大壩外部變形監(jiān)測(cè)技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

梁航

摘 要：在大壩的安全檢測(cè)系統(tǒng)中，大壩外部變形監(jiān)測(cè)技術(shù)是重要的一個(gè)組成部分，它直接決定了大壩的外部質(zhì)量。當(dāng)前大壩外部變形監(jiān)測(cè)技術(shù)的主要監(jiān)測(cè)方向是水平、垂直、三維位移監(jiān)測(cè)，在各種監(jiān)測(cè)方向中使用的方法為：水平位移監(jiān)測(cè)中的視準(zhǔn)線法、引張線法、激光準(zhǔn)直法、正倒垂線法、精密導(dǎo)線法和前方交會(huì)法；垂直位移監(jiān)測(cè)中的幾何水準(zhǔn)法、流體靜力水準(zhǔn)法；三維位移監(jiān)測(cè)中的極坐標(biāo)法、距離交會(huì)法和GPS法。本文針對(duì)當(dāng)前大壩外部變形監(jiān)測(cè)技術(shù)的各種監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行分析，并闡述了大壩外部變形監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：大壩外部變形；變形監(jiān)測(cè)；垂直位移；水平位移；三維位移；自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TV698.1+1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004-7344（2018）30-0186-02

1 前 言

大壩外部變形監(jiān)測(cè)作為大壩的安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的重要組成部分，其監(jiān)測(cè)方法多樣，監(jiān)測(cè)要求復(fù)雜，每種監(jiān)測(cè)方法都要滿足國(guó)家規(guī)定的監(jiān)測(cè)精度要求，這對(duì)大壩外部變形監(jiān)測(cè)帶來了不小的挑戰(zhàn)，但國(guó)家要求的規(guī)范僅是安全要求下的最低精度值，依然不能滿足大壩的高端要求，所以在實(shí)際工作中，必須對(duì)大壩外部變形監(jiān)測(cè)提出更高的精度要求。

2 當(dāng)前大壩外部變形監(jiān)測(cè)技術(shù)現(xiàn)狀

在當(dāng)前時(shí)代，大壩外部變形監(jiān)測(cè)技術(shù)已經(jīng)得到長(zhǎng)足發(fā)展，監(jiān)測(cè)方法得到豐富，針對(duì)各種位移都有著多種監(jiān)測(cè)手段；同時(shí)監(jiān)測(cè)精度也得到了大幅提升，從原本的滿足國(guó)家規(guī)定中的精準(zhǔn)度要求提高到了實(shí)踐操作中更高甚至無法察覺的精度，可以說我國(guó)大壩的外部變形監(jiān)測(cè)技術(shù)已經(jīng)走在了世界先進(jìn)行列。隨著信息化社會(huì)的發(fā)展，未來發(fā)展應(yīng)當(dāng)向信息化、自動(dòng)化靠攏，實(shí)現(xiàn)人力的解放和精度的提升。

3 水平位移監(jiān)測(cè)

本段將對(duì)水平位移監(jiān)測(cè)使用的視準(zhǔn)線等六種監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行介紹。

3.1 視準(zhǔn)線法

視準(zhǔn)線法主要應(yīng)用于直線型大壩的水平位移監(jiān)測(cè)中，其主要特點(diǎn)是成本低，使用要求低，但是難以實(shí)現(xiàn)觀測(cè)自動(dòng)化，同時(shí)對(duì)外界影響的糾正性差，難以保證觀測(cè)精度。提高視準(zhǔn)線法的精度方式主要有操作方法優(yōu)化和觀測(cè)技術(shù)改進(jìn)，以及觀測(cè)儀器的升級(jí)。

3.2 引張線法

引張線法的主要特點(diǎn)為成本低，精度高，且在人工讀取下的精度同樣優(yōu)秀；對(duì)外界影響的糾正性好，應(yīng)用面廣，且對(duì)自動(dòng)化的結(jié)合效果優(yōu)秀。例如最新的引張線測(cè)量設(shè)備通過新型的CMOS感光元件，能夠在保證高感光度的情況下實(shí)現(xiàn)夜晚的精準(zhǔn)自動(dòng)讀數(shù)，量程僅有3～5cm，同時(shí)能夠?qū)⒕忍岣叩?.2mm以內(nèi)的偏差。

