大坝安全监测技术研究

田俊生，高明忠

(1.四川大唐国际甘孜水电开发有限公司，四川康定626001;2.四川大学水利水电学院，四川成都610065)

新中国成立以来，水利水电工程事业快速发展，尤其是在改革开放之后，在短短几十年间，水电建设事业已取得巨大成就，建设的水电工程数量越来越多，工程规模也越来越大。随着近年来各种高坝的建设，如今的中国已跻身世界水电大国之列。在“十二五”规划纲要中，水电资源成为需要积极发展的能源种类。国内的水资源禀赋、水电开发利用程度以及节能减排要求等因素，共同决定了“十二五”期间大力发展水电。水利水电建设事业的发展必然引导水电站或水库大坝运行管理技术的发展。随着工程规模的不断提升，大坝的安全运行将会越来越复杂，对大坝管理提出的要求也会更多，所需达到的标准也会更高。因此，为了确保水利水电工程高效而可靠地运行，大坝的安全监测及其自动化就显得越来越重要。目前，国家相关部门已将大坝安全监测工作提上日程。

大坝安全监测有三大环节，分别为数据量测、数据采集和数据分析。利用现代信息技术中的传感器技术、通信技术和计算机技术，这三大环节分别构成了安全监测系统中的“感官”、“神经”和“头脑”。随着大坝安全监测系统自动化程度的不断提高以及其复杂性的日趋增加，对安全监测仪器的精度、可靠性和响应的要求也越来越高。可以这么说，如果“感官”出了毛病，给出的信息失真了，那么，“神经“所传送的信息其本身就是错误的，无论再聪明的“头脑”也无能为力。由此可知，在大坝安全监测系统中，数据量测环节是大坝安全评价系统的根基，做好数据的量测工作具有重要意义。而数据的量测是通过各类安全监测设备实现的，高效稳定的安全监测仪器将会为数据量测环节提供有力的保障。

笔者在对国内大坝安全监测自动化设备、仪器调查研究的基础上，着重研究了土石坝变形、渗流、压力(应力)、应变、温度及环境量等安全监测项目中所使用的新设备、新技术，对各类仪器的工作原理、技术特点、布设要点进行了详细阐述，从大坝安全监测仪器、设备发展角度出发，探究了土石坝的安全监测技术。最后，阐明了土石坝安全监测仪器设备选择和布设的基本依据以及需要注意的一些问题，对当代大坝安全技术的发展提出了一些建议和展望，为今后水电站大坝安全监测设计提供了一定的依据。

1 大坝安全监测的重要意义

大坝建造在复杂的水文地质和工程地质环境中，运行中的大坝不仅承受着巨大的水压力和温度等环境荷载，有时还会受到地震荷载的冲击，工作条件极为复杂。同时，由于材料性能、施工过程中造成的人为影响等因素，随着使用年限的增长，大坝也会出现不同程度的老化、病变和裂缝等问题。这些缺陷或隐患若不能及时被诊断发现并解决，将随时可能影响到大坝的安全运行，严重时还会造成灾难性事故。目前，国内已建成大坝8.6万多座，其中大部分是20世纪50～60年代修建的中小型土石坝，这些大坝或没有布设安全监测设备，或设备仪器落后，其病害十分严重。此外，随着时间流逝，一些早年布置了监测设备的大坝也出现了老化和安全问题。大坝安全监测问题已不容忽视，令人欣慰的是:近年来已得到国家的高度重视。

造成大坝失事的原因很多，主要有:(1)坝体泄水能力不足或遭遇超标准的洪水;(2)坝体质量和基础存在问题;(3)其他运行管理方面引发的问题。土石坝失事的主要原因是渗透破坏和坝坡失稳，表现为坝体渗漏、坝基渗漏、塌坑、管涌、流土及滑坡等现象。据统计［1］，在失事大坝中，仅有35%是由于其自身泄洪能力不足，也就是勘测设计中存在洪水计算和防洪能力方面的问题;大部分大坝失事仍是由于其他工程原因或运行管理问题造成的，而这些问题却是可以通过加强安全监测及早发现问题并及时处理解决的。因此，建设和完善大坝安全监测设施重要且必需。

