水利枢纽外部变形监测技术研究

万凌翔（广州市水务规划勘测设计研究院，广东广州510000）



水利枢纽外部变形监测技术研究

万凌翔
（广州市水务规划勘测设计研究院，广东广州510000）

水利枢纽属于水利基础设施建设的一种，在抗洪防涝、防旱减灾中发挥着重要作用。水利枢纽设施在长期的使用过程中，建筑外部容易发生变形，会对水利枢纽的安全性产生不良影响，因此水利枢纽工程外部变形监测对维护水利枢纽的使用安全具有重要的意义。本文介绍和分析了各种常规变形监测的技术以及一些新技术的应用，指出了变形监测向一体化、自动化、数字化、智能化发展的方向，对水利枢纽外部变形监测技术进行有效的探究。

水利枢纽；外部变形；监测技术；智能化；数字化

DOI：10.3969 /j.issn.1672-2469.2016.01.026

水利枢纽是集防洪、灌溉、发电和航运等各种功能于一身的综合性工程，在我国经济发展和建设中发挥着重要的作用。正因为如此，实施水利枢纽的安全监测是非常重要的。其中变形监测能直观反映工程运行性态，许多水工建筑物性态出现异常，最初都是通过变形监测值出现异常得到反映的，因此将变形监测项目列为安全监测的首选监测项目。

变形监测的主要内容包括几何量监测和物理量检测，水利枢纽的外部变形监测主要以几何量监测为主，主要监测的内容包括：水平位移、垂直位移、倾斜、挠度、弯曲、扭转、震动、裂缝等。下面就对一些常规的监测项目进行一些介绍和分析。

1 水平位移监测技术

水平位移监测技术又包括很多具体的方法，其中包括激光准直法、视准线法、正倒垂线法、引张线法、前方交汇法以及导线法等等。

1.1 激光准直法

激光具有很多优点，比如方向性强和单色性好等，激光准直法就是充分利用激光的这种优势，建立一条视准线，并将这条线作为基准进行测量。测量时所依据的原理也不同，因此又可以分为衍射法准直和直接准直。衍射法准直所测得精度要比直接准直更高。

衍射法准直的传播介质是不同的，根据传播介质的不同又可以分为真空激光准直和大气激光准直两种。真空激光准直是将激光放在真空管道中，在真空中传播能够减少外界因素的干扰，具有很高的精度，现在已经应用于很多水利枢纽工程中，主要是针对长坝和高坝的变形监测。大气激光准直法是让激光直接在大气中传播，这种方法针对的是小型坝，大气激光准直法很容易受到外界的干扰，所以精度相对较低，也很难实现自动化。但是随着科技的发展，逐渐采用了新的技术，比如CCD技术，该项技术的运用能够消除外界因素的影响，精度提高了很多，也实现了自动化监测，亦被运用到很多工程中。

1.2 视准线法

对于直线型的大坝，这种方法主要是测量水平位移；如果是非直线型的大坝，要采用分段的方法进行测量。视准线法包括两种方法，分别是测小角法和活动觇牌法，前者的精度要比后者高。视准线法具有很大的局限性，它的测量精度较低，很容易受外界环境的影响，不容易实现全自动的监测。但是它的造价很低。为了能够发挥它的作用必须要采取相应的措施，尽量选择像TCA2003自动跟踪全站仪这样精度高的仪器，还要不断改进操作方法和监测技术，全面提高视准线法的自动化监测水平。

1.3 正倒垂线法

正倒垂线法具有很多优点，既能进行水平位移监测，又能对大坝进行挠度监测。为了便于观测大坝各点间的位移、坝基的位移和坝体的挠度，要把正垂线的一端固定在坝顶附近，另外一端要悬挂重锤。倒垂线的处理和正垂线不同，要将倒垂线的一端埋设在大坝的深层基底处，另一端让它浮起来就可以，用来测大坝的绝对位移。

1.4 引张线法

引张线法是在一条不锈钢钢丝的两端施加张力，并保持投影呈直线，这样就能测出被测点和直线的偏距。引张线法是以一条物理直线为基准进行的，其特点是应用较为普遍，受外界环境的影响很小，而且造价很低，测得的精度很高，自动读数要比人工读数的精度更高。

1.5 前方交汇法

前方交汇法用于下游、拱冠等一些不易测量的点位或者观测效率很低的位置，并测量这些位置的水平位移。但是测量会存在误差，导致误差的原因有很多，比如角度、基线的长度、图形的机构以及外界环境的变化等，测量精度相对来说很低，一般在±1mm～±3mm之间，这种测量方法操作起来很复杂，涉及到的计算也很多，都是配合其他测量方法使用，一般不单独使用。

1.6 导线法

导线测量法的应用很广泛，可以对拱坝的水平位移进行监测。但是也有一些缺点，比如量边过程中涉及的工作量很多，受旁折光的影响很大。要避免这些问题，必须要进行合理的布设，尽量设成直伸环形网结构，这样能够提高测量的精度，也能防止旁折光的影响。

2 垂直位移监测技术

垂直位移监测技术主要包括两种方法，一是几何水准法，二是连通管法。

2.1 几何水准法

进行垂直位移监测最常用的方法就是几何水准法，这种方法比较简便，精度也很高。其测量步骤是：首先根据水准基准点分别校测各个工作基点，针对不同的大坝采用不同的水准测量，通常混凝土坝采用一等水准测量，土坝采用二等水准测量；其次是根据工作基点分别测定各变形点。

