300m級高面板堆石壩安全監(jiān)測新技術(shù)展望

張禮兵，鄒 青

（中國電建集團(tuán)昆明勘測設(shè)計研究院有限公司，云南省昆明市 650051）

0 引言

我國已建和在建壩高超過100m的混凝土面板堆石壩近40座，為監(jiān)測高壩大庫的安全運行，通過“六五”“七五”“八五”和“九五”國家科技攻關(guān)項目，研發(fā)了一批適應(yīng)于高土石壩原型觀測（安全監(jiān)測）的大量程、高精度監(jiān)測儀器和設(shè)備，如引張線式水平位移計、水管式沉降儀、活動式測斜儀、孔隙水壓力計等[1]，形成了200m級高土石壩（包括高面板堆石壩）關(guān)鍵監(jiān)測技術(shù)和儀器。

隨著我國面板堆石壩筑壩技術(shù)的不斷發(fā)展，我國還將興建多座300m級超高面板堆石壩，目前已有的200m級面板堆石壩的安全監(jiān)測技術(shù)很難滿足300m級超高壩的要求，為此需要針對超高面板堆石壩的特點，開展?jié)M足300m級超高面板堆石壩的監(jiān)測技術(shù)、儀器設(shè)備、監(jiān)測方法、儀器安裝埋設(shè)工藝及儀器電纜保護(hù)等方面的研究，并結(jié)合工程智能化運行要求提出監(jiān)測儀器發(fā)展趨勢與展望[2]。

1 傳統(tǒng)安全監(jiān)測技術(shù)

在面板堆石壩監(jiān)測特別是壩體內(nèi)變形監(jiān)測技術(shù)方面，傳統(tǒng)監(jiān)測技術(shù)主要是采用水管式沉降儀、電磁沉降儀、橫梁式沉降計等監(jiān)測壩體內(nèi)部垂直位移，采用引張線式位移計、測斜儀、桿式水平位移計等監(jiān)測壩體內(nèi)部水平位移，許多監(jiān)測儀器的適應(yīng)性仍然停留在100m級壩高水平。目前已建200m級高面板堆石壩，壩體內(nèi)部監(jiān)測管路長達(dá)400～500m，已達(dá)到安全監(jiān)測設(shè)備所用材料和技術(shù)工藝的極限，現(xiàn)有監(jiān)測設(shè)備也明顯滯后于面板堆石壩筑壩技術(shù)的發(fā)展，隨著300m級高面板堆石壩的開工建設(shè)，現(xiàn)有高土石壩監(jiān)測技術(shù)和儀器設(shè)備的已難以滿足要求[3]。

1.1 引張線式水平位移計和水管式沉降儀

南京水利科學(xué)研究院從西北口面板堆石壩開始，引進(jìn)銦鋼絲引張線式水平位移計和水管式沉降計，通過模型試驗和現(xiàn)場原位試驗成功用于面板堆石壩的內(nèi)部變形觀測，并逐步推廣到我國10m級面板堆石壩內(nèi)部變形監(jiān)測中，取得了大量面板堆石壩的內(nèi)部變形原位觀測資料，為我國面板堆石壩技術(shù)發(fā)展提供了可靠的基礎(chǔ)資料。

為滿足200m級面板堆石壩內(nèi)部變形觀測需要，南京水利科學(xué)研究院首先通過模型試驗驗證引張線式水平位移計和水管式沉降計用于200m級面板堆石壩內(nèi)部變形觀測的適用性及其合理的儀器測點結(jié)構(gòu)型式、保護(hù)結(jié)構(gòu)、管路結(jié)構(gòu)和自動化系統(tǒng)等，并在水布埡面板堆石壩的內(nèi)部變形觀測中開展應(yīng)用研究，獲得了200m級面板堆石壩的內(nèi)部變形原位觀測資料[4]。但同時也暴露出用于200m級高面板堆石壩內(nèi)部變形觀測中存在的一些問題。

