堤防工程變形監(jiān)測技術綜述

高業(yè)何敏 陳媛媛 徐傳旺 桂仁

摘 要：作為國民經(jīng)濟的重要基礎設施，堤防工程在防洪、灌溉、供水、航運、水保等方面發(fā)揮了巨大的社會效益、經(jīng)濟效益和環(huán)境效益。堤防工程的變形監(jiān)測工作是維持其安全運營的重要保證。本文闡述了四種代表性較強的堤防變形監(jiān)測技術：三維激光掃描技術、近景攝影測量技術、合成孔徑雷達干涉測量技術以及分布式光纖測量技術。本文在介紹了基本原理的基礎上，分析了技術特點和適用范圍，進而從應用的角度分析了每種技術的研究現(xiàn)狀與不足之處，最后總結出堤防工程變形監(jiān)測技術未來發(fā)展方向。

關鍵詞：堤防工程; 變形監(jiān)測; 三維激光掃描; 近景攝影測量; 合成孔徑雷達干涉測量; 分布式光纖測量

中圖分類號：TV871? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ?文章編號：1006-3315（2021）11-095-002

我國堤防受到自然及社會的雙重影響。一方面我國的大部分河堤建于新中國成立初期，限于當時的技術水平再加上運行年限長久，因而出現(xiàn)不同程度開裂、變形、滲漏等現(xiàn)象;另一方面，堤防結構類型多樣、材料的力學性質復雜、筑堤方式的多樣性，使得堤防的變形監(jiān)測工作變得不容易，導致堤防的日常維護管理變得復雜。我國許多研究學者開展了堤防安全監(jiān)測技術的研究。傳統(tǒng)的堤防變形監(jiān)測主要借助在堤防周邊布設地表移動觀測站，通過水準儀、GPS、全站儀、光纖傳感器、測壓管等設備對堤防的幾何形變進行監(jiān)測，獲取堤防的變形量。這種監(jiān)測方法通常采用斷面式布點，測點較少且容易受外界影響，難以對堤防的準確變化進行有效的分析。

傳統(tǒng)堤防工程變形監(jiān)測技術根據(jù)數(shù)據(jù)采集形式的不同可分為單點監(jiān)測方式和面狀監(jiān)測方式。單點監(jiān)測方式如水準測量、全站儀三維坐標測量、GPS測量等，均基于稀疏的離散點進行形變的提取與分析。這類監(jiān)測方式容易遺漏變形關鍵部位、監(jiān)測基準點容易被破壞，容易引起變形信息時空上的不連續(xù)性，從而直接限制了監(jiān)測資料與其它地質、力學、環(huán)境信息的融合，阻礙了對堤防進行深層次的分析及趨勢的精確預報^[1]。隨著科技的提高和社會的發(fā)展，近年來，越來越多的新型技術應用于堤防變形監(jiān)測領域。

1.三維激光掃描技術

三維激光掃描技術以主動、非接觸式的測量方式，可快速、高精度的獲取目標物體的三維信息^[2]。通過激光掃描獲取的數(shù)據(jù)信息真實可靠，最直接反應了目標物體實時、真實的三維形態(tài)，是快速獲取目標物體空間數(shù)據(jù)的一種行之有效的技術手段，為堤防變形監(jiān)測提供了新的可靠方案。采用三維激光掃描技術進行堤防變形監(jiān)測，主要是采用三維激光掃描設備在待監(jiān)測目標周圍多期掃描，獲得物體表面三維點云數(shù)據(jù)等信息，并將掃描獲取的數(shù)據(jù)進行后期數(shù)據(jù)處理。通過對比不同時期處理后的數(shù)據(jù)，來提取待監(jiān)測目標的變形信息，進行堤防的變形分析。

相對于傳統(tǒng)的布設斷面監(jiān)測點的方法，三維激光掃描技術可以獲取更為豐富的三維數(shù)據(jù)，且觀測效率高。三維激光掃描技術通過掃描獲取面狀的點云數(shù)據(jù)，可以監(jiān)測整個堤防的變形過程。但其變形探測的精度有限，只能達到厘米級的精度。