2 大坝安全监测技术现状

大坝安全监测是近几十年才发展起来的一门新兴的边缘技术学科。在20世纪70年代之前，大坝安全监测被称为大坝原型观测，即是在大坝原型中设置观测仪器进行现场测量，以期获得一些能够反映大坝结构性态变化的特征量。对大坝的安全进行监测最早始于19世纪末，1891年，德国的埃施巴赫重力坝进行了变形观测［2］。20世纪初，澳大利亚的巴伦杰克溪薄拱坝和瑞士的孟萨温斯拱坝进行了挠度观测，孟萨温斯拱坝坝体还埋设了压阻式仪器;美国新泽西州的波顿重力坝进行了温度观测。这些监测最初主要是为了研究大坝的实际变形、温度及应力状态，用来验证大坝的设计计算方法，从而改进坝工理论，发展坝工技术，其后才真正成为大坝安全管理的手段。自此之后，法国、德国等国家先后研制出了振弦式仪器，利用测量仪器中的钢弦自振频率，将所对应的大坝应力、应变、渗流压力等物理量计算出来。与此同时，美国还开发研制出了差动电阻式仪器，并在许多国家得到了广泛应用。

伴随着20世纪30～70年代世界各国的筑坝高潮，大坝失事事件也时有发生。其中，知名的有法国Malpasset双曲拱坝(最大坝高66.5 m)于1959年12月2日在蓄水期因左岸基础滑动而溃坝;意大利Vajont双曲高拱坝(最大坝高261.5 m)于1963年10月9日因库岸滑坡造成漫顶，水库废弃;美国Teton土坝(最大坝高91.5 m)于1976年6月5日因坝基管涌而溃决。大坝失事造成的巨大灾害引起了国际社会的高度重视，各国政府相继建立和加强了大坝安全管理机构，并且颁布了有关法令法规，大坝观测也由最初的主要为设计、施工、科研等技术服务的辅助项目而发展成为监视大坝安全运行这一涉及社会公共安全的重要事业。20世纪70年代以来，各国均致力于发展大坝安全监测技术，各类新型监测设备大量涌现，大坝安全监控的理论和方法也得到了不断完善［3］。随着现代科技的进步，大坝安全监测事业正在经历着一个前所未有的发展时期。

与国际上大坝安全监测的发展进程相类似，中国从20世纪50年代开始了大坝原型观测的研究和应用，也经历了一个从注重大坝的微观观测到关注宏观监测的发展过程。当时，国内刚刚开始的大坝观测工作正处于国际社会加强大坝性态研究的高潮时期，因而很自然地把工作重点放在了内部观测方面。例如:20世纪50年代，国内开始在永定河上的官厅水库和淮河上的南湾、薄山等大型水库大坝上进行了水平位移、垂直沉降和浸润线等项目的观测;其后，在丰满、佛子岭、梅山水电站以及上犹江、流溪河等水库大坝上安装了温度、应变计等监测仪器;20世纪60年代后期，开始对一些大型水库大坝进行渗流、渗流量、渗水浊度、波浪、倾斜、挠度、扬压力、拉裂缝和应力应变以及水位、雨量等项目的观测。到20世纪80年代，在各种会议和学术期刊的论文中，论述大坝变形、渗流、渗压的文章已占绝大多数，同时，量测大坝变形、渗流、渗压的仪器设备的研制也有了长足的发展。经过多年的努力，如今，国内主要安全监测设备的研制及其工艺水平也取得了极大的进步，一些高、精、尖的技术和先进的仪器、设备已应用到了大坝安全监测工作中，例如基础的岩层电测、光纤传感、电荷耦合元件(CCD)、全球定位系统(GPS)、大坝CT［4］和渗流热监测等技术，为大坝安全监测技术的发展提供了有力的保障。

