談談水庫大壩外部變形的監測技術

韓太海 綏化市永安灌區，黑龍江綏化 152013

談談水庫大壩外部變形的監測技術

韓太海 綏化市永安灌區，黑龍江綏化 152013

水庫大壩外部變形監測是對水庫大壩安全監測的一個重要內容，迄今為止，已有各種各樣的監測方法，而按觀測目的，則主要分為水平位移監測、垂直位移監測、三維位移監測等。本文針對這些 主要監測方法的特點及其在運用中存在的問題對水庫大壩外部變形監測的發展趨勢做出了預測。

水庫大壩；水平位移監測；垂直位移監測；三維位移監測；GPS；CCD技術

水庫大壩安全監測的一個重要內容，就是對大壩外部變形的監測。水庫大壩外部變形的方法很多，而按觀測目的主要分為水平位移監測、垂直位移監測、三維位移監測等。

1 、水平位移監測

水平位移監測有如下幾種方法：激光準直法，正、倒垂線法，前方交會準直法和導線法等。

1.1 激光準直法

激光準直法利用激光的單色性好和方法性強的特點，建立起一條物理的視準線作為測量基準，根據測量原理的不同可分為直接準直和衍射法準直，后者精度高于前者。對于衍射準直根據共傳播介質不同，主要大氣激光準直。

大氣激光準直讓激光直接在大氣中傳播，應用對象是壩長小于300米、壩高較低的水庫大壩。大氣激光準直由于受大氣折射及湍流影響而引起光束的抖動，測量精度低且不易實現自動化觀測。最新發展是采用CCD技術，消除了光斑隨機抖動的難題，實現了自動化監測，測量精度達+0.1mm。此項技術在水庫大壩變形監測實踐中已獲得成功，如在陜西韓成電廠工程中已獲得成功的應用，綜合精度高達l×10-2×10-7。與引張線法相當，對直線型長壩、高壩的變形監測效果極準。

激光準直法的發展方向是對向位移觀測（垂直位移和上下游水平位移），因而在兩端點安裝倒垂線作為水平位移的基準點，安裝雙金屬標作為垂直位移的基準以實現雙向位移觀測。激光準法不利于對曲線型大壩的變形監測，因此要拓展其應用空間，應考慮實現真空激光轉角，使其也可用于曲線型水庫大壩變形監測。

1.2 正、倒垂直線法

正垂線是一端固定于壩頂附近，中一端懸掛重錘，以便觀測壩體各點間及壩體相對于壩基的位移觀測；倒垂線是一端埋設在大壩基礎深層基巖外，另一端浮起，來測定大壩的絕對位移。正、倒垂線既可以實現水平位移監測，又可實現觀土壩的撓度觀測。目前國內研制的垂線觀測儀.采用線陣CCD傳感器實現自動化讀數，在x.y方向上的坐標精度優于+0.1mm。

1.3 前方交會法

對于拱壩的拱冠或下游面等觀測效率比較低或觀測位置不易到達的點位進行觀測時，可以用角度前方交會法測定其水平位移。前方交會的誤差源有：測角誤差，交會角及圖形結構，基線長度，外界條件的變化等較低因素。其實際精度一般為+lmm～+3mm，精度較低，另外其測量和計算過程復雜，因此不單獨使用，而是作為備用手段或配合其他方法使用。

1.4 導線測量法

精度導線作為監測拱壩水平位移的確方法，應用比較廣泛，但量邊工作量大，測角的旁折光影響大。為克服這些問題，宣布設成類似于高能物理加速器工程師的途徑來間接提高測量的精度，從而避免旁折光的影響。該法的精度取決于量邊精度，如果用銦瓦尺量邊，精度完全可以到亞毫米級。但觀測方法繁瑣，計算復雜，誤差逐點累加，可靠性差，工作效率低。

2 、垂直位移監測

幾何水準法和流體靜力水準法是垂直位移監測的兩種主要方法：

2.1 幾何水準法

幾何水準法是垂直位移監測的主要方法，精度容易滿足。幾何水準測量的主要工作是：①由水位基準點校測各工作基點，對混凝土大壩和土壩分別采用一、二等水準測量；②用工作基點測定各變形點，較上述要求可降低一個等級，對混凝土大壩和土壩分別采用二、三等水準測量。

2.2 流體靜力水準法

流體靜力水準測量原理是連通管原理。流體靜力水準測量法很容易實現讀數及傳輸的自動化，測量精度優于上+0. 1mm，在垂直位移監測中有著廣泛的應用。但靜力水準的測點基本上要處于同一水平，測量范圍受到限制。近年來，所開發的用壓力傳感器測量液體壓力的變化。計算高差度變化的儀器，從而克服了流體靜力水準測量范圍受到限制的缺點，使其測量范圍得到了擴大。

3 、三維位移監測

三維位移監測系統主要有極坐標法、GPS法、GPS/TPS組合法三種：

3.1 極坐標法

極坐標法采用了當前具有最高精度的測量機器人，如徠卡TCA系列全站儀，其測量原理是極坐標法。這一測量系統的標準配置包括TCA全站、APSwinL軟件，由此構成自動極坐標實現時差分測系統。由于測量自動化使得測量時間縮短，大氣等環境條件相對穩定，利用基準網的穩定信息，在無需測量氣象元素下實現大氣折射、大氣折光的實差分改正。這一系統在大壩變形監測的實踐中已獲成功運用。

3.2 GPS法

GPS法是由武漢大學測繪學院完成的，已成功用于清江隔河巖水庫大壩監測。GPS測量不需要測量點間視，但要求對空視。GPS法在數百米到2Km‰以內的短基線上測量可以獲得亞毫米級的定位精度。該系統主要有數據采集、總控、數據處理、分析、管理與大塊模。數據采集部分有2個基難點，5個變形點，共有7臺AShtechz-12接收機；因數據庫量龐大傳輸采用局域網傳輸；數據處理結果有l～2h解和6h解，l～2h觀測的水平精度優于+lmm，垂直精度+1. 5mn，6h觀測的水平精度優于+0.5mm，垂直精度優于+lmm，而GPS瞬時觀測的水平位移精度為+3mm，垂直位移精度為+8mm。

GPS系統能夠實現自動化連續觀測，精度高，然而也有這樣一些缺點：一是不能實現得到觀測數據；二是觀測點必須對空開闊，不能少于4題衛星；三是每增加一個觀測點必須添加一臺GPS接收機，成本較高。克服這些缺點，改進該系統，可考慮用一臺接收機接收多個天線的辦法實現。

3.3 GPS/TPS組合法

為對黃河小浪底工程進行監測，中國信息工程大學測繪學院根據小浪底壩長166m、地質條件差、建筑結構復雜的實際，提出以高精度GPS測量為基準，同時發揮全站儀測量方便靈活的特點，構成混合測量系統，充分利用兩者的優點。發揮兩者的潛能。GPS/APS技術的結合，為黃河小浪底大壩的監測建立了一套先進、可靠的綜合自動化監測系統。

總之，大壩外部變形監測經歷了從低精度到高精度，從肉眼觀測手工操作到自動化觀測，水平垂直位移分別施測到了三維變形監測的階段。由此可以預見，水庫大壩外部變形監測發展的方向是自動化程序更高、測量精度更高、測量儀器和測量方法將會越來越先進且越來越重要。

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.15.029

韓太海（1952-），男，工程師，研究方向：農田水利工程。