大壩變形監(jiān)測(cè)自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展

大壩變形監(jiān)測(cè)自動(dòng)化技術(shù)的最新發(fā)展劉智敏（桂林工學(xué)院土木工程系）摘要近年來，隨著大型大壩建筑的增多和電子計(jì)算機(jī)技術(shù)、激光技術(shù)、空間技術(shù)等高新科技的應(yīng)用，有力地促進(jìn)了大壩技術(shù)的發(fā)展。本文介紹了當(dāng)前大壩變形監(jiān)測(cè)自動(dòng)化技術(shù)的國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r，在幾何學(xué)、物理力學(xué)、計(jì)算機(jī)仿真學(xué)等多學(xué)科、多領(lǐng)域的融合、滲透下，提出了大壩變形監(jiān)測(cè)向一體化、自動(dòng)化、數(shù)字化、智能化發(fā)展的方向。關(guān)鍵詞大壩變形監(jiān)測(cè)；一體化；自動(dòng)化；數(shù)字化；智能化1前言我國(guó)的大壩變形監(jiān)測(cè)自50年代開始，到80年代末已實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化遙測(cè)。90年代后，大壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)飛速發(fā)展，許多老壩完成了自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的更新改造，有的新建大壩也設(shè)計(jì)了功能更全的高水平監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。其發(fā)展過程見表1。目前，大壩變形監(jiān)測(cè)自動(dòng)化已實(shí)現(xiàn)了運(yùn)行變量的數(shù)據(jù)采集與傳輸、數(shù)據(jù)管理、在線分析、綜合成圖、成果預(yù)警的計(jì)算機(jī)控制網(wǎng)絡(luò)化，并在向一體化、自動(dòng)化、數(shù)字化、智能化方向發(fā)展。大劇變形監(jiān)窩覆履一寬我 *I發(fā)展階段數(shù)據(jù)果巢及存儲(chǔ)方式數(shù)據(jù)處理及成用方式?jīng)Q策分析五六十年代光學(xué)、機(jī)械儀鼎手工記聚手算及摘單第理手繪陰形以專業(yè)知火■經(jīng)驗(yàn)判斷七八十年代光電機(jī)械化，讖光美儀器開始使用小型計(jì)算器存儲(chǔ)數(shù)據(jù)由程序處理座W的數(shù)IK及成圖人機(jī)結(jié)合九十年代傳感器、電子、激光類越善的癥用數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)敷據(jù)處理整件進(jìn)一步優(yōu)化,心出數(shù)字化成留發(fā)掘到三堆由人機(jī)結(jié)合向大壩安全評(píng)判專家系統(tǒng)發(fā)展2大壩變形監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展硬件技術(shù)國(guó)內(nèi)大壩變形監(jiān)測(cè)技術(shù)近十年來年，隨著我國(guó)大型水壩的增多，對(duì)大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不斷提出新任務(wù)、新課題和新要求。同時(shí)，電子計(jì)算機(jī)技術(shù)、激光技術(shù)、空間技術(shù)等新科技的發(fā)展與應(yīng)用，也有力地促進(jìn)了大壩觀測(cè)技術(shù)的發(fā)展。測(cè)量自動(dòng)化的初級(jí)實(shí)現(xiàn)，是近十幾年發(fā)展起來的傳感器。它根據(jù)自動(dòng)控制原理，把被觀測(cè)的幾何量（長(zhǎng)度、角度）轉(zhuǎn)換成電量，再與一些必要的測(cè)量電路、附件裝置相配合，組成自動(dòng)測(cè)量裝置，從而推動(dòng)了連續(xù)觀測(cè)方法的興起，傳感器也成了自動(dòng)化觀測(cè)必不可缺的重要部件。