混凝土大坝安全监测系统的研究现状与进展

王 慧，车若琪

（1.河北工程技术高等专科学校 水利工程系，河北省沧州市浮阳南大道6号 061001；2.南京农业大学 信息科技学院，江苏省南京市卫岗1号 210095）

在所有工程建筑物的安全监测中，大坝的安全监测是最为重要和最受重视的［1］。我国现有9万多座大坝，大、中型大坝达3000多座，是世界上大坝最多的国家［2］。大坝失事突然排放巨大的水量将对下游的生命和财产造成巨大的损失，因此，安全是所有大坝设计的最高原则，同时也是大坝监测的主要动机。

1 大坝安全监测系统的概念及组成

大坝安全监测系统是利用电子计算机实现大坝观测数据的自动采集、处理和分析计算，对大坝性态正常与否作出初步判断和分级报警的观测系统。大坝安全监测系统分为在线监控系统和离线监控系统两部分。

大坝在线监控系统的观测数据由各种媒介或通信方式传送到离线系统，进行下述处理：①检验、修正、整理观测资料和成果，并存入数据库；②对观测资料进行初步分析，研究观测物理量之间的相关性及长期变化趋势；③对观测资料进行系统分析，建立安全监控用的数学模型；④利用数学模型进行观测物理量的预报，并进一步和实测资料比较，实现大坝安全监控；⑤输出规定的图表和文件，存入档案［3］。

离线监控系统即数据分析和评估系统，通常设置在观测资料分析中心或有关的管理机构内，对观测数据进行集中管理，由电子计算机、外部设备和数据管理软件组成。

2 混凝土大坝安全监测系统的发展与应用

2.1 国外情况

意大利Cancano Lake拱坝高136 m，坝顶弧形长381 m，库容量1.24亿m3，大坝结构如图1所示［4］。该拱坝监测系统除了布置常规监测仪器监测以外，还不定期运用陆地激光扫描仪（Terrestrial Laser Scanning，TLS）进行大坝三维位移监测。2005年5月、10月和2006年5月M.Alba等人与AEM.S.p.A公司合作采用Riegl L MS－Z420i和Leica HDS 3000两种型号的TLS对该大坝进行全区域扫描。拱坝测量网络如图2所示。经过对TLS扫描数据进行处理分析得到该拱坝的三维位移分布图，如图3所示。由图3可以看出，利用TLS能克服传统传感器只监测少量部位的缺陷，对大坝进行全局扫描，通过与实测资料对比分析，TLS扫描能到达更高的精度。缺陷是TLS不能实时连续监测。

图1 Cancano大坝下游面

图2 激光扫描点测量网络布置图

图3 大坝下游三维位移云图

2.2 国内情况

浙江华光潭砼双曲拱坝［5］位于浙江省临安市，最大坝高约103.85 m，坝顶弧长约232 m，坝顶共设12个水平位移测点。在大坝两岸山体基岩上分别设置水平位移工作基点A，B，采用边角前方交会法监测坝顶各位移测点的水平位移。自2007年1月开始正式使用徕卡TCA机载大坝变形监测软件进行监测，监测网如图4所示。在两个工作基点A，B上分别安置徕卡TCA1800全站仪，在每个测站上分两组采用全圆方向观测法进行观测，每组6个测回、8个方向。结果表明采用该变形监测软件在观测速度和精度上均高于人工观测。图5为本工程8＃（拱冠）坝段顶径向（半径方向）水平位移过程曲线，由图5可以看出，用垂线法与交会法观测的位移过程线变化趋势一致，观测精度均较为理想，远高于国家规范规定的要求。