（1）壩高增加，導(dǎo)致引張線和水管管路長度大大增加，為保證測量過程中銦鋼絲引張線處于繃直狀態(tài)以準(zhǔn)確傳遞測點水平位移，必須大量增加引張線配重，造成銦鋼絲可能因強(qiáng)度不足被拉斷；水管管路長度的大量增加，導(dǎo)致水管式沉降計通過管路充水至沉降計的難度大大增加，而且其測量裝置和沉降計溢流水杯的水位平衡過程和時間將成倍增加，從而影響水管式沉降計的測量準(zhǔn)確性。

（2）引張線式水平位移計每個測點需要配置一條銦鋼絲引張線，同樣水管式沉降計每個測點均需要一套水管和氣管管路，隨著壩高增加，相應(yīng)測點數(shù)量也同步增加，水平位移計的引張線數(shù)量和沉降計的管路數(shù)量也相應(yīng)增加，對保護(hù)管尺寸、分線和導(dǎo)向結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度等指標(biāo)的要求也大大提高，而在面板堆石壩內(nèi)保護(hù)管的上述指標(biāo)也不可能無限度地提高的，尤其對于300m級面板堆石壩，由于其測點設(shè)計要求數(shù)量將近3倍于100m級面板堆石壩的測點數(shù)量，管路的保護(hù)技術(shù)也是難以克服的難題之一。

（3）引張線式水平位移計和水管式沉降計必須在臨時或永久觀測房建好后才能進(jìn)行安裝調(diào)試，面板堆石壩的壩后臨時或永久觀測房由于保護(hù)要求和施工干擾等原因，往往滯后嚴(yán)重，導(dǎo)致觀測結(jié)果難以全面反映堆石壩內(nèi)部變形變化過程[5]。

1.2 桿式水平位移計和液壓沉降計

桿式水平位移計和液壓沉降計是隨大壩監(jiān)測自動化系統(tǒng)發(fā)展而開發(fā)的用于土石壩內(nèi)部變形監(jiān)測的儀器，桿式水平位移計包括串聯(lián)式和并聯(lián)式；液壓沉降計用于面板堆石壩內(nèi)部沉降觀測，其基本原理同傳統(tǒng)的水管式沉降計基本相同，不同之處主要為采用高精度壓力傳感器進(jìn)行監(jiān)測。

傳統(tǒng)的銦鋼絲引張線式水平位移計和水管式沉降計能夠較好地對100m級面板堆石壩內(nèi)部變形進(jìn)行準(zhǔn)確測量，其結(jié)構(gòu)簡單、可靠度高、可自動化監(jiān)測，使得桿式水平位移計和液壓沉降計在面板堆石壩內(nèi)部變形監(jiān)測未得到推廣應(yīng)用。分析其基本原理及其測量技術(shù)，桿式水平位移計和液壓沉降計用于300m級高面板堆石壩內(nèi)部變形觀測中也存在的一些問題。

（1）液壓沉降計和水管式沉降儀一樣，由于傳遞液壓壓力的水管管線過長，其水壓力傳遞和平衡過程的時間將成倍增加，從而影響液壓沉降計的測量準(zhǔn)確性。

（2）用串聯(lián)式桿式水平位移計測量壩體內(nèi)水平位移是通過串聯(lián)在一起的各個位移計的測值計算得到，其中任何一個位移計出現(xiàn)測量誤差或損壞都將影響整條系統(tǒng)。

（3）桿式水平位移計監(jiān)測300m級面板堆石壩內(nèi)部變形的測點錨固板、位移計和傳遞測桿的連接結(jié)構(gòu)型式、材料、合理的直徑等有待通過模型試驗進(jìn)行驗證其適用性和可靠性。

（4）液壓沉降計中高精度壓力傳感器安裝結(jié)構(gòu)，進(jìn)、出水管與沉降計的連接方式，傳遞壓力水管管路直徑、材料等有待通過模型試驗進(jìn)行驗證其適用性和可靠性[6]。

2 新型監(jiān)測技術(shù)研究

2.1 管道機(jī)器人系統(tǒng)