從外部觀測(cè)的靜力水準(zhǔn)、正倒錘、激光準(zhǔn)直，到內(nèi)部觀測(cè)的滲壓計(jì)、沉降計(jì)、測(cè)斜儀、土體應(yīng)變計(jì)、上壓計(jì)，其自動(dòng)化遙測(cè)都建立在傳感器的基礎(chǔ)上。由于用途不同，傳感器有機(jī)械式、光敏式、電式（又分為電壓式、電容式、電感式）等幾種形式，精度也各不相同。目前運(yùn)用最多的是電式和磁式傳感器。例如:廣西大化大壩監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用的變形遙測(cè)儀器均為差動(dòng)電容感應(yīng)式，精度為±0.1?0.2mm,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可在高濕度環(huán)境下長(zhǎng)期可靠地工作［1］；新豐江大壩變形監(jiān)測(cè)設(shè)備采用的是地震研究所研制的EMD-S型遙測(cè)垂線儀和EMD-T型引張線遙測(cè)儀，是用磁場(chǎng)差動(dòng)法測(cè)量位移的二維傳感器，它獨(dú)到的電路和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使儀器具有良好的線性度、極小的橫向位移影響。且抗磁、防雷、耐潮，有極好的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和可靠性⑵。激光技術(shù)和GPS的使用，提高了探測(cè)的靈敏度，減少了作業(yè)的條件限制，克服了一定的外界干擾。激光用水準(zhǔn)儀，減少了讀數(shù)和照準(zhǔn)誤差，提高了精度。試驗(yàn)表明，當(dāng)視線長(zhǎng)度為50m時(shí)，測(cè)站高差中誤差約為±0.02mm。而真主管道波帶板激光準(zhǔn)直儀可進(jìn)行三維測(cè)量，能在惡劣環(huán)境下進(jìn)行作業(yè)，相對(duì)精度達(dá)左右。已在太平哨、豐滿、葛洲壩等電站使用，并實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化觀測(cè)。隨著GPS衛(wèi)星定位技術(shù)的日趨成熟，隔河巖大壩率先在國(guó)內(nèi)將GPS應(yīng)用于大壩變形監(jiān)測(cè)上（網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1）。值得一提的是，在1998年8月大壩蓄水至150年一遇的校核洪水水位期間，GPS監(jiān)測(cè)系統(tǒng)一直安全可靠。抗干擾能力強(qiáng)，監(jiān)測(cè)精度高，1小時(shí)觀測(cè)資料解算的點(diǎn)位水平精度優(yōu)于1mm,垂直精度優(yōu)于1.5mm：6小時(shí)GPs觀測(cè)資料解算的點(diǎn)位水平精度優(yōu)于0.5mm,垂直精度優(yōu)于1mm。數(shù)據(jù)處理分析及時(shí)，反應(yīng)時(shí)間小于15分鐘，能夠快速反映大壩在超高蓄水下的三維變形。不僅確保了大壩的安全，也成功地實(shí)現(xiàn)了洪水錯(cuò)峰。為防洪減災(zāi)起到重大作用。實(shí)踐證明，由于具有‘全天侯、實(shí)時(shí)、自動(dòng)化監(jiān)測(cè)”等優(yōu)點(diǎn)。GPS可用于大壩的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)位移監(jiān)測(cè)。振動(dòng)頻率測(cè)試和安全運(yùn)營(yíng)報(bào)答系統(tǒng)。為了繼續(xù)提高精度。擴(kuò)大量程，不僅要求硬件的改進(jìn)更新，還需要軟件解算功能進(jìn)一步優(yōu)化，對(duì)于專業(yè)技術(shù)人員來說，大有用武之地。ffilGPS自動(dòng)監(jiān)海祭境同結(jié)鰭柄海其他大壩變形監(jiān)測(cè)儀器在測(cè)程精度、性能及自動(dòng)化水平上也有了很大提高。