自動化技術(shù)在大壩變形監(jiān)測中的應(yīng)用研究

宋智全

(中國水利水電第八工程局有限公司,湖南 長沙 410004)

大壩具有灌溉水源、改善航運(yùn)條件、減少河口泥沙淤積,保護(hù)河口環(huán)境的作用,推動著各區(qū)域建設(shè)發(fā)展?，F(xiàn)如今,大壩類型逐漸增多,怎樣做好大壩變形監(jiān)測得到了重視。對此,應(yīng)用自動化技術(shù)能夠精準(zhǔn)的進(jìn)行大壩監(jiān)測、定位,確保檢測點(diǎn)準(zhǔn)確度,值得進(jìn)一步推廣應(yīng)用。

1 自動化技術(shù)在大壩監(jiān)測的作用影響

現(xiàn)如今,我國水利工程設(shè)施達(dá)到數(shù)十萬座,成為人們生活、經(jīng)濟(jì)建設(shè)、生態(tài)環(huán)境發(fā)展的重要組成部分有著重要作用。但受地質(zhì)條件、環(huán)境因素制約,大壩在應(yīng)用時經(jīng)常發(fā)生變形,嚴(yán)重影響了大壩的使用,尤其是下游地區(qū)群眾,威脅著人們的生命財產(chǎn)安全。通過對大壩變形原因分析發(fā)現(xiàn),地震、滑坡、泥石流、設(shè)計(jì)問題等都會引起大壩變形；同時在長期使用時不加以維修、防護(hù)也會加速大壩變形,受到水力侵蝕導(dǎo)致鋼筋暴露降低大壩穩(wěn)固性?，F(xiàn)階段,自動化檢測技術(shù)處于發(fā)展階段,安全監(jiān)測設(shè)備自動化程度有待提升,將其應(yīng)用在大壩變形監(jiān)測中有助于保證監(jiān)測結(jié)果的準(zhǔn)確性與有效性,便于制定適合的維護(hù)管理方案從而保證大壩安全。

2 自動化技術(shù)在大壩變形監(jiān)測中的應(yīng)用

2.1 全站儀變形監(jiān)測應(yīng)用

全站儀監(jiān)測是一種常見的檢測技術(shù),它利用傳統(tǒng)的變形監(jiān)測,周期性的測量角度、距離、高差等量,利用交會法、極坐標(biāo)方法等展開變形監(jiān)測。全站儀短邊三角高程監(jiān)測取締了水準(zhǔn)測量,測量結(jié)果準(zhǔn)確性更高。這種監(jiān)測技術(shù)具有經(jīng)濟(jì)投入少、操作簡便、方便信息分析的特點(diǎn),但投入的人力資源教導(dǎo)、監(jiān)測時間過長且容易受惡劣環(huán)境影響僅適合對部分點(diǎn)位的監(jiān)測。近幾年,繼自動全站儀后出現(xiàn)了智能化監(jiān)測技術(shù),測量參數(shù)可以精確到0.5s,測站局部坐標(biāo)系統(tǒng)測量可以精準(zhǔn)至毫米級。