圖1 管道機(jī)器人實物及裝配橫剖面圖Figure 1 Pipeline robot physical and assembly cross section

南京水利科學(xué)研究院與中國電建集團(tuán)昆明勘測設(shè)計研究院有限公司聯(lián)合開發(fā)了高面板堆石壩內(nèi)部變形觀測機(jī)器人系統(tǒng)，主要包括機(jī)器人、管道、測量和保護(hù)系統(tǒng)[7]。機(jī)器人多種工作臂可以選擇更換，包括全景攝像頭、清障工作臂、測量臂，自帶動力和自行走；測量系統(tǒng)可監(jiān)測大壩水平位移和沉降，測量數(shù)據(jù)自動存儲和讀取；軌道系統(tǒng)包括軌道長度測量和計數(shù)裝置，機(jī)器人和測量系統(tǒng)行走精密軌道；保護(hù)系統(tǒng)為適用于面板堆石壩堆石體內(nèi)的管道保護(hù)結(jié)構(gòu)型式和保護(hù)材料（見圖1）。大壩內(nèi)部水平和沉降變形觀測機(jī)器人系統(tǒng)的測量系統(tǒng)在軌道系統(tǒng)中行走動力除機(jī)器人提供動力方式外，也可以采用自動控制卷揚(yáng)機(jī)和高強(qiáng)度不銹鋼鋼絲繩牽引行走。系統(tǒng)中水平變形和沉降監(jiān)測采用高精度伺服加速度計傳感器，其沉降測量精度為0.02mm/m，換算得300m級面板堆石壩800m長軌道的沉降測量精度不大于16mm，相對于300m級面板堆石壩可能發(fā)生的最大沉降，其沉降測量精度為0.46%～0.53%F.S，水平位移采用高精度光學(xué)測距技術(shù)，其水平位移測量精度為1mm，相對于300m級面板堆石壩可能發(fā)生的最大水平位移，其水平測量精度為0.17%～0.33%F.S[8]。

2.2 柔性測斜儀

柔性測斜儀是基于連續(xù)測斜原理設(shè)計的高精度一體化監(jiān)測系統(tǒng)，它由數(shù)個長度0.5m或1m的剛性傳感器節(jié)點、首尾連接而組成的一個傳感器陣列，傳感器節(jié)點之間采用軸向±60°范圍內(nèi)可自由彎曲的關(guān)節(jié)連接，能充分匹配型面變化要求。節(jié)點的儀器電纜穿過中空柔性連接件逐級傳遞，整套系統(tǒng)保持單根電纜傳輸信號[9]（見圖2）。

圖2 柔性測斜儀結(jié)構(gòu)示意圖Figure 2 Schematic diagram of node structure of flexible fixed inclinometer

柔性測斜儀具有如下優(yōu)點，外表面敷以高強(qiáng)度不銹鋼編織網(wǎng)，具有極高的抗拉強(qiáng)度，采用整體防水密封結(jié)構(gòu)，能在各種惡劣環(huán)境下工作；可以連續(xù)、準(zhǔn)確地測量整個裝置覆蓋區(qū)域的位移變形情況，埋設(shè)安裝簡便，無須控制方向，無須使用帶有導(dǎo)槽的測斜管，無論是鉛直、水平還是傾斜，只需將傳感器整體插入預(yù)先埋設(shè)的套管中或者直接埋入預(yù)留的回填溝槽中即可；從原理上克服了活動式測斜儀類產(chǎn)品在工程應(yīng)用中存在的各種技術(shù)缺陷，如累積誤差大、人工監(jiān)測強(qiáng)度高、自動化監(jiān)測功能不足等，同時解決了固定式測斜儀類產(chǎn)品在工程應(yīng)用中碰到的各種技術(shù)問題，如測點間距較大帶來的位移疊加成果失真、安裝方法復(fù)雜、測點布設(shè)數(shù)量受限等。

2.3 磁性桿式位移計和電磁式沉降儀

磁性位移計是通過感知傳感器外部的磁體相對位置的變化來測量位移變化，磁環(huán)作為固定在待測位置的土體中的測點，當(dāng)測點與錨固點之間產(chǎn)生相對位移時，錨固墩通過傳遞桿帶動磁性位移計產(chǎn)生相對于磁環(huán)的位移變化，從而通過傳感器感知土體的位移變化。磁性位移計傳感器采用數(shù)字接口通信，并通過電纜引至測站與專用的數(shù)據(jù)采集裝置連接，也可通過藍(lán)牙手機(jī)或無線模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。

