大坝变形监测自动化技术的最新发展
刘智敏
（桂林工学院土木工程系）
（桂林工学院土木工程系）
【摘 要】近年来，随着大型大坝建筑的增多和电子计算机技术、激光技术、空间技术等高新科技的应用，有力地促进了大坝技术的发展。本文介绍了当前大坝变形监测自动化技术的国内外发展状况，在几何学、物理力学、计算机仿真学等多学科、多领域的融合、渗透下，提出了大坝变形监测向一体化、自动化、数字化、智能化发展的方向。
【关键词】大坝变形监测一体化自动化数字化智能化
1 前言
我国的大坝变形监测自50年代开始，到80年代末已实现了自动化遥测。90年代后，大坝安全监测技术飞速发展，许多老坝完成了自动化监测系统的更新改造，有的新建大坝也设计了功能更全的高水平监测系统。其发展过程见表1。目前，大坝变形监测自动化已实现了运行变量的数据采集与传输、数据管理、在线分析、综合成图、成果预警的计算机控制网络化，并在向一体化、自动化、数字化、智能化方向发展。
【关键词】大坝变形监测一体化自动化数字化智能化
1 前言
我国的大坝变形监测自50年代开始，到80年代末已实现了自动化遥测。90年代后，大坝安全监测技术飞速发展，许多老坝完成了自动化监测系统的更新改造，有的新建大坝也设计了功能更全的高水平监测系统。其发展过程见表1。目前，大坝变形监测自动化已实现了运行变量的数据采集与传输、数据管理、在线分析、综合成图、成果预警的计算机控制网络化，并在向一体化、自动化、数字化、智能化方向发展。
2 大坝变形监测技术的发展
2.1 硬件技术
2.1.1国内大坝变形监测技术
近十年来年，随着我国大型水坝的增多，对大坝安全监测系统不断提出新任务、新课题和新要求。同时，电子计算机技术、激光技术、空间技术等新科技的发展与应用，也有力地促进了大坝观测技术的发展。
测量自动化的初级实现，是近十几年发展起来的传感器。它根据自动控制原理，把被观测的几何量（长度、角度）转换成电量，再与一些必要的测量电路、附件装置相配合，组成自动测量装置，从而推动了连续观测方法的兴起，传感器也成了自动化观测必不可缺的重要部件。从外部观测的静力水准、正倒锤、激光准直，到内部观测的渗压计、沉降计、测斜仪、土体应变计、上压计，其自动化遥测都建立在传感器的基础上。由于用途不同，传感器有机械式、光敏式、电式（又分为电压式、电容式、电感式）等几种形式，精度也各不相同。目前运用最多的是电式和磁式传感器。例如：广西大化大坝监测系统应用的变形遥测仪器均为差动电容感应式，精度为±0.1～0.2mm，结构简单，可在高湿度环境下长期可靠地工作[1]；新丰江大坝变形监测设备采用的是地震研究所研制的EMD—S型遥测垂线仪和EMD—T型引张线遥测仪，是用磁场差动法测量位移的二维传感器，它独到的电路和结构设计，使仪器具有良好的线性度、极小的横向位移影响。且抗磁、防雷、耐潮，有极好的长期稳定性和可靠性[2]。
激光技术和GPS的使用，提高了探测的灵敏度，减少了作业的条件限制，克服了一定的外界干扰。激光用水准仪，减少了读数和照准误差，提高了精度。试验表明，当视线长度为50m时，测站高差中误差约为±0.02mm。而真主管道波带板激光准直仪可进行三维测量，能在恶劣环境下进行作业，相对精度达10-7左右。已在太平哨、丰满、葛洲坝等电站使用，并实现了自动化观测。随着GPS卫星定位技术的日趋成熟，隔河岩大坝率先在国内将GPS应用于大坝变形监测上（网络结构如图1）。值得一提的是，在1998年8月大坝蓄水至150年一遇的校核洪水水位期间，GPS监测系统一直安全可靠。