水利工程大壩的安全監(jiān)測(cè)技術(shù)與發(fā)展

□李佳宇（廣東省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院）

0 引言

改革開(kāi)放以來(lái)，我國(guó)水利事業(yè)發(fā)展迅速，建設(shè)了諸多的水利工程，并且工程規(guī)模也在不斷地?cái)U(kuò)大，為社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展做出了較大的貢獻(xiàn)。但是水利工程規(guī)模的擴(kuò)大，增加了大壩安全運(yùn)行的復(fù)雜程度，對(duì)大壩管理提出了更高的要求。因此，為了促使水利水電工程能夠安全穩(wěn)定的運(yùn)行，就需要重視大壩的安全監(jiān)測(cè)技術(shù)。

1 大壩安全監(jiān)測(cè)的重要意義

大壩建造受到水文、地質(zhì)等眾多方面的影響，在運(yùn)行過(guò)程中承受到巨大的環(huán)境荷載和地震荷載，包括水壓力、溫度等。同時(shí)，還會(huì)受到其他因素的影響，如材料性能、人為影響等，在長(zhǎng)期的使用過(guò)程中，很容易有滲漏、裂縫、變形等問(wèn)題出現(xiàn)，如果無(wú)法及時(shí)的診斷和解決這些隱患，那么大壩的安全運(yùn)行就會(huì)受到嚴(yán)重影響，甚至還會(huì)帶來(lái)較大的災(zāi)難性事故。

2 大壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)現(xiàn)狀

在近幾十年內(nèi)，逐漸新興了一門邊緣學(xué)科，就是大壩安全監(jiān)測(cè)。在20世紀(jì)70年代初，大壩安全監(jiān)測(cè)也被稱之為大壩原型觀測(cè)，指的是將觀測(cè)儀器設(shè)置于大壩原型中，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，獲得一些特征量，來(lái)反映大壩結(jié)構(gòu)性態(tài)變化。20世紀(jì)末，開(kāi)始進(jìn)行大壩安全監(jiān)測(cè)。這些監(jiān)測(cè)主要是對(duì)大壩的實(shí)際變形、溫度、滲漏以及應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)進(jìn)行研究，以便對(duì)壩工理論進(jìn)行改進(jìn)，提升大壩安全管理水平。我國(guó)經(jīng)過(guò)不斷地努力，如今在較大程度上提升了主要安全設(shè)備的研制和工藝水平，在大壩安全監(jiān)測(cè)中，也開(kāi)始廣泛應(yīng)用一系列高精尖技術(shù)和儀器設(shè)備，如全球定位系統(tǒng)、電荷耦合元件等都是比較典型的，這樣就對(duì)大壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展起到了較大的推動(dòng)作用。

在20世紀(jì)90年代后期，國(guó)外公司將一些進(jìn)口儀器引進(jìn)國(guó)內(nèi)，并最終實(shí)現(xiàn)了管理自動(dòng)化。此后，開(kāi)始逐步完善大壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化設(shè)備，并且推動(dòng)了水利水電工程安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展。如今，在新建大型水利工程的設(shè)計(jì)過(guò)程中，就開(kāi)始應(yīng)用自動(dòng)化的方式，并且將自動(dòng)化監(jiān)測(cè)實(shí)施于施工階段。

3 水利工程安全監(jiān)測(cè)項(xiàng)目

3.1 安全監(jiān)測(cè)

通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)大壩的安全狀況，主要是對(duì)大壩運(yùn)行過(guò)程中的安全狀況進(jìn)行了解，收集大壩安全監(jiān)測(cè)資料，以便科學(xué)的評(píng)估大壩工作性態(tài)，進(jìn)而將一系列針對(duì)性的措施給應(yīng)用過(guò)來(lái)，促使大壩的安全得到保證。只要及時(shí)的監(jiān)測(cè)，獲得可靠的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)行科學(xué)的分析，就可以避免出現(xiàn)重大災(zāi)害事故。在施工過(guò)程中，可以獲得不斷地反饋，以便對(duì)設(shè)計(jì)的合理性進(jìn)行驗(yàn)證，并且對(duì)水工設(shè)計(jì)進(jìn)行有效修正?？傊?，借助于大壩安全監(jiān)測(cè)，可以對(duì)大壩安全性態(tài)進(jìn)行了解，以便將實(shí)施科學(xué)管理措施。