基于液壓測量的水管沉降儀，即在待測點位置設(shè)置密封容器（測頭），密封容器通過兩根通液管與設(shè)置在觀測站處的儲液灌連接，當(dāng)測頭相對于儲液灌的高差產(chǎn)生變化時，測頭內(nèi)的壓力傳感器可感知測頭內(nèi)壓力變化。由于容器與管線是完全密封的，因此永久不用補(bǔ)充液體，且儲液灌內(nèi)的液位保持不變。由于采用液壓測量來反映沉降量，因此需要傳感器在滿足量程的同時還需要有較高的分辨率，液位壓力信號傳輸?shù)接^測站或指定位置與數(shù)據(jù)采集裝置連接，也可通過藍(lán)牙手機(jī)或無線模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。

每個測點均為一個獨立的測線，便于埋設(shè)、安裝調(diào)試，如有多個測點則形成多條并列的測線，并且在工作時互不影響。

2.4 300m級高面板壩SAR變形監(jiān)測技術(shù)

合成孔徑雷達(dá)（Synthetic Aperture Radar，SAR）是一種工作在微波波段的相干遙感成像系統(tǒng)，既能感知地表對微波的后向散射特性，又能精確量測地形及其變化的獨特的對地觀測數(shù)據(jù)源[10]。此外，SAR系統(tǒng)獲取數(shù)據(jù)不受氣象條件的影響，在多云雨天氣的地區(qū)仍能夠以固定重訪周期對地表進(jìn)行穩(wěn)定、連續(xù)的觀測。近十幾年來，隨著InSAR技術(shù)理論不斷完善和運用實踐，InSAR技術(shù)在地表高程和形變量測方面的精確性及有效性得以大幅度提升，當(dāng)SAR數(shù)據(jù)具有合適范圍覆蓋和成像參數(shù)，則可獲得目標(biāo)的信息；應(yīng)用星載SAR技術(shù)可以獲得面狀分布的變形信息，而常規(guī)的地面測量技術(shù)（GPS，測量機(jī)器人等）受限于量測點布設(shè)的約束，只能對少量的點進(jìn)行觀測，無法全面掌握壩體結(jié)構(gòu)及其周邊的整體變形情況，因此利用SAR數(shù)據(jù)對堆石壩開展變形監(jiān)測將成為一種便捷高效的方式，并可作為監(jiān)測人員難以到達(dá)地區(qū)地面監(jiān)測的主要手段[11]。

通過實驗和分析，驗證了應(yīng)用SAR技術(shù)進(jìn)行土石壩變形監(jiān)測的可行性。并提出了實施改進(jìn)建議：

（1）進(jìn)行長時間序列SAR數(shù)據(jù)分析。面板壩往往在地形復(fù)雜的山區(qū)建設(shè)，數(shù)據(jù)解算的難度和精度都有可能發(fā)生變化，有必要根據(jù)實際情況調(diào)整數(shù)據(jù)處理流程和拓展關(guān)鍵技術(shù)。在實際工程應(yīng)用中，增加觀測次數(shù)可以有效地提高形變量提取的精度和可靠性。

（2）引入更高分辨率的星載SAR數(shù)據(jù)。從SAR影像和幅度和相位的分析和解譯結(jié)果來看，采用較高分辨率(1m甚至0.25m)的時間序列SAR數(shù)據(jù)集，能更好地探測大壩的細(xì)部結(jié)構(gòu)，并給出更精細(xì)的監(jiān)測結(jié)果。目前星載SAR數(shù)據(jù)的商業(yè)價格不斷降低，從而大大增加了工程應(yīng)用中采用高分辨率星載SAR數(shù)據(jù)的可行性。

