiān)測技術(shù)的適用性、監(jiān)測新技術(shù)的研制和開發(fā)等方面進行系統(tǒng)的研究。因此需盡快研發(fā)大尺度水平垂直位移監(jiān)測設(shè)施，其適應(yīng)變形的能力和技術(shù)可靠性需進一步提高并找出解決方案。深厚覆蓋層上面板堆石壩滲流量的監(jiān)測方法和設(shè)施也需進一步摸索和發(fā)展。監(jiān)測自動化也要適應(yīng)高面板堆石壩的建設(shè)而快速發(fā)展。

2　面板堆石壩主要監(jiān)測項目及監(jiān)測手段

根據(jù)DL/T 5259-2010《土石壩安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》的要求，面板堆石壩主要監(jiān)測項目包括變形、滲流、應(yīng)力等。在合適的典型監(jiān)測斷面上，變形、滲流、應(yīng)力等監(jiān)測項目和測點宜結(jié)合布置，互相校驗。典型橫向監(jiān)測斷面宜選在最大壩高、地基突變、地質(zhì)條件復(fù)雜等部位，一般不宜少于3個?？v斷面一般不少于4個，通常在壩頂?shù)纳舷掠蝹?cè)布設(shè)1～2個斷面，下游壩坡1/2壩高以上布設(shè)1～3個斷面，以下布設(shè)1～2個斷面。在每個觀測橫斷面和縱斷面交點處布設(shè)表面變形觀測點。典型縱向監(jiān)測斷面可由橫向監(jiān)測斷面上的測點構(gòu)成，必要時可根據(jù)壩體結(jié)構(gòu)、地形地質(zhì)情況增設(shè)縱向監(jiān)測斷面。

面板堆石壩由面板-趾板-接縫止水組成的防滲體系和堆石壩體兩部分構(gòu)成，面板和堆石壩體是兩個材料不同、剛度與質(zhì)量相差懸殊的結(jié)構(gòu)物，因此面板與堆石壩體的變形協(xié)調(diào)及其相互作用是影響面板工作性狀的關(guān)鍵。此外，面板堆石壩的滲流控制極為重要，需要重點監(jiān)測有無發(fā)生通過面板裂縫或因面板破碎、接縫張開或損壞引起的嚴重滲漏，以及滲流對壩體材料的沖蝕。所以混凝土面板堆石壩安全監(jiān)測的重點是壩體變形、接縫位移、面板變形和應(yīng)力以及滲透壓力和滲流量。

面板堆石壩最主要的監(jiān)測項目是變形與滲流，其中內(nèi)部變形監(jiān)測是面板堆石壩安全監(jiān)測的關(guān)鍵項目之一，大壩施工期能采集到有效沉降數(shù)據(jù)，對控制筑壩速度、保證施工質(zhì)量、合理調(diào)配施工機械等具有指導性的作用；運行期如果大壩沉降過大，就有可能發(fā)生裂縫和滑坡破壞。沉降變形是反映堆石壩工作性態(tài)是否正常的最主要監(jiān)測項目之一。以往工程實踐及研究表明，在高水頭作用下，面板周邊縫將產(chǎn)生復(fù)雜的三向位移，使周邊縫成為漏水通道。一旦止水結(jié)構(gòu)被破壞，面板堆石壩將會在高水頭作用下沿周邊縫漏水，造成嚴重的滲漏問題，繼而引發(fā)堆石體不均勻沉降、壩體局部或大面積失穩(wěn)，甚至引起滲透破壞。因此，為了保證大壩的安全運行，需要對面板堆石壩內(nèi)部變形及滲流進行全面的監(jiān)測，掌握壩體、周邊縫等在各階段的工作狀態(tài)，為大壩安全評估及預(yù)報提供可靠的監(jiān)測資料。面板堆石壩主要監(jiān)測項目及監(jiān)測手段見表1。

從天生橋一級、洪家渡、水布埡等工程的實際監(jiān)測情況看，目前的監(jiān)測手段基本能滿足200 m級面板堆石壩的監(jiān)測要求，達到指導筑壩施工和設(shè)計反饋的目的。

表1　面板堆石壩主要監(jiān)測項目及其監(jiān)測手段Table 1 Main monitoring items and instruments for face slab rockfill dam

3　已建典型面板堆石壩的監(jiān)測關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用

3.1變形監(jiān)測關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用

3.1.1外部變形監(jiān)測技術(shù)