3.2 儀器檢測(cè)和日常巡視檢查

為了了解大壩的安全程度，通常將日常的例行巡視檢查和儀器監(jiān)測(cè)結(jié)合起來(lái)。如今越來(lái)越多管理單位充分重視日常人工例行巡視檢查，并且將其普遍實(shí)施下去，將其作用充分發(fā)揮了出來(lái)。儀器監(jiān)測(cè)指的是借助于相關(guān)的規(guī)范和要求，依據(jù)工程實(shí)際情況，將各類安全監(jiān)測(cè)儀器和設(shè)備布置于水工建筑物上，以便采集大壩安全運(yùn)行的各類性態(tài)信息。通過(guò)處理和整編分析這些信息，結(jié)合人工例行檢查的結(jié)果，就可以科學(xué)客觀地評(píng)價(jià)大壩的運(yùn)行和安全狀況，以便更好進(jìn)行調(diào)度指揮。具體來(lái)講，有很多的項(xiàng)目都需要進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)，如變形、滲流、壓力、應(yīng)力應(yīng)變等。其中，最為重要的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目就是變形和滲流監(jiān)測(cè)，這些監(jiān)測(cè)比較直觀，可以將各種荷載作用下大壩的安全形態(tài)給充分反映出來(lái)。

4 水利工程安全設(shè)備監(jiān)測(cè)革新

4.1 水利工程安全監(jiān)測(cè)設(shè)備現(xiàn)狀分析

隨著時(shí)代的進(jìn)步和發(fā)展，開(kāi)始興建了一大批新型水工建筑物，人們?cè)趯?duì)水工建筑物的性態(tài)進(jìn)行觀測(cè)時(shí)，開(kāi)始安裝埋設(shè)了將一些專門的儀器設(shè)備。美國(guó)專家將差動(dòng)電阻式儀器發(fā)明了過(guò)來(lái)，在工程中成功運(yùn)用，人們可以更好了解混凝土的應(yīng)變、徐變以及自身提及變形等情況，這樣就構(gòu)建了一套完善的方法，借助于應(yīng)變計(jì)觀測(cè)值來(lái)對(duì)混凝土應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算。實(shí)踐研究表明，差動(dòng)電阻式儀器有著較好的穩(wěn)定性，可以有效監(jiān)測(cè)大體積混凝土建筑物的變形、應(yīng)力等情況，同時(shí)，還可以對(duì)測(cè)點(diǎn)的溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。因此，在長(zhǎng)期發(fā)展過(guò)程中，一直改進(jìn)本類儀器設(shè)備，如今依然得到了較為廣泛地應(yīng)用。在水工建筑物中也開(kāi)始大量應(yīng)用振弦式儀器，這類儀器有著較為簡(jiǎn)單地結(jié)構(gòu)，測(cè)量起來(lái)比較的穩(wěn)定，對(duì)于自動(dòng)化和長(zhǎng)距離測(cè)量，非常的有利。

如今研制出來(lái)了很多的儀器來(lái)監(jiān)測(cè)大壩變形，包括遙測(cè)垂線坐標(biāo)儀和遙測(cè)引張線儀等，前者有電磁感應(yīng)式、電容感應(yīng)式以及步進(jìn)馬達(dá)跟蹤式等，后者有電容感應(yīng)式、CCD 等多種類型。借助于遙測(cè)靜力水準(zhǔn)儀可以有效觀測(cè)壩體沉降，包括電容感應(yīng)式、CCD 等，借助于多點(diǎn)位移計(jì)，可以監(jiān)測(cè)基巖不同深度變形情況，如壩體、基礎(chǔ)廊道、廠房等。我國(guó)有較多的水利工程，隨著施工技術(shù)的不斷完善和改進(jìn)，促使安全監(jiān)測(cè)的需求得到滿足，國(guó)內(nèi)自行研制成功了各種監(jiān)測(cè)儀器，比如借助于差動(dòng)電阻式、電位器式測(cè)縫計(jì)可以對(duì)面板周邊施工縫進(jìn)行監(jiān)測(cè)；利用引張線配合倒垂線和水管式沉降儀配合雙金屬標(biāo)可以對(duì)大壩水平及垂直變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并且可以有效實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化采集。不管是從技術(shù)性能、品種還是數(shù)量等多個(gè)角度上分析，大部分監(jiān)測(cè)儀器都可以促使工程需求得到滿足。

