大壩變形監測技術與應用

【摘要】我國的大壩變形監測始于20世紀50年代初，到80年代末實現了自動化遙測，90年代后大壩安全監測技術飛速發展，許多老壩完成了自動化監測系統的更新改造，新建大壩具有功能更全的高水平監測系統，目前大壩變形監測自動化實現了運行變量的數據采集、傳輸，數據管理，在線分析，綜合成圖，成果預警的計算機控制網絡化，并向一體化、自動化、數字化、智能化方向發展。

【關鍵詞】水利；檢測；技術

1、大壩沉降和水平位移觀測常用方法

沉降觀測是工程變形觀測的一項重要內容，其目的是要測定建筑物及其基礎、邊坡、開挖和填方在鉛垂方向的升降變化。水管式沉降儀觀測壩體沉降量的方法是利用液體在連通管的水面最終會形成同一水平面的原理，如果大壩內部某測點沒有沉降發生，則測量管水位不會發生變化，反之如果測得壩體內部的測點隨壩體下降，則測量管內水位也跟隨下降。活動式測斜管兼電磁式沉降環可同時監測水平位移和豎直位移。它的構造為在一根豎管里面安設測斜儀，在管的外壁套上可沿管壁滑動的環。隨著壩體的填筑，沉降環處的壓力增大從而使沉降環向下移動。每次讀數時將讀數探頭置于管內，當探頭到達環的位置時便停止，從而開始讀數，然后再讀另外一個測點的讀數。讀數之后可將探頭拿出。對于水平位移的確定則是由測斜儀測出，其基本原理與固定式測斜儀相同，但其測頭壞了可以提出修理、率定，并可進行多點連續測量。位移監測主要包括建筑物主體傾斜監測、水平位移監測、裂縫監測、滑坡監測等等。建筑主體傾斜觀測應測定建筑頂部觀測點相對于底部固定點或上層相對于下層觀測點的傾斜度、傾斜方向及傾斜速率。剛性建筑的整體傾斜，可通過測量頂面或基礎的差異沉降來間接確定。水平位移監測可選用下列幾種基準線法：①視準線法（包括小角法和活動覘牌法）。②激光準直法。③測邊角法。主要用于地下管線的觀測。④采用基準線法測定絕對位移時，應在基準線兩端各自向外的延長線上，埋設基準點或按檢核方向線法埋設的抽取質量。導4～5個檢核點。測量觀測點任意方向位移時，可視觀測點的分布情況，采用前方交會法或方向差交會法、線測量法或近景攝影測量等方法。單個建筑物亦可采用直接量測位移分量的方向線法，在建筑物縱、橫軸線的相鄰延長線上設置固定方向線，定期測出基礎的縱向位移和橫向位移。對于觀測內容較多的大測區或觀測點遠離穩定地區的測區，宜采用三角、三邊、邊角測量與基準線法相結合的綜合測量方法或GPS測量方法。

2、大壩變形監測數據綜合分析

通過沉降觀測所得數據，首先要剔除異常值，對監測數據進行去粗取精，去偽存真。而后，在同一高程上，相距單位長度的兩點，其錯動的大小，可以近似地用這兩點的沉降差△S來反映。如果兩點之間的距離為△Y，則可以用這兩點間的傾度△S△Y來粗略地表示，我們把兩點間水平距離的平均沉降差△S△Y

定義為兩點間的傾度。如土石壩身同一高程z處，有2個觀測點a、b，兩點間的水平距離為△Y。從壩體填筑上升到此二點的日期TZ至某一計算日期TJ的累計沉降量，分別測得為Sa、Sb。于是，按所給的傾度定義，可寫出a、b兩點間在日期TJ的傾度表達式。

設土層a、b處的破壞臨界傾度為γC，如果計算出的傾度γY>γC，則認為該處的土層要發生錯動破壞面；如果γY=γC，該處的土層處于產生破壞的極限狀態；如果γY<γC，則認為該處土層將不產生破壞面。關于γC值得變化范圍，還研究的不多，文中對幾個發生裂縫的土壩用此法計算后得出，γC值約在1%左右。

所測4點整體呈增漲趨勢，但由于使得儀器的讀數精度等原因其中存在異常點，在進行沉降分析中，要對圖中的那些沉降量隨時間表現出的下降點進行剔除后，再綜合填筑進度，土料因素等進行綜合分析，并進一步分析其相鄰測點傾度，從而判斷土層是否產生較大的不均勻沉降產生破壞面。

當壩體填筑至壩頂高程時，對其中一測點與填筑進度關聯，可以看出，沉降增長與上覆土層重量和下部土層厚度有關。一方面，上覆土重不斷增大，

土體被壓縮，單環累積沉降量不斷增大，表現出與填筑進度明顯的關聯性，填筑強度較大時，沉降速率較快；另一方面，沉降環下部土層越厚，壓縮空間越大，沉降量越大。

3、激光技術

近年來，激光技術作為一種簡便、高效的測量方式成功地用于大壩壩體和廊道。它提高了探測的靈敏度范圍，減少了作業條件限制，克服了一定的外界干擾。激光用于水準儀，減少了讀數和照準誤差，提高了精度。試驗表明，當視線長度為50m時，測站高差中誤差為±0.02mm。而真空管道波帶板激光準直可進行3-D測量，能在惡劣環境下進行，相對精度達10-7左右。已在太平哨、豐滿、葛洲壩等電站使用，并實現了自動化觀測。它滿足了大壩變形監測的及時、迅速、準確的要求，同時也有自身的局限性，即激光設備要求用于直線型、可通視環境，一般安裝在直線壩的壩面或水平廊道，而對于拱壩、曲線壩則無能為力，所以實現激光轉角將極大地拓展其使用范圍。

結束語：

大壩變形監測的發展趨勢，是內外業一體化、自動化、數字化、智能化，將多媒體系統和模擬仿真技術應用于監測系統，在壩體破壞剛開始或將要開始時實現大壩的安全預警功能。也就是說，在收集了前期的壩體觀測數據后，從物理力學角度運用多學科相關知識分析，輸入模擬仿真系統進行壩體受力后下一時期的3-D變形結果預測；再不斷地用后期收集的實測數據進行回代。對比其可靠性，并加以修正。這樣，仿真技術成果趨于實際，并先于實際得出安全評判，以確保壩體安全運營，若發生故障可以及早補救。

參考文獻：

[1]沈麗麗.基于人工蜂群算法與支持向量機融合技術的大壩變形監測研究[J].水利技術監督，2017，25（05）：24-26+163.

[2]胡明罡，郭久波，左豐收，黃鑫.物聯網技術在密云水庫大壩變形監測系統中的應用[J].北京水務，2017（05）：55-59.

[3]布艾杰爾·庫爾班，阿布都艾尼·阿布都克熱木，阿卜杜塔伊爾·亞森，艾力夏提·玉山，劉代芹，李桂榮，王曉強，蘇力坦·玉散.利用GPS技術監測大壩表面變形[J].地震地磁觀測與研究，2017，38（04）：165-171.