淺談大壩變形監(jiān)測(cè)技術(shù)與預(yù)測(cè)方法

李 超

（渭南職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 渭南714000）

0 引言

我國(guó)從1954年至2001年共發(fā)生水庫潰壩3400多座，這些事故不僅對(duì)國(guó)家經(jīng)濟(jì)造成了巨大的損失，而且更嚴(yán)重的是威脅到了人們的生命和財(cái)產(chǎn)安全。面對(duì)潰壩事件帶來的巨大損失，人們深刻的認(rèn)識(shí)到大壩的安全監(jiān)測(cè)的重要性。采用監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)大壩壩體進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)，測(cè)出大壩上各點(diǎn)的位置變化，才能分析大壩安全運(yùn)行狀態(tài)，并建立大壩的變形預(yù)測(cè)模型，實(shí)現(xiàn)大壩變形的定量預(yù)測(cè)。只有這樣，才能及時(shí)發(fā)現(xiàn)大壩的異常變化，對(duì)其安全性能做出準(zhǔn)確的判斷，然后采取必要措施，防止事故的發(fā)生。

1 大壩變形監(jiān)測(cè)技術(shù)

大壩變形監(jiān)測(cè)技術(shù)可以分為內(nèi)部監(jiān)測(cè)和外部監(jiān)測(cè)技術(shù)兩大類。內(nèi)部監(jiān)測(cè)技術(shù)主要是通過埋設(shè)在壩體內(nèi)部特定部位的儀器，如壓力盒、滲壓計(jì)等，對(duì)大壩的應(yīng)力應(yīng)變、滲流滲壓等進(jìn)行持續(xù)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)的技術(shù)。而外部監(jiān)測(cè)技術(shù)主要是通過各種變形監(jiān)測(cè)儀器，對(duì)大壩體主要部位布設(shè)的變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)在某一時(shí)刻的空間位移或者某一特定方向的位移進(jìn)行測(cè)定的技術(shù)，目前主要有四種。

1.1 常規(guī)大地測(cè)量技術(shù)

在20世紀(jì)80年代以前，變形監(jiān)測(cè)主要是采用常規(guī)大地測(cè)量技術(shù)。常規(guī)大地測(cè)量主要是應(yīng)用水準(zhǔn)儀、全站儀等常規(guī)測(cè)量?jī)x器，通過對(duì)觀測(cè)點(diǎn)的高程、坐標(biāo)等來測(cè)定變形的技術(shù)。其優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)在：可以測(cè)量出變形體變形的整體狀態(tài)；靈活性大，對(duì)各種不同形式的變形體都可以進(jìn)行；監(jiān)測(cè)結(jié)果和觀測(cè)精度可以通過聯(lián)立的整體監(jiān)測(cè)網(wǎng)進(jìn)行評(píng)定，可以提供絕對(duì)變形信息等。其缺點(diǎn)主要表現(xiàn)在：觀測(cè)時(shí)間長(zhǎng)，野外做業(yè)工作量大；監(jiān)測(cè)點(diǎn)點(diǎn)位的分布受地理?xiàng)l件的影響比較大；不易實(shí)現(xiàn)連續(xù)監(jiān)測(cè)和自動(dòng)實(shí)時(shí)的全天監(jiān)測(cè)等。

1.2 GPS監(jiān)測(cè)技術(shù)

全球定位系統(tǒng)(GPS)在測(cè)量方面的應(yīng)用是對(duì)測(cè)量技術(shù)的一個(gè)巨大變革，它可以在測(cè)站點(diǎn)不通視的情況下，對(duì)觀測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)同時(shí)進(jìn)行測(cè)定，并且觀測(cè)精度高。與傳統(tǒng)的變形監(jiān)測(cè)技術(shù)比較，GPS監(jiān)測(cè)技術(shù)不僅具有操作簡(jiǎn)便、全天候、高精度、速度快等優(yōu)勢(shì)，而且GPS監(jiān)測(cè)技術(shù)將計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)據(jù)通信技術(shù)等結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集、自動(dòng)傳輸、分類管理，最終達(dá)到變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控目的。1998年，我國(guó)的隔河巖大壩外部變形首次采用GPS自動(dòng)化系統(tǒng)，對(duì)壩體表面的各觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)，測(cè)量精度可達(dá)到亞毫米級(jí)，其監(jiān)測(cè)效果相當(dāng)理想。