表2（4）為武漢地震研究所研制的部分儀器。大版變形瞌潮儀器的技術(shù)指標(biāo) *2悅器里告—妙辨率精度測(cè)程曾注液體靜力水準(zhǔn)儀JSYO.Olnun±0.1mm±151nm酌too%濕度垂統(tǒng)測(cè)總儀EMN-SD.Olntrn（上。，L皿n.±2Qnim耐100%渤度■潺漏傻5Y-1O.Olinm- 「乙<±0.3nini耐EO0%能度靜維儀1SF-10*01nm<±0.Imni耐*）0聃濕度銅管標(biāo)利量?jī)xGS-1O.Olrnm<±0.1mm±15mm耐100%濕度溜溫儀TCM-2曾0匹_5口二支-io-8or耐mo%濕度2.1.2國(guó)外大壩變形監(jiān)測(cè)新技術(shù)這里評(píng)介凡項(xiàng)值得在我國(guó)推廣的國(guó)外監(jiān)測(cè)新技術(shù)［5］：CT技術(shù)（ComputerizedTomography意譯為“計(jì)算機(jī)層析成像“）這是在不破壞物體結(jié)構(gòu)的前提下，根據(jù)在物體周邊所獲取的某種物理量（如波速、X線光強(qiáng)）的一維投影數(shù)據(jù)，運(yùn)用一定的數(shù)學(xué)方法，通過計(jì)算機(jī)處理，重建物體特定層面上的二維圖像以及依據(jù)一系列上述二維圖像而構(gòu)成三維圖像的一門技術(shù)（其組成結(jié)構(gòu)見圖2）。該技術(shù)系美國(guó)科學(xué)家Hounsfield于1971年所研制，率先用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。近十多年，該技術(shù)已發(fā)展應(yīng)用到工業(yè)、地球物理、大壩監(jiān)測(cè)等諸多領(lǐng)域。意大利、日本將其應(yīng)用于大壩性態(tài)診斷，有效地進(jìn)行了大壩安全檢查及工程處理效果驗(yàn)證。由于大壩CT技術(shù)能夠定量地反映出大壩內(nèi)部材料性質(zhì)的分布情況和缺陷部位，得出三維結(jié)構(gòu)圖，所以應(yīng)用其以掌握壩址地質(zhì)構(gòu)造，推測(cè)斷層破碎帶分布，隧道開挖前后巖層松弛的范圍和程度等。筆者認(rèn)為：CT技術(shù)在壩體的選址、施工和運(yùn)營(yíng)期間可以發(fā)揮重大作用，既減少了儀器設(shè)備的復(fù)雜性，又提高了大壩的安全度，同時(shí)對(duì)于大壩的內(nèi)部性態(tài)檢測(cè)、缺陷搜索和老化評(píng)判都將成為重要依據(jù)。對(duì)于大壩數(shù)量居世界第一的中國(guó)，發(fā)展大壩CT技術(shù)會(huì)有更廣闊的大地。廠所能畫_[軀動(dòng)裝配| H地F衡與曲一度理地震M一船震傳正闌——U水下撕音雅加逆度情感乳一弟頻道數(shù)字式震動(dòng)示波儀Id臺(tái)式航機(jī)-fnwl-I繪圖強(qiáng)I廠|報(bào)網(wǎng)控制I一I展腐評(píng)算I-[1甌'可一I血果分析002大炯CT的組成結(jié)構(gòu)電滲流熱監(jiān)測(cè)技術(shù) 根據(jù)低溫和大量滲漏存在著聯(lián)系，溫度測(cè)值和抽水試驗(yàn)所得到的滲透系數(shù)問有很好的負(fù)線性相關(guān)系數(shù)，可以認(rèn)為溫度分布圖像可幫助發(fā)現(xiàn)滲漏較嚴(yán)重部位，即有效實(shí)現(xiàn)滲流異常報(bào)答。滲流熱監(jiān)測(cè)于1965年由Jeseph.H.Birman發(fā)明。報(bào)告指出：溫度測(cè)頭可放置在結(jié)構(gòu)物或地下一定深度只受氣溫年變化影響而下受氣溫短期變化影響處，精度也0.1℃。這項(xiàng)技術(shù)在美國(guó)、前蘇聯(lián)、瑞典等國(guó)己成功應(yīng)用。由于溫度監(jiān)測(cè)費(fèi)用不大，且目前壩體監(jiān)測(cè)中大多安置了測(cè)溫計(jì)，可以數(shù)據(jù)共享。