抗干扰能力强，监测精度高，1小时观测资料解算的点位水平精度优于1mm，垂直精度优于1.5mm：6小时GPS观测资料解算的点位水平精度优于0.5mm，垂直精度优于1mm。数据处理分析及时，反应时间小于15分钟，能够快速反映大坝在超高蓄水下的三维变形。不仅确保了大坝的安全，也成功地实现了洪水错峰。为防洪减灾起到重大作用。实践证明，由于具有“全天侯、实时、自动化监测”等优点。GPS可用于大坝的动态实时位移监测。振动频率测试和安全运营报答系统。为了继续提高精度。扩大量程，不仅要求硬件的改进更新，还需要软件解算功能进一步优化，对于专业技术人员来说，大有用武之地。
2.1 硬件技术
2.1.1国内大坝变形监测技术
近十年来年，随着我国大型水坝的增多，对大坝安全监测系统不断提出新任务、新课题和新要求。同时，电子计算机技术、激光技术、空间技术等新科技的发展与应用，也有力地促进了大坝观测技术的发展。
测量自动化的初级实现，是近十几年发展起来的传感器。它根据自动控制原理，把被观测的几何量（长度、角度）转换成电量，再与一些必要的测量电路、附件装置相配合，组成自动测量装置，从而推动了连续观测方法的兴起，传感器也成了自动化观测必不可缺的重要部件。从外部观测的静力水准、正倒锤、激光准直，到内部观测的渗压计、沉降计、测斜仪、土体应变计、上压计，其自动化遥测都建立在传感器的基础上。由于用途不同，传感器有机械式、光敏式、电式（又分为电压式、电容式、电感式）等几种形式，精度也各不相同。目前运用最多的是电式和磁式传感器。例如：广西大化大坝监测系统应用的变形遥测仪器均为差动电容感应式，精度为±0.1～0.2mm，结构简单，可在高湿度环境下长期可靠地工作[1]；新丰江大坝变形监测设备采用的是地震研究所研制的EMD—S型遥测垂线仪和EMD—T型引张线遥测仪，是用磁场差动法测量位移的二维传感器，它独到的电路和结构设计，使仪器具有良好的线性度、极小的横向位移影响。且抗磁、防雷、耐潮，有极好的长期稳定性和可靠性[2]。
激光技术和GPS的使用，提高了探测的灵敏度，减少了作业的条件限制，克服了一定的外界干扰。激光用水准仪，减少了读数和照准误差，提高了精度。试验表明，当视线长度为50m时，测站高差中误差约为±0.02mm。而真主管道波带板激光准直仪可进行三维测量，能在恶劣环境下进行作业，相对精度达10-7左右。已在太平哨、丰满、葛洲坝等电站使用，并实现了自动化观测。随着GPS卫星定位技术的日趋成熟，隔河岩大坝率先在国内将GPS应用于大坝变形监测上（网络结构如图1）。值得一提的是，在1998年8月大坝蓄水至150年一遇的校核洪水水位期间，GPS监测系统一直安全可靠。抗干扰能力强，监测精度高，1小时观测资料解算的点位水平精度优于1mm，垂直精度优于1.5mm：6小时GPS观测资料解算的点位水平精度优于0.5mm，垂直精度优于1mm。数据处理分析及时，反应时间小于15分钟，能够快速反映大坝在超高蓄水下的三维变形。不仅确保了大坝的安全，也成功地实现了洪水错峰。为防洪减灾起到重大作用。实践证明，由于具有“全天侯、实时、自动化监测”等优点。GPS可用于大坝的动态实时位移监测。振动频率测试和安全运营报答系统。为了继续提高精度。扩大量程，不仅要求硬件的改进更新，还需要软件解算功能进一步优化，对于专业技术人员来说，大有用武之地。
其他大坝变形监测仪器在测程精度、性能及自动化水平上也有了很大提高。表2（4）为武汉地震研究所研制的部分仪器。
2.1.2国外大坝变形监测新技术