面板堆石壩變形監(jiān)測主要包括外部變形、內(nèi)部變形和接縫變形等。外部變形監(jiān)測手段已較成熟，一般采用在大壩表面布置變形監(jiān)測點，采用視準線法、邊角網(wǎng)法，通過測量儀器進行監(jiān)測。

面板堆石壩外部變形觀測的測量儀器主要采用光學水準儀和經(jīng)緯儀，隨著科學技術(shù)的進步，外部變形監(jiān)測儀器在測量精度、方便適用、自動化等方面都有了持續(xù)的改進。如高精度的水準儀和全站儀，以及有“測量機器人”之稱的全自動全站儀；GNSS系統(tǒng)雖測量精度相對較低，但對測點與基點間無通視要求，可以用于變形量較大的高面板堆石壩的觀測；光纖陀螺儀等適合全天候自動監(jiān)測的新型儀器設(shè)備也在研究和應(yīng)用中。

GNSS系統(tǒng)測量在國際上尚屬于前沿課題，具有速度快、自動化、全天候以及測點之間無需通視等優(yōu)點，我國已做了一些探索性的研究工作。隨著接收機硬件性能和軟件處理技術(shù)的提高，近年來GNSS定位技術(shù)已在大壩測量、地殼變形監(jiān)測、精密工程測量等領(lǐng)域得到了應(yīng)用。據(jù)統(tǒng)計，采用性能優(yōu)良的接收機和較好的數(shù)據(jù)處理軟件，平差后點位的平面位置精度為1～2 mm，高程精度為2～3 mm。影響GPS定位精度的因素有很多，還應(yīng)針對具體內(nèi)容采取相應(yīng)的措施，減小誤差，進一步提高精度。目前GPS一機多線技術(shù)也得到迅速發(fā)展，可大大降低成本。

自從1976年美國猶他大學的VALI和SHORT?HILL等人成功研制第1個光纖陀螺（fiber-optic gy?roscope，F(xiàn)OG）以來，光纖陀螺已經(jīng)發(fā)展了近40年。采用光纖陀螺儀監(jiān)測高壩面板撓度，解決了傳統(tǒng)測斜儀監(jiān)測高壩面板撓度變形精度較低的問題。光纖陀螺儀是當光學環(huán)路轉(zhuǎn)動時，在不同的前進方向上，光學環(huán)路的光程相對于環(huán)路在靜止時的光程都會產(chǎn)生變化，利用光程的變化，檢測出兩條光路的相位差或干涉條紋的變化，就可以測出光路旋轉(zhuǎn)角速度，能夠精確地確定運動物體的方位。光纖陀螺儀為全固態(tài)，沒有旋轉(zhuǎn)部件和摩擦部件，壽命長，動態(tài)范圍大、瞬時啟動，具有結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小、重量輕、成本低等特點。

3.1.2內(nèi)部變形監(jiān)測技術(shù)

面板堆石壩內(nèi)部變形監(jiān)測包括分層垂直位移、分層水平位移監(jiān)測等，主要采用水管式沉降儀和引張線式水平位移計觀測。

水管式沉降儀適用于長期觀測面板堆石壩、土堤、邊坡等土體內(nèi)部的沉降，是了解被測物體穩(wěn)定性的有效監(jiān)測設(shè)備。水管式沉降儀的測量原理簡單，測量結(jié)果直觀。水管式沉降儀由沉降測頭、管路、測量柜等組成。

引張線式水平位移計適用于長期觀測面板堆石壩堆石體內(nèi)部的位移。引張線式水平位移計可單獨安裝，也可與水管式沉降儀一起安裝并進行觀測。引張線式水平位移計的監(jiān)測原理簡單，測值直觀可靠。儀器主要由錨固板、銦合金鋼絲、保護鋼管、伸縮接頭、測量架、配重機構(gòu)、讀數(shù)游標卡尺等組成。

3.1.3國內(nèi)高面板堆石壩內(nèi)部變形監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用情況

中國已建成的200 m級面板堆石壩壩體內(nèi)部監(jiān)測儀布置大多采用三個監(jiān)測斷面，監(jiān)測高程設(shè)置間距在40 m左右一層，每層測點間距大多在40～50 m之間。國內(nèi)部分典型高面板堆石壩內(nèi)部變形監(jiān)測設(shè)施布置統(tǒng)計情況見表2。從多年的監(jiān)測成果看，面板堆石壩內(nèi)部監(jiān)測儀器的運行情況總體較好，測值基本能反映各部位堆石體的實際變形情況。