1.3 地面攝影測(cè)量技術(shù)

地面攝影測(cè)量技術(shù)是通過對(duì)測(cè)量物體攝影，再進(jìn)行圖像處理和攝影測(cè)量處理，從而獲取被攝影地面物體的形狀、大小、實(shí)時(shí)狀態(tài)等信息的一門技術(shù)。相比于其它變形監(jiān)測(cè)技術(shù)，地面攝影測(cè)量技術(shù)測(cè)量時(shí)不需要直接接觸被測(cè)物體,可以同時(shí)測(cè)定變形體上所有點(diǎn)的變形,可以提供變形體完全和瞬時(shí)的三維空間信息等。但由于地面攝影測(cè)量的距離不能太遠(yuǎn)，攝影測(cè)量所需的儀器設(shè)備比較昂貴，大部分測(cè)量單位沒有相關(guān)儀器，所以地面攝影測(cè)量技術(shù)在變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用還不是很普及。

1.4 三維激光掃描技術(shù)

三維激光掃描技術(shù)主要通過激光測(cè)距原理，瞬間測(cè)得空間目標(biāo)的三維坐標(biāo)值。目前，該技術(shù)已被人們作為快速獲取空間點(diǎn)云數(shù)據(jù)的一種有效手段，在數(shù)據(jù)采集過程中表現(xiàn)出了速度快、信息豐富、自動(dòng)化程度高、無需接觸目標(biāo)物等特點(diǎn)，所以三維激光掃描技術(shù)已逐漸應(yīng)用于各種變形監(jiān)測(cè)中。雖然三維激光掃描技術(shù)雖然已經(jīng)被應(yīng)用于隧道的檢測(cè)及監(jiān)測(cè)、大壩的變形監(jiān)測(cè)、文物古跡測(cè)量等，但由于地面激光三維掃描儀器的價(jià)格非常昂貴，大部分測(cè)量單位還沒有，所以在很大程度上制約了該技術(shù)的廣泛應(yīng)用。

2 變形預(yù)測(cè)方法

利用上面所述的監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可以了解大壩真正的變形狀態(tài)?？紤]到大壩的安全意義，變形監(jiān)測(cè)只能是基礎(chǔ)，分析是手段，預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)才是目的。目前，大壩變形預(yù)測(cè)的主要方法有以下幾種。

2.1 回歸分析法

回歸分析是確定兩種或兩種以上變數(shù)間相互依賴的定量關(guān)系的一種統(tǒng)計(jì)分析方法，即根據(jù)自變量來擬合出它與因變量間的函數(shù)最佳表達(dá)式。在大壩回歸分析模型中，一般情況下取變形量為因變量，環(huán)境量（如水壓等）為自變量，然后依據(jù)數(shù)理統(tǒng)計(jì)理論形成多元線性回歸模型，并用回歸法得到環(huán)境量與效應(yīng)量之間的函數(shù)模型，通過該方法可以做大壩變形的物理解釋和變形預(yù)測(cè)。

2.2 時(shí)間序列分析法

時(shí)間序列分析利用觀測(cè)值的相關(guān)性來建立相關(guān)模型，利用過去的觀測(cè)數(shù)據(jù)資料對(duì)將來的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)。在大壩變形監(jiān)測(cè)中，各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)上的各種作用量，例如用引張線儀等所獲取的觀測(cè)數(shù)據(jù)，組成一組離散的隨機(jī)時(shí)間序列數(shù)據(jù)，如果考慮到觀測(cè)粗差的影響，一般情況下可以建立比較平穩(wěn)的時(shí)間序列分析模型。

