浅谈大坝变形监测技术与预测方法

李 超

（渭南职业技术学院，陕西 渭南714000）

0 引言

我国从1954年至2001年共发生水库溃坝3400多座，这些事故不仅对国家经济造成了巨大的损失，而且更严重的是威胁到了人们的生命和财产安全。面对溃坝事件带来的巨大损失，人们深刻的认识到大坝的安全监测的重要性。采用监测技术对大坝坝体进行变形监测，测出大坝上各点的位置变化，才能分析大坝安全运行状态，并建立大坝的变形预测模型，实现大坝变形的定量预测。只有这样，才能及时发现大坝的异常变化，对其安全性能做出准确的判断，然后采取必要措施，防止事故的发生。

1 大坝变形监测技术

大坝变形监测技术可以分为内部监测和外部监测技术两大类。内部监测技术主要是通过埋设在坝体内部特定部位的仪器，如压力盒、渗压计等，对大坝的应力应变、渗流渗压等进行持续自动化监测的技术。而外部监测技术主要是通过各种变形监测仪器，对大坝体主要部位布设的变形监测点在某一时刻的空间位移或者某一特定方向的位移进行测定的技术，目前主要有四种。

1.1 常规大地测量技术

在20世纪80年代以前，变形监测主要是采用常规大地测量技术。常规大地测量主要是应用水准仪、全站仪等常规测量仪器，通过对观测点的高程、坐标等来测定变形的技术。其优点主要表现在：可以测量出变形体变形的整体状态；灵活性大，对各种不同形式的变形体都可以进行；监测结果和观测精度可以通过联立的整体监测网进行评定，可以提供绝对变形信息等。其缺点主要表现在：观测时间长，野外做业工作量大；监测点点位的分布受地理条件的影响比较大；不易实现连续监测和自动实时的全天监测等。

1.2 GPS监测技术

全球定位系统(GPS)在测量方面的应用是对测量技术的一个巨大变革，它可以在测站点不通视的情况下，对观测点的三维坐标同时进行测定，并且观测精度高。与传统的变形监测技术比较，GPS监测技术不仅具有操作简便、全天候、高精度、速度快等优势，而且GPS监测技术将计算机技术、数据通信技术等结合，从而实现了对监测数据的自动采集、自动传输、分类管理，最终达到变形监测系统的远程实时监控目的。1998年，我国的隔河岩大坝外部变形首次采用GPS自动化系统，对坝体表面的各观测点进行变形监测，测量精度可达到亚毫米级，其监测效果相当理想。

1.3 地面摄影测量技术

地面摄影测量技术是通过对测量物体摄影，再进行图像处理和摄影测量处理，从而获取被摄影地面物体的形状、大小、实时状态等信息的一门技术。相比于其它变形监测技术，地面摄影测量技术测量时不需要直接接触被测物体,可以同时测定变形体上所有点的变形,可以提供变形体完全和瞬时的三维空间信息等。但由于地面摄影测量的距离不能太远，摄影测量所需的仪器设备比较昂贵，大部分测量单位没有相关仪器，所以地面摄影测量技术在变形监测中的应用还不是很普及。

1.4 三维激光扫描技术

三维激光扫描技术主要通过激光测距原理，瞬间测得空间目标的三维坐标值。目前，该技术已被人们作为快速获取空间点云数据的一种有效手段，在数据采集过程中表现出了速度快、信息丰富、自动化程度高、无需接触目标物等特点，所以三维激光扫描技术已逐渐应用于各种变形监测中。虽然三维激光扫描技术虽然已经被应用于隧道的检测及监测、大坝的变形监测、文物古迹测量等，但由于地面激光三维扫描仪器的价格非常昂贵，大部分测量单位还没有，所以在很大程度上制约了该技术的广泛应用。

2 变形预测方法

利用上面所述的监测技术进行监测，可以了解大坝真正的变形状态。考虑到大坝的安全意义，变形监测只能是基础，分析是手段，预测预报才是目的。目前，大坝变形预测的主要方法有以下几种。

2.1 回归分析法

回归分析是确定两种或两种以上变数间相互依赖的定量关系的一种统计分析方法，即根据自变量来拟合出它与因变量间的函数最佳表达式。在大坝回归分析模型中，一般情况下取变形量为因变量，环境量（如水压等）为自变量，然后依据数理统计理论形成多元线性回归模型，并用回归法得到环境量与效应量之间的函数模型，通过该方法可以做大坝变形的物理解释和变形预测。

2.2 时间序列分析法

时间序列分析利用观测值的相关性来建立相关模型，利用过去的观测数据资料对将来的数据进行预测。在大坝变形监测中，各个监测点上的各种作用量，例如用引张线仪等所获取的观测数据，组成一组离散的随机时间序列数据，如果考虑到观测粗差的影响，一般情况下可以建立比较平稳的时间序列分析模型。

2.3 人工神经网络法

人工神经网络是一种应用类似于大脑神经突触联接的结构进行信息处理的数学模型。在对大坝进行变形监测分析时，大坝的变形与变形的影响因子之间是种非线性、非确定性的复杂关系，通过计算机去解决大数据量情况下的训练、学习、控制和预报等问题，是大坝变形监测分析发展起来的一种非常有效的方法。

2.4 小波分析法

小波变换是时间（空间）频率的局部化分析，它通过伸缩平移运算对信号逐步进行多尺度细化，最终达到高频处时间细分，低频处频率细分，能自动适应时频信号分析的要求，从而可聚焦到信号的任意细节。通过利用离散小波变换对变形观测数据进行分解和重构，可有效地分离误差，从而更好地反映局部变形特征和整体变形趋势。

2.5 有限元法

有限元法基本思想是由解给定的泊松方程化为求解泛函数的极值问题。它采用确定的函数模型直接求解变形，它不需要做任何变形监测。对大坝进行分析时，可将大坝按一定规则划分为很多计算单元，然后根据材料的物理力学参数，如弹性模量、容重等，建立坝体荷载与变形之间的函数关系，在边界条件下，利用解算有限元微分方程，可以求得有限元结点上的变形。

3 预测方法分析

对大坝变形进行分析和预测时，其结果的好坏与所选择的方法关系密切，不同的方法有自己的特点。运用回归分析法时，只要采用的模型和数据相同，通过标准的统计方法可以计算出唯一的结果，并且回归分析要求的条件少，简单和方便。而时间序列分析法主要是将历史数据揭示的规律延伸到未来，从而对此现象的未来作出预测，数据易于收集，计算简便，容易执行。而人工神经网络具有大规模并行处理和信息分布式存储能力，有比较强的非线性动态处理能力。小波分析能够有效的分离出变形观测数据的误差，更好地反映变形体的整体变形趋势。运用有限元法对大坝变形进行分析时，其将连续的求解域离散为一组单元的组合体，用在每个单元内假设的近似函数来分片的表示求解域上待求的未知场函数，使得研究的问题更加容易表达。

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［3］文鸿雁．基于小波理论的变形分析模型研究[J]．测绘学报,2005(2)：186-187．