3.2滲流監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用

堆石壩的滲漏比較復(fù)雜，一般通過壩體和壩基滲漏。壩體滲漏包括周邊縫、垂直縫、面板混凝土裂縫滲漏等，壩基滲漏包括帷幕或防滲墻的基礎(chǔ)滲漏。在面板堆石壩工程中，監(jiān)測滲漏水的來源對評價大壩運行狀況具有特別重要的作用。滲流監(jiān)測主要包括壩體及壩基滲流、繞壩滲流和滲流量等內(nèi)容。

常規(guī)的滲流監(jiān)測技術(shù)比較成熟，壩體壩基滲流一般采用滲壓計觀測，繞壩滲流采用地下水位孔觀測，滲流量采用量水堰觀測。已建的高面板堆石壩多監(jiān)測壩后滲流總量，在大壩下游坡腳設(shè)置截水墻或防滲墻，在截水墻或防滲墻頂布置量水堰。對設(shè)置截水墻或防滲墻監(jiān)測總滲流量有困難，或深覆蓋層地基的面板堆石壩，可通過在岸坡設(shè)置多條小型的截水溝，測得不同高程分區(qū)的滲流量，從而了解堆石壩的滲流情況，應(yīng)用實例如下。

3.2.1水布埡面板堆石壩

水布埡面板堆石壩采用準分布式光纖光柵監(jiān)測系統(tǒng)對周邊縫滲流進行持續(xù)監(jiān)測，以期快速準確地探明滲漏所在位置，及時消除安全隱患。堆石壩光纖光柵監(jiān)測系統(tǒng)布置示意圖見圖1。

圖1　光纖光柵監(jiān)測系統(tǒng)布置示意圖Fig.1 Distribution of Fiber Bragg Grating monitoring system

水布埡面板堆石壩光纖光柵滲流監(jiān)測系統(tǒng)由光纖光柵溫度傳感器、信號處理器、輔助電纜加熱系統(tǒng)等組成。系統(tǒng)在大壩中的布置見圖2。水布埡面板堆石壩周邊縫防滲監(jiān)測范圍達1 200 m，分布式光纖光柵測溫系統(tǒng)沿周邊縫每100 m一段，每段構(gòu)成一個測量單元，共劃分10個測量單元，每個單元內(nèi)放置50～80個光纖光柵測溫傳感器，間距1.5～3 m，共設(shè)618個傳感器。由于水布埡面板堆石壩高233 m，水庫深處水溫較低，為能準確監(jiān)測到較小流量的滲漏，系統(tǒng)配備了光纜加熱裝置。

表2　國內(nèi)面板堆石壩內(nèi)部變形監(jiān)測設(shè)施布置情況表Table 2 Statistics of monitoring measures for inner deformation of domestic face slab rockfill dams

每個監(jiān)測段的光纖光柵傳感器相互串接，前后兩端各用一根光纜引入控制室，一端接信號處理器，一端備用。即使傳感器引線或者傳輸光纜發(fā)生意外損壞（如斷裂），可改用備用端檢測斷點后面的探頭信號，系統(tǒng)仍能正常工作。傳感器的位置編號與大壩周邊的位置坐標相對應(yīng)輸入計算機，一旦檢測到滲漏信號即可顯示滲漏位置。該方法的優(yōu)點是可監(jiān)測任意部位并同時監(jiān)測很多部位，缺點是無法對滲流情況進行定量監(jiān)測，只能確定滲漏部位。

圖2　水布埡面板堆石壩光纖光柵監(jiān)測系統(tǒng)布置圖Fig.2 Distribution of Fiber Bragg Grating monitoring system at Shuibuya face slab rockfill dam

3.2.2洪家渡面板堆石壩

由于深厚覆蓋層及高尾水變幅的工程難以設(shè)置量水堰，故宜采用分區(qū)的方法進行監(jiān)測，即將面板及周邊縫、兩岸繞壩滲流等滲漏分區(qū)監(jiān)測，洪家渡面板堆石壩的滲流就采用此方法進行監(jiān)測。

在兩岸坡設(shè)截水溝，將滲流量集中引入下游分量水堰，下游設(shè)總量水堰。截水溝蓋板為帶漏水通道的預(yù)制板，蓋板與面板堆石壩間采用塑料盲溝材作反濾保護。濾材效果好、體積小、施工方便。洪家渡面板堆石壩分區(qū)截水墻和量水堰布置示意圖見圖3。