2.3 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種應(yīng)用類似于大腦神經(jīng)突觸聯(lián)接的結(jié)構(gòu)進(jìn)行信息處理的數(shù)學(xué)模型。在對(duì)大壩進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)分析時(shí)，大壩的變形與變形的影響因子之間是種非線性、非確定性的復(fù)雜關(guān)系，通過計(jì)算機(jī)去解決大數(shù)據(jù)量情況下的訓(xùn)練、學(xué)習(xí)、控制和預(yù)報(bào)等問題，是大壩變形監(jiān)測(cè)分析發(fā)展起來的一種非常有效的方法。

2.4 小波分析法

小波變換是時(shí)間（空間）頻率的局部化分析，它通過伸縮平移運(yùn)算對(duì)信號(hào)逐步進(jìn)行多尺度細(xì)化，最終達(dá)到高頻處時(shí)間細(xì)分，低頻處頻率細(xì)分，能自動(dòng)適應(yīng)時(shí)頻信號(hào)分析的要求，從而可聚焦到信號(hào)的任意細(xì)節(jié)。通過利用離散小波變換對(duì)變形觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分解和重構(gòu)，可有效地分離誤差，從而更好地反映局部變形特征和整體變形趨勢(shì)。

2.5 有限元法

有限元法基本思想是由解給定的泊松方程化為求解泛函數(shù)的極值問題。它采用確定的函數(shù)模型直接求解變形，它不需要做任何變形監(jiān)測(cè)。對(duì)大壩進(jìn)行分析時(shí)，可將大壩按一定規(guī)則劃分為很多計(jì)算單元，然后根據(jù)材料的物理力學(xué)參數(shù)，如彈性模量、容重等，建立壩體荷載與變形之間的函數(shù)關(guān)系，在邊界條件下，利用解算有限元微分方程，可以求得有限元結(jié)點(diǎn)上的變形。

3 預(yù)測(cè)方法分析

對(duì)大壩變形進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)時(shí)，其結(jié)果的好壞與所選擇的方法關(guān)系密切，不同的方法有自己的特點(diǎn)。運(yùn)用回歸分析法時(shí)，只要采用的模型和數(shù)據(jù)相同，通過標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)計(jì)方法可以計(jì)算出唯一的結(jié)果，并且回歸分析要求的條件少，簡(jiǎn)單和方便。而時(shí)間序列分析法主要是將歷史數(shù)據(jù)揭示的規(guī)律延伸到未來，從而對(duì)此現(xiàn)象的未來作出預(yù)測(cè)，數(shù)據(jù)易于收集，計(jì)算簡(jiǎn)便，容易執(zhí)行。而人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有大規(guī)模并行處理和信息分布式存儲(chǔ)能力，有比較強(qiáng)的非線性動(dòng)態(tài)處理能力。小波分析能夠有效的分離出變形觀測(cè)數(shù)據(jù)的誤差，更好地反映變形體的整體變形趨勢(shì)。運(yùn)用有限元法對(duì)大壩變形進(jìn)行分析時(shí)，其將連續(xù)的求解域離散為一組單元的組合體，用在每個(gè)單元內(nèi)假設(shè)的近似函數(shù)來分片的表示求解域上待求的未知場(chǎng)函數(shù)，使得研究的問題更加容易表達(dá)。

［1］袁天奇,陳冰．大壩外部變形監(jiān)測(cè)技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展局勢(shì)[J]．水力發(fā)電,2003,29(6)：52-55．

［2］吳章森．變形監(jiān)測(cè)技術(shù)及發(fā)展局勢(shì)研究[J]．科技資訊,2008(35)：1．

［3］文鴻雁．基于小波理論的變形分析模型研究[J]．測(cè)繪學(xué)報(bào),2005(2)：186-187．