3.3 激光準(zhǔn)直法

激光準(zhǔn)直法中分為大氣激光準(zhǔn)直和真空激光準(zhǔn)直兩種，其中大氣激光準(zhǔn)直的要求是壩長(zhǎng)<300m，壩高低于50m的大壩。其由于大氣折射的原因，測(cè)量精度相對(duì)真空激光準(zhǔn)直精準(zhǔn)度來說較低，且不易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，但目前已經(jīng)通過CMOS感光元件實(shí)現(xiàn)了光斑抖動(dòng)問題的解決，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了一定程度的監(jiān)測(cè)自動(dòng)化，也提高了檢測(cè)的精度；而真空激光準(zhǔn)直法的精度可以達(dá)到1×10-8，一方面可以對(duì)雙向位移的大型水壩進(jìn)行全面監(jiān)測(cè)，另一方面也可以對(duì)長(zhǎng)度高度相對(duì)較低的大壩進(jìn)行精確檢測(cè)。為了提高應(yīng)用面，可以通過真空激光轉(zhuǎn)角的技術(shù)方式實(shí)現(xiàn)曲線大壩的監(jiān)測(cè)。

3.4 正倒垂線法

正倒垂線法的應(yīng)用范圍非常廣泛，一方面可以實(shí)現(xiàn)大壩的水平和垂直變形監(jiān)測(cè)，另一方面也可以實(shí)現(xiàn)混凝土壩撓度的監(jiān)測(cè)。目前的正倒垂線觀測(cè)儀使用CMOS傳感器和PLC，實(shí)現(xiàn)了讀數(shù)與觀測(cè)的自動(dòng)化，且精度已經(jīng)達(dá)到了±0.01mm，觀測(cè)效率極佳。

3.5 精密導(dǎo)線法

精密導(dǎo)線法的應(yīng)用面較為廣泛，但是監(jiān)測(cè)過程較為繁瑣，且容易受到旁折光影響，導(dǎo)致角度觀測(cè)不準(zhǔn)確。所以針對(duì)這種問題，可以將導(dǎo)線布置成環(huán)形網(wǎng)的造型，通過狹長(zhǎng)三角形的邊長(zhǎng)和高來測(cè)量角度，從而提高角度觀測(cè)的精度。精密導(dǎo)線法的測(cè)量精度與量邊精度有著很大關(guān)系，如果通過高級(jí)測(cè)距儀進(jìn)行量邊，能夠有效提高監(jiān)測(cè)精度。

3.6 前方交會(huì)法

前方交會(huì)法可以對(duì)觀測(cè)效率低、觀測(cè)難度大、觀測(cè)環(huán)境難以進(jìn)入的情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可以有效解決以上監(jiān)測(cè)問題，，但由于監(jiān)測(cè)環(huán)境較為惡劣，同時(shí)自身容易受測(cè)角側(cè)邊結(jié)果誤差的影響，其精度浮動(dòng)較大，難以保證很高的精準(zhǔn)度。而且由于前方交會(huì)法的工作量和計(jì)算量都很大，所以一般將其作為輔助監(jiān)測(cè)方式，與其他主流監(jiān)測(cè)方式進(jìn)行配合使用。

4 垂直位移監(jiān)測(cè)

4.1 幾何水準(zhǔn)法

幾何水準(zhǔn)法作為當(dāng)前垂直位移監(jiān)測(cè)最常用的方法，其精度提升和監(jiān)測(cè)自動(dòng)化都已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)，通過單片機(jī)為核心的自動(dòng)采樣水準(zhǔn)儀已經(jīng)成功應(yīng)用在幾何水準(zhǔn)法中，且監(jiān)測(cè)精度已經(jīng)達(dá)到了±0.1mm左右，大幅提高了監(jiān)測(cè)效率的水平。

4.2 流體靜力水準(zhǔn)法

流體靜力水準(zhǔn)法的原理是通過連通管的變動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量，近年來由于流體靜力水準(zhǔn)法與自動(dòng)化的結(jié)合，使用通過壓力傳感器對(duì)液壓進(jìn)行數(shù)據(jù)收集并自動(dòng)計(jì)算出垂直位移的儀器，大幅提高了測(cè)量精度和自動(dòng)化水平，同時(shí)提高了流體靜力水準(zhǔn)法的適用范圍。

5 三維位移監(jiān)測(cè)

三維位移監(jiān)測(cè)與以上兩種二維位移監(jiān)測(cè)方法不同，以上兩種傳統(tǒng)的二維監(jiān)測(cè)方法是通過水平與垂直位移監(jiān)測(cè)方式進(jìn)行分離監(jiān)測(cè)，無法實(shí)現(xiàn)同時(shí)同地的統(tǒng)一性，難以保證完全精準(zhǔn)，也降低了數(shù)據(jù)的可信度，且常規(guī)的二維位移監(jiān)測(cè)方法由于天生的技術(shù)缺陷，無法實(shí)現(xiàn)大壩外部變形的實(shí)時(shí)監(jiān)控和記錄。三維位移監(jiān)測(cè)能夠在同一時(shí)間進(jìn)行大壩的立體位移監(jiān)測(cè)，且能夠?qū)崿F(xiàn)大壩的連續(xù)位移監(jiān)測(cè)，已經(jīng)逐漸取代二維位移監(jiān)測(cè)的地位，大量出現(xiàn)在大壩的監(jiān)測(cè)工作中，三維位移監(jiān)測(cè)法主要分為極坐標(biāo)、距離交匯和GPS法。

