大壩變形監(jiān)測自動化技術(shù)的運用

文/黨萬琳，青海黃河水電公司大壩管理中心

大壩變形監(jiān)測自動化技術(shù)的運用

文/黨萬琳，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，也是衡量大壩運行時結(jié)構(gòu)是否正常、可靠、安全的重要標(biāo)志，而大壩變形監(jiān)測為大壩的安全運行和維護提供了可靠的依據(jù)。為了確保大壩的正常運行就要采取有效措施來保證大壩質(zhì)量，變形監(jiān)測自動化技術(shù)的運用對保證大壩安全有著非常重要的意義。

大壩；變形監(jiān)測；自動化；GPS

大壩安全監(jiān)測是通過儀器觀測和巡視檢查對大壩壩體、壩基、壩肩、近壩區(qū)岸坡及壩周圍環(huán)境所作的測量和觀察。大壩變形監(jiān)測是大壩安全監(jiān)測的重要組成部分，它是利用儀器通過一定的觀測手段量測出某點某一時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、基巖和滑坡體變形監(jiān)測以及現(xiàn)場巡視檢查等。

1 大壩變形監(jiān)測自動化主要技術(shù)

1.1 傳感器光纖傳感技術(shù)

從實際應(yīng)用形式來看傳感器分為“機械式、光敏式、磁式以及電式傳感器”；從以往經(jīng)驗來看，電式和磁式傳感器的應(yīng)用非常廣泛。在實際應(yīng)用過程中應(yīng)該根據(jù)實際需要來進行選擇。

光纖傳感目前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域當(dāng)中，利用光纖傳感將能夠使得光線傳播通過全反射的形式展開，這樣就能把光和圖像曲折傳遞到所需要的任意空間中去。測量對象廣泛、通信容量大、靈敏度高、頻帶寬及耐水性強是其典型特征。正是因為具有這樣的優(yōu)勢，因而能夠被廣泛應(yīng)用于大壩變形監(jiān)測當(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)濟建設(shè)和科學(xué)技術(shù)等多個領(lǐng)域當(dāng)中，在測量界的應(yīng)用更是產(chǎn)生了深刻影響。GPS監(jiān)測系統(tǒng)自身安全可靠、抗干擾能力非常強、監(jiān)測精度較高，能有效確保大壩安全，同時也能實現(xiàn)洪水錯峰，對于防洪減災(zāi)起非常重要的作用。在今后應(yīng)用過程中要求硬件必須及時更新，同時還要對軟件設(shè)計中的解算功能進一步優(yōu)化，這樣才能真正滿足實際需要。

1.3 激光技術(shù)

激光技術(shù)是一項高效簡便的測量方式，這種測量方式能夠應(yīng)用于大壩壩體和廊道測量當(dāng)中，由于這項技術(shù)能夠有效提升靈敏度范圍，減少作業(yè)條件限制，因此能進一步提升測量精庋。當(dāng)前激光技術(shù)在大壩變形監(jiān)測中已經(jīng)實現(xiàn)了自動化測量，采用這項技術(shù)將能有效滿足大壩變形監(jiān)測迅速、及時、準(zhǔn)確的要求。但是，這項技術(shù)本身也存在一定的局限性，激光技術(shù)無法對拱壩、曲線壩實現(xiàn)測量。為了彌補這種缺陷在實際工作中要利用激光轉(zhuǎn)角，通過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)主要指的是計算機層析成像技術(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，通過計算機處理構(gòu)成 2D圖像的技術(shù)。意大利、日本等國家先后把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)對大壩安全檢查及工程處理效果的驗證。通過應(yīng)用CT技術(shù)將能夠及時掌握壩址地質(zhì)構(gòu)造，對斷層破碎帶分布情況也可有效推測。當(dāng)前CT技術(shù)在壩體選擇、施工以及運營期間所發(fā)揮的作用非常巨大，通過采用這項技術(shù)將能有效減少儀器設(shè)備的復(fù)雜性，同時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、老化評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)測測量中，人們對GPS測量精度要求較高，為了滿足要求需采用全載波相位測量法，同時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處理技術(shù)等。

GPS系統(tǒng)在實際應(yīng)用過程中典型優(yōu)點是其自動化程度高，能夠得到每個觀測點在xMz這三個方向的位移。同時，GPS系統(tǒng)的測量將不會受到測點之間通訊條件的限制，能夠?qū)崿F(xiàn)全天候測量。缺點是費用高、對測點位置有一定要求、穩(wěn)定性有待觀察、精度值確定時間較長。為了有效減少對地形的依賴，在今后測量中對于GPS單星系統(tǒng)應(yīng)改進為雙星系統(tǒng)。

2.2 光纖變形監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用

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

2.3 真空激光準(zhǔn)直系統(tǒng)的應(yīng)用

設(shè)計及安裝中要注意四個方面問題：一是管徑選擇。管道的內(nèi)徑主要取決于測點距激光發(fā)射端的距離及其測值變幅，同時還應(yīng)考慮波帶板最大的通光子L徑及抽真空時管道的流導(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、測點箱、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)需采用自動的循環(huán)冷卻水裝置，在真空泵運行期間對其進行冷卻。

3 大壩變形監(jiān)測的發(fā)展趨勢

隨著技術(shù)的發(fā)展和人們對大壩安全認(rèn)識的深入，監(jiān)測設(shè)計的理念也日新月異。從原型觀測到自動化監(jiān)測，從人工巡視的僅器監(jiān)測到智能化的自動化監(jiān)控系統(tǒng)，從靜態(tài)點式觀測到動態(tài)的分布式觀測，人們對大壩安全監(jiān)測的精度和自動化的要求越來越高。同時，監(jiān)測儀器自動化采集系統(tǒng)和資料處理分析技術(shù)也得到了快速的發(fā)展咒監(jiān)測儀器的應(yīng)用開始出現(xiàn)多元化的格局，一些差動變壓器、電容式、電感式監(jiān)測儀器、振弦式監(jiān)測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)測技術(shù)的快速發(fā)展積累了經(jīng)驗、奠定了基礎(chǔ)。

大壩變形監(jiān)測的發(fā)展趨勢，是內(nèi)外業(yè)一體化。自動化、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)測系統(tǒng)，在壩體破壞剛開始或?qū)⒁_始時實現(xiàn)大壩的安全預(yù)警功能。也就是說，在收集了前期的壩體觀測數(shù)據(jù)后，從物理力學(xué)角度運用多學(xué)科相關(guān)知識分析，輸入模擬仿真系統(tǒng)進行壩體受力后下一時期的三維變形結(jié)果預(yù)測；再不斷地用后期收集的實測數(shù)據(jù)進行回代。對比其可靠性，并加以修正。這樣，仿真技術(shù)成果趨于實際，并先于實際得出安全評判，以確保壩體安全運營，若發(fā)生故障可以及早補救。

[1]田俊生，高明衷.大壩安全監(jiān)測技術(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)測資料分析現(xiàn)狀及展望[J].大壩與安全.2015，(05).