自動化技術在大壩變形監測中的應用研究

宋智全

(中國水利水電第八工程局有限公司,湖南 長沙 410004)

大壩具有灌溉水源、改善航運條件、減少河口泥沙淤積,保護河口環境的作用,推動著各區域建設發展。現如今,大壩類型逐漸增多,怎樣做好大壩變形監測得到了重視。對此,應用自動化技術能夠精準的進行大壩監測、定位,確保檢測點準確度,值得進一步推廣應用。

1 自動化技術在大壩監測的作用影響

現如今,我國水利工程設施達到數十萬座,成為人們生活、經濟建設、生態環境發展的重要組成部分有著重要作用。但受地質條件、環境因素制約,大壩在應用時經常發生變形,嚴重影響了大壩的使用,尤其是下游地區群眾,威脅著人們的生命財產安全。通過對大壩變形原因分析發現,地震、滑坡、泥石流、設計問題等都會引起大壩變形；同時在長期使用時不加以維修、防護也會加速大壩變形,受到水力侵蝕導致鋼筋暴露降低大壩穩固性。現階段,自動化檢測技術處于發展階段,安全監測設備自動化程度有待提升,將其應用在大壩變形監測中有助于保證監測結果的準確性與有效性,便于制定適合的維護管理方案從而保證大壩安全。

2 自動化技術在大壩變形監測中的應用

2.1 全站儀變形監測應用

全站儀監測是一種常見的檢測技術,它利用傳統的變形監測,周期性的測量角度、距離、高差等量,利用交會法、極坐標方法等展開變形監測。全站儀短邊三角高程監測取締了水準測量,測量結果準確性更高。這種監測技術具有經濟投入少、操作簡便、方便信息分析的特點,但投入的人力資源教導、監測時間過長且容易受惡劣環境影響僅適合對部分點位的監測。近幾年,繼自動全站儀后出現了智能化監測技術,測量參數可以精確到0.5s,測站局部坐標系統測量可以精準至毫米級。

第一,全站儀自動化設計。自動全站儀、控制中心、數據處理軟件、棱鏡組是全站儀自動化監測重要組成部分。其中,棱鏡位置設計需凸顯結構體變形的特征點,同時保護棱鏡。通常全站儀選擇穩固的工作基點中,便于對特征點的監測。設備接入控制中心,結合控制中心數據系統自主搜集數據,并且可以分析龐大的數據信息。第二,機器人自動化監測應用。首先,監測方法。機器人可以自主搜集目標,無論是在地下還是弱光條件下都可以正常運行,自主記錄、防止人為計算偏差。觀測過程中需確定基準點,兩點之間設置一條導線并得出區間控制點坐標。用相同的方法測量平面監測點的坐標,將坐標參數作為測量初始參數。觀測選擇軸線法,基準線作為控制電線,一側控制點觀察其他點并得出所需數據。其次,機器人的操作。測量機器人適用于邊坡、地表位移監測、橋梁施工監測、變形監測、隧道的變形監測中。其中,邊坡由于地質環境、人為影響導致邊坡滑坡、坍塌、泥石流等存在較大危險隱患。對此,利用測量機器人可以對邊坡狀態及時測量,從而避免危險事故發生。測量機器人應用在建筑主體中具有監測準確、效率高的特點,能夠避免人為偏差。應用在地下隧道監測中可以將監測的信息傳輸到控制器,隨后計算隧道斷面收斂狀態從而掌握隧道變形狀態,保證隧道安全。測量機器人實現了自動化、智能化、高精準性,與其他技術配合能夠得到理想的效果。此外,測量機器人還可以用在航天、汽車、造船等不同領域。

2.2 三維激光掃描監測

伴隨著三維激光掃描技術應用的廣泛開展,現階段國外已經研發了掃描儀,掃描的點密度更大、可以準確至微米級、無需點云網格化。存在的不足為：模型數據量過大、適合應用小型建筑。三維激光掃描測量技術原理為：利用掃描點云數據得到總面域數據信息,多應用在地質災害檢測中。其組成為；機箱、電源、激光掃描儀、三腳架,綜合了激光掃描系統、攝像系統、內控校正系統。現階段,激光測距系統可以分為相位測距、脈沖測距、激光三角,脈沖測距屬于高速激光測距技術,應用較多。具體監測方法為：發射激光發射高速的脈沖信號至被檢測的物體,激光信號被取樣獲得主脈沖波激光。激光探測指的是把激光回波信號轉為電信號,回波信號與掃描鏡、聚光鏡搜集獲得。測站點和被測點間距檢測是通過激光測距系統激光發射、接收時間差得出,光束水平角度與豎直角度以勻速旋轉的反射鏡根據角速度發射激光。搜集過程中的坐標系統是儀器坐標系,通過掃描系統與激光測距系統作用得出三維坐標。