根據(jù)能量守恒方程、質(zhì)量守恒方程、滲流運(yùn)動(dòng)方程及初始條件；邊界條件，推導(dǎo)出有關(guān)計(jì)算公式，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)計(jì)算方法及程序后，就可以把溫度測(cè)得的數(shù)據(jù)代人，得出定量描述壩及地基中的熱流和滲流場(chǎng)。模擬計(jì)算表明，當(dāng)心墻滲透系數(shù)小于（2?6）xm/s時(shí)，壩溫變化幾乎是常數(shù)。當(dāng)超過上值時(shí)；可通過分析溫度變化較準(zhǔn)確地估計(jì)其滲透性。要在我國(guó)大壩監(jiān)測(cè)中推廣該法，關(guān)鍵在于根據(jù)具體壩況設(shè)計(jì)出合理的計(jì)算公式和數(shù)據(jù)處理程序軟件。光纖傳感技術(shù) 光導(dǎo)纖維是以不同折射率的石英玻璃包層及石英玻璃細(xì)芯組合而成的一種新型纖維。它使光線的傳播以全反射的形式進(jìn)行，能將光和圖像曲折傳遞到所需要的任意空間。具有通信容量大，速度快，抗電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)。以激光作載波，光導(dǎo)纖維作傳輸路徑來感應(yīng)、傳輸各種信息。凡是電子儀器能測(cè)量的物理量（如位移、壓力、流量、液面、溫度等）它幾乎都能測(cè)量，其靈敏度，對(duì)位移達(dá)cm,對(duì)溫度達(dá)0.01℃。在美國(guó)、德國(guó)、加拿大、奧地利。日本等國(guó)已應(yīng)用于裂縫、應(yīng)力、應(yīng)變、振動(dòng)等觀測(cè)。該技術(shù)具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn):①將傳感和數(shù)據(jù)通道集為一體、便于組成遙測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)在線分布式檢測(cè)；②測(cè)量對(duì)象廣泛，適于各種物理量的觀測(cè)；③體積小、重量輕、非電連接、無機(jī)械活動(dòng)件，不影響埋設(shè)點(diǎn)物性；④靈敏度高，可遠(yuǎn)距測(cè)量；⑤耐水性、電絕緣好、耐腐蝕，抗電磁干擾；③頻帶寬，有利于超高速測(cè)量。所以，適用于壩體的裂縫、應(yīng)力變、水平。垂直位移等測(cè)量，可用于監(jiān)測(cè)關(guān)鍵部位的壩體形變。尤其可以替代高雷區(qū)、強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)或潮濕地帶的電子儀器。.2 計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)為了實(shí)現(xiàn)大壩變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的一體化。自動(dòng)化，數(shù)據(jù)采集后，運(yùn)用了多種數(shù)值計(jì)算方法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和在線分析。近幾年來，為了進(jìn)一步切合實(shí)際而提出對(duì)合理模型進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)分析的學(xué)術(shù)交流日益活躍：有的將分形分布隨機(jī)過程應(yīng)用于三維數(shù)據(jù)內(nèi)插，對(duì)復(fù)雜的不規(guī)則地形、地貌進(jìn)行定量描述：有的用曲線擬合法對(duì)變形沉陷監(jiān)測(cè)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，檢驗(yàn)其可靠性;有的以多級(jí)灰關(guān)聯(lián)評(píng)估大壩實(shí)測(cè)性態(tài)：有的將力學(xué)模型引人大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，用三維粘彈塑性理論擬定二級(jí)監(jiān)控指標(biāo)；有的針對(duì)大壩結(jié)構(gòu)和地質(zhì)條件復(fù)雜，荷載種類多，將專家系統(tǒng)與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，成功地應(yīng)用于混凝上面板支墩壩的疑點(diǎn)物理成因分析，等等。