大坝变形监测自动化技术的最新发展

日期：2006-07-15 来源：桂林工学院学报作者：管理员

摘　要：近年来，随着大型水坝建筑的增多和电子计算机技术、激光技术、空间技术等高新科技的应用，有力的促进了大坝技术的发展。文章介绍了传感器、激光技术和GPS在大坝变形监测上的发展，光纤传感、渗流热监测、CT新技术在大坝变形监测上的利用及DDA和TDDA法等新的数据分析处理方法的提出和实现，阐述了当前大坝变形监测自动化技术的国内外最新发展状况。指出在几何学、物理力学、计算机仿真学等多学科、多领域的融合下，大坝变形监测应向一体化、自动化、数字化、智能化的方向发展。
关键词：大坝变形监测；光纤传感；激光技术；GPS；渗流热监测；CT技术；TDDA法
THE LATEST DEVELOPMENT OF DAM DEFORMATION MONITORING AUTOMATIC TECHNIQUE

Liu Zhimin　Lin Wenjie
（Department of Civil Engineering , Guilin Institute of Technology　541004）

Abstract：Recently, with the adding number of the built huge dam and the application of the new-high scientific technique, such as electronic technique, laser technique, space technique and so on. the dam techniques have been greatly developed.In this paper, the latest development of dam deformation monitoring automatic techniques is discussed from several factors: The latest development of sensor,laser technique and GPS in dam deformation monitoring, The new techniques using of optical fiber sensing, CT and thermal leakage monitoring in dam deformation monitoring and realization of data processing and analyzing mode as well as DDA & TDDA . Based on infiltration and fusion with another disciplines, its prospect_ integration, automation, digitalization and intelligence are presented.
Key words：dam deformation monitoring; optical fiber sensing ; laser technique; GPS; CT; thermal monitoring of leakage ; DDA & TDDA; development

　　我国的大坝变形监测始于20世纪50年代初，到80年代末实现了自动化遥测，90年代后大坝安全监测技术飞速发展，许多老坝完成了自动化监测系统的更新改造，新建大坝具有功能更全的高水平监测系统^［1～3］。其发展过程见表1，目前大坝变形监测自动化实现了运行变量的数据采集、传输，数据管理，在线分析，综合成图，成果预警的计算机控制网络化，并向一体化、自动化、数字化、智能化方向发展。

发展阶段(20世纪)	数据采集及存储方式	数据处理及成图方式	决策分析
50～60年代	光学、机械仪器采集数据；手工记录方式	手算及简单编程进行数据处理；手绘图形	以专业知识、经验判断
70～80年代	光电机械化，激光类仪器开始使用；小型计算器存储数据	由程序处理限量的数据及成图	人机结合
90年代	传感器、电子、激光类设备、3S的应用；数据库存储	数据处理软件进一步优化，GIS数字化成图发展到3-D图像	由人机结合向大坝安全评判专家系统发展