2.近景攝影測量技術

近景攝影測量主要是靠布設在物體附近的像機進行攝影測量，它的測量距離一般小于300m。近幾年來，由于攝影測量技術的高速發(fā)展，近景攝影測量中使用了高分辨率的量測儀器以及高質量的攝像機，近景攝影測量獲取的點位精度與以往相比得到了顯著的提高。這種精密的攝影測量技術在堤防變形監(jiān)測中得到了廣泛的應用。近景攝影測量技術在變形監(jiān)測方面的應用主要是利用量測或非量測相機，在需要監(jiān)測的區(qū)域進行高速攝影，獲取目標物的三維點云坐標，進而提取和分析變形的方法。利用近景攝影測量技術進行變形提取的具體實施方法為：在待監(jiān)測堤防周圍穩(wěn)定區(qū)域上布設一定數(shù)量的控制點，利用攝影機對監(jiān)測點進行拍攝測量，要求拍攝的相片具有一定的重疊度;然后利用相應的軟件對測量獲取的數(shù)據(jù)進行后期處理，得到監(jiān)測區(qū)域的點云坐標。采用絕對坐標控制點，將不同時期獲取的觀測數(shù)據(jù)統(tǒng)一到同一坐標系下;也可以對兩期數(shù)據(jù)進行匹配，轉換到相對坐標系下。通過比較監(jiān)測點在不同時期坐標值的變化量，對堤防的變形量進行分析^[3]。王建雄采用非量測數(shù)字相機的近景攝影測量方法，對水庫的庫岸實施了變形監(jiān)測，測定其在水平平面及豎直平面內的變形。利用精密近景攝影測量技術進行形變監(jiān)測具有以下優(yōu)勢：非接觸性測量，可以將儀器架設在距離監(jiān)測區(qū)域一定距離的安全地帶，保證了人機的安全，非常適合于惡劣條件下的形變監(jiān)測;可以瞬間獲取監(jiān)測目標的大量的幾何物理信息，減少工作人員野外作業(yè)強度，反應監(jiān)測區(qū)域的整體變形趨勢;設備簡單容易操作，自動化程度較高，人為因素對攝影結果影響小，監(jiān)測結果質量高。同時，該設備也存在一些不足之處，如內頁數(shù)據(jù)處理技術含量高，需配備高素質的數(shù)據(jù)處理人員：對拍攝獲取的數(shù)據(jù)影像質量要求較高，若影像質量較差，匹配精度較差，影響判斷結果。

3、雷達干涉測量技術

合成孔徑雷達干涉測量（Interferometric Synthetic Aperture Radar）是一種空間遙感對地觀測技術。該技術通過合成孔徑雷達的相位信息，即通過雷達衛(wèi)星在相鄰的重復軌道上，對同一地區(qū)實現(xiàn)兩次雷達成像，進而對兩幅圖像進行干涉處理，獲得干涉圖像。通過對圖像進行解纏處理，解算出地面上每個點的正確相位，計算出地面點到雷達的斜距以及高程，最終得到地表的三維信息等地形數(shù)據(jù)。INSAR技術作為一種新型的主動式微波遙感技術，不但可以實現(xiàn)全天候的、大范圍的快速獲取地表三維信息，而且不需要建立監(jiān)測網(wǎng)，省時、監(jiān)測精度高、受氣候條件影響小，被廣泛的應用于地表形變以及邊坡滑坡等監(jiān)測領域。

合成孔徑雷達干涉（InSAR）是形變監(jiān)測前沿技術和研究熱點。但其工程化應用存在以下問題：①時空失相干降低了干涉圖質量，影響變形監(jiān)測可靠性和可行性;②受可獲取影像數(shù)量和空間分辨率限制，監(jiān)測的時空分辨率難以滿足實際工程需要，特別是難以實現(xiàn)單個建（構）筑物精準變形監(jiān)測。地基合成孔徑雷達干涉（ground based InSAR， GBIn-SAR）技術基于微波探測主動成像方式獲取監(jiān)測區(qū)域二維影像，通過合成孔徑技術和步進頻率技術實現(xiàn)雷達影像方位向和距離向的高空間分辨率，克服了星載SAR影像受時空失相干嚴重和時空分辯率低等缺點，通過干涉技術可實現(xiàn)優(yōu)于毫米級微變形監(jiān)測。清江隔河巖大壩項目中，采用GBIn-SAR技術對壩體進行變形監(jiān)測，在消除大氣影響后GBIn-SAR監(jiān)測的壩體變形速率與垂線監(jiān)測結果一致^[4]。張昊宇采用基于調頻連續(xù)波（FMCW）技術的Fast-GBSAR設備對陸水大壩進行監(jiān)測，取得了7s/組的數(shù)據(jù)采集速度，對大壩在放水前后的變形進行分析，并與三維數(shù)字高程模型進行數(shù)據(jù)融合。結果表明基于7s/組的高速數(shù)據(jù)采集能力，F(xiàn)ast-GBSAR幾乎可以做到對大壩變形的實時分析^[5]。GBIn-SAR技術精度高，監(jiān)測效率快，但目前GBIn-SAR商用設備僅能從國外進口且費用高昂，極大地阻礙了國內學者的研究和其工程化的推廣^[6]。

