谈谈水库大坝外部变形的监测技术

韩太海 绥化市永安灌区，黑龙江绥化 152013

谈谈水库大坝外部变形的监测技术

韩太海 绥化市永安灌区，黑龙江绥化 152013

水库大坝外部变形监测是对水库大坝安全监测的一个重要内容，迄今为止，已有各种各样的监测方法，而按观测目的，则主要分为水平位移监测、垂直位移监测、三维位移监测等。本文针对这些 主要监测方法的特点及其在运用中存在的问题对水库大坝外部变形监测的发展趋势做出了预测。

水库大坝；水平位移监测；垂直位移监测；三维位移监测；GPS；CCD技术

水库大坝安全监测的一个重要内容，就是对大坝外部变形的监测。水库大坝外部变形的方法很多，而按观测目的主要分为水平位移监测、垂直位移监测、三维位移监测等。

1 、水平位移监测

水平位移监测有如下几种方法：激光准直法，正、倒垂线法，前方交会准直法和导线法等。

1.1 激光准直法

激光准直法利用激光的单色性好和方法性强的特点，建立起一条物理的视准线作为测量基准，根据测量原理的不同可分为直接准直和衍射法准直，后者精度高于前者。对于衍射准直根据共传播介质不同，主要大气激光准直。

大气激光准直让激光直接在大气中传播，应用对象是坝长小于300米、坝高较低的水库大坝。大气激光准直由于受大气折射及湍流影响而引起光束的抖动，测量精度低且不易实现自动化观测。最新发展是采用CCD技术，消除了光斑随机抖动的难题，实现了自动化监测，测量精度达+0.1mm。此项技术在水库大坝变形监测实践中已获得成功，如在陕西韩成电厂工程中已获得成功的应用，综合精度高达l×10-2×10-7。与引张线法相当，对直线型长坝、高坝的变形监测效果极准。

激光准直法的发展方向是对向位移观测（垂直位移和上下游水平位移），因而在两端点安装倒垂线作为水平位移的基准点，安装双金属标作为垂直位移的基准以实现双向位移观测。激光准法不利于对曲线型大坝的变形监测，因此要拓展其应用空间，应考虑实现真空激光转角，使其也可用于曲线型水库大坝变形监测。

1.2 正、倒垂直线法

正垂线是一端固定于坝顶附近，中一端悬挂重锤，以便观测坝体各点间及坝体相对于坝基的位移观测；倒垂线是一端埋设在大坝基础深层基岩外，另一端浮起，来测定大坝的绝对位移。正、倒垂线既可以实现水平位移监测，又可实现观土坝的挠度观测。目前国内研制的垂线观测仪.采用线阵CCD传感器实现自动化读数，在x.y方向上的坐标精度优于+0.1mm。

1.3 前方交会法

对于拱坝的拱冠或下游面等观测效率比较低或观测位置不易到达的点位进行观测时，可以用角度前方交会法测定其水平位移。前方交会的误差源有：测角误差，交会角及图形结构，基线长度，外界条件的变化等较低因素。其实际精度一般为+lmm～+3mm，精度较低，另外其测量和计算过程复杂，因此不单独使用，而是作为备用手段或配合其他方法使用。

1.4 导线测量法

精度导线作为监测拱坝水平位移的确方法，应用比较广泛，但量边工作量大，测角的旁折光影响大。为克服这些问题，宣布设成类似于高能物理加速器工程师的途径来间接提高测量的精度，从而避免旁折光的影响。该法的精度取决于量边精度，如果用铟瓦尺量边，精度完全可以到亚毫米级。但观测方法繁琐，计算复杂，误差逐点累加，可靠性差，工作效率低。

2 、垂直位移监测

几何水准法和流体静力水准法是垂直位移监测的两种主要方法：

2.1 几何水准法

几何水准法是垂直位移监测的主要方法，精度容易满足。几何水准测量的主要工作是：①由水位基准点校测各工作基点，对混凝土大坝和土坝分别采用一、二等水准测量；②用工作基点测定各变形点，较上述要求可降低一个等级，对混凝土大坝和土坝分别采用二、三等水准测量。

2.2 流体静力水准法

流体静力水准测量原理是连通管原理。流体静力水准测量法很容易实现读数及传输的自动化，测量精度优于上+0. 1mm，在垂直位移监测中有着广泛的应用。但静力水准的测点基本上要处于同一水平，测量范围受到限制。近年来，所开发的用压力传感器测量液体压力的变化。计算高差度变化的仪器，从而克服了流体静力水准测量范围受到限制的缺点，使其测量范围得到了扩大。

3 、三维位移监测

三维位移监测系统主要有极坐标法、GPS法、GPS/TPS组合法三种：

3.1 极坐标法

极坐标法采用了当前具有最高精度的测量机器人，如徕卡TCA系列全站仪，其测量原理是极坐标法。这一测量系统的标准配置包括TCA全站、APSwinL软件，由此构成自动极坐标实现时差分测系统。由于测量自动化使得测量时间缩短，大气等环境条件相对稳定，利用基准网的稳定信息，在无需测量气象元素下实现大气折射、大气折光的实差分改正。这一系统在大坝变形监测的实践中已获成功运用。

3.2 GPS法

GPS法是由武汉大学测绘学院完成的，已成功用于清江隔河岩水库大坝监测。GPS测量不需要测量点间视，但要求对空视。GPS法在数百米到2Km‰以内的短基线上测量可以获得亚毫米级的定位精度。该系统主要有数据采集、总控、数据处理、分析、管理与大块模。数据采集部分有2个基难点，5个变形点，共有7台AShtechz-12接收机；因数据库量庞大传输采用局域网传输；数据处理结果有l～2h解和6h解，l～2h观测的水平精度优于+lmm，垂直精度+1. 5mn，6h观测的水平精度优于+0.5mm，垂直精度优于+lmm，而GPS瞬时观测的水平位移精度为+3mm，垂直位移精度为+8mm。

GPS系统能够实现自动化连续观测，精度高，然而也有这样一些缺点：一是不能实现得到观测数据；二是观测点必须对空开阔，不能少于4题卫星；三是每增加一个观测点必须添加一台GPS接收机，成本较高。克服这些缺点，改进该系统，可考虑用一台接收机接收多个天线的办法实现。

3.3 GPS/TPS组合法

为对黄河小浪底工程进行监测，中国信息工程大学测绘学院根据小浪底坝长166m、地质条件差、建筑结构复杂的实际，提出以高精度GPS测量为基准，同时发挥全站仪测量方便灵活的特点，构成混合测量系统，充分利用两者的优点。发挥两者的潜能。GPS/APS技术的结合，为黄河小浪底大坝的监测建立了一套先进、可靠的综合自动化监测系统。

总之，大坝外部变形监测经历了从低精度到高精度，从肉眼观测手工操作到自动化观测，水平垂直位移分别施测到了三维变形监测的阶段。由此可以预见，水库大坝外部变形监测发展的方向是自动化程序更高、测量精度更高、测量仪器和测量方法将会越来越先进且越来越重要。

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.15.029

韩太海（1952-），男，工程师，研究方向：农田水利工程。