大壩變形監測自動化技術的最新發展
劉智敏
（桂林工學院土木工程系）
（桂林工學院土木工程系）
【摘 要】近年來，隨著大型大壩建筑的增多和電子計算機技術、激光技術、空間技術等高新科技的應用，有力地促進了大壩技術的發展。本文介紹了當前大壩變形監測自動化技術的國內外發展狀況，在幾何學、物理力學、計算機仿真學等多學科、多領域的融合、滲透下，提出了大壩變形監測向一體化、自動化、數字化、智能化發展的方向。
【關鍵詞】大壩變形監測一體化自動化數字化智能化
1 前言
我國的大壩變形監測自50年代開始，到80年代末已實現了自動化遙測。90年代后，大壩安全監測技術飛速發展，許多老壩完成了自動化監測系統的更新改造，有的新建大壩也設計了功能更全的高水平監測系統。其發展過程見表1。目前，大壩變形監測自動化已實現了運行變量的數據采集與傳輸、數據管理、在線分析、綜合成圖、成果預警的計算機控制網絡化，并在向一體化、自動化、數字化、智能化方向發展。
【關鍵詞】大壩變形監測一體化自動化數字化智能化
1 前言
我國的大壩變形監測自50年代開始，到80年代末已實現了自動化遙測。90年代后，大壩安全監測技術飛速發展，許多老壩完成了自動化監測系統的更新改造，有的新建大壩也設計了功能更全的高水平監測系統。其發展過程見表1。目前，大壩變形監測自動化已實現了運行變量的數據采集與傳輸、數據管理、在線分析、綜合成圖、成果預警的計算機控制網絡化，并在向一體化、自動化、數字化、智能化方向發展。
2 大壩變形監測技術的發展
2.1 硬件技術
2.1.1國內大壩變形監測技術
近十年來年，隨著我國大型水壩的增多，對大壩安全監測系統不斷提出新任務、新課題和新要求。同時，電子計算機技術、激光技術、空間技術等新科技的發展與應用，也有力地促進了大壩觀測技術的發展。
測量自動化的初級實現，是近十幾年發展起來的傳感器。它根據自動控制原理，把被觀測的幾何量（長度、角度）轉換成電量，再與一些必要的測量電路、附件裝置相配合，組成自動測量裝置，從而推動了連續觀測方法的興起，傳感器也成了自動化觀測必不可缺的重要部件。從外部觀測的靜力水準、正倒錘、激光準直，到內部觀測的滲壓計、沉降計、測斜儀、土體應變計、上壓計，其自動化遙測都建立在傳感器的基礎上。由于用途不同，傳感器有機械式、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。目前運用最多的是電式和磁式傳感器。例如：廣西大化大壩監測系統應用的變形遙測儀器均為差動電容感應式，精度為±0.1～0.2mm，結構簡單，可在高濕度環境下長期可靠地工作[1]；新豐江大壩變形監測設備采用的是地震研究所研制的EMD—S型遙測垂線儀和EMD—T型引張線遙測儀，是用磁場差動法測量位移的二維傳感器，它獨到的電路和結構設計，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，有極好的長期穩定性和可靠性[2]。
激光技術和GPS的使用，提高了探測的靈敏度，減少了作業的條件限制，克服了一定的外界干擾。激光用水準儀，減少了讀數和照準誤差，提高了精度。試驗表明，當視線長度為50m時，測站高差中誤差約為±0.02mm。而真主管道波帶板激光準直儀可進行三維測量，能在惡劣環境下進行作業，相對精度達10-7左右。已在太平哨、豐滿、葛洲壩等電站使用，并實現了自動化觀測。隨著GPS衛星定位技術的日趨成熟，隔河巖大壩率先在國內將GPS應用于大壩變形監測上（網絡結構如圖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監測系統一直安全可靠。