水利工程大壩的安全監測技術與發展

□李佳宇（廣東省水利電力勘測設計研究院）

0 引言

改革開放以來，我國水利事業發展迅速，建設了諸多的水利工程，并且工程規模也在不斷地擴大，為社會經濟的發展做出了較大的貢獻。但是水利工程規模的擴大，增加了大壩安全運行的復雜程度，對大壩管理提出了更高的要求。因此，為了促使水利水電工程能夠安全穩定的運行，就需要重視大壩的安全監測技術。

1 大壩安全監測的重要意義

大壩建造受到水文、地質等眾多方面的影響，在運行過程中承受到巨大的環境荷載和地震荷載，包括水壓力、溫度等。同時，還會受到其他因素的影響，如材料性能、人為影響等，在長期的使用過程中，很容易有滲漏、裂縫、變形等問題出現，如果無法及時的診斷和解決這些隱患，那么大壩的安全運行就會受到嚴重影響，甚至還會帶來較大的災難性事故。

2 大壩安全監測技術現狀

在近幾十年內，逐漸新興了一門邊緣學科，就是大壩安全監測。在20世紀70年代初，大壩安全監測也被稱之為大壩原型觀測，指的是將觀測儀器設置于大壩原型中，進行現場測量，獲得一些特征量，來反映大壩結構性態變化。20世紀末，開始進行大壩安全監測。這些監測主要是對大壩的實際變形、溫度、滲漏以及應力應變狀態進行研究，以便對壩工理論進行改進，提升大壩安全管理水平。我國經過不斷地努力，如今在較大程度上提升了主要安全設備的研制和工藝水平，在大壩安全監測中，也開始廣泛應用一系列高精尖技術和儀器設備，如全球定位系統、電荷耦合元件等都是比較典型的，這樣就對大壩安全監測技術的發展起到了較大的推動作用。

在20世紀90年代后期，國外公司將一些進口儀器引進國內，并最終實現了管理自動化。此后，開始逐步完善大壩安全監測自動化設備，并且推動了水利水電工程安全監測自動化技術的發展。如今，在新建大型水利工程的設計過程中，就開始應用自動化的方式，并且將自動化監測實施于施工階段。

3 水利工程安全監測項目

3.1 安全監測

通過實時監測大壩的安全狀況，主要是對大壩運行過程中的安全狀況進行了解，收集大壩安全監測資料，以便科學的評估大壩工作性態，進而將一系列針對性的措施給應用過來，促使大壩的安全得到保證。只要及時的監測，獲得可靠的監測數據，進行科學的分析，就可以避免出現重大災害事故。在施工過程中，可以獲得不斷地反饋，以便對設計的合理性進行驗證，并且對水工設計進行有效修正?？傊?，借助于大壩安全監測，可以對大壩安全性態進行了解，以便將實施科學管理措施。

3.2 儀器檢測和日常巡視檢查

為了了解大壩的安全程度，通常將日常的例行巡視檢查和儀器監測結合起來。如今越來越多管理單位充分重視日常人工例行巡視檢查，并且將其普遍實施下去，將其作用充分發揮了出來。儀器監測指的是借助于相關的規范和要求，依據工程實際情況，將各類安全監測儀器和設備布置于水工建筑物上，以便采集大壩安全運行的各類性態信息。通過處理和整編分析這些信息，結合人工例行檢查的結果，就可以科學客觀地評價大壩的運行和安全狀況，以便更好進行調度指揮。具體來講，有很多的項目都需要進行安全監測，如變形、滲流、壓力、應力應變等。其中，最為重要的監測項目就是變形和滲流監測，這些監測比較直觀，可以將各種荷載作用下大壩的安全形態給充分反映出來。