这里评介凡项值得在我国推广的国外监测新技术[5]：
CT技术（Computerized Tomography意译为“计算机层析成像”）这是在不破坏物体结构的前提下，根据在物体周边所获取的某种物理量（如波速、Ｘ线光强）的一维投影数据，运用一定的数学方法，通过计算机处理，重建物体特定层面上的二维图像以及依据一系列上述二维图像而构成三维图像的一门技术（其组成结构见图2）。该技术系美国科学家Hounsfield于1971年所研制，率先用于医学领域。近十多年，该技术已发展应用到工业、地球物理、大坝监测等诸多领域。意大利、日本将其应用于大坝性态诊断，有效地进行了大坝安全检查及工程处理效果验证。由于大坝CT技术能够定量地反映出大坝内部材料性质的分布情况和缺陷部位，得出三维结构图，所以应用其以掌握坝址地质构造，推测断层破碎带分布，隧道开挖前后岩层松弛的范围和程度等。笔者认为：CT技术在坝体的选址、施工和运营期间可以发挥重大作用，既减少了仪器设备的复杂性，又提高了大坝的安全度，同时对于大坝的内部性态检测、缺陷搜索和老化评判都将成为重要依据。对于大坝数量居世界第一的中国，发展大坝CT技术会有更广阔的大地。
这里评介凡项值得在我国推广的国外监测新技术[5]：
CT技术（Computerized Tomography意译为“计算机层析成像”）这是在不破坏物体结构的前提下，根据在物体周边所获取的某种物理量（如波速、Ｘ线光强）的一维投影数据，运用一定的数学方法，通过计算机处理，重建物体特定层面上的二维图像以及依据一系列上述二维图像而构成三维图像的一门技术（其组成结构见图2）。该技术系美国科学家Hounsfield于1971年所研制，率先用于医学领域。近十多年，该技术已发展应用到工业、地球物理、大坝监测等诸多领域。意大利、日本将其应用于大坝性态诊断，有效地进行了大坝安全检查及工程处理效果验证。由于大坝CT技术能够定量地反映出大坝内部材料性质的分布情况和缺陷部位，得出三维结构图，所以应用其以掌握坝址地质构造，推测断层破碎带分布，隧道开挖前后岩层松弛的范围和程度等。笔者认为：CT技术在坝体的选址、施工和运营期间可以发挥重大作用，既减少了仪器设备的复杂性，又提高了大坝的安全度，同时对于大坝的内部性态检测、缺陷搜索和老化评判都将成为重要依据。对于大坝数量居世界第一的中国，发展大坝CT技术会有更广阔的大地。
渗流热监测技术 根据低温和大量渗漏存在着联系，温度测值和抽水试验所得到的渗透系数问有很好的负线性相关系数，可以认为温度分布图像可帮助发现渗漏较严重部位，即有效实现渗流异常报答。渗流热监测于1965年由Jeseph.H·Birman发明。报告指出：温度测头可放置在结构物或地下一定深度只受气温年变化影响而下受气温短期变化影响处，精度达±0．1℃。这项技术在美国、前苏联、瑞典等国己成功应用。由于温度监测费用不大，且目前坝体监测中大多安置了测温计，可以数据共享。根据能量守恒方程、质量守恒方程、渗流运动方程及初始条件；边界条件，推导出有关计算公式，设计数据计算方法及程序后，就可以把温度测得的数据代人，得出定量描述坝及地基中的热流和渗流场。模拟计算表明，当心墙渗透系数小于（2～6）×10-7m/s时，坝温变化几乎是常数。当超过上值时；可通过分析温度变化较准确地估计其渗透性。要在我国大坝监测中推广该法，关键在于根据具体坝况设计出合理的计算公式和数据处理程序软件。