抗干擾能力強，監測精度高，1小時觀測資料解算的點位水平精度優于1mm，垂直精度優于1.5mm：6小時GPS觀測資料解算的點位水平精度優于0.5mm，垂直精度優于1mm。數據處理分析及時，反應時間小于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，也成功地實現了洪水錯峰。為防洪減災起到重大作用。實踐證明，由于具有“全天侯、實時、自動化監測”等優點。GPS可用于大壩的動態實時位移監測。振動頻率測試和安全運營報答系統。為了繼續提高精度。擴大量程，不僅要求硬件的改進更新，還需要軟件解算功能進一步優化，對于專業技術人員來說，大有用武之地。
2.1 硬件技術
2.1.1國內大壩變形監測技術
近十年來年，隨著我國大型水壩的增多，對大壩安全監測系統不斷提出新任務、新課題和新要求。同時，電子計算機技術、激光技術、空間技術等新科技的發展與應用，也有力地促進了大壩觀測技術的發展。
測量自動化的初級實現，是近十幾年發展起來的傳感器。它根據自動控制原理，把被觀測的幾何量（長度、角度）轉換成電量，再與一些必要的測量電路、附件裝置相配合，組成自動測量裝置，從而推動了連續觀測方法的興起，傳感器也成了自動化觀測必不可缺的重要部件。從外部觀測的靜力水準、正倒錘、激光準直，到內部觀測的滲壓計、沉降計、測斜儀、土體應變計、上壓計，其自動化遙測都建立在傳感器的基礎上。由于用途不同，傳感器有機械式、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。目前運用最多的是電式和磁式傳感器。例如：廣西大化大壩監測系統應用的變形遙測儀器均為差動電容感應式，精度為±0.1～0.2mm，結構簡單，可在高濕度環境下長期可靠地工作[1]；新豐江大壩變形監測設備采用的是地震研究所研制的EMD—S型遙測垂線儀和EMD—T型引張線遙測儀，是用磁場差動法測量位移的二維傳感器，它獨到的電路和結構設計，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，有極好的長期穩定性和可靠性[2]。
激光技術和GPS的使用，提高了探測的靈敏度，減少了作業的條件限制，克服了一定的外界干擾。激光用水準儀，減少了讀數和照準誤差，提高了精度。試驗表明，當視線長度為50m時，測站高差中誤差約為±0.02mm。而真主管道波帶板激光準直儀可進行三維測量，能在惡劣環境下進行作業，相對精度達10-7左右。已在太平哨、豐滿、葛洲壩等電站使用，并實現了自動化觀測。隨著GPS衛星定位技術的日趨成熟，隔河巖大壩率先在國內將GPS應用于大壩變形監測上（網絡結構如圖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監測系統一直安全可靠。抗干擾能力強，監測精度高，1小時觀測資料解算的點位水平精度優于1mm，垂直精度優于1.5mm：6小時GPS觀測資料解算的點位水平精度優于0.5mm，垂直精度優于1mm。數據處理分析及時，反應時間小于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，也成功地實現了洪水錯峰。為防洪減災起到重大作用。實踐證明，由于具有“全天侯、實時、自動化監測”等優點。GPS可用于大壩的動態實時位移監測。振動頻率測試和安全運營報答系統。為了繼續提高精度。擴大量程，不僅要求硬件的改進更新，還需要軟件解算功能進一步優化，對于專業技術人員來說，大有用武之地。