分區(qū)監(jiān)測滲流量的優(yōu)點為：一是準確可掌握各部位的滲流量，給監(jiān)控大壩安全運行提供可靠的保障；二是在滲流量發(fā)生突變時，可確定發(fā)生滲漏的大致部位，縮小查找范圍，避免盲目性；三是可分別檢驗左右岸防滲效果、周邊縫的止水效果、混凝土面板的防滲狀況效果。

對設(shè)置總量水堰有困難或深覆蓋層地基的面板堆石壩工程，可通過設(shè)置截水溝分別準確觀測兩岸的滲流量，還可在岸坡設(shè)置多條小型的截水溝，獲得不同高程分區(qū)的趾板滲透和岸坡繞滲的滲流量，可降低施工難度和工程造價。

3.3高面板堆石壩常規(guī)監(jiān)測技術(shù)存在的問題

3.3.1壩體內(nèi)部變形監(jiān)測施工工藝

壩體內(nèi)部變形監(jiān)測儀器埋設(shè)部位高程沿線的土建施工工作量大，投入機械多，施工期較長，且壩體填筑施工干擾大。儀器安裝埋設(shè)工藝要求較高，需對測頭和管路進行有效保護，管路連接需牢固可靠。儀器安裝埋設(shè)受壩體分區(qū)影響較大，不易獲取全過程變形數(shù)據(jù)。為使監(jiān)測資料連續(xù)，需設(shè)置臨時觀測房，引張線水平位移計的鋼絲安裝技術(shù)要求則更高。

3.3.2監(jiān)測儀器自身存在的缺陷

圖3　洪家渡面板堆石壩分區(qū)截水墻和量水堰布置示意圖Fig.3 Distribution of cut-off wall and measuring weir of Hongjiadu face slab rockfill dam

引張線式水平位移計：由于面板堆石壩沉降呈中部沉降大、上下游側(cè)沉降小的分布特征，引張線沿安裝高程必然呈凹狀分布，而沿程不均勻變形必然導致引張線線體回縮，導致產(chǎn)生測量誤差，目前面板堆石壩均無法消除此誤差，大壩變形越大，誤差越大。對于300 m級高面板堆石壩，安裝在底部的引張線水平位移計全長將超過900 m，引張線沿程阻力將大幅度增加，傳統(tǒng)鋼絲配套重錘重量必然成數(shù)倍增加，鋼絲被拉斷幾率大大增加。

水管式沉降儀：由于面板堆石壩沉降的特點是壩體中部沉降大、上下游側(cè)沉降小，位于面板下部沉降測點所引管線沿程也呈凹形分布，在沉降最大部位至觀測房必然形成“倒坡”，管路中容易產(chǎn)生氣泡，且長管線易造成回水困難，最終導致觀測無法正常進行。目前水管式沉降儀所采用水管直徑在10 mm左右，在長管線上液體的沿程阻力成倍增加，勢必造成觀測困難。如按照水管式沉降儀1%坡度的埋設(shè)要求，長管線對觀測房的最低高度、管路沿程埋設(shè)開挖最大深度要求高，其施工干擾和埋設(shè)難度較高。另外，觀測程序和維護措施復(fù)雜，要求觀測人員具備較高的技術(shù)素質(zhì)，若有不當，就會造成測量系統(tǒng)失常。

4　展望

4.1先進的表面變形監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用

4.1.1GNSS監(jiān)測系統(tǒng)

面板堆石壩傳統(tǒng)的表面變形監(jiān)測采用視準線法。視準線法觀測和計算簡便，但易受外界影響，當視線不長時，其觀測精度較高，較為適用。

近半個世紀以來，隨著衛(wèi)星測量技術(shù)的發(fā)展，特別是全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)GNSS（Global Navigation Sat?ellite System）的成功建立和應(yīng)用，測繪業(yè)經(jīng)歷了一場深刻的技術(shù)革命?，F(xiàn)在衛(wèi)星通信和全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）已廣泛應(yīng)用于各個行業(yè)，隨著GNSS定位精度的提高，GNSS技術(shù)已逐步應(yīng)用于水電工程中，如隔河巖水電站重力拱壩、拉西瓦水電站壩肩邊坡、小灣水電站拱壩、糯扎渡水電站心墻堆石壩及近壩庫岸滑坡體等均采用GNSS技術(shù)進行變形監(jiān)測。

