自动化技术在大坝变形监测中的应用研究

2018-02-15宋智全

江西建材 2018年13期

宋智全

(中国水利水电第八工程局有限公司,湖南长沙 410004)

大坝具有灌溉水源、改善航运条件、减少河口泥沙淤积,保护河口环境的作用,推动着各区域建设发展。现如今,大坝类型逐渐增多,怎样做好大坝变形监测得到了重视。对此,应用自动化技术能够精准的进行大坝监测、定位,确保检测点准确度,值得进一步推广应用。

1 自动化技术在大坝监测的作用影响

现如今,我国水利工程设施达到数十万座,成为人们生活、经济建设、生态环境发展的重要组成部分有着重要作用。但受地质条件、环境因素制约,大坝在应用时经常发生变形,严重影响了大坝的使用,尤其是下游地区群众,威胁着人们的生命财产安全。通过对大坝变形原因分析发现,地震、滑坡、泥石流、设计问题等都会引起大坝变形；同时在长期使用时不加以维修、防护也会加速大坝变形,受到水力侵蚀导致钢筋暴露降低大坝稳固性。现阶段,自动化检测技术处于发展阶段,安全监测设备自动化程度有待提升,将其应用在大坝变形监测中有助于保证监测结果的准确性与有效性,便于制定适合的维护管理方案从而保证大坝安全。

2 自动化技术在大坝变形监测中的应用

2.1 全站仪变形监测应用

全站仪监测是一种常见的检测技术,它利用传统的变形监测,周期性的测量角度、距离、高差等量,利用交会法、极坐标方法等展开变形监测。全站仪短边三角高程监测取缔了水准测量,测量结果准确性更高。这种监测技术具有经济投入少、操作简便、方便信息分析的特点,但投入的人力资源教导、监测时间过长且容易受恶劣环境影响仅适合对部分点位的监测。近几年,继自动全站仪后出现了智能化监测技术,测量参数可以精确到0.5s,测站局部坐标系统测量可以精准至毫米级。

第一,全站仪自动化设计。自动全站仪、控制中心、数据处理软件、棱镜组是全站仪自动化监测重要组成部分。其中,棱镜位置设计需凸显结构体变形的特征点,同时保护棱镜。通常全站仪选择稳固的工作基点中,便于对特征点的监测。设备接入控制中心,结合控制中心数据系统自主搜集数据,并且可以分析庞大的数据信息。第二,机器人自动化监测应用。首先,监测方法。机器人可以自主搜集目标,无论是在地下还是弱光条件下都可以正常运行,自主记录、防止人为计算偏差。观测过程中需确定基准点,两点之间设置一条导线并得出区间控制点坐标。用相同的方法测量平面监测点的坐标,将坐标参数作为测量初始参数。观测选择轴线法,基准线作为控制电线,一侧控制点观察其他点并得出所需数据。其次,机器人的操作。测量机器人适用于边坡、地表位移监测、桥梁施工监测、变形监测、隧道的变形监测中。其中,边坡由于地质环境、人为影响导致边坡滑坡、坍塌、泥石流等存在较大危险隐患。对此,利用测量机器人可以对边坡状态及时测量,从而避免危险事故发生。测量机器人应用在建筑主体中具有监测准确、效率高的特点,能够避免人为偏差。应用在地下隧道监测中可以将监测的信息传输到控制器,随后计算隧道断面收敛状态从而掌握隧道变形状态,保证隧道安全。测量机器人实现了自动化、智能化、高精准性,与其他技术配合能够得到理想的效果。此外,测量机器人还可以用在航天、汽车、造船等不同领域。