（3）結(jié)合地基雷達(dá)SAR系統(tǒng)（GBSAR）。星載SAR數(shù)據(jù)比較適合提取垂直方向的形變量。為了進(jìn)一步獲取大壩的詳細(xì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，可以使用地基雷達(dá)SAR。地基SAR系統(tǒng)可以根據(jù)觀測場景選擇最佳觀測視角和時間基線，具有很好的靈活性和可操作性，而且地基SAR系統(tǒng)的空間分辨率更高、重復(fù)觀測周期更短，具有亞毫米級的測量精度。因此，地基SAR是星載SAR變形監(jiān)測的有效補(bǔ)充手段。地基雷達(dá)SAR可以獲取近乎實時的變化，為大壩穩(wěn)定性監(jiān)測提供依據(jù)。

2.5 土石壩監(jiān)測廊道

隨著高面板堆石壩變性控制技術(shù)的發(fā)展，壩體總變形量和不均勻變形梯度大大減小，在壩體內(nèi)部設(shè)置監(jiān)測廊道成為可行且安全監(jiān)測技術(shù)，通過對該技術(shù)進(jìn)行深入研究，在高土石壩內(nèi)分?jǐn)嗝娣指叱淘O(shè)置監(jiān)測廊道，監(jiān)測廊道內(nèi)分段布置變形監(jiān)測儀器，從而減小土石壩內(nèi)部變形監(jiān)測儀器的長度，解決長距離變形監(jiān)測儀器的適應(yīng)性和可靠性問題。通過設(shè)置監(jiān)測廊道，可免去原監(jiān)測儀器溝槽開挖、回填的工作量，在增快施工進(jìn)度和填筑質(zhì)量；監(jiān)測儀器布置在監(jiān)測廊道內(nèi)，堆石體內(nèi)滲流、應(yīng)力等監(jiān)測儀器電纜可就近引入監(jiān)測廊道，避免或減少了電纜長距離在堆石體內(nèi)牽引有可能被損壞等問題，免去碾壓等影響，儀器成活率高，同時監(jiān)測儀器如出現(xiàn)異常及損壞等，觀測人員可通過監(jiān)測廊道人工巡視檢查，方便維修。

選擇在河中最大壩高部位、岸坡典型部位順河向布置監(jiān)測廊道，廊道初步設(shè)計采用預(yù)應(yīng)力預(yù)制廊道，每段預(yù)制廊道長度在1.5～3.0m之間，預(yù)制廊道之間采用土工膜或瀝青等填充以適應(yīng)堆石壩不均勻沉降。根據(jù)目前高土石壩實測和計算成果，在堆石體沉降較大部位2.0m預(yù)制廊道之間相對沉降約為2～3cm，可通過適當(dāng)減小預(yù)制廊道的長度（如1.5m）來適應(yīng)堆石體的變形，對于相對沉降較小部位（如靠近下游壩坡）等部位，預(yù)制廊道的長度可適當(dāng)增加至3.0m左右（見圖3）。

為解決廊道滲流問題，主要措施包括防水和排水措施，防水措施為在廊道接頭部位設(shè)置橡膠等止水條，廊道內(nèi)部設(shè)置排水溝和匯水井，保證廊道內(nèi)部的排水通暢，以便監(jiān)測儀器的正常工作（見圖4）。

圖3 監(jiān)測廊道設(shè)置示意圖Figure 3 Diagram of monitoring corridor settings

圖4 監(jiān)測廊道內(nèi)變形監(jiān)測儀器布置示意圖Figure 4 Schematic layout of deformation monitoring instruments in monitoring corridors

3 結(jié)束語

通過對我國已建的200m級高面板堆石壩的監(jiān)測布置、關(guān)鍵監(jiān)測技術(shù)及應(yīng)用效果、監(jiān)測成果等進(jìn)行了全面調(diào)查和梳理，對不同原理的監(jiān)測技術(shù)手段的適應(yīng)性與缺陷進(jìn)行了對比分析和總結(jié)。針對300m級高面板堆石壩的監(jiān)測關(guān)鍵技術(shù)，研發(fā)了管道機(jī)器人、柔性測斜儀、1000m級超長管路沉降儀、土石壩監(jiān)測廊道等內(nèi)部變形監(jiān)測儀器和監(jiān)測技術(shù)，通過實驗表明，監(jiān)測儀器及精度總體滿足高面板堆石壩監(jiān)測要求。