與常規(guī)方法相比，GNSS監(jiān)測系統(tǒng)具有的優(yōu)勢為：不受氣候等外界條件影響，可全天候監(jiān)測；所有變形監(jiān)測點的觀測時間同步，能客觀反映某一時刻建筑物各監(jiān)測點的變形狀況；可同步測出監(jiān)測點的水平位移和垂直位移；可實現(xiàn)全自動監(jiān)測。

糯扎渡水電站為了實現(xiàn)大壩表面變形的自動化監(jiān)測，大壩表面變形監(jiān)測除采用GNSS監(jiān)測系統(tǒng)外，還采用測量機器人進行對比監(jiān)測，提高了監(jiān)測精度和監(jiān)測覆蓋面。測量機器人觀測站與變形監(jiān)測網(wǎng)點結(jié)合布置在左右岸坡，基點采用控制網(wǎng)點和GNSS監(jiān)測系統(tǒng)進行雙重校核。觀測點為視準線測點，在每個測點處布置一個360°棱鏡和一根GPS天線，通過自動照準觀測測點位移。測量機器人和GNSS監(jiān)測系統(tǒng)測值可相互校核。

GNSS監(jiān)測系統(tǒng)投入觀測后，自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)與前期人工觀測能夠?qū)崿F(xiàn)平順銜接，監(jiān)測數(shù)據(jù)真實可信，目前系統(tǒng)運行正常穩(wěn)定。整個系統(tǒng)的觀測精度基本能滿足規(guī)范±3 mm的要求。

鑒于GNSS監(jiān)測系統(tǒng)具備諸多的優(yōu)點，且已在一些實際水電工程中得到成功應(yīng)用，將來對于300 m級高面板堆石壩，在地形及衛(wèi)星信號接收得到可靠保障的條件下，有可能大力推廣使用。

4.1.2雷達干涉（INSAR）技術(shù)

合成孔徑雷達干涉測量技術(shù)（INSAR，Interfero?metric Synthetic Aperture Radar，簡稱干涉雷達測量）是以同一地區(qū)的兩張SAR圖像為基本處理數(shù)據(jù)，通過求取兩幅SAR圖像的相位差，獲取干涉圖像，然后經(jīng)相位解纏，從干涉條紋中獲取地形高程數(shù)據(jù)的空間對地觀測的新技術(shù)。

面板堆石壩在各個時期都不可避免會發(fā)生變形，當變形超過一定范圍時就會影響堆石壩的正常使用，成為安全隱患。SAR干涉測量技術(shù)可以提供遠距離、大范圍的變形監(jiān)測結(jié)果，有利于對壩體變形的性質(zhì)、范圍等進行準確判斷。相對于傳統(tǒng)的基于離散點的變形測量方式，SAR干涉測量技術(shù)可以實現(xiàn)大范圍的連續(xù)覆蓋，更有利于分析目標的區(qū)域變形分布情況和發(fā)展規(guī)律，同時非接觸式的遠程監(jiān)測模式避免監(jiān)測人員進入危險區(qū)域，可全天時全天候開展監(jiān)測工作，不受天氣、環(huán)境等因素影響。

4.2新型內(nèi)部變形監(jiān)測技術(shù)研發(fā)

4.2.1長距離新型水平位移計和沉降儀應(yīng)用研究

堆石體內(nèi)部長距離變形監(jiān)測是面板堆石壩監(jiān)測需要解決的主要難題之一，對于200 m級堆石壩，其監(jiān)測管線長度在400～500 m之間，已是相關(guān)監(jiān)測材料設(shè)備和施工工藝的極限，在實際使用過程中已出現(xiàn)過了諸多問題。而對300 m級面板堆石壩，1 000 m左右的管線長度應(yīng)考慮采用新的方法才能滿足工程監(jiān)測需要?；诟呙姘宥咽瘔谓ㄔO(shè)及安全性監(jiān)測的需要，國內(nèi)有關(guān)單位擬在深入研究高面板堆石壩的工作特性及運行機理的基礎(chǔ)上，結(jié)合已開展的新傳感產(chǎn)品──柔性固定式測斜儀研發(fā)工作，專門針對300 m級高壩開展長距離水平位移計和沉降儀相關(guān)的新型儀器設(shè)備應(yīng)用研究。通過深入的研究和試驗，可為300 m級高壩的內(nèi)部變形監(jiān)測提供有效的解決途徑，填補高壩內(nèi)部變形監(jiān)測技術(shù)方面的空白，同時為類似工程的設(shè)計和施工提供具有借鑒意義的技術(shù)解決方案并研制出相應(yīng)的監(jiān)測儀器設(shè)備。