但是，国内土石坝安全监测的自动化滞后于混凝土坝。除20世纪90年代后期的小浪底堆石坝由国外公司承包施工，布置了一些进口仪器设备以外，安装国内设备并由国内实施的土石坝工程则是21世纪初新疆乌鲁瓦提水利枢纽工程的管理自动化，其首次系统地实施了土石坝的安全监测管理自动化。此后，随着土石坝安全监测自动化设备的逐渐完善，结合混凝土坝安全监测自动化的成功经验，土石坝安全监测自动化技术发展的速度不断加快。目前，新建的大型土石坝工程在设计时就已按自动化的方式进行布置，并从施工阶段就已开始陆续实施自动化监测。而今，土石坝安全监测的自动化程度及其水平已同混凝土坝相当了。

3 土石坝安全监测项目

对大坝的安全状况进行实时监测的主要目的有:(1)了解大坝在运行期间的安全状况，及时准确地收集大坝安全监测资料，可为评估大坝工作性态提供科学依据，进而通过控制运用或加固等工程措施保障大坝的安全;只要监测及时、监测数据可靠、分析判断准确，就可以避免重大灾害事故的发生或减少灾害所造成的损失;(2)可以在施工过程中不断获得反馈信息，用以验证设计的合理性，并为修正水工设计提供科学依据。总之，大坝安全监测是为了了解大坝安全性态、对大坝安全实施科学管理所必不可少的重要手段。

了解大坝是否安全，一般需要通过日常的人工例行检查和仪器监测实现。日常人工例行检查已被大多数水库管理单位所理解和接受，且已普遍付诸实施，在水库/水电站的安全管理中发挥了较好的作用。而仪器的监测则是指依据相关规范，结合工程实际，在水库大坝上布设各类安全监测仪器和设备，从而采集大坝安全运行的各类性态信息。通过对这些信息进行处理和整编分析，结合人工例行检查所提供的情况，对大坝的运行、安全状况做出比较客观的评价，这种评价结果可以作为大坝安全运行和水库调度的依据，还可作为大坝除险加固或采取其他工程措施的依据［5］。

土石坝安全监测的主要项目有:变形、渗流、压力、应力应变、水力学及环境量等。其中变形和渗流监测是最为重要的监测项目，因为这些监测量直观可靠，可基本反映大坝在各种荷载作用下的安全性态。笔者着重介绍了土石坝变形、渗流、压力(应力)、应变、温度及环境量等安全监测项目的监测方法及仪器设备。

4 土石坝安全监测设备革新

随着新型水工建筑物的兴建和发展，人们开始研制并安装一些专门仪器设备用于观测水工建筑物的性态，例如美国1927年建造的Stevenson Creek拱坝(最大坝高36 m)，埋设了140支电测仪器进行实际测量。卡尔逊(美国)发明的差动电阻式仪器运用于工程以后，人们对混凝土的应变、徐变、自身体积变形以及温度等有了实际了解，从而建立了一整套由应变计观测值计算混凝土应力的方法。差动电阻式仪器的测量长期稳定性较好，适用于大体积混凝土建筑物的变形、应力、渗压等方面的监测，同时还能兼测测点的温度，因此，该系列仪器经过不断改进后一直到现在仍被广泛运用［6］。中国是生产差动电阻式仪器的大国，目前已生产了超过30万支仪器应用于各类工程。振弦式仪器也已开始在水工建筑物中大量应用，这种仪器结构简单，测量长期稳定性较好，仪器输出的是频率值，便于自动化和长距离测量。随着监测技术的发展，振弦式仪器的性能也得到了不断的改进，使得该类仪器直到现在仍广泛应用于土建、水工、桥梁等工程。