图4 平面变形监测网

图5 坝顶8＃坝段水平位移（径向）过程线

3 存在的问题及发展方向

3.1 存在的问题

雷电是大坝安全监测系统中MCU、传感器、电缆遭受损坏的一个重要原因，它可能导致MCU失控、传感器失效和读数漂移，因而被人们误认为系统性能低劣、传感器安装工艺落后、密封失效，传感器或系统的设计施工不当［6］。由于水电站一般修建在雷击频发的地区，监测自动化系统遭雷击而损坏的例子不少。潘家口水库、古田溪一级水电站、飞来峡水库等工程都曾发生过雷击事件，因此，在监测系统设计时必须考虑防雷和抗电磁干扰的措施。首先应合理进行测点及系统布置和电缆敷设，以减小产生感应雷电压和地电位差的概率和强度。其次必须要有良好的接地，且其接地网不能与高压电气设备的接地网合用，以免造成干扰，接地装置最好设成环状，并在每个数据采集单元处安装接地点，接地电阻应小于4Ω。另外，对外露坝面的总线电缆和仪器电缆应用钢管保护，并做好等电位连接。为防浪涌脉冲对系统的影响，还应注意电源的隔离，在电源引入端一定要采用隔离、稳压措施，在系统信号接受端加接浪涌吸收器。其他，如采用光纤通讯和光纤传感器等，在大坝监测系统设计时也是可以考虑的一种有效防雷方式［7］。

我国与大坝安全监测自动化有关的仪器监测、系统质量、安装调试及验收等相关标准尚待完善。到目前为止，国家尚无振弦式仪器的检验标准，也没有对系统接口、兼容性、费用构成的有关标准［8］。

3.2 发展方向

目前，随着高科技的应用，国内外大坝监测系统自动化程度有了很大的提高。其中，基于总线结构和单板结构的测控装置使得测控系统在监测准确度、稳定性、可靠性、通用性及简易性等方面都有了大幅提高。在几何学、物理学、计算机仿真等多学科、多领域的融合下，大坝观测技术将向一体化、自动化、数字化、智能化的方向发展。从目前国内外混凝土大坝安全监测及预报研究的发展水平来看，存在以下尚待深入研究的领域。

（1）开展分布式、全空间监测是未来大坝安全监测的发展方向。点监测难以对大坝安全状况进行全面有效的监测，如俄罗斯萨扬舒申斯克重力拱坝，内部埋设了2 500多只监测仪器，却没有发现坝基长达486 m的水平缝。地质雷达、CT等物探和无损监测方法以及基于遥感、声波检测等方法必定会在大坝安全检测自动化中发挥越来越大的作用；利用无线网络技术，通过GPRS＋WLAN或CDMA1X无线网卡实现远程数据采集、系统维护、软件升级和维护、故障原因分析和修复方法，以及测值成因分析等，同时通过短消息实现大坝安全报警和故障提示，都将大大方便大坝安全自动监测系统的运行维护；另外，4S技术及其集成技术作为数字流域中的重要技术，在大坝安全监控领域也有广阔的应用前景。

（2）利用纳米材料的大表面积可制造出具有高灵敏度、高选择性、高稳定性和高重复性的纳米传感器，用来监测大坝的变形、渗流和应力应变等，可弥补传统传感器的不足。

（3）在混凝土大坝安全监测中，传感器的优化布设是很重要的，要做到使用尽量少的传感器获取尽量多的结构信息。

［1］ 李宏男，高东伟，伊廷华.土木工程结构健康监测系统的研究状况与进展［J］.力学进展，2008，38（2）：151－166.

［2］ 张正禄，张松林，黄全义.大坝安全监测分析与预报的发展综述［J］.大坝与安全，2002（5）：13－16.

［3］ 王德厚.水利水电工程安全监测理论与实践［M］.武汉：长江出版社，2007.

［4］ 中国大坝协会.100 m以上高拱坝统计资料［Z］.2010.

［5］ 濮久武.徕卡TCA机载大坝变形监测软件的应用［J］.测绘通报，2007（8）：73－74.

［6］ 李雷，张国祥.大坝安全监测系统防雷和接地技术初探［J］.大坝观测与土工测试，2000，24（1）：4－7.

［7］ 方卫华.大坝安全监测自动化系统的防雷研究［J］.水利发电，2001（2）：55－57.

［8］ 方卫华，王润英.大坝安全监测自动化的现状与展望［J］.水利技术监督，2005，8（5）：25－27.