大壩壩體變形監(jiān)測(cè)技術(shù)及其應(yīng)用分析

姜新元

摘 要：水庫作為當(dāng)今社會(huì)必不可少的重要水利重要水利工程樞紐之一，其所發(fā)揮的工程效益巨大。在設(shè)計(jì)大壩時(shí)，設(shè)計(jì)者需要根據(jù)洪水淹沒的范圍考慮大壩的結(jié)構(gòu)與高度。復(fù)雜多變的建筑環(huán)境往往使把壩體承受著巨大的負(fù)荷，易發(fā)生偏離和形變。所以定期的安全監(jiān)測(cè)對(duì)于水庫大壩來說至關(guān)重要。在對(duì)大壩進(jìn)行定期監(jiān)測(cè)的過程中，也要結(jié)合之前的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)大壩的形變進(jìn)行預(yù)測(cè)和分析，以達(dá)到提早預(yù)防險(xiǎn)情的目的。造成大壩壩體變形的因素有很多，比如上下游庫的水位差、溫度、氣壓、實(shí)效等等。選擇恰當(dāng)?shù)谋O(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)大壩壩體變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可以提高監(jiān)測(cè)效率，維護(hù)大壩壩體安全。

關(guān)鍵詞：大壩壩體變形；監(jiān)測(cè)技術(shù)；應(yīng)用分析

中圖分類號(hào)：TV968.11 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2019）05-0144-02

在大壩整個(gè)施工過程和后期的運(yùn)營過程之中都可能出現(xiàn)大壩變形。如果對(duì)大壩的變形能夠做出及時(shí)的預(yù)測(cè)，在一定程度上就可以減少災(zāi)害的發(fā)生。我的大壩變形監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，從20世紀(jì)50年代開始研究并使用的人工變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，70年代出現(xiàn)了以傳感器、激光技術(shù)和全站儀TPS為基礎(chǔ)的自動(dòng)化變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，到了90年代，GPS自動(dòng)化變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等新興技術(shù)得以被使用和推廣。為了更好的研究大壩壩體變形監(jiān)測(cè)技術(shù)和應(yīng)用，在本文中，筆者結(jié)合學(xué)習(xí)生活中的實(shí)際經(jīng)歷，列舉了幾個(gè)大壩壩體變形監(jiān)測(cè)的技術(shù)，以供分析。

1 EV模型監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)大壩壩體變形的應(yīng)用及分析

回歸分析是監(jiān)測(cè)大壩壩體是否變形的一種經(jīng)典方法，被廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域，但經(jīng)典的回歸分析也存在一定弊端。比如回歸分析要求觀測(cè)值要具有較大的樣本、一般只能進(jìn)行短期的變形預(yù)測(cè)，而且由于自變量的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)存在一定的不確定性，所以造成了回歸分析的測(cè)量值容易出現(xiàn)誤差。為了解決這一弊端，學(xué)者通過研究，在變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理中首次使用了一種新的建模方式，建立了變量含有誤差的模型——Errors-in-Variables模型。這種方法是根據(jù)經(jīng)典的回歸分析模型演變而生，在剛問世時(shí)被人們稱為Measurement Error模型，隨著后來的不斷調(diào)整，慢慢演變成了今天的Errors-in-Variables模型。

EV模型在19世紀(jì)五六十年代由一個(gè)國外統(tǒng)計(jì)學(xué)家提出。他對(duì)自變量的隨機(jī)誤差進(jìn)行了思考，、將自變量的誤差值當(dāng)做參數(shù)來進(jìn)行處理，使原有的計(jì)算變得非常復(fù)雜，加大了統(tǒng)計(jì)與推斷的難度。所以EV模型的研究在較長一段時(shí)間里都停滯不前。后來隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)明與問世，計(jì)算量的大小不再困惑著人們。國內(nèi)外開始研究EV模型的學(xué)者越來越多。近年來，隨著計(jì)算機(jī)處理數(shù)據(jù)的能力越來越強(qiáng)，更多的學(xué)者開始重視EV模型的研究。