特別要提及的是：美籍華人科學(xué)家石耿華的非連續(xù)形變分析法（DDA法，英譯為DiscontinuousDeformationAnalysis）。傳統(tǒng)的有限無法是假設(shè)介質(zhì)為連續(xù)的，這與危險(xiǎn)建筑物實(shí)際狀況有較大出入?；谄浒踩匝芯侩y以實(shí)現(xiàn)，于是石氏提出了口口人法。該法可以計(jì)算模型中具有多條斷裂的情況，以重積分解決復(fù)雜模型受力后的形變計(jì)算。但因該法計(jì)算過于繁復(fù)，模型中斷裂的設(shè)置又不能一次成功，計(jì)算方案需要不斷修改，故難以在實(shí)際應(yīng)用中推廣。幾年后，我國(guó)留日博士后陳光齊配制的TDDA（ToolOfDDA）.以數(shù)值計(jì)算方法，利用逐次迭代，不斷調(diào)整模型，使其計(jì)算結(jié)果與觀測(cè)數(shù)據(jù)達(dá)到基本相符時(shí)迭代計(jì)算終止的方法，解決了這個(gè)難題（6）。這一方法和計(jì)算機(jī)的配合，就能利用觀測(cè)數(shù)據(jù)的控制，以不斷調(diào)整模型中斷裂設(shè)置和受力狀態(tài)，使所探測(cè)的模型受力狀況得以展示，將它用于大壩監(jiān)測(cè)上，是對(duì)壩況安全性研究的一大進(jìn)步。將數(shù)據(jù)分析編制為計(jì)算機(jī)軟件，建立數(shù)據(jù)庫(kù)與多媒體系統(tǒng)，其總體結(jié)構(gòu)見圖3。進(jìn)一步加強(qiáng)大壩安全評(píng)估專家系統(tǒng)的開發(fā)、研究，這也正是為實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的一體兒，自動(dòng)化所急待解決的課題。多學(xué)科的融合欲實(shí)現(xiàn)大壩變形監(jiān)測(cè)的一體化、自動(dòng)化、數(shù)字化和智能化，須有多學(xué)科的融合和滲透。變形監(jiān)惻的硬件技術(shù)的發(fā)展與精密儀器學(xué)、電子傳感技術(shù)、通訊技術(shù)相聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集的自動(dòng)化和實(shí)時(shí)連續(xù)性，并向科傻型發(fā)展。而軟件的變形分析，從獲取幾何信息發(fā)展到運(yùn)用物理（力學(xué)）信息進(jìn)行解釋，并結(jié)合了其它交叉學(xué)科（見圖4）,全面考慮外界相關(guān)因素，擴(kuò)充大壩安全評(píng)估專家系統(tǒng)的知識(shí)庫(kù)和方法庫(kù)，進(jìn)行壩況研究和安全預(yù)測(cè)。圖3大期安全評(píng)判專京委筏魁體結(jié)構(gòu)⑶圖圖3大期安全評(píng)判專京委筏魁體結(jié)構(gòu)⑶圖4變彩分析的器學(xué)科電合圖示4結(jié)語(yǔ)目前，大壩監(jiān)測(cè)在國(guó)內(nèi)外己快速發(fā)展，這里指出幾點(diǎn)應(yīng)值得注意：2）自動(dòng)化設(shè)備的有效利用，12）自動(dòng)化設(shè)備的有效利用，方面對(duì)自動(dòng)化觀測(cè)數(shù)據(jù)定期通過人工比測(cè)檢核，以防設(shè)備失常；另方面對(duì)埋設(shè)壩體中或安置于廊道內(nèi)的設(shè)備定期維護(hù)、檢修，確保儀器的可靠。3)一體化的安全評(píng)判，需要繼續(xù)在監(jiān)控模型，報(bào)警指標(biāo)，評(píng)估規(guī)程等技術(shù)問題上進(jìn)行攻關(guān)，同時(shí)，編制為應(yīng)用