第一,全站儀自動化設(shè)計(jì)。自動全站儀、控制中心、數(shù)據(jù)處理軟件、棱鏡組是全站儀自動化監(jiān)測重要組成部分。其中,棱鏡位置設(shè)計(jì)需凸顯結(jié)構(gòu)體變形的特征點(diǎn),同時保護(hù)棱鏡。通常全站儀選擇穩(wěn)固的工作基點(diǎn)中,便于對特征點(diǎn)的監(jiān)測。設(shè)備接入控制中心,結(jié)合控制中心數(shù)據(jù)系統(tǒng)自主搜集數(shù)據(jù),并且可以分析龐大的數(shù)據(jù)信息。第二,機(jī)器人自動化監(jiān)測應(yīng)用。首先,監(jiān)測方法。機(jī)器人可以自主搜集目標(biāo),無論是在地下還是弱光條件下都可以正常運(yùn)行,自主記錄、防止人為計(jì)算偏差。觀測過程中需確定基準(zhǔn)點(diǎn),兩點(diǎn)之間設(shè)置一條導(dǎo)線并得出區(qū)間控制點(diǎn)坐標(biāo)。用相同的方法測量平面監(jiān)測點(diǎn)的坐標(biāo),將坐標(biāo)參數(shù)作為測量初始參數(shù)。觀測選擇軸線法,基準(zhǔn)線作為控制電線,一側(cè)控制點(diǎn)觀察其他點(diǎn)并得出所需數(shù)據(jù)。其次,機(jī)器人的操作。測量機(jī)器人適用于邊坡、地表位移監(jiān)測、橋梁施工監(jiān)測、變形監(jiān)測、隧道的變形監(jiān)測中。其中,邊坡由于地質(zhì)環(huán)境、人為影響導(dǎo)致邊坡滑坡、坍塌、泥石流等存在較大危險隱患。對此,利用測量機(jī)器人可以對邊坡狀態(tài)及時測量,從而避免危險事故發(fā)生。測量機(jī)器人應(yīng)用在建筑主體中具有監(jiān)測準(zhǔn)確、效率高的特點(diǎn),能夠避免人為偏差。應(yīng)用在地下隧道監(jiān)測中可以將監(jiān)測的信息傳輸?shù)娇刂破?隨后計(jì)算隧道斷面收斂狀態(tài)從而掌握隧道變形狀態(tài),保證隧道安全。測量機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了自動化、智能化、高精準(zhǔn)性,與其他技術(shù)配合能夠得到理想的效果。此外,測量機(jī)器人還可以用在航天、汽車、造船等不同領(lǐng)域。

2.2 三維激光掃描監(jiān)測

伴隨著三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用的廣泛開展,現(xiàn)階段國外已經(jīng)研發(fā)了掃描儀,掃描的點(diǎn)密度更大、可以準(zhǔn)確至微米級、無需點(diǎn)云網(wǎng)格化。存在的不足為：模型數(shù)據(jù)量過大、適合應(yīng)用小型建筑。三維激光掃描測量技術(shù)原理為：利用掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)得到總面域數(shù)據(jù)信息,多應(yīng)用在地質(zhì)災(zāi)害檢測中。其組成為；機(jī)箱、電源、激光掃描儀、三腳架,綜合了激光掃描系統(tǒng)、攝像系統(tǒng)、內(nèi)控校正系統(tǒng)。現(xiàn)階段,激光測距系統(tǒng)可以分為相位測距、脈沖測距、激光三角,脈沖測距屬于高速激光測距技術(shù),應(yīng)用較多。具體監(jiān)測方法為：發(fā)射激光發(fā)射高速的脈沖信號至被檢測的物體,激光信號被取樣獲得主脈沖波激光。激光探測指的是把激光回波信號轉(zhuǎn)為電信號,回波信號與掃描鏡、聚光鏡搜集獲得。測站點(diǎn)和被測點(diǎn)間距檢測是通過激光測距系統(tǒng)激光發(fā)射、接收時間差得出,光束水平角度與豎直角度以勻速旋轉(zhuǎn)的反射鏡根據(jù)角速度發(fā)射激光。搜集過程中的坐標(biāo)系統(tǒng)是儀器坐標(biāo)系,通過掃描系統(tǒng)與激光測距系統(tǒng)作用得出三維坐標(biāo)。

2.3 GPS監(jiān)測的應(yīng)用

GPS適合應(yīng)用于復(fù)雜的地質(zhì)條件中,通過衛(wèi)星信號得到被檢測點(diǎn)的具體位置,而且不會受到通視條件影響,只要使用無限通訊技術(shù)就能達(dá)到遠(yuǎn)距離監(jiān)測。該項(xiàng)技術(shù)集成了自動化檢測、通訊、計(jì)算機(jī)等技術(shù)。其主要作用分別為：實(shí)時顯示子系統(tǒng)則是對各監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)的顯示。數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的關(guān)鍵,提取RENIX格式信息并得到不同監(jiān)測點(diǎn)的位置。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接硬件終端與數(shù)據(jù)處理,主要功能是GPS數(shù)據(jù)接收并解碼為標(biāo)準(zhǔn)的RENIX格式,保存在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)為GPS解算單元提供依據(jù)。GPS終端硬件進(jìn)行GPS信息搜集、整合、傳輸,是基礎(chǔ)的子系統(tǒng)。分析與預(yù)警子系統(tǒng),該系統(tǒng)能夠?qū)π巫兞砍鲩撝档谋O(jiān)測點(diǎn)預(yù)警。數(shù)據(jù)庫管理子系統(tǒng)是對監(jiān)測結(jié)果的保存,便于用戶查找。

