关键词:大坝安全监测;水平位移;垂直位移;三维位移;极坐标法;距离交会法;GPS 法;自动监测系统
摘　要:外部变形观测是大坝安全监测系统的重要组成部分。目前常用的监测方法主要有: ①水平位移监测的视准线法、引张线法、激光准直法、正倒垂线法、精密导线法和前方交会法; ②垂直位移监测的几何水准法、流体静力水准法; ③三维位移监测的极坐标法、距离交会法和GPS 法。三维位移监测系统可实时连续观测变形点的水平位移和垂直位移。测量机器人自动监测系统在小浪底大坝成功应用,实现了大坝外部变形监测的全自动化。随着科技的不断发展,大坝安全监测自动化系统一定会更加完善。

     大坝外部变形监测是大坝安全监测的重要内容,现有各种各样的监测方法。无论采用哪种方法,都必须满足精度要求。如在《混凝土大坝安全监测技术规范》(1989 年实施) 中规定,重力坝、支墩坝的坝体水平位移精度为±1 mm ,坝基为±013 mm ,所有混凝土坝的坝体及坝基的垂直位移的精度要求为±1 mm ,坝基倾斜的精度要求为±1″。这些规定对监测工作提出了比较高的要求。但从实际情况来看,这些要求一般只是符合安全的最低值,实际操作中应该比规范的要求更高,这无疑增加了测量工作的难度。
   大坝外部变形监测的项目一般分为:水平位移监测、垂直位移监测、三维位移监测、挠度监测和倾斜监测等。
1 　水平位移监测
水平位移监测方法有视准线法,引张线法,激光准直法,正、倒垂线法,精密导线法和前方交会法等。
1.1 　视准线法
   视准线法常用于直线型大坝的水平位移观测,对于非直线型大坝,可采用分段视准线的方法施测。视准线法的特点是工程造价低,但精度低,不易实现自动观测,受外界条件影响较大,而且变形值(位移标点的位移量) 不能超出该系统的最大偏距值,否则无法进行观测。提高视准线法精度及自动化程度的措施有:改进观测技术和操作方法,选用高精度仪器,如TCA2003 自动跟踪全站仪。
1.2 　引张线法
引张线法的特点是成本低,精度高(主要取决于读数精度,人工读数精度为012～013 mm ,自动读数精度优于±011mm) ,受外界条件影响小,应用较普遍。最新的引张线测量系统常采用线阵CCD 传感器,能实现自动读数,其量程为几厘米,精度优于±1 mm。引张线法的发展趋势是双向引张线,它既能够观测水平方向的位移,又能观测垂直方向的位移,提高了观测效率。
1.3 　激光准直法
1.3.1 　大气激光准直
大气激光准直的应用对象是坝长小于300 m、坝高较低的大坝,测量相对精度为10 - 5～10 - 6 。由于受大气折射及湍流影响会引起光束抖动,该法测量精度低且不易实现自动化观测。大气激光准直技术的最新发展是采用CCD 技术。它消除了光斑随机抖动,实现了监测自动化,测量精度高达±011mm。此项技术已成功地应用于一些水电工程的变形观测中。
1.3.2 　真空激光准直
真空激光准直综合精度高达(1～2) ×10 - 7 ,主要用于长坝、高坝的变形监测,其发展方向是双向位移观测(垂直位移和水平位移) 。为了拓展其应用空间,可考虑实现真空激光转角,以便用于曲线形大坝的变形监测。
1.4 　正倒垂线
正、倒垂线既可以实现水平位移监测,又可实现混凝土坝的挠度观测。新近研制的垂线观测仪采用线阵CCD 传感器,实现了读数自动化。在x , y 方向上的坐标变化值采集精度优于±011 mm
1.5 　精密导线法
拱坝的水平位移监测常采用精密导线测量法。此法应用较为广泛,但量边工作量大,角度观测受旁折光影响较大。为此,可布设成类似于高能物理加速器工程中的测高直伸环形网,通过测量狭长三角形的边长和高的途径,来间接提高测角精度。该法的精度取决于量边精度,如果用铟钢线尺量边,或ME5000 测距仪测边,精度完全可以达到亚毫米级。
1.6 　前方交会法
在各种水工建筑物的施工阶段或已建成的拱坝下游面、拱冠等观测效率较低且观测时不易直接到达的部位,可以用测边、测角或边角前方交会法测定其水平位移。前方交会法由于受测角误差、测边误差、交会角及图形结构、基线长度、外界条件的变化等因素影响,精度较低,一般为±(1～3) mm。另外,其观测工作量较大,计算过程较复杂,故不单独使用,而是常作为备用手段或配合其他方法使
用。
2 　垂直位移监测
垂直位移监测的主要方法有几何水准法和流体静力水准法(连通管法) 。
2.1 　几何水准法
几何水准法是垂直位移监测的常用方法,精度容易满足,但主要问题是如何实现观测自动化。目前,具有自动采集、储存资料的电子水准仪已在生产中使用,其精度可达±(013～014) mm (每千米往返测高差中数的中误差) ,工作效率明显提高。
2.2 　流体静力水准法
流体静力水准法测量原理是连通管原理。该法很容易实现读数及传输的自动化,测量精度优于±011 mm ,在垂直位移监测中有着广泛的应用。但静力水准的测点基本上要处于同一水平位置,高差测量范围较小。近年来研制开发出了通过压力传感器测量液体压力的变化来计算高差变化的
仪器,扩大了测量范围。
3 　三维位移监测
以上各种监测方法是将变形点的水平位移和垂直位移分别施测,测量成果不具有同时性,降低了成果的科学性和使用价值,而且采用常规方法观测周期长,无法实时地了解大坝的变形情况。目前已研制出一种能实时连续观测变形点水平位移和垂直位移的测量系统,由于此系统测量的是变形点的三维位移值,故称为“三维位移监测系统”,按其原理和观测方法可分为极坐标法、距离交会法、GPS 法。