目前不管是在國內(nèi)還是國外，EV模型工作仍處理理論研究階段，對(duì)于模型的實(shí)際運(yùn)用則比較少見，但也存在著少數(shù)的成功案例。1983年Ganse將EV模型用來討論地震的強(qiáng)度；2004年Faber Richard等人將EV模型用來研究關(guān)于煤氣工業(yè)的提純問題；2005年Stoker、Thomas M等人用EV模型對(duì)美國煤礦的勞動(dòng)生產(chǎn)率做出了分析。除此之外，將EV模型運(yùn)用于大壩壩體變形檢測(cè)仍處于摸索狀態(tài)。曾有學(xué)者運(yùn)用EV模型通過水壓、實(shí)效、溫度等分量的測(cè)量分析，對(duì)青銅峽大壩進(jìn)行了壩體變形的檢測(cè)。根據(jù)分析自變量數(shù)據(jù)的精確程度與變量觀測(cè)值數(shù)據(jù)位的變化規(guī)律以及各個(gè)水平位移觀測(cè)點(diǎn)觀測(cè)精度的相似程度，確定了最初的誤差協(xié)方差陣，根據(jù)大量的試算，學(xué)者們發(fā)現(xiàn)了誤差協(xié)方差在矩陣中數(shù)值的微小變化對(duì)參數(shù)估計(jì)造成的影響，最后確定了誤差協(xié)方差陣的估計(jì)值。

2 地基雷達(dá)系統(tǒng)IBIS-L技術(shù)對(duì)大壩壩體變形的應(yīng)用及分析

地基合成孔徑雷達(dá)干涉技術(shù)，它主要通過微波探測(cè)主動(dòng)成像的方式來獲取監(jiān)測(cè)區(qū)域的二維影像圖，并通過步進(jìn)頻率技術(shù)來實(shí)現(xiàn)雷達(dá)影像方位向和距離向以及合成孔徑技術(shù)的高空間分辨率。地基合成孔徑雷達(dá)干涉技術(shù)不僅克服了星載SAR影像受時(shí)空失相干嚴(yán)重的問題，還克服了時(shí)空分辨率低的缺點(diǎn)。通過GB雷達(dá)技術(shù)，人們能夠精確地發(fā)現(xiàn)被測(cè)物的表面沿雷達(dá)視線向的微量變形的有關(guān)信息，地基合成孔徑雷達(dá)干涉技術(shù)的基本原理主要根據(jù)合成孔徑雷達(dá)技術(shù)來獲取監(jiān)測(cè)區(qū)域的二維影像圖，并利用SF-CW技術(shù)以達(dá)到提高雷達(dá)的距離向分辨率的目的。通過對(duì)影像中目標(biāo)點(diǎn)的電磁波相位信息進(jìn)行比較，運(yùn)用干涉技術(shù)來獲取監(jiān)測(cè)區(qū)域的變形量。IBIS是一種基于微波干涉技術(shù)的創(chuàng)新雷達(dá)，是遠(yuǎn)距離監(jiān)測(cè)目標(biāo)位移且具有成像能力的陸基微波干涉儀。與GPS、全站儀技術(shù)相比，IBIS更具有空間連續(xù)覆蓋的優(yōu)勢(shì)。系統(tǒng)將合成孔徑雷達(dá)技術(shù)（SAR）、干涉測(cè)量技術(shù)、步進(jìn)頻率連續(xù)波技術(shù)（SF-CW）相結(jié)合，通過合成孔徑技術(shù)獲取監(jiān)測(cè)區(qū)域二維影像，提取相位變化量。

地基合成孔徑雷達(dá)技術(shù)通過對(duì)干涉測(cè)量技術(shù)的運(yùn)用，以達(dá)到獲取微小形變的目的。地基合成孔徑雷達(dá)技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)在大壩、橋梁等變形監(jiān)測(cè)工作中廣泛應(yīng)用。這種雷達(dá)技術(shù)與傳統(tǒng)的觀測(cè)方法相比具有二維成像、精度高、全天時(shí)全天候等特點(diǎn)，是非常具有潛力的一種監(jiān)測(cè)新技術(shù)。