第一,靜態(tài)測量方法。將3臺以上的GPS接收機(jī)放置于觀測點(diǎn)一同觀測,通過連接的形式構(gòu)網(wǎng),選擇軟件結(jié)算基線,通過平差得到被監(jiān)測點(diǎn)的三維坐標(biāo)。GPS基準(zhǔn)網(wǎng)采取靜態(tài)測量方法,具有準(zhǔn)確性高的優(yōu)勢,并且適合應(yīng)用在坡體變形監(jiān)測中。測量方法為：將2臺GPS接收機(jī)放在基準(zhǔn)點(diǎn)中,其他接收機(jī)在監(jiān)測位置移動,大約觀測6-15min得到三維坐標(biāo)。然后,結(jié)合計(jì)算的三維坐標(biāo)變化量分析變形。如果基準(zhǔn)點(diǎn)與監(jiān)測點(diǎn)間距在3km內(nèi),監(jiān)測準(zhǔn)確度根據(jù)：水平位移±3-±5mm,垂直位移±5-±8mm。第二,動態(tài)測量。該種方法是將其中一臺GPS接收機(jī)固定,其他接收機(jī)在另一個基點(diǎn)觀察5min,確保衛(wèi)星持續(xù)跟蹤不失鎖,在滑坡體停留5-10s,將搜集的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理,準(zhǔn)確度約1-2cm。這種方法結(jié)合載波相位觀測為核心的差分GPS測量技術(shù)。第三,GPS形變檢測。利用GPS在滑坡體上創(chuàng)建監(jiān)測網(wǎng)絡(luò),實(shí)時的監(jiān)控滑坡體變形狀態(tài)與外部影響。然后,通過計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)結(jié)算數(shù)據(jù),比較獲得的滑坡三維位移信息。

2.4 光纖變形監(jiān)測

光纖變形監(jiān)測主要通過光參數(shù)變化實(shí)現(xiàn)測量,有著較強(qiáng)的抗干擾性、偏差小。光纖是該項(xiàng)技術(shù)重要組成部分,具有較強(qiáng)的感應(yīng)力并支持信息傳輸,兼容分布式測量。現(xiàn)階段,該項(xiàng)監(jiān)測技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用,將其應(yīng)用在大壩變形監(jiān)測中可以利用光纖反射搜集光信號、監(jiān)測大壩形變度,未來發(fā)展前景廣闊。

2.5 計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)

自動化數(shù)據(jù)搜集綜合了不同數(shù)值計(jì)算方法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理。現(xiàn)如今,各種對合理模型的變形監(jiān)測學(xué)術(shù)交流越來越多,一些人將分形分布隨機(jī)過程運(yùn)用在三維數(shù)據(jù)中,分析復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境、地理?xiàng)l件。另一些人以多級的灰關(guān)聯(lián)評估大壩實(shí)測形態(tài)。以數(shù)值計(jì)算方法,利用逐次迭代,不斷調(diào)整模型,使其計(jì)算結(jié)果與觀測數(shù)據(jù)達(dá)到基本相符時迭代計(jì)算終止的方法,解決了這個難題。這一方法和計(jì)算機(jī)的配合,就能利用觀測數(shù)據(jù)的控制,以不斷調(diào)整模型中斷裂設(shè)置和受力狀態(tài),使所探測的模型受力狀況得以展示,將它用于大壩監(jiān)測上,是對壩況安全性研究的一大進(jìn)步。將數(shù)據(jù)分析編制為計(jì)算機(jī)軟件,建立數(shù)據(jù)庫與多媒體系統(tǒng),進(jìn)一步加強(qiáng)大壩安全評估專家系統(tǒng)的開發(fā)、研究,這也正是為實(shí)現(xiàn)監(jiān)測系統(tǒng)的一體兒,自動化所急待解決的課題。

3 結(jié)語

綜合分析,大壩變形監(jiān)測使用GPS、三維激光掃描、全站儀已經(jīng)成為發(fā)展主體。伴隨著自動化技術(shù)水平的提高,自動化監(jiān)測技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用其他領(lǐng)域。在今后發(fā)展中,深化安全保障和安全監(jiān)測技術(shù),從而為大壩變形檢測自動化創(chuàng)造條件成為重要研究內(nèi)容,確保大壩安全。