大坝外部变形监测技术现状与发展趋势

梁航

摘 要：在大坝的安全检测系统中，大坝外部变形监测技术是重要的一个组成部分，它直接决定了大坝的外部质量。当前大坝外部变形监测技术的主要监测方向是水平、垂直、三维位移监测，在各种监测方向中使用的方法为：水平位移监测中的视准线法、引张线法、激光准直法、正倒垂线法、精密导线法和前方交会法；垂直位移监测中的几何水准法、流体静力水准法；三维位移监测中的极坐标法、距离交会法和GPS法。本文针对当前大坝外部变形监测技术的各种监测方法进行分析，并阐述了大坝外部变形监测技术的发展趋势。

关键词：大坝外部变形；变形监测；垂直位移；水平位移；三维位移；自动检测系统

中图分类号：TV698.1+1 文献标识码：A 文章编号：1004-7344（2018）30-0186-02

1 前 言

大坝外部变形监测作为大坝的安全监测系统的重要组成部分，其监测方法多样，监测要求复杂，每种监测方法都要满足国家规定的监测精度要求，这对大坝外部变形监测带来了不小的挑战，但国家要求的规范仅是安全要求下的最低精度值，依然不能满足大坝的高端要求，所以在实际工作中，必须对大坝外部变形监测提出更高的精度要求。

2 当前大坝外部变形监测技术现状

在当前时代，大坝外部变形监测技术已经得到长足发展，监测方法得到丰富，针对各种位移都有着多种监测手段；同时监测精度也得到了大幅提升，从原本的满足国家规定中的精准度要求提高到了实践操作中更高甚至无法察觉的精度，可以说我国大坝的外部变形监测技术已经走在了世界先进行列。随着信息化社会的发展，未来发展应当向信息化、自动化靠拢，实现人力的解放和精度的提升。

3 水平位移监测

本段将对水平位移监测使用的视准线等六种监测方法进行介绍。

3.1 视准线法

视准线法主要应用于直线型大坝的水平位移监测中，其主要特点是成本低，使用要求低，但是难以实现观测自动化，同时对外界影响的纠正性差，难以保证观测精度。提高视准线法的精度方式主要有操作方法优化和观测技术改进，以及观测仪器的升级。

3.2 引张线法

引张线法的主要特点为成本低，精度高，且在人工读取下的精度同样优秀；对外界影响的纠正性好，应用面广，且对自动化的结合效果优秀。例如最新的引张线测量设备通过新型的CMOS感光元件，能够在保证高感光度的情况下实现夜晚的精准自动读数，量程仅有3～5cm，同时能够将精度提高到0.2mm以内的偏差。

3.3 激光准直法

激光准直法中分为大气激光准直和真空激光准直两种，其中大气激光准直的要求是坝长<300m，坝高低于50m的大坝。其由于大气折射的原因，测量精度相对真空激光准直精准度来说较低，且不易实现自动化监测，但目前已经通过CMOS感光元件实现了光斑抖动问题的解决，同时实现了一定程度的监测自动化，也提高了检测的精度；而真空激光准直法的精度可以达到1×10-8，一方面可以对双向位移的大型水坝进行全面监测，另一方面也可以对长度高度相对较低的大坝进行精确检测。为了提高应用面，可以通过真空激光转角的技术方式实现曲线大坝的监测。

3.4 正倒垂线法

正倒垂线法的应用范围非常广泛，一方面可以实现大坝的水平和垂直变形监测，另一方面也可以实现混凝土坝挠度的监测。目前的正倒垂线观测仪使用CMOS传感器和PLC，实现了读数与观测的自动化，且精度已经达到了±0.01mm，观测效率极佳。

3.5 精密导线法

精密导线法的应用面较为广泛，但是监测过程较为繁琐，且容易受到旁折光影响，导致角度观测不准确。所以针对这种问题，可以将导线布置成环形网的造型，通过狭长三角形的边长和高来测量角度，从而提高角度观测的精度。精密导线法的测量精度与量边精度有着很大关系，如果通过高级测距仪进行量边，能够有效提高监测精度。