目前，研制出的用于监测大坝变形的仪器有电容感应式、电磁感应式、光电式(CCD)、涡流感应式、电感式及步进马达跟踪式等遥测垂线座标仪;电容感应式、CCD及步进马达跟踪式等遥测引张线仪。监测坝体沉降的仪器有电容感应式、CCD、步进马达跟踪式、电感式及差动变压器式等遥测静力水准仪;对坝体、基础廊道、厂房、洞室、边坡等基岩不同深度变形进行监测的多点变位计;所用的位移传感器有电位器式、电容感应式、钢弦式、差动电阻式及LVDT等［7］。中国所筑的土石坝数量居世界首位，随着建坝理论及施工技术的不断发展，还兴建了许多大型面板坝。为了满足土石坝安全监测的需要，国内自行研制并生产了技术先进的土石坝监测仪器，例如用于监测面板周边缝的差动电阻式、电位器式、振弦式三向测缝计;监测土石坝内部变形并可实现自动遥测的引张线式水平位移计、水管式沉降仪等。目前，国产仪器在技术性能、品种以及数量上都能够满足工程需要，并且还有很多技术创新。

5 结论与建议

笔者在研究国内大坝安全监测仪器的基础上，着重对土石坝安全监测的相关问题进行了介绍。土石坝安全监测相关仪器种类繁多，笔者仅从安全监测仪器选择及布设方面探究了土石坝安全监测的基础工作，至于后续的自动化监测系统的确立及监测数据的处理、分析和评价，还有待进一步的研究。

目前，传统的安全监测技术已趋于完善，但新型监测技术的开发和应用仍较为滞后，一些新技术仍处于理论探讨和试验性的研究阶段，例如:①GPS监测技术在一机多天线等方面取得了快速进展，但其造价较高，很难被大部分业主所接受，有待开发降低其造价的新理论和新方法;②大坝CT技术在结构损伤检测、力学特性测试等几个方面取得了一些成果，但是其在波的传播和图像重构方面还较为原始，难以被大规模推广和应用;③光纤光栅技术在温度、渗流、裂缝监测等方面得到了一定的应用，但其多元化和智能化程度还不够高;④当前的土石坝变形监测自动化技术手段还很少，这也是监测技术中亟待研究解决的重大课题。

我国的大坝安全监测技术虽然已经较为成熟，某些方面甚至已达到了国际先进水平，但是，在新的时代仍然面临着许多新的挑战。展望未来，希望能够看到的是一个完整的、满足大坝及工程安全监测需求的仪器系列，它们将是高精度、高可靠性、高稳定性和智能化的仪器系统;一个功能强大、性能优良、稳定可靠、小型化的自动化采集装置;一个可采用多总线、多介质构建各种规模的、稳定可靠、智能化的大坝安全监测自动化系统;一个具有区域性综合管理能力的大坝安全监控网络管理系统，它拥有完备的智能化在线监测、离线分析、安全评判、风险评估和决策支持系统，能及时、充分地挖掘大坝安全监测的有用信息，在确保大坝安全运行的基础上，充分发挥水电站/水库的最大经济效益和社会效益。

国内的水电建设事业尚在蓬勃发展，水电站/水库自动化的应用需求也在不断提高，可以预期，水电站/水库的综合一体化、智能化即将实现，在不久的将来，中国大坝安全监测自动化的水平将全面处于国际领先水平。

［1］吴中如.水工建筑安全监控理论及应用［M］.北京:高等教育出版社，2003.

［2］赵志仁，徐锐.国内外大坝安全监测技术发展现状与展望［J］.水电自动化与大坝监测，2010，34(5):52－57.

［3］程胜祥，帅永建，何领军.国际工程大坝安全监测自动化系统设计与施工［J］.四川水力发电，2010，29(4):98－101.

［4］Xu Youren，Tang Hongwu，Yang Jiansheng，et al.Optical CT applied to dam pendulum wire coordinatemeasurement［J］.Laser journal，1999，20(4):27－28.

［5］郦能惠.土石坝安全监测分析评价预报系统［M］.北京:中国水利水电出版社，2002.

［6］Gu Chongshi，Zhao Erfeng，Jin Yi.Singular value diagnosis in dam safetymonitoring effect values［J］.Science China:Technological Sciences，2011，54(5):1169–1176.

［7］Li Nenghui，Li Zechong，LiGuoying.New advances on monitoring safety of concrete faced rockfill dam in China［C］.In:Proc.International Symposium on Concrete Faced Rockfill Dams，International Symposium on Concrete Faced Rock－fill Dams，Beijing，2000.