其他大壩變形監測儀器在測程精度、性能及自動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。
2.1.2國外大壩變形監測新技術
這里評介凡項值得在我國推廣的國外監測新技術[5]：
CT技術（Computerized Tomography意譯為“計算機層析成像”）這是在不破壞物體結構的前提下，根據在物體周邊所獲取的某種物理量（如波速、Ｘ線光強）的一維投影數據，運用一定的數學方法，通過計算機處理，重建物體特定層面上的二維圖像以及依據一系列上述二維圖像而構成三維圖像的一門技術（其組成結構見圖2）。該技術系美國科學家Hounsfield于1971年所研制，率先用于醫學領域。近十多年，該技術已發展應用到工業、地球物理、大壩監測等諸多領域。意大利、日本將其應用于大壩性態診斷，有效地進行了大壩安全檢查及工程處理效果驗證。由于大壩CT技術能夠定量地反映出大壩內部材料性質的分布情況和缺陷部位，得出三維結構圖，所以應用其以掌握壩址地質構造，推測斷層破碎帶分布，隧道開挖前后巖層松弛的范圍和程度等。筆者認為：CT技術在壩體的選址、施工和運營期間可以發揮重大作用，既減少了儀器設備的復雜性，又提高了大壩的安全度，同時對于大壩的內部性態檢測、缺陷搜索和老化評判都將成為重要依據。對于大壩數量居世界第一的中國，發展大壩CT技術會有更廣闊的大地。
這里評介凡項值得在我國推廣的國外監測新技術[5]：
CT技術（Computerized Tomography意譯為“計算機層析成像”）這是在不破壞物體結構的前提下，根據在物體周邊所獲取的某種物理量（如波速、Ｘ線光強）的一維投影數據，運用一定的數學方法，通過計算機處理，重建物體特定層面上的二維圖像以及依據一系列上述二維圖像而構成三維圖像的一門技術（其組成結構見圖2）。該技術系美國科學家Hounsfield于1971年所研制，率先用于醫學領域。近十多年，該技術已發展應用到工業、地球物理、大壩監測等諸多領域。意大利、日本將其應用于大壩性態診斷，有效地進行了大壩安全檢查及工程處理效果驗證。由于大壩CT技術能夠定量地反映出大壩內部材料性質的分布情況和缺陷部位，得出三維結構圖，所以應用其以掌握壩址地質構造，推測斷層破碎帶分布，隧道開挖前后巖層松弛的范圍和程度等。筆者認為：CT技術在壩體的選址、施工和運營期間可以發揮重大作用，既減少了儀器設備的復雜性，又提高了大壩的安全度，同時對于大壩的內部性態檢測、缺陷搜索和老化評判都將成為重要依據。對于大壩數量居世界第一的中國，發展大壩CT技術會有更廣闊的大地。
滲流熱監測技術 根據低溫和大量滲漏存在著聯系，溫度測值和抽水試驗所得到的滲透系數問有很好的負線性相關系數，可以認為溫度分布圖像可幫助發現滲漏較嚴重部位，即有效實現滲流異常報答。滲流熱監測于1965年由Jeseph.H·Birman發明。報告指出：溫度測頭可放置在結構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，精度達±0．1℃。這項技術在美國、前蘇聯、瑞典等國己成功應用。由于溫度監測費用不大，且目前壩體監測中大多安置了測溫計，可以數據共享。根據能量守恒方程、質量守恒方程、滲流運動方程及初始條件；邊界條件，推導出有關計算公式，設計數據計算方法及程序后，就可以把溫度測得的數據代人，得出定量描述壩及地基中的熱流和滲流場。模擬計算表明，當心墻滲透系數小于（2～6）×10-7m/s時，壩溫變化幾乎是常數。當超過上值時；可通過分析溫度變化較準確地估計其滲透性。要在我國大壩監測中推廣該法，關鍵在于根據具體壩況設計出合理的計算公式和數據處理程序軟件。