4.2 水利工程安全監(jiān)測(cè)設(shè)備的發(fā)展方向

如今，傳統(tǒng)的安全監(jiān)測(cè)技術(shù)逐漸的完善，但是還需要大力開(kāi)發(fā)新型監(jiān)測(cè)技術(shù)，部分新技術(shù)還處于理論研究階段。比如，在各種類型的新型監(jiān)測(cè)儀器開(kāi)發(fā)及完善的同時(shí)，由于監(jiān)測(cè)儀器需要通過(guò)電纜的傳輸，在復(fù)雜的條件下儀器、電纜容易受到電氣一次、電氣二次的電磁場(chǎng)、輻射場(chǎng)等（比如廠房發(fā)電機(jī)組、高壓電纜、變壓器）的干擾，造成監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的失真，從而影響水工建筑物監(jiān)測(cè)分析成果的判斷。

要解決這一問(wèn)題需要從三方面入手：第一、提高儀器設(shè)備本身（包括一種監(jiān)測(cè)儀器、MCU 數(shù)據(jù)采集模塊等）在各種惡劣情況下的抗干擾能力。第二、針對(duì)不同的環(huán)境條件選用不同類型的儀器設(shè)備。第三、監(jiān)測(cè)儀器電纜保護(hù)管選用鋼管進(jìn)行保護(hù)，并與地網(wǎng)充分連接，最終確保監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的真實(shí)可靠。在位移監(jiān)測(cè)過(guò)程中，固然可以采用固定測(cè)斜儀進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，但造價(jià)成本較高，可以研制活動(dòng)式測(cè)斜儀，利用單點(diǎn)探頭進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)測(cè)。在一機(jī)多天線等方面，快速發(fā)展GPS 監(jiān)測(cè)技術(shù)，但是因?yàn)槠渚哂休^高的造價(jià)成本，存在著較大的局限性，需要進(jìn)一步的開(kāi)發(fā)，降低造價(jià)成本。在結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)以及力學(xué)特性測(cè)試的方面，大壩CT 技術(shù)取得了一些成績(jī)，但是其傳播和圖像重構(gòu)方面還需要進(jìn)一步努力，只能夠在小范圍內(nèi)應(yīng)用。在溫度、滲流以及裂縫監(jiān)測(cè)方面，光纖光柵技術(shù)取得了不錯(cuò)的成績(jī)，但是需要進(jìn)一步提升它的多元化和智能化程度。如今在變形監(jiān)測(cè)自動(dòng)化技術(shù)方面，只有較少的手段和方法，需要進(jìn)一步的深化研究。我國(guó)的大壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)逐漸的完善，很多已經(jīng)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，但是在未來(lái)發(fā)展過(guò)程中，還存在著諸多的不足，需要進(jìn)一步完善，構(gòu)建一個(gè)完整的儀器系列，能夠促使大壩及工程安全監(jiān)測(cè)需求得到滿足，將一系列具有較高精度和可靠性的智能化系統(tǒng)給應(yīng)用過(guò)來(lái)，形成一個(gè)完善的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)，在線監(jiān)測(cè)、離線分析以及安全評(píng)判、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等諸多功能都可以得到實(shí)現(xiàn)，能夠?qū)Υ髩伟踩O(jiān)測(cè)的有用信息充分挖掘，促使大壩更加安全穩(wěn)定的運(yùn)行。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上文的敘述分析可以得知，大壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)于水利工程的正常安全運(yùn)行有著較大的意義；經(jīng)過(guò)不斷地發(fā)展，我國(guó)水利工程大壩的安全監(jiān)測(cè)技術(shù)日趨成熟，很多達(dá)到了世界先進(jìn)水平，為水利事業(yè)的發(fā)展做出了較大的貢獻(xiàn)。但是在未來(lái)發(fā)展過(guò)程中，還存在著諸多的不足，很多技術(shù)都處于理論研究階段，相關(guān)工作人員需要進(jìn)一步努力，深化研究，更好地進(jìn)行水利工程大壩的安全監(jiān)測(cè)工作。

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