5.1 極坐標(biāo)法

極坐標(biāo)法的工作方式是通過高精度自動(dòng)化測(cè)量機(jī)器人進(jìn)行全自動(dòng)作業(yè)，例如萊卡TCR系列免棱鏡全站儀，可以通過全自動(dòng)化對(duì)目標(biāo)通過極坐標(biāo)原理進(jìn)行自動(dòng)記錄和測(cè)量，并保證精度測(cè)角和測(cè)距的精準(zhǔn)度，同時(shí)保證精度兩秒的數(shù)值。其全站儀需要配合外界輔助設(shè)備和軟件，例如APSWIN和數(shù)位溫度計(jì)等。目前基于極坐標(biāo)法的監(jiān)測(cè)儀器已經(jīng)廣泛運(yùn)用于地鐵隧道等施工的位移監(jiān)測(cè)中，且由于其免棱鏡和差分率極低等特點(diǎn)，能夠滿足各工程領(lǐng)域的監(jiān)測(cè)精度要求。

5.2 距離交會(huì)法

距離交會(huì)法的原理是由兩個(gè)已知控制點(diǎn)作為圓心，以兩個(gè)控制點(diǎn)與目標(biāo)點(diǎn)之間的距離作為半徑進(jìn)行分別畫圓，兩個(gè)圓的交匯點(diǎn)便是要求目標(biāo)點(diǎn)。這種檢測(cè)方法成功的在五強(qiáng)溪大壩的監(jiān)測(cè)中取得了有效成就。但由于其標(biāo)稱精度容易受大氣折射和照準(zhǔn)誤差影響，經(jīng)常導(dǎo)致精度不足，難以滿足大壩監(jiān)測(cè)過程的精準(zhǔn)度要求，所以應(yīng)當(dāng)針對(duì)三維坐標(biāo)技術(shù)對(duì)距離交會(huì)法進(jìn)行改進(jìn)，并利用自動(dòng)化技術(shù)排除大氣誤差，保證測(cè)量精度。

5.3 GPS法

GPS法是由武漢測(cè)繪科技大學(xué)研究的一種三維位移監(jiān)測(cè)方式，曾經(jīng)應(yīng)用于隔河巖水壩的監(jiān)測(cè)工作。GPS監(jiān)測(cè)過程需要對(duì)空通視，但GPS監(jiān)測(cè)的效率與精度極高。GPS監(jiān)測(cè)的方式主要通過GPS觀測(cè)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與采集，并針對(duì)持續(xù)收集的信息進(jìn)行分析，得出水平與垂直位移的數(shù)值。GPS的數(shù)據(jù)傳輸量極大，所以在普通大壩的GPS觀測(cè)法中往往通過局域網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸以降低傳輸數(shù)據(jù)所需資金。

6 大壩外部變形監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

未來大壩外部變形監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)將會(huì)是自動(dòng)化，智能化，信息化，精準(zhǔn)化。即在變形信息監(jiān)測(cè)中無需人工過多操作，監(jiān)測(cè)設(shè)備可以通過自身的智能化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行持續(xù)的高精度監(jiān)測(cè)并通過信息網(wǎng)絡(luò)將大壩的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)上傳，讓控制臺(tái)可以隨時(shí)得到大壩的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。根據(jù)目前我國(guó)大壩外部變形監(jiān)測(cè)的技術(shù)水平，這一目標(biāo)可行性很大。

7 結(jié)束語

大壩外部變形監(jiān)測(cè)技術(shù)在多年的發(fā)展中逐漸形成了自動(dòng)化，立體化的監(jiān)測(cè)體系，未來也將形成全面的自動(dòng)化、智能化、信息化監(jiān)測(cè)體系，為大壩和其他行業(yè)的安全與監(jiān)測(cè)水平起到重大作用。

參考文獻(xiàn)

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[2]胡友健，梁新美，許成功.論GPS變形監(jiān)測(cè)技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].測(cè)繪科學(xué)，2006（05）.

收稿日期：2018-9-19

作者簡(jiǎn)介：梁 航（1989-），男，貴州遵義人，助理工程師，從事大壩監(jiān)測(cè)工作。