4 水利工程安全設備監測革新

4.1 水利工程安全監測設備現狀分析

隨著時代的進步和發展，開始興建了一大批新型水工建筑物，人們在對水工建筑物的性態進行觀測時，開始安裝埋設了將一些專門的儀器設備。美國專家將差動電阻式儀器發明了過來，在工程中成功運用，人們可以更好了解混凝土的應變、徐變以及自身提及變形等情況，這樣就構建了一套完善的方法，借助于應變計觀測值來對混凝土應力進行計算。實踐研究表明，差動電阻式儀器有著較好的穩定性，可以有效監測大體積混凝土建筑物的變形、應力等情況，同時，還可以對測點的溫度進行監測。因此，在長期發展過程中，一直改進本類儀器設備，如今依然得到了較為廣泛地應用。在水工建筑物中也開始大量應用振弦式儀器，這類儀器有著較為簡單地結構，測量起來比較的穩定，對于自動化和長距離測量，非常的有利。

如今研制出來了很多的儀器來監測大壩變形，包括遙測垂線坐標儀和遙測引張線儀等，前者有電磁感應式、電容感應式以及步進馬達跟蹤式等，后者有電容感應式、CCD 等多種類型。借助于遙測靜力水準儀可以有效觀測壩體沉降，包括電容感應式、CCD 等，借助于多點位移計，可以監測基巖不同深度變形情況，如壩體、基礎廊道、廠房等。我國有較多的水利工程，隨著施工技術的不斷完善和改進，促使安全監測的需求得到滿足，國內自行研制成功了各種監測儀器，比如借助于差動電阻式、電位器式測縫計可以對面板周邊施工縫進行監測；利用引張線配合倒垂線和水管式沉降儀配合雙金屬標可以對大壩水平及垂直變形進行監測，并且可以有效實現自動化采集。不管是從技術性能、品種還是數量等多個角度上分析，大部分監測儀器都可以促使工程需求得到滿足。

4.2 水利工程安全監測設備的發展方向

如今，傳統的安全監測技術逐漸的完善，但是還需要大力開發新型監測技術，部分新技術還處于理論研究階段。比如，在各種類型的新型監測儀器開發及完善的同時，由于監測儀器需要通過電纜的傳輸，在復雜的條件下儀器、電纜容易受到電氣一次、電氣二次的電磁場、輻射場等（比如廠房發電機組、高壓電纜、變壓器）的干擾，造成監測數據的失真，從而影響水工建筑物監測分析成果的判斷。

要解決這一問題需要從三方面入手：第一、提高儀器設備本身（包括一種監測儀器、MCU 數據采集模塊等）在各種惡劣情況下的抗干擾能力。第二、針對不同的環境條件選用不同類型的儀器設備。第三、監測儀器電纜保護管選用鋼管進行保護，并與地網充分連接，最終確保監測數據的真實可靠。在位移監測過程中，固然可以采用固定測斜儀進行自動化監測，但造價成本較高，可以研制活動式測斜儀，利用單點探頭進行自動化監測。在一機多天線等方面，快速發展GPS 監測技術，但是因為其具有較高的造價成本，存在著較大的局限性，需要進一步的開發，降低造價成本。在結構損傷檢測以及力學特性測試的方面，大壩CT 技術取得了一些成績，但是其傳播和圖像重構方面還需要進一步努力，只能夠在小范圍內應用。在溫度、滲流以及裂縫監測方面，光纖光柵技術取得了不錯的成績，但是需要進一步提升它的多元化和智能化程度。如今在變形監測自動化技術方面，只有較少的手段和方法，需要進一步的深化研究。我國的大壩安全監測技術逐漸的完善，很多已經達到國際先進水平，但是在未來發展過程中，還存在著諸多的不足，需要進一步完善，構建一個完整的儀器系列，能夠促使大壩及工程安全監測需求得到滿足，將一系列具有較高精度和可靠性的智能化系統給應用過來，形成一個完善的監控網絡管理系統，在線監測、離線分析以及安全評判、風險評估等諸多功能都可以得到實現，能夠對大壩安全監測的有用信息充分挖掘，促使大壩更加安全穩定的運行。

5 結語

通過上文的敘述分析可以得知，大壩安全監測技術對于水利工程的正常安全運行有著較大的意義；經過不斷地發展，我國水利工程大壩的安全監測技術日趨成熟，很多達到了世界先進水平，為水利事業的發展做出了較大的貢獻。但是在未來發展過程中，還存在著諸多的不足，很多技術都處于理論研究階段，相關工作人員需要進一步努力，深化研究，更好地進行水利工程大壩的安全監測工作。

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