大壩外部變形監測技術現狀與發展趨勢

梁航

摘 要：在大壩的安全檢測系統中，大壩外部變形監測技術是重要的一個組成部分，它直接決定了大壩的外部質量。當前大壩外部變形監測技術的主要監測方向是水平、垂直、三維位移監測，在各種監測方向中使用的方法為：水平位移監測中的視準線法、引張線法、激光準直法、正倒垂線法、精密導線法和前方交會法；垂直位移監測中的幾何水準法、流體靜力水準法；三維位移監測中的極坐標法、距離交會法和GPS法。本文針對當前大壩外部變形監測技術的各種監測方法進行分析，并闡述了大壩外部變形監測技術的發展趨勢。

關鍵詞：大壩外部變形；變形監測；垂直位移；水平位移；三維位移；自動檢測系統

中圖分類號：TV698.1+1 文獻標識碼：A 文章編號：1004-7344（2018）30-0186-02

1 前 言

大壩外部變形監測作為大壩的安全監測系統的重要組成部分，其監測方法多樣，監測要求復雜，每種監測方法都要滿足國家規定的監測精度要求，這對大壩外部變形監測帶來了不小的挑戰，但國家要求的規范僅是安全要求下的最低精度值，依然不能滿足大壩的高端要求，所以在實際工作中，必須對大壩外部變形監測提出更高的精度要求。

2 當前大壩外部變形監測技術現狀

在當前時代，大壩外部變形監測技術已經得到長足發展，監測方法得到豐富，針對各種位移都有著多種監測手段；同時監測精度也得到了大幅提升，從原本的滿足國家規定中的精準度要求提高到了實踐操作中更高甚至無法察覺的精度，可以說我國大壩的外部變形監測技術已經走在了世界先進行列。隨著信息化社會的發展，未來發展應當向信息化、自動化靠攏，實現人力的解放和精度的提升。

3 水平位移監測

本段將對水平位移監測使用的視準線等六種監測方法進行介紹。

3.1 視準線法

視準線法主要應用于直線型大壩的水平位移監測中，其主要特點是成本低，使用要求低，但是難以實現觀測自動化，同時對外界影響的糾正性差，難以保證觀測精度。提高視準線法的精度方式主要有操作方法優化和觀測技術改進，以及觀測儀器的升級。

3.2 引張線法

引張線法的主要特點為成本低，精度高，且在人工讀取下的精度同樣優秀；對外界影響的糾正性好，應用面廣，且對自動化的結合效果優秀。例如最新的引張線測量設備通過新型的CMOS感光元件，能夠在保證高感光度的情況下實現夜晚的精準自動讀數，量程僅有3～5cm，同時能夠將精度提高到0.2mm以內的偏差。

3.3 激光準直法

激光準直法中分為大氣激光準直和真空激光準直兩種，其中大氣激光準直的要求是壩長<300m，壩高低于50m的大壩。其由于大氣折射的原因，測量精度相對真空激光準直精準度來說較低，且不易實現自動化監測，但目前已經通過CMOS感光元件實現了光斑抖動問題的解決，同時實現了一定程度的監測自動化，也提高了檢測的精度；而真空激光準直法的精度可以達到1×10-8，一方面可以對雙向位移的大型水壩進行全面監測，另一方面也可以對長度高度相對較低的大壩進行精確檢測。為了提高應用面，可以通過真空激光轉角的技術方式實現曲線大壩的監測。

3.4 正倒垂線法

正倒垂線法的應用范圍非常廣泛，一方面可以實現大壩的水平和垂直變形監測，另一方面也可以實現混凝土壩撓度的監測。目前的正倒垂線觀測儀使用CMOS傳感器和PLC，實現了讀數與觀測的自動化，且精度已經達到了±0.01mm，觀測效率極佳。

3.5 精密導線法

精密導線法的應用面較為廣泛，但是監測過程較為繁瑣，且容易受到旁折光影響，導致角度觀測不準確。所以針對這種問題，可以將導線布置成環形網的造型，通過狹長三角形的邊長和高來測量角度，從而提高角度觀測的精度。精密導線法的測量精度與量邊精度有著很大關系，如果通過高級測距儀進行量邊，能夠有效提高監測精度。