3 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)大壩壩體變形的應(yīng)用及分析

BP算法的最早提出在1986年，這種算法是人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的誤差反向傳播算法。基于ANN算法所形成的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)被人們稱為BP網(wǎng)絡(luò)。BP網(wǎng)絡(luò)主要有三層神經(jīng)元，分別是輸出層神經(jīng)元、輸入層神經(jīng)元和隱含元。輸入層神經(jīng)元主要負(fù)責(zé)信息的收集和獲取，隱含元主要負(fù)責(zé)信息的處理，輸出層神經(jīng)元主要負(fù)責(zé)信息的最后輸出，三層神經(jīng)元之間具有非常明確的分工。此外對(duì)于BP網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)過程主要分為正反兩個(gè)方向。BP網(wǎng)絡(luò)的正向傳播體現(xiàn)了一個(gè)信號(hào)嘗試過程，反向傳播則主要是一個(gè)反饋的過程。作為前向反饋網(wǎng)絡(luò)的BP網(wǎng)絡(luò)，現(xiàn)如今被社會(huì)廣泛的使用。誤差反向傳播算法的學(xué)習(xí)主要被分為兩個(gè)不同階段。第一是總結(jié)嘗試的過程。在這個(gè)階段下，信息處于一種正向傳播的狀態(tài)。在隱含層獲取到輸入信息之后，經(jīng)過復(fù)雜的計(jì)算后，發(fā)送給輸出層。第二是反饋的過程。在這個(gè)階段下，信息處于一種反向傳播狀態(tài)。輸出層并沒有得到實(shí)際的輸出值，然后將這種情況反應(yīng)到隱含層，隱含層采用遞歸的方式計(jì)算誤差調(diào)節(jié)神經(jīng)元之間的連接強(qiáng)度。

作為一種多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的BP網(wǎng)絡(luò)，在當(dāng)今社會(huì)的研究與應(yīng)用中，體現(xiàn)了極強(qiáng)的實(shí)用性能。大量的研究表明，BP網(wǎng)絡(luò)僅需要一個(gè)隱藏層就能夠解決任意精度的連續(xù)非線性函數(shù)。通過運(yùn)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來分析水庫大壩是否變形，通過將影響水庫大壩變形的幾個(gè)因素與大壩實(shí)際變形量的歷史數(shù)值作為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析預(yù)測(cè)模型的輸入變量和期望輸出，再加之一系列的計(jì)算與分析，對(duì)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的初始權(quán)值和閾值進(jìn)行優(yōu)化，最終采用優(yōu)化后的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來建立水庫大壩變形分析的預(yù)測(cè)模型。

4 小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)大壩壩體變形的應(yīng)用及分析

小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)一直是國際上眾多學(xué)科關(guān)注的熱點(diǎn)。通過小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)變換的發(fā)展歷程，不難看出，小波理論的發(fā)展主要分為三個(gè)階段。第一階段：小波分析的思想萌芽及孤立應(yīng)用時(shí)期。其主要特征是特殊構(gòu)造的小波開始被應(yīng)用于一些科學(xué)領(lǐng)域的特定問題上。其中最具代表性的小波應(yīng)用是法國地球物理學(xué)家通過小波對(duì)地震數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，并提出了小波分析的概念。第二階段：國際性研究熱潮和統(tǒng)一構(gòu)造時(shí)期。1986年，從離散濾波器迭代方法出發(fā)建造出具有支撐的正交小波基和對(duì)稱的雙正交小波，這也是以后正交小波的構(gòu)造的基本框架。第三階段：小波的全面應(yīng)用時(shí)期。從1992年開始，小波分析方法正式進(jìn)入了全面應(yīng)用階段。專門刊載小波理論和應(yīng)用發(fā)展的國際刊物于1993年在美國正式創(chuàng)刊，這標(biāo)志著小波分析理論研究進(jìn)入了全新階段。在經(jīng)過后世漫長的發(fā)展中，大部分的小波文獻(xiàn)主要集中在了數(shù)學(xué)、物理等方面。小波分析是一門交叉學(xué)科，小波分析與其它理論的綜合運(yùn)用必將成為以后的發(fā)展趨勢(shì)。

現(xiàn)在的小波分析理論被越來越多領(lǐng)域的工作者和工程技術(shù)人員廣泛應(yīng)用，小波理論創(chuàng)造的新成果層出不窮。但是將小波分析用于大壩安全檢測(cè)的應(yīng)用仍處于剛起步階段。倘若能與大壩安全檢測(cè)的特點(diǎn)相結(jié)合，在探索小波理論應(yīng)用于大壩安全檢測(cè)的課題，必將是一個(gè)非常具有劃時(shí)代意義的研究方向。