光纤传感技术 光导纤维是以不同折射率的石英玻璃包层及石英玻璃细芯组合而成的一种新型纤维。它使光线的传播以全反射的形式进行，能将光和图像曲折传递到所需要的任意空间。具有通信容量大，速度快，抗电磁干扰等优点。以激光作载波，光导纤维作传输路径来感应、传输各种信息。凡是电子仪器能测量的物理量（如位移、压力、流量、液面、温度等）它几乎都能测量，其灵敏度，对位移达10-3cm，对温度达0.01℃。在美国、德国、加拿大、奥地利。日本等国已应用于裂缝、应力、应变、振动等观测。
该技术具有以下几个优点：①将传感和数据通道集为一体、便于组成遥测系统，实现在线分布式检测；②测量对象广泛，适于各种物理量的观测；③体积小、重量轻、非电连接、无机械活动件，不影响埋设点物性；④灵敏度高，可远距测量；⑤耐水性、电绝缘好、耐腐蚀，抗电磁干扰；③频带宽，有利于超高速测量。所以，适用于坝体的裂缝、应力变、水平。垂直位移等测量，可用于监测关键部位的坝体形变。尤其可以替代高雷区、强磁场区或潮湿地带的电子仪器。
2.2 计算机软件技术
为了实现大坝变形监测系统的一体化。自动化，数据采集后，运用了多种数值计算方法进行数据处理和在线分析。近几年来，为了进一步切合实际而提出对合理模型进行变形监测分析的学术交流日益活跃：有的将分形分布随机过程应用于三维数据内插，对复杂的不规则地形、地貌进行定量描述：有的用曲线拟合法对变形沉陷监测进行数据分析，检验其可靠性；有的以多级灰关联评估大坝实测性态：有的将力学模型引人大坝安全监测系统，用三维粘弹塑性理论拟定二级监控指标；有的针对大坝结构和地质条件复杂，荷载种类多，将专家系统与神经网络相结合，成功地应用于混凝上面板支墩坝的疑点物理成因分析，等等。
特别要提及的是：美籍华人科学家石耿华的非连续形变分析法（DDA法，英译为Discontinuous Deformation Analysis）。传统的有限无法是假设介质为连续的，这与危险建筑物实际状况有较大出入。基于其安全性研究难以实现，于是石氏提出了DDA法。该法可以计算模型中具有多条断裂的情况，以重积分解决复杂模型受力后的形变计算。但因该法计算过于繁复，模型中断裂的设置又不能一次成功，计算方案需要不断修改，故难以在实际应用中推广。几年后，我国留日博士后陈光齐配制的TDDA（Tool Of DDA），以数值计算方法，利用逐次迭代，不断调整模型，使其计算结果与观测数据达到基本相符时迭代计算终止的方法，解决了这个难题（6）。这一方法和计算机的配合，就能利用观测数据的控制，以不断调整模型中断裂设置和受力状态，使所探测的模型受力状况得以展示，将它用于大坝监测上，是对坝况安全性研究的一大进步。将数据分析编制为计算机软件，建立数据库与多媒体系统，其总体结构见图3。进一步加强大坝安全评估专家系统的开发、研究，这也正是为实现监测系统的一体儿，自动化所急待解决的课题。
3 多学科的融合
欲实现大坝变形监测的一体化、自动化、数字化和智能化，须有多学科的融合和渗透。变形监恻的硬件技术的发展与精密仪器学、电子传感技术、通讯技术相联系，实现了数据采集的自动化和实时连续性，并向科傻型发展。而软件的变形分析，从获取几何信息发展到运用物理（力学）信息进行解释，并结合了其它交叉学科（见图4），全面考虑外界相关因素，扩充大坝安全评估专家系统的知识库和方法库，进行坝况研究和安全预测。
光纤传感技术 光导纤维是以不同折射率的石英玻璃包层及石英玻璃细芯组合而成的一种新型纤维。它使光线的传播以全反射的形式进行，能将光和图像曲折传递到所需要的任意空间。具有通信容量大，速度快，抗电磁干扰等优点。以激光作载波，光导纤维作传输路径来感应、传输各种信息。凡是电子仪器能测量的物理量（如位移、压力、流量、液面、温度等）它几乎都能测量，其灵敏度，对位移达10-3cm，对温度达0.01℃。在美国、德国、加拿大、奥地利。日本等国已应用于裂缝、应力、应变、振动等观测。