3.6 前方交會法

前方交會法可以對觀測效率低、觀測難度大、觀測環境難以進入的情況進行監測，可以有效解決以上監測問題，，但由于監測環境較為惡劣，同時自身容易受測角側邊結果誤差的影響，其精度浮動較大，難以保證很高的精準度。而且由于前方交會法的工作量和計算量都很大，所以一般將其作為輔助監測方式，與其他主流監測方式進行配合使用。

4 垂直位移監測

4.1 幾何水準法

幾何水準法作為當前垂直位移監測最常用的方法，其精度提升和監測自動化都已經成功實現，通過單片機為核心的自動采樣水準儀已經成功應用在幾何水準法中，且監測精度已經達到了±0.1mm左右，大幅提高了監測效率的水平。

4.2 流體靜力水準法

流體靜力水準法的原理是通過連通管的變動進行數據測量，近年來由于流體靜力水準法與自動化的結合，使用通過壓力傳感器對液壓進行數據收集并自動計算出垂直位移的儀器，大幅提高了測量精度和自動化水平，同時提高了流體靜力水準法的適用范圍。

5 三維位移監測

三維位移監測與以上兩種二維位移監測方法不同，以上兩種傳統的二維監測方法是通過水平與垂直位移監測方式進行分離監測，無法實現同時同地的統一性，難以保證完全精準，也降低了數據的可信度，且常規的二維位移監測方法由于天生的技術缺陷，無法實現大壩外部變形的實時監控和記錄。三維位移監測能夠在同一時間進行大壩的立體位移監測，且能夠實現大壩的連續位移監測，已經逐漸取代二維位移監測的地位，大量出現在大壩的監測工作中，三維位移監測法主要分為極坐標、距離交匯和GPS法。

5.1 極坐標法

極坐標法的工作方式是通過高精度自動化測量機器人進行全自動作業，例如萊卡TCR系列免棱鏡全站儀，可以通過全自動化對目標通過極坐標原理進行自動記錄和測量，并保證精度測角和測距的精準度，同時保證精度兩秒的數值。其全站儀需要配合外界輔助設備和軟件，例如APSWIN和數位溫度計等。目前基于極坐標法的監測儀器已經廣泛運用于地鐵隧道等施工的位移監測中，且由于其免棱鏡和差分率極低等特點，能夠滿足各工程領域的監測精度要求。

5.2 距離交會法

距離交會法的原理是由兩個已知控制點作為圓心，以兩個控制點與目標點之間的距離作為半徑進行分別畫圓，兩個圓的交匯點便是要求目標點。這種檢測方法成功的在五強溪大壩的監測中取得了有效成就。但由于其標稱精度容易受大氣折射和照準誤差影響，經常導致精度不足，難以滿足大壩監測過程的精準度要求，所以應當針對三維坐標技術對距離交會法進行改進，并利用自動化技術排除大氣誤差，保證測量精度。

5.3 GPS法

GPS法是由武漢測繪科技大學研究的一種三維位移監測方式，曾經應用于隔河巖水壩的監測工作。GPS監測過程需要對空通視，但GPS監測的效率與精度極高。GPS監測的方式主要通過GPS觀測得到的數據進行處理與采集，并針對持續收集的信息進行分析，得出水平與垂直位移的數值。GPS的數據傳輸量極大，所以在普通大壩的GPS觀測法中往往通過局域網進行數據傳輸以降低傳輸數據所需資金。

6 大壩外部變形監測技術發展趨勢

未來大壩外部變形監測技術的發展趨勢將會是自動化，智能化，信息化，精準化。即在變形信息監測中無需人工過多操作，監測設備可以通過自身的智能化監測系統對目標進行持續的高精度監測并通過信息網絡將大壩的監控數據進行實時上傳，讓控制臺可以隨時得到大壩的監測數據。根據目前我國大壩外部變形監測的技術水平，這一目標可行性很大。

7 結束語

大壩外部變形監測技術在多年的發展中逐漸形成了自動化，立體化的監測體系，未來也將形成全面的自動化、智能化、信息化監測體系，為大壩和其他行業的安全與監測水平起到重大作用。

參考文獻

[1]李紅連，黃丁發，陳憲東.大壩變形監測的研究現狀與發展趨勢[J].中國農村水利水電，2006（02）.

[2]胡友健，梁新美，許成功.論GPS變形監測技術的現狀與發展趨勢[J].測繪科學，2006（05）.

收稿日期：2018-9-19

作者簡介：梁 航（1989-），男，貴州遵義人，助理工程師，從事大壩監測工作。