5 GNSS技術(shù)對(duì)大壩壩體變形的應(yīng)用及分析

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)GNSS于19世紀(jì)70年代問世，在這種技術(shù)出現(xiàn)后便被廣泛用于定位工作，在后世的發(fā)展中，也被大量應(yīng)用于測(cè)量領(lǐng)域。1998年我國首次將GNSS自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)用于隔河巖大壩外部變形監(jiān)測(cè)。作為利用衛(wèi)星技術(shù)進(jìn)行全方面測(cè)量的一項(xiàng)高科技技術(shù)，GNSS能夠?yàn)楸O(jiān)測(cè)人員提供較為精確的時(shí)間信息和三維坐標(biāo)等參數(shù)，對(duì)測(cè)量領(lǐng)域產(chǎn)生了劃時(shí)代的意義。在監(jiān)測(cè)大壩是否變形中，GNSS技術(shù)是被使用最多的技術(shù)，它具有定位速度快、全天測(cè)量、自動(dòng)化程度高、連續(xù)實(shí)時(shí)等特點(diǎn)。GNSS技術(shù)通過系統(tǒng)對(duì)自動(dòng)化數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，進(jìn)而獲得精確程度較高的數(shù)據(jù)，這也為建立自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)打下了基礎(chǔ)。但是盡管如此，GNSS技術(shù)就應(yīng)用層面而言，仍存在較多缺陷，只有將GNSS技術(shù)與其他監(jiān)測(cè)技術(shù)捆綁使用，才能提高對(duì)大壩變形監(jiān)測(cè)的效率、水平和精度。GNSS技術(shù)隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，在對(duì)大壩壩體變形的研究分析層面更為靈活，是使用最為廣泛的監(jiān)測(cè)方法。

綜上所述，大壩的安全監(jiān)測(cè)工作是大壩建設(shè)和運(yùn)營必不可少變形監(jiān)測(cè)、分析和預(yù)報(bào)是大壩安全監(jiān)測(cè)的重要部分，及時(shí)掌握大壩的變形規(guī)律，完成對(duì)大壩變形的預(yù)測(cè)就能夠提前化解潛在危機(jī)。在本文中，筆者通過對(duì)EV模型監(jiān)測(cè)技術(shù)、地基雷達(dá)系統(tǒng)IBIS-L技術(shù)、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、GNSS技術(shù)五大技術(shù)的介紹和應(yīng)用分析，說明了通過不同角度，采用不同技術(shù)對(duì)大壩壩體是否變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，為大壩壩體變形監(jiān)測(cè)技術(shù)的優(yōu)化提升提供了更多可供參考的理論建議。

參考文獻(xiàn)

[1] 楊杰，吳中如.大壩安全監(jiān)控的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展[J].西安理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2002（1）：26-30.

[2] 方衛(wèi)華，王潤英.大壩變形監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)展[J].水利水電科技進(jìn)展，2000（6）：23-25.

[3] 蔡德所.光纖傳感器技術(shù)在大壩工程中的應(yīng)用[M].中國水利水電出版，2017.

[4] 華北水利水電學(xué)院編.水庫工程檢查觀測(cè)[M].水利電力出版社，2017.

[5] 郭晨，李光宗.大氣激光準(zhǔn)直自動(dòng)化系統(tǒng)在監(jiān)測(cè)大壩變形中的應(yīng)用[J].大壩觀測(cè)與土工測(cè)試，1997（5）：34-37.

[6] 宋恩來.真空激光準(zhǔn)直系統(tǒng)在大壩安全監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用及發(fā)展[J].大壩與安全，2001（1）：1-4.

[7] 胡光乾.小浪底水利樞紐大壩外部變形監(jiān)測(cè)及資料分析[J].水力發(fā)電，2004（9）：49-51.

[8] 渠守尚，馬原平.大壩外部變形自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用試驗(yàn)[J].大壩觀測(cè)與土工測(cè)試，2001（3）：25-28.

[9] 李征航，劉志趙，王澤民.利用GPS定位技術(shù)進(jìn)行大壩變形觀測(cè)的研究[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），1996（6）：26-29.

[10] 黃丁發(fā)，丁曉利，陳永奇.多天線GPS自動(dòng)變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].鐵道學(xué)報(bào)，2000（6）：90-94.