该技术具有以下几个优点：①将传感和数据通道集为一体、便于组成遥测系统，实现在线分布式检测；②测量对象广泛，适于各种物理量的观测；③体积小、重量轻、非电连接、无机械活动件，不影响埋设点物性；④灵敏度高，可远距测量；⑤耐水性、电绝缘好、耐腐蚀，抗电磁干扰；③频带宽，有利于超高速测量。所以，适用于坝体的裂缝、应力变、水平。垂直位移等测量，可用于监测关键部位的坝体形变。尤其可以替代高雷区、强磁场区或潮湿地带的电子仪器。
2.2 计算机软件技术
为了实现大坝变形监测系统的一体化。自动化，数据采集后，运用了多种数值计算方法进行数据处理和在线分析。近几年来，为了进一步切合实际而提出对合理模型进行变形监测分析的学术交流日益活跃：有的将分形分布随机过程应用于三维数据内插，对复杂的不规则地形、地貌进行定量描述：有的用曲线拟合法对变形沉陷监测进行数据分析，检验其可靠性；有的以多级灰关联评估大坝实测性态：有的将力学模型引人大坝安全监测系统，用三维粘弹塑性理论拟定二级监控指标；有的针对大坝结构和地质条件复杂，荷载种类多，将专家系统与神经网络相结合，成功地应用于混凝上面板支墩坝的疑点物理成因分析，等等。
特别要提及的是：美籍华人科学家石耿华的非连续形变分析法（DDA法，英译为Discontinuous Deformation Analysis）。传统的有限无法是假设介质为连续的，这与危险建筑物实际状况有较大出入。基于其安全性研究难以实现，于是石氏提出了DDA法。该法可以计算模型中具有多条断裂的情况，以重积分解决复杂模型受力后的形变计算。但因该法计算过于繁复，模型中断裂的设置又不能一次成功，计算方案需要不断修改，故难以在实际应用中推广。几年后，我国留日博士后陈光齐配制的TDDA（Tool Of DDA），以数值计算方法，利用逐次迭代，不断调整模型，使其计算结果与观测数据达到基本相符时迭代计算终止的方法，解决了这个难题（6）。这一方法和计算机的配合，就能利用观测数据的控制，以不断调整模型中断裂设置和受力状态，使所探测的模型受力状况得以展示，将它用于大坝监测上，是对坝况安全性研究的一大进步。将数据分析编制为计算机软件，建立数据库与多媒体系统，其总体结构见图3。进一步加强大坝安全评估专家系统的开发、研究，这也正是为实现监测系统的一体儿，自动化所急待解决的课题。
3 多学科的融合
欲实现大坝变形监测的一体化、自动化、数字化和智能化，须有多学科的融合和渗透。变形监恻的硬件技术的发展与精密仪器学、电子传感技术、通讯技术相联系，实现了数据采集的自动化和实时连续性，并向科傻型发展。而软件的变形分析，从获取几何信息发展到运用物理（力学）信息进行解释，并结合了其它交叉学科（见图4），全面考虑外界相关因素，扩充大坝安全评估专家系统的知识库和方法库，进行坝况研究和安全预测。
4 结语
目前，大坝监测在国内外己快速发展，这里指出几点应值得注意：
1）由于多学科综合分析以提高安全度，可能造成仪器增多、数据量增大、使数据分析加大工作量，延时预测结果，可能导致不良后果。所以及时处理数据是关键，并且选择有效的测试仪器。新旧更换，控制数据量。
2）自动化设备的有效利用，一方面对自动化观测数据定期通过人工比测检核，以防设备失常；另方面对埋设坝体中或安置于廊道内的设备定期维护、检修，确保仪器的可靠。