2.2 三维激光扫描监测

伴随着三维激光扫描技术应用的广泛开展,现阶段国外已经研发了扫描仪,扫描的点密度更大、可以准确至微米级、无需点云网格化。存在的不足为：模型数据量过大、适合应用小型建筑。三维激光扫描测量技术原理为：利用扫描点云数据得到总面域数据信息,多应用在地质灾害检测中。其组成为；机箱、电源、激光扫描仪、三脚架,综合了激光扫描系统、摄像系统、内控校正系统。现阶段,激光测距系统可以分为相位测距、脉冲测距、激光三角,脉冲测距属于高速激光测距技术,应用较多。具体监测方法为：发射激光发射高速的脉冲信号至被检测的物体,激光信号被取样获得主脉冲波激光。激光探测指的是把激光回波信号转为电信号,回波信号与扫描镜、聚光镜搜集获得。测站点和被测点间距检测是通过激光测距系统激光发射、接收时间差得出,光束水平角度与竖直角度以匀速旋转的反射镜根据角速度发射激光。搜集过程中的坐标系统是仪器坐标系,通过扫描系统与激光测距系统作用得出三维坐标。

2.3 GPS监测的应用

GPS适合应用于复杂的地质条件中,通过卫星信号得到被检测点的具体位置,而且不会受到通视条件影响,只要使用无限通讯技术就能达到远距离监测。该项技术集成了自动化检测、通讯、计算机等技术。其主要作用分别为：实时显示子系统则是对各监测点数据的显示。数据处理子系统是整个系统的关键,提取RENIX格式信息并得到不同监测点的位置。数据采集系统连接硬件终端与数据处理,主要功能是GPS数据接收并解码为标准的RENIX格式,保存在计算机系统为GPS解算单元提供依据。GPS终端硬件进行GPS信息搜集、整合、传输,是基础的子系统。分析与预警子系统,该系统能够对形变量超出阈值的监测点预警。数据库管理子系统是对监测结果的保存,便于用户查找。

第一,静态测量方法。将3台以上的GPS接收机放置于观测点一同观测,通过连接的形式构网,选择软件结算基线,通过平差得到被监测点的三维坐标。GPS基准网采取静态测量方法,具有准确性高的优势,并且适合应用在坡体变形监测中。测量方法为：将2台GPS接收机放在基准点中,其他接收机在监测位置移动,大约观测6-15min得到三维坐标。然后,结合计算的三维坐标变化量分析变形。如果基准点与监测点间距在3km内,监测准确度根据：水平位移±3-±5mm,垂直位移±5-±8mm。第二,动态测量。该种方法是将其中一台GPS接收机固定,其他接收机在另一个基点观察5min,确保卫星持续跟踪不失锁,在滑坡体停留5-10s,将搜集的数据信息进行处理,准确度约1-2cm。这种方法结合载波相位观测为核心的差分GPS测量技术。第三,GPS形变检测。利用GPS在滑坡体上创建监测网络,实时的监控滑坡体变形状态与外部影响。然后,通过计算机、网络通信技术结算数据,比较获得的滑坡三维位移信息。

2.4 光纤变形监测

光纤变形监测主要通过光参数变化实现测量,有着较强的抗干扰性、偏差小。光纤是该项技术重要组成部分,具有较强的感应力并支持信息传输,兼容分布式测量。现阶段,该项监测技术得到了广泛应用,将其应用在大坝变形监测中可以利用光纤反射搜集光信号、监测大坝形变度,未来发展前景广阔。

2.5 计算机软件技术

自动化数据搜集综合了不同数值计算方法实现数据处理。现如今,各种对合理模型的变形监测学术交流越来越多,一些人将分形分布随机过程运用在三维数据中,分析复杂地质环境、地理条件。另一些人以多级的灰关联评估大坝实测形态。以数值计算方法,利用逐次迭代,不断调整模型,使其计算结果与观测数据达到基本相符时迭代计算终止的方法,解决了这个难题。这一方法和计算机的配合,就能利用观测数据的控制,以不断调整模型中断裂设置和受力状态,使所探测的模型受力状况得以展示,将它用于大坝监测上,是对坝况安全性研究的一大进步。将数据分析编制为计算机软件,建立数据库与多媒体系统,进一步加强大坝安全评估专家系统的开发、研究,这也正是为实现监测系统的一体儿,自动化所急待解决的课题。