表 1　大坝变形监测发展一览表

1　传感器和光纤传感技术

　　近十几年来，随着我国大型水坝的增多，对大坝安全监测系统不断提出新任务、新课题和新要求，同时电子计算机技术、激光技术、空间技术等新科技的发展与应用，有力地促进了大坝观测技术的自动化发展。
　　测量自动化的初级实现是近十几年发展起来的传感器，推动了连续观测方法的兴起。它根据自动控制原理，把被观测的几何量（长度、角度）转换成电量，再与一些必要的测量电路、附件装置相配合，即组成自动测量装置。所以传感器是自动化观测必不可缺的重要部件^［1］。从外部观测的静力水准、正倒锤、激光准直到内部观测的渗压计、沉降计、测斜仪、土体应变计、土压计，其自动化遥测都建立在传感器的基础上。由于用途不同，传感器的形式和精度也不相同。它可以分为机械式、光敏式、磁式、电式传感器（又分为电压式、电容式、电感式），目前运用最多的是电式和磁式传感器。例如：广西大化大坝监测系统运用的变形遥测仪器均为差动电容感应式，精度在0.1～0.2 mm，结构简单，可在高湿度环境下长期可靠地工作^［2］；新丰江大坝变形监测设备采用地震研究所研制的EMD-S型遥测垂线仪、EMD-T型引张线遥测仪，是用磁场差动法测量位移的2-D传感器，它独到的电路和结构设计，使仪器具有良好的线性度、极小的横向位移影响，且抗磁、防雷、耐潮，有极好的长期稳定性和可靠性^［3］。
　　光纤传感技术，光导纤维是以不同折射率的石英玻璃包层及石英玻璃细芯组合而成的一种新型纤维。它使光线的传播以全反射的形式进行，能将光和图像曲折传递到所需要的任意空间。它是近20年才发展起来的一种光传输的特殊材料，主要用于邮电通信、医疗卫生、国防建设等方面。而光纤传感技术是以激光作载波，光导纤维作传输路径来感应、传输各种信息。80年代中后期国外开始了应用于测量领域的理论研究，在美国、德国、加拿大、奥地利、日本等国已应用于裂缝、应力、应变、振动等观测上。凡是电子仪器能测量的物理量，它几乎都能测量，如位移、压力、流量、液面、温度等。其灵敏度对位移达10^-3 cm，对温度达0.01 ℃^［4］。国内从1990年开始在应用理论研究上有了较快发展，针对大坝监测研究的几种光纤传感系统已获得专利权^［5］。其具有几个优点：（1）传感和数据通道集为一体、便于组成遥测系统，实现在线分布式监测；（2）测量对象广泛，适于各种物理量的观测；（3）体积小、质量轻、非电连接、无机械活动件，不影响埋设点物性；（4）通信容量大，速度快，灵敏度高，可远距测量；（5）耐水性、电绝缘好，耐腐蚀，抗电磁干扰；（6）频带宽，有利于超高速测量；（7）自动化程度高，仪器利用率高，性能价格比优。所以适用于坝体的温度、裂缝、应力变、水平、垂直位移的测量，监测关键部位的坝体形变。尤其可以替代高雷区、强磁场区或潮湿地带的电子仪器。同时注意，此方法不适合沥青混凝土裂缝的测试，由于沥青混凝土以流变和蠕变为主，难以出现脆性断裂开缝，且它与裸光纤之间摩擦系数小，光衰减变化与沥青混凝土变形不同步，要选择利用。随着工程应用和不断改进，光纤传感技术在大坝监测以至其它土木工程中将推广应用。

2　激光技术

　　近年来，激光技术作为一种简便、高效的测量方式成功地用于大坝坝体和廊道^［6］。它提高了探测的灵敏度范围，减少了作业条件限制，克服了一定的外界干扰。激光用于水准仪，减少了读数和照准误差，提高了精度。试验表明，当视线长度为50 m时，测站高差中误差为±0.02 mm。而真空管道波带板激光准直可进行3-D测量，能在恶劣环境下进行，相对精度达10^-7左右。已在太平哨、丰满、葛洲坝等电站使用，并实现了自动化观测^［7］。它满足了大坝变形监测的及时、迅速、准确的要求,同时也有自身的局限性,即激光设备要求用于直线型、可通视环境,一般安装在直线坝的坝面或水平廊道,而对于拱坝、曲线坝则无能为力,所以实现激光转角将极大地拓展其使用范围。

3　GPS技术

　　GPS卫星定位技术已经渗透到经济建设和科学技术的许多领域,尤其对测量界产生了深刻影响。由于SA政策和AS措施,使得民用GPS精度不高,难以满足大坝监测的要求。随着研究和改善GPS定位的工作模式和数据处理方法,并开发的相应软件已日趋成熟^［8～9］

标签： 水坝建筑光纤传感 CT技术

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