4.分布式光纖測量技術

分布式光纖傳感器作為一門迅猛崛起的高新傳感技術，其理論發(fā)展和實踐應用也在不斷的深入當中。分布式光纖傳感技術可以根據(jù)想要監(jiān)測的目標，采用直接測量方式或間接測量方式來對堤防進行監(jiān)測：①直接測量是將光纖直接布設于被監(jiān)測物體內，光纖隨著被監(jiān)測物的形變、溫度的變化，得到的應變、溫度信息即為被監(jiān)測物的應變情況及溫度分布。直接測量法可以有效地對堤防的險情進行預警，但是不利于長期監(jiān)測。②間接測量是將光纖布設在一定支撐結構上或使用光纖傳感器探頭，被監(jiān)測物的形變、溫度轉化為支撐結構或傳感器的相應參數(shù)變化量，再轉化為光纖的應變、溫度，通過檢測光纖上的應變、溫度間接得到被監(jiān)測物的形變和溫度。間接測量法可以進行長期的監(jiān)測，但是要設計專門的支撐結構，并且要求所用的支撐結構或傳感器的變化量與光纖的應變、溫度有很好的對應關系^[7-10]。

基于布里淵散射技術的分布式光纖傳感器可以測定光纖沿線任一點上的溫度和應力。加拿大的Roctest Instruments Ltd. 公司，瑞士的Omnisens公司Smartech 公司，美國的NRL公司，英國的Sensornet公司及Kent大學和Southampton大學等都開展了分布式光纖傳感器的研究。國內的寧波振東光電公司與德國GOES（ Geostationary Operational Envi-ronmentalStllite）公司合作開發(fā)的分布式光纖溫度傳感器（DTS）系統(tǒng)，在水電站面板壩滲漏、溫度場的監(jiān)測等項目得到了成功的應用。

隨著分布式光纖技術的理論成熟和實踐應用的不斷發(fā)展，分布式光纖傳感技術也正越來越多地被堤防、堤壩工程所采用。如張丹等將分布式光纖傳感技術用于堤壩工程結構健康監(jiān)測。王寶軍、丁勇、隋海波等將分布式光纖傳感技術用于邊坡變形的監(jiān)測及實踐，并取得較好的效果。朱萍玉，蔣桂林等采用分布式光纖傳感技術用于土壩模型滲漏監(jiān)測分析，得到了堤壩滲漏與溫度場的初步關系，并用Ansys進行了有限元的分析。蔡德所將分布式光纖傳感技術用于監(jiān)測三峽大壩混凝土溫度場，為分布式光纖傳感技術用于堆石壩混凝土溫度的監(jiān)測提供了實驗參考。丁睿等研究了分布式光纖傳感器裂縫模型的研究，為堤壩的裂縫監(jiān)測提供了實驗依據(jù)。黃河水利科學研究院利用引進的Omnisens公司的分布式溫度、應變測量系統(tǒng)正在開展堤壩工程的滲漏與應變監(jiān)測工作。德國GTC公司同慕尼黑科技大學合作開展了光纖分析儀在土耳其Birecik 混凝土壩等工程都做了相關研究工作。

分布式光纖傳感的傳感單元不但具有抗射頻、抗電磁干擾、防燃、防爆、耐腐蝕、耐高電壓、耐電離輻射等特點，且具有大信號傳輸快捷、實時、動態(tài)和分布廣的諸多優(yōu)點。可以彌補堤防點式監(jiān)測盲區(qū)的數(shù)據(jù)空缺，提高地方安全監(jiān)測的可靠性和精度。

5.結語

從傳統(tǒng)型到現(xiàn)代化，變形監(jiān)測技術不斷向高精度、連續(xù)性、高自動化程度發(fā)展，然而堤防工程的健康監(jiān)測需要一個無損、精確、穩(wěn)定、可靠、長期而又經(jīng)濟的安全監(jiān)測系統(tǒng)。因此，當前堤防工程變形監(jiān)測技術在自主研發(fā)、全自動化、成本控制等方面仍有較大提升空間。與此同時，堤防變形監(jiān)測技術不僅要滿足現(xiàn)實需求、適應長遠發(fā)展需要，同時要在一定程度上與水文監(jiān)測相結合，形成系統(tǒng)性的監(jiān)測體系。

基金項目：江蘇省水利科技項目（2019001）;江蘇省科技廳創(chuàng)新能力建設計劃-省屬公益類科研院所自主科研經(jīng)費項目（ BM2018028）

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