光纖傳感技術 光導纖維是以不同折射率的石英玻璃包層及石英玻璃細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，抗電磁干擾等優點。以激光作載波，光導纖維作傳輸路徑來感應、傳輸各種信息。凡是電子儀器能測量的物理量（如位移、壓力、流量、液面、溫度等）它幾乎都能測量，其靈敏度，對位移達10-3cm，對溫度達0.01℃。在美國、德國、加拿大、奧地利。日本等國已應用于裂縫、應力、應變、振動等觀測。
該技術具有以下幾個優點：①將傳感和數據通道集為一體、便于組成遙測系統，實現在線分布式檢測；②測量對象廣泛，適于各種物理量的觀測；③體積小、重量輕、非電連接、無機械活動件，不影響埋設點物性；④靈敏度高，可遠距測量；⑤耐水性、電絕緣好、耐腐蝕，抗電磁干擾；③頻帶寬，有利于超高速測量。所以，適用于壩體的裂縫、應力變、水平。垂直位移等測量，可用于監測關鍵部位的壩體形變。尤其可以替代高雷區、強磁場區或潮濕地帶的電子儀器。
2.2 計算機軟件技術
為了實現大壩變形監測系統的一體化。自動化，數據采集后，運用了多種數值計算方法進行數據處理和在線分析。近幾年來，為了進一步切合實際而提出對合理模型進行變形監測分析的學術交流日益活躍：有的將分形分布隨機過程應用于三維數據內插，對復雜的不規則地形、地貌進行定量描述：有的用曲線擬合法對變形沉陷監測進行數據分析，檢驗其可靠性；有的以多級灰關聯評估大壩實測性態：有的將力學模型引人大壩安全監測系統，用三維粘彈塑性理論擬定二級監控指標；有的針對大壩結構和地質條件復雜，荷載種類多，將專家系統與神經網絡相結合，成功地應用于混凝上面板支墩壩的疑點物理成因分析，等等。
特別要提及的是：美籍華人科學家石耿華的非連續形變分析法（DDA法，英譯為Discontinuous Deformation Analysis）。傳統的有限無法是假設介質為連續的，這與危險建筑物實際狀況有較大出入。基于其安全性研究難以實現，于是石氏提出了DDA法。該法可以計算模型中具有多條斷裂的情況，以重積分解決復雜模型受力后的形變計算。但因該法計算過于繁復，模型中斷裂的設置又不能一次成功，計算方案需要不斷修改，故難以在實際應用中推廣。幾年后，我國留日博士后陳光齊配制的TDDA（Tool Of DDA），以數值計算方法，利用逐次迭代，不斷調整模型，使其計算結果與觀測數據達到基本相符時迭代計算終止的方法，解決了這個難題（6）。這一方法和計算機的配合，就能利用觀測數據的控制，以不斷調整模型中斷裂設置和受力狀態，使所探測的模型受力狀況得以展示，將它用于大壩監測上，是對壩況安全性研究的一大進步。將數據分析編制為計算機軟件，建立數據庫與多媒體系統，其總體結構見圖3。進一步加強大壩安全評估專家系統的開發、研究，這也正是為實現監測系統的一體兒，自動化所急待解決的課題。
3 多學科的融合
欲實現大壩變形監測的一體化、自動化、數字化和智能化，須有多學科的融合和滲透。變形監惻的硬件技術的發展與精密儀器學、電子傳感技術、通訊技術相聯系，實現了數據采集的自動化和實時連續性，并向科傻型發展。而軟件的變形分析，從獲取幾何信息發展到運用物理（力學）信息進行解釋，并結合了其它交叉學科（見圖4），全面考慮外界相關因素，擴充大壩安全評估專家系統的知識庫和方法庫，進行壩況研究和安全預測。