4.2.2堆石體內(nèi)管道機器人監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用

管道機器人監(jiān)測系統(tǒng)是一種“直接測量”的方法，其原理為：在壩體內(nèi)部布設(shè)能夠與壩體同步變形的專用監(jiān)測管道，作為測量機器人的行進通道。將經(jīng)過專門設(shè)計的變形測量機器人送入管道內(nèi)，由其按設(shè)置的程序在管道內(nèi)自動行進，并利用配備的各種監(jiān)測儀器，自動檢測管路沿程各測點垂直和水平方向的變形信息，同時將采集的所有數(shù)據(jù)傳送給外部監(jiān)控計算機；經(jīng)對采集數(shù)據(jù)進行處理分析，可得出大壩內(nèi)部各監(jiān)測部位測點的變形值。管道測量機器人見圖4。

圖4　管道測量機器人Fig.4 Measurement robot

由于監(jiān)測管路中沒有設(shè)置“水管”和“引張線”，測量機器人可在管路中自由行進，可測量任意設(shè)定位置的變形情況，測點數(shù)量不受限制，故其也可稱為“分布式”測量系統(tǒng)，可滿足200～300 m級高面板堆石壩內(nèi)部變形監(jiān)測的需要。管道機器人監(jiān)測系統(tǒng)與現(xiàn)有的“引張線式”和“水管式”監(jiān)測方法相比，其設(shè)備簡化、操作簡單、成本低廉，一座大壩只需一臺機器人設(shè)備就可以對所有管道進行監(jiān)測。如推廣該項技術(shù)成果，可以有效取代目前常用的測量方法，同時可提高測量精度和效率，也降低了成本，應(yīng)用前景廣大。

4.3滲流監(jiān)測技術(shù)的改進

傳統(tǒng)的滲流監(jiān)測技術(shù)已較為成熟，使用效果較好，在300 m級面板堆石壩中使用不存在技術(shù)問題，應(yīng)繼續(xù)作為主要監(jiān)測手段。近年來，光纖光柵傳感器已得到了一定的應(yīng)用，但在觀測原理、儀器率定檢測、施工工藝等方面仍有改進和提升的空間，可作為滲流監(jiān)測的輔助手段。

4.4監(jiān)測實時動態(tài)智能反饋與預(yù)測系統(tǒng)

經(jīng)過多年的實踐應(yīng)用，大壩監(jiān)測實時動態(tài)智能反饋與預(yù)測系統(tǒng)研究已取得了較豐富的成果，目前正在開展高面板堆石壩監(jiān)測實時動態(tài)智能反饋與預(yù)測系統(tǒng)的研究。研究的主要目的和內(nèi)容為基于已有科研成果及現(xiàn)場監(jiān)測資料，提出蓄水期、運行期的安全評價指標；對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行綜合分析及合理評價，考慮時空效應(yīng)結(jié)合多尺度有限元計算進行反演分析，獲得大壩材料的合理參數(shù)，對大壩進行安全評價，并預(yù)測大壩在不同工況下的運行性態(tài)及安全裕度；根據(jù)監(jiān)測資料分析成果修正完善不同時期各級警戒值和安全評價指標，提出相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案與措施，同時為提高大壩安全監(jiān)測的管理水平提供技術(shù)支撐。

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作者郵箱：1009022968@qq.com

Title:Progress and prospect of key technologies in safety monitoring of high face slab rockfill dams in China//by ZOU Qing//PowerChina Kunming Engineering Corporation Limited

Abstract:Referring to the key monitoring technologies in safety monitoring of high face slab rockfill dams in China and abroad as well as their application，the safety monitoring technologies used on domes?tic 200 m high face slab rockfill dams are studied.The technical characteristics and difficulties are sum?marized，the monitoring efficiency and existing problems are analyzed and engineering experience is ac?cumulated，which lays a foundation for the improvement of safety monitoring technologies for 300 m high face slab rockfill dams.

Key words:high face slab rockfill dam；safety monitoring；key technology；progress and prospect

中圖分類號：TV697.1

文獻標志碼：A

文章編號：1671-1092（2016）01-0050-07

收稿日期：2015-10-18

作者簡介：鄒 青（1969-），男，高級工程師，主要從事水電工程安全監(jiān)測設(shè)計與技術(shù)管理工作。