3.6 前方交会法

前方交会法可以对观测效率低、觀测难度大、观测环境难以进入的情况进行监测，可以有效解决以上监测问题，，但由于监测环境较为恶劣，同时自身容易受测角侧边结果误差的影响，其精度浮动较大，难以保证很高的精准度。而且由于前方交会法的工作量和计算量都很大，所以一般将其作为辅助监测方式，与其他主流监测方式进行配合使用。

4 垂直位移监测

4.1 几何水准法

几何水准法作为当前垂直位移监测最常用的方法，其精度提升和监测自动化都已经成功实现，通过单片机为核心的自动采样水准仪已经成功应用在几何水准法中，且监测精度已经达到了±0.1mm左右，大幅提高了监测效率的水平。

4.2 流体静力水准法

流体静力水准法的原理是通过连通管的变动进行数据测量，近年来由于流体静力水准法与自动化的结合，使用通过压力传感器对液压进行数据收集并自动计算出垂直位移的仪器，大幅提高了测量精度和自动化水平，同时提高了流体静力水准法的适用范围。

5 三维位移监测

三维位移监测与以上两种二维位移监测方法不同，以上两种传统的二维监测方法是通过水平与垂直位移监测方式进行分离监测，无法实现同时同地的统一性，难以保证完全精准，也降低了数据的可信度，且常规的二维位移监测方法由于天生的技术缺陷，无法实现大坝外部变形的实时监控和记录。三维位移监测能够在同一时间进行大坝的立体位移监测，且能够实现大坝的连续位移监测，已经逐渐取代二维位移监测的地位，大量出现在大坝的监测工作中，三维位移监测法主要分为极坐标、距离交汇和GPS法。

5.1 极坐标法

极坐标法的工作方式是通过高精度自动化测量机器人进行全自动作业，例如莱卡TCR系列免棱镜全站仪，可以通过全自动化对目标通过极坐标原理进行自动记录和测量，并保证精度测角和测距的精准度，同时保证精度两秒的数值。其全站仪需要配合外界辅助设备和软件，例如APSWIN和数位温度计等。目前基于极坐标法的监测仪器已经广泛运用于地铁隧道等施工的位移监测中，且由于其免棱镜和差分率极低等特点，能够满足各工程领域的监测精度要求。

5.2 距离交会法

距离交会法的原理是由两个已知控制点作为圆心，以两个控制点与目标点之间的距离作为半径进行分别画圆，两个圆的交汇点便是要求目标点。这种检测方法成功的在五强溪大坝的监测中取得了有效成就。但由于其标称精度容易受大气折射和照准误差影响，经常导致精度不足，难以满足大坝监测过程的精准度要求，所以应当针对三维坐标技术对距离交会法进行改进，并利用自动化技术排除大气误差，保证测量精度。

5.3 GPS法

GPS法是由武汉测绘科技大学研究的一种三维位移监测方式，曾经应用于隔河岩水坝的监测工作。GPS监测过程需要对空通视，但GPS监测的效率与精度极高。GPS监测的方式主要通过GPS观测得到的数据进行处理与采集，并针对持续收集的信息进行分析，得出水平与垂直位移的数值。GPS的数据传输量极大，所以在普通大坝的GPS观测法中往往通过局域网进行数据传输以降低传输数据所需资金。

6 大坝外部变形监测技术发展趋势

未来大坝外部变形监测技术的发展趋势将会是自动化，智能化，信息化，精准化。即在变形信息监测中无需人工过多操作，监测设备可以通过自身的智能化监测系统对目标进行持续的高精度监测并通过信息网络将大坝的监控数据进行实时上传，让控制台可以随时得到大坝的监测数据。根据目前我国大坝外部变形监测的技术水平，这一目标可行性很大。

7 结束语

大坝外部变形监测技术在多年的发展中逐渐形成了自动化，立体化的监测体系，未来也将形成全面的自动化、智能化、信息化监测体系，为大坝和其他行业的安全与监测水平起到重大作用。

参考文献

[1]李红连，黄丁发，陈宪东.大坝变形监测的研究现状与发展趋势[J].中国农村水利水电，2006（02）.

[2]胡友健，梁新美，许成功.论GPS变形监测技术的现状与发展趋势[J].测绘科学，2006（05）.

收稿日期：2018-9-19

作者简介：梁 航（1989-），男，贵州遵义人，助理工程师，从事大坝监测工作。