光纖傳感技術 光導纖維是以不同折射率的石英玻璃包層及石英玻璃細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，抗電磁干擾等優點。以激光作載波，光導纖維作傳輸路徑來感應、傳輸各種信息。凡是電子儀器能測量的物理量（如位移、壓力、流量、液面、溫度等）它幾乎都能測量，其靈敏度，對位移達10-3cm，對溫度達0.01℃。在美國、德國、加拿大、奧地利。日本等國已應用于裂縫、應力、應變、振動等觀測。
該技術具有以下幾個優點：①將傳感和數據通道集為一體、便于組成遙測系統，實現在線分布式檢測；②測量對象廣泛，適于各種物理量的觀測；③體積小、重量輕、非電連接、無機械活動件，不影響埋設點物性；④靈敏度高，可遠距測量；⑤耐水性、電絕緣好、耐腐蝕，抗電磁干擾；③頻帶寬，有利于超高速測量。所以，適用于壩體的裂縫、應力變、水平。垂直位移等測量，可用于監測關鍵部位的壩體形變。尤其可以替代高雷區、強磁場區或潮濕地帶的電子儀器。
2.2 計算機軟件技術
為了實現大壩變形監測系統的一體化。自動化，數據采集后，運用了多種數值計算方法進行數據處理和在線分析。近幾年來，為了進一步切合實際而提出對合理模型進行變形監測分析的學術交流日益活躍：有的將分形分布隨機過程應用于三維數據內插，對復雜的不規則地形、地貌進行定量描述：有的用曲線擬合法對變形沉陷監測進行數據分析，檢驗其可靠性；有的以多級灰關聯評估大壩實測性態：有的將力學模型引人大壩安全監測系統，用三維粘彈塑性理論擬定二級監控指標；有的針對大壩結構和地質條件復雜，荷載種類多，將專家系統與神經網絡相結合，成功地應用于混凝上面板支墩壩的疑點物理成因分析，等等。
特別要提及的是：美籍華人科學家石耿華的非連續形變分析法（DDA法，英譯為Discontinuous Deformation Analysis）。傳統的有限無法是假設介質為連續的，這與危險建筑物實際狀況有較大出入。基于其安全性研究難以實現，于是石氏提出了DDA法。該法可以計算模型中具有多條斷裂的情況，以重積分解決復雜模型受力后的形變計算。但因該法計算過于繁復，模型中斷裂的設置又不能一次成功，計算方案需要不斷修改，故難以在實際應用中推廣。幾年后，我國留日博士后陳光齊配制的TDDA（Tool Of DDA），以數值計算方法，利用逐次迭代，不斷調整模型，使其計算結果與觀測數據達到基本相符時迭代計算終止的方法，解決了這個難題（6）。這一方法和計算機的配合，就能利用觀測數據的控制，以不斷調整模型中斷裂設置和受力狀態，使所探測的模型受力狀況得以展示，將它用于大壩監測上，是對壩況安全性研究的一大進步。將數據分析編制為計算機軟件，建立數據庫與多媒體系統，其總體結構見圖3。進一步加強大壩安全評估專家系統的開發、研究，這也正是為實現監測系統的一體兒，自動化所急待解決的課題。
3 多學科的融合
欲實現大壩變形監測的一體化、自動化、數字化和智能化，須有多學科的融合和滲透。變形監惻的硬件技術的發展與精密儀器學、電子傳感技術、通訊技術相聯系，實現了數據采集的自動化和實時連續性，并向科傻型發展。而軟件的變形分析，從獲取幾何信息發展到運用物理（力學）信息進行解釋，并結合了其它交叉學科（見圖4），全面考慮外界相關因素，擴充大壩安全評估專家系統的知識庫和方法庫，進行壩況研究和安全預測。
4 結語
目前，大壩監測在國內外己快速發展，這里指出幾點應值得注意：
1）由于多學科綜合分析以提高安全度，可能造成儀器增多、數據量增大、使數據分析加大工作量，延時預測結果，可能導致不良后果。所以及時處理數據是關鍵，并且選擇有效的測試儀器。新舊更換，控制數據量。