3）一体化的安全评判，需要继续在监控模型，报警指标，评估规程等技术问题上进行攻关，同时，编制为应用软件，尽早投入使用，创造价值。
笔者认为，大坝变形监测的发展趋势，是内外业一体化。自动化、数字化、智能化，将多媒体系统和模拟仿真技术应用于监测系统，在坝体破坏刚开始或将要开始时实现大坝的安全预警功能。也就是说，在收集了前期的坝体观测数据后，从物理力学角度运用多学科相关知识分析，输入模拟仿真系统进行坝体受力后下一时期的三维变形结果预测；再不断地用后期收集的实测数据进行回代。对比其可靠性，并加以修正。这样，仿真技术成果趋于实际，并先于实际得出安全评判，以确保坝体安全运营，若发生故障可以及早补救。
参考文献：
[1] 刘观标、王志远、罗昌.大化大坝监测系统更新改造及自动化系统设计.大坝观测与土工测试.1998（12）
[2] 陈德福、杜向明、杨文元等新丰江大坝的变形监测及其更新改造设想.地壳形变与地震.1998（9）增刊
[3] 柳太康、徐绍铨.GPS技术在隔河岩水库大坝外观变形监测中的应用.地壳形变与地震.1998（9）
[4] 兰迎春、陈晋黄龙带大坝变形监测自动化系统地壳形变与地震.1996（4）增刊
[5] 李珍照.国外大坝监测几项新技术.大坝观测与土工测试.1997（2）
[6] 吴翼麟.精密工程测量领域的拓展地壳形变与地震.1998（9）增刊
[7] 赵斌、吴中如、顾冲时等.神经网络在大坝安全评判专家系统中的应用.大坝观测与土工测试.1998（4）
目前，大坝监测在国内外己快速发展，这里指出几点应值得注意：
1）由于多学科综合分析以提高安全度，可能造成仪器增多、数据量增大、使数据分析加大工作量，延时预测结果，可能导致不良后果。所以及时处理数据是关键，并且选择有效的测试仪器。新旧更换，控制数据量。
2）自动化设备的有效利用，一方面对自动化观测数据定期通过人工比测检核，以防设备失常；另方面对埋设坝体中或安置于廊道内的设备定期维护、检修，确保仪器的可靠。
3）一体化的安全评判，需要继续在监控模型，报警指标，评估规程等技术问题上进行攻关，同时，编制为应用软件，尽早投入使用，创造价值。
笔者认为，大坝变形监测的发展趋势，是内外业一体化。自动化、数字化、智能化，将多媒体系统和模拟仿真技术应用于监测系统，在坝体破坏刚开始或将要开始时实现大坝的安全预警功能。也就是说，在收集了前期的坝体观测数据后，从物理力学角度运用多学科相关知识分析，输入模拟仿真系统进行坝体受力后下一时期的三维变形结果预测；再不断地用后期收集的实测数据进行回代。对比其可靠性，并加以修正。这样，仿真技术成果趋于实际，并先于实际得出安全评判，以确保坝体安全运营，若发生故障可以及早补救。
参考文献：
[1] 刘观标、王志远、罗昌.大化大坝监测系统更新改造及自动化系统设计.大坝观测与土工测试.1998（12）
[2] 陈德福、杜向明、杨文元等新丰江大坝的变形监测及其更新改造设想.地壳形变与地震.1998（9）增刊
[3] 柳太康、徐绍铨.GPS技术在隔河岩水库大坝外观变形监测中的应用.地壳形变与地震.1998（9）
[4] 兰迎春、陈晋黄龙带大坝变形监测自动化系统地壳形变与地震.1996（4）增刊
[5] 李珍照.国外大坝监测几项新技术.大坝观测与土工测试.1997（2）
[6] 吴翼麟.精密工程测量领域的拓展地壳形变与地震.1998（9）增刊
[7] 赵斌、吴中如、顾冲时等.神经网络在大坝安全评判专家系统中的应用.大坝观测与土工测试.1998（4）