几何水准法能够满足各方面的需求，需要改进的问题就是实现自动化观测，为了提高工作效率可以采用电子水准仪。

2.2 连通管法

连通管法也叫做流体静力水准法，这种方法是依据连通管的原理进行的。其测量精度很高，也能实现自动化，是进行垂直位移监测普遍使用的方法。但是这种方法也存在一些缺点，因为测点要保持在同一水平，所以测量范围就相对较小，但是随着一些新仪器的使用，其测量范围也逐渐扩大。

3 三维位移监测技术

上述各种监测方法都单独对变形点一个方向上的变化进行测量，而且还存在着周期性较长、测量成果不具备同时性的特点，这样一来也就无法准确观察到水利枢纽周围观测物体的具体变化情况，也就影响了施工人员的具体判断，降低了成果的使用价值。随着科技的进步，越来越多的实际应用中都采取三维位移监测，同时获取变形点的三维位移值。应用较广的技术主要有三个，分别是：极坐标法、全站仪TPS变形监测系统和GPS变形监测系统。

3.1 极坐标法

这种方法采用的是极坐标测量法原理，使用的是具有超高精度的测量仪器。系统的配置也很高，主要由TCA全站仪、精度极高的数字温度计、气压计和APSWin软件等组成。在测量时能够实现自动化，缩短测量时间，能够减少外界环境的影响。基准网的信息具有很强的稳定性，利用这些信息即使不测量气象元素也能够对大气折射和折光进行实施纠正。极坐标差分监测系统主要包括TCA全站仪APSWin软件和MRDiff软件，其配置很高，精度很高，能够准确的获取三维坐标。该系统现在已被运用到多个水利枢纽的变形监测中，并且发挥了很大的作用。

3.2 全站仪TPS变形监测系统

全站仪TPS变形监测系统是集多种监测仪器为一体的监测系统，他不仅可以实现测量的智能化全程控制，还能够自动进行目标的识别、照准、测距以及记录。因为能实现一体化的自动操作，全站仪TPS变形仪器又被叫做测量机器人。在大坝周围环境视野较为开阔的条件下，可以在大坝周围较为稳定的地方设置测量机器人。与此同时，因为全站仪TPS是集多种监测仪器为一体的监测系统，所以在大坝两侧地形较为平整的地方设置基准点以及反射棱镜。这样无需人工看守，只需要一台计算机就可以实现对水利枢纽的监测。然而，在测量当中应该注意的是，因为监测系统采用的

是智能化自动控制，所以在受天气因素影响和周围视野模糊的情况下，全站仪TPS变形监测系统很难得到准确的监测数据，也就影响了水利工程施工工人的准确判断。

3.3 GPS导航系统变形监测系统

GPS变形监测系统能够对一到两千米以内的短基线进行测量，并能够获得极高的精度，可以达到亚毫米级的定位精度。这个系统主要有五个模块组成，分别是数据的采集、处理、分析、管理和总控。通常在水利枢纽建筑物不受变形影响的地方设置GPS基准站，在被监测物上合理布置几个恰当的位移监测点，然后在各点架设GPS接受机进行信号接收的监测，从而确保其能够准确的接收到GPS卫星信号。然后再通过网络技术把各点GPS接受机所接收到的数据传输到中心网络服务器当中，网络服务器根据数据推出位移观测点的空间三维坐标，最后得出观察点的空间三维坐标之差。

该系统有很多优点：具有很高的精度，可以实现连续自动观测。但是也存在一些缺点：第一是观测点必须要对空开阔，对于卫星的要求也是很多的，必须要四个以上；第二是不能得到实时观测数据；第三是成本相对来说很高，观测点增加就要相应增加GPS接收机。

4 新技术的发展

无论是全站仪TPS变形监测系统还是GPS变形监测系统，都给变形监测技术带来了很大的进步，当然他们也有着自身的局限性，但是技术总是在不断革新的。在很多复杂的大型水利工程中，GPS/TPS组合系统也得到了开发和应用，这是一套可靠性极高的综合性自动监测系统，将GPS和TPS优点很好的结合在一起。还有为了解决GPS接收机成本问题而出现的多天线GPS监测系统，通过多个GPS天线与一台GPS接收机连接在一起，并设置天线转换开关逐个切换，来实现分时段接受观测信号，节省了大量的硬件成本。同时还有为了应对GPS系统管理者美国军方的人为控制和干扰，将俄罗斯的GLONASS、欧洲的GALILEO以及我国的北斗等多种卫星导航系统结合到变形观测系统中，给变形监测工作带来了更可靠的保证。

5 结语

综上所述，科技的进步使得水利枢纽外部变形监测技术经历了从手工到自动，从低精度到高精度，从一维到三维的过程。水利枢纽外部变形监测技术包括三种，分别是水平位移监测、纵向位移监测、三维位移监测。每一种监测技术中都容纳了众多的技术，随着智能传感器以及互联网等新技术的发展，我们可以预见，未来的变形监测技术将会具有高精度、高效率、人工智能化等特点，可以更好的为水利枢纽工程的正常运行保驾护航。

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1672-2469（2016）01-0080-02

2015-09-18

万凌翔（1986年—），男，工程师。