2）自動化設備的有效利用，一方面對自動化觀測數據定期通過人工比測檢核，以防設備失常；另方面對埋設壩體中或安置于廊道內的設備定期維護、檢修，確保儀器的可靠。
3）一體化的安全評判，需要繼續在監控模型，報警指標，評估規程等技術問題上進行攻關，同時，編制為應用軟件，盡早投入使用，創造價值。
筆者認為，大壩變形監測的發展趨勢，是內外業一體化。自動化、數字化、智能化，將多媒體系統和模擬仿真技術應用于監測系統，在壩體破壞剛開始或將要開始時實現大壩的安全預警功能。也就是說，在收集了前期的壩體觀測數據后，從物理力學角度運用多學科相關知識分析，輸入模擬仿真系統進行壩體受力后下一時期的三維變形結果預測；再不斷地用后期收集的實測數據進行回代。對比其可靠性，并加以修正。這樣，仿真技術成果趨于實際，并先于實際得出安全評判，以確保壩體安全運營，若發生故障可以及早補救。
參考文獻：
[1] 劉觀標、王志遠、羅昌.大化大壩監測系統更新改造及自動化系統設計.大壩觀測與土工測試.1998（12）
[2] 陳德福、杜向明、楊文元等新豐江大壩的變形監測及其更新改造設想.地殼形變與地震.1998（9）增刊
[3] 柳太康、徐紹銓.GPS技術在隔河巖水庫大壩外觀變形監測中的應用.地殼形變與地震.1998（9）
[4] 蘭迎春、陳晉黃龍帶大壩變形監測自動化系統地殼形變與地震.1996（4）增刊
[5] 李珍照.國外大壩監測幾項新技術.大壩觀測與土工測試.1997（2）
[6] 吳翼麟.精密工程測量領域的拓展地殼形變與地震.1998（9）增刊
[7] 趙斌、吳中如、顧沖時等.神經網絡在大壩安全評判專家系統中的應用.大壩觀測與土工測試.1998（4）
目前，大壩監測在國內外己快速發展，這里指出幾點應值得注意：
1）由于多學科綜合分析以提高安全度，可能造成儀器增多、數據量增大、使數據分析加大工作量，延時預測結果，可能導致不良后果。所以及時處理數據是關鍵，并且選擇有效的測試儀器。新舊更換，控制數據量。
2）自動化設備的有效利用，一方面對自動化觀測數據定期通過人工比測檢核，以防設備失常；另方面對埋設壩體中或安置于廊道內的設備定期維護、檢修，確保儀器的可靠。
3）一體化的安全評判，需要繼續在監控模型，報警指標，評估規程等技術問題上進行攻關，同時，編制為應用軟件，盡早投入使用，創造價值。
筆者認為，大壩變形監測的發展趨勢，是內外業一體化。自動化、數字化、智能化，將多媒體系統和模擬仿真技術應用于監測系統，在壩體破壞剛開始或將要開始時實現大壩的安全預警功能。也就是說，在收集了前期的壩體觀測數據后，從物理力學角度運用多學科相關知識分析，輸入模擬仿真系統進行壩體受力后下一時期的三維變形結果預測；再不斷地用后期收集的實測數據進行回代。對比其可靠性，并加以修正。這樣，仿真技術成果趨于實際，并先于實際得出安全評判，以確保壩體安全運營，若發生故障可以及早補救。
參考文獻：
[1] 劉觀標、王志遠、羅昌.大化大壩監測系統更新改造及自動化系統設計.大壩觀測與土工測試.1998（12）
[2] 陳德福、杜向明、楊文元等新豐江大壩的變形監測及其更新改造設想.地殼形變與地震.1998（9）增刊
[3] 柳太康、徐紹銓.GPS技術在隔河巖水庫大壩外觀變形監測中的應用.地殼形變與地震.1998（9）
[4] 蘭迎春、陳晉黃龍帶大壩變形監測自動化系統地殼形變與地震.1996（4）增刊
[5] 李珍照.國外大壩監測幾項新技術.大壩觀測與土工測試.1997（2）
[6] 吳翼麟.精密工程測量領域的拓展地殼形變與地震.1998（9）增刊
[7] 趙斌、吳中如、顧沖時等.神經網絡在大壩安全評判專家系統中的應用.大壩觀測與土工測試.1998（4）