2.3 GPS監測的應用

GPS適合應用于復雜的地質條件中,通過衛星信號得到被檢測點的具體位置,而且不會受到通視條件影響,只要使用無限通訊技術就能達到遠距離監測。該項技術集成了自動化檢測、通訊、計算機等技術。其主要作用分別為：實時顯示子系統則是對各監測點數據的顯示。數據處理子系統是整個系統的關鍵,提取RENIX格式信息并得到不同監測點的位置。數據采集系統連接硬件終端與數據處理,主要功能是GPS數據接收并解碼為標準的RENIX格式,保存在計算機系統為GPS解算單元提供依據。GPS終端硬件進行GPS信息搜集、整合、傳輸,是基礎的子系統。分析與預警子系統,該系統能夠對形變量超出閾值的監測點預警。數據庫管理子系統是對監測結果的保存,便于用戶查找。

第一,靜態測量方法。將3臺以上的GPS接收機放置于觀測點一同觀測,通過連接的形式構網,選擇軟件結算基線,通過平差得到被監測點的三維坐標。GPS基準網采取靜態測量方法,具有準確性高的優勢,并且適合應用在坡體變形監測中。測量方法為：將2臺GPS接收機放在基準點中,其他接收機在監測位置移動,大約觀測6-15min得到三維坐標。然后,結合計算的三維坐標變化量分析變形。如果基準點與監測點間距在3km內,監測準確度根據：水平位移±3-±5mm,垂直位移±5-±8mm。第二,動態測量。該種方法是將其中一臺GPS接收機固定,其他接收機在另一個基點觀察5min,確保衛星持續跟蹤不失鎖,在滑坡體停留5-10s,將搜集的數據信息進行處理,準確度約1-2cm。這種方法結合載波相位觀測為核心的差分GPS測量技術。第三,GPS形變檢測。利用GPS在滑坡體上創建監測網絡,實時的監控滑坡體變形狀態與外部影響。然后,通過計算機、網絡通信技術結算數據,比較獲得的滑坡三維位移信息。

2.4 光纖變形監測

光纖變形監測主要通過光參數變化實現測量,有著較強的抗干擾性、偏差小。光纖是該項技術重要組成部分,具有較強的感應力并支持信息傳輸,兼容分布式測量。現階段,該項監測技術得到了廣泛應用,將其應用在大壩變形監測中可以利用光纖反射搜集光信號、監測大壩形變度,未來發展前景廣闊。

2.5 計算機軟件技術

自動化數據搜集綜合了不同數值計算方法實現數據處理。現如今,各種對合理模型的變形監測學術交流越來越多,一些人將分形分布隨機過程運用在三維數據中,分析復雜地質環境、地理條件。另一些人以多級的灰關聯評估大壩實測形態。以數值計算方法,利用逐次迭代,不斷調整模型,使其計算結果與觀測數據達到基本相符時迭代計算終止的方法,解決了這個難題。這一方法和計算機的配合,就能利用觀測數據的控制,以不斷調整模型中斷裂設置和受力狀態,使所探測的模型受力狀況得以展示,將它用于大壩監測上,是對壩況安全性研究的一大進步。將數據分析編制為計算機軟件,建立數據庫與多媒體系統,進一步加強大壩安全評估專家系統的開發、研究,這也正是為實現監測系統的一體兒,自動化所急待解決的課題。

3 結語

綜合分析,大壩變形監測使用GPS、三維激光掃描、全站儀已經成為發展主體。伴隨著自動化技術水平的提高,自動化監測技術已經被廣泛應用其他領域。在今后發展中,深化安全保障和安全監測技術,從而為大壩變形檢測自動化創造條件成為重要研究內容,確保大壩安全。