3.1 　极坐标法
该法采用当前具有最高精度的测量机器人进行作业。如徕卡TCA 系列全站仪,其标称精度测角为±015″,测距为±(1 mm + 1 ppm·D) ,该仪器能自动搜索、照准目标,实现角度、距离测量自动化,其测量原理是极坐标法。该系统的标准配置包括TCA 全站仪、APSWIN 软件和高精度数位式温度计、气压计。此系统已成功地应用于香港九龙塘地铁隧道运营监测,新加坡地铁公司已将其作为常规装备用于地铁监测。TCA 全站仪自动监测系统的构成如图1 所示。

该系统能够实现自动连续观测,精度高,但有以下缺点需要克服: ①不能实时得到高精度的变形值; ②观测点必须对空开阔,接收卫星不能少于4 颗; ③每增加1 个观测点就必须添加1 台GPS 接收机,成本较高。以上所介绍的3 种三维外部变形监测方法各有优缺点,精度及所需设备比较见表1。

在每期测量时,APSWIN 软件可根据6 个测回的观测数据计算出实际测量时的角度精度mHZ 、mα(″) 和距离测量精度md (mm) ,按极坐标公式求出的变形点的三维坐标误差分别为mXp 、mYp 、mZp (mm) (三维坐标误差的计算公式略) 。根据自动极坐标监测系统的测量数据进行分析、统计,得出各测点的三维坐标误差,结果见表2 (表中给出的中误差为平均值) 。可以看出,TCA 全站仪测量变形点的x 、y 、z 坐标的中误差均在±2 mm 左右,完全满足土(石) 坝安全监测的精度要求。
为了检验测量机器人自动监测的精度,我们用自动化观测的直接结果和经过差分处理的结果分别与常规测量方法(在基准点分别设站用TC2002 全站仪按边角交会法测量6测回,计算变形点的水平位移,用几何水准测量竖向位移) 的结果进行对比分析,各项精度指标均满足大坝安全监测规范的要求。
自动极坐标差分处理的基本原理是:每一个测量周期均按极坐标的方法测量基准点和变形测点的斜距、水平角和垂直角,将基准点的测量值与其基准值(基准网的测量值) 相比,求得差值,这一差值可以认为是受大气压力、温度及仪器等各种因素影响的结果。自动化测量可以在短时间内(10min) 完成一个周期的测量,可以认为这些因素对基准点和变形点的影响是相同的,可以把基准点的差异加到变形点的观测值上进行差分处理,计算变形点的三维位移量。由于观测条件相同,利用基准点所提供的改正数可以消除共同误差,大幅度提高变形监测精度。用差分处理改正前后的结果列于表3。由表3 可以看出,各点的精度大为提高,尤其是高程
( z) 的精度受气象和垂直折光的影响得到了很好的改正。从小浪底大坝外部变形TCA 自动化监测的情况可以看出,测量机器人用于大坝外部变形监测可以实现全自动化,有广泛的应用前景。与常规方法相比较它具有以下优点:
(1) 测量方案先进,系统组成合理。在大坝监测基准网的基础上,采用差分处理可消除和减弱各种误差对测量结果的影响,大幅度提高测量精度并可同时获得每个变形点的平面和垂直位移信息。
(2) 自动化程度高,可靠性强。系统可以实现自动监测,并可实时进行数据处理、分析,报表输出。
(3) 监测速度快、时效性强。完成一个周期的监测工作,仅约需10 min。
(4) 维护方便、运行成本低。全站仪自动极坐标测量系