大壩變形監(jiān)測(cè)自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展

1、大壩變形監(jiān)測(cè)自動(dòng)化技術(shù)的最新開(kāi)展劉智敏桂林工學(xué)院土木工程系摘要近年來(lái),隨著大型大壩建筑的增多和電子計(jì)算機(jī)技術(shù)、激光技術(shù)、空間技術(shù)等高新科技的應(yīng)用,有力地促進(jìn)了大壩技術(shù)的開(kāi)展.本文介紹了當(dāng)前大壩變形監(jiān)測(cè)自動(dòng)化技術(shù)的國(guó)內(nèi)外開(kāi)展?fàn)顩r,在幾何學(xué)、物理力學(xué)、計(jì)算機(jī)仿真學(xué)等多學(xué)科、多領(lǐng)域的融合、滲透下,提出了大壩變形監(jiān)測(cè)向一體化、自動(dòng)化、數(shù)字化、智能化開(kāi)展的方向.關(guān)鍵詞大壩變形監(jiān)測(cè)；一體化；自動(dòng)化；數(shù)字化；智能化1前言我國(guó)的大壩變形監(jiān)測(cè)自50年代開(kāi)始,到80年代末已實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化遙測(cè).90年代后,大壩平安監(jiān)測(cè)技術(shù)飛速開(kāi)展,許多老壩完成了自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的更新改造,有的新建大壩也設(shè)計(jì)了功能更全的高水平監(jiān)測(cè)系統(tǒng).

2、其開(kāi)展過(guò)程見(jiàn)表1.目前,大壩變形監(jiān)測(cè)自動(dòng)化已實(shí)現(xiàn)了運(yùn)行變量的數(shù)據(jù)采集與傳輸、數(shù)據(jù)治理、在線分析、綜合成圖、成果預(yù)警的計(jì)算機(jī)限制網(wǎng)絡(luò)化,并在向一體化、自動(dòng)化、數(shù)字化、智能化方向開(kāi)展.大地變形監(jiān)測(cè)開(kāi)展一覽表*1開(kāi)展階段數(shù)據(jù)聚集及存和方式數(shù)據(jù)處理及成8方式?jīng)Q策分析五六十年代光學(xué)、機(jī)械儀器一手工記錄手算及筒單限看手繪圖形以專業(yè)知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)判斷七八十年代光電機(jī)被化,激光類儀器開(kāi)始使用小鵬計(jì)算器存鋪數(shù)據(jù)由程扉處理附W的散掘及成圖人機(jī)結(jié)合九十年代傳感器,電子、激光類設(shè)備,3S的應(yīng)用散據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)_4數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)一步優(yōu)化.GIS數(shù)字化成圖開(kāi)展到三堆由人機(jī)結(jié)合向大壩平安評(píng)判專家家跣開(kāi)展2大壩變形監(jiān)測(cè)技術(shù)的開(kāi)展2.1

3、 硬件技術(shù)2.1.1 國(guó)內(nèi)大壩變形監(jiān)測(cè)技術(shù)近十年來(lái)年,隨著我國(guó)大型水壩的增多,對(duì)大壩平安監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不斷提出新任務(wù)、新課題和新要求.同時(shí),電子計(jì)算機(jī)技術(shù)、激光技術(shù)、空間技術(shù)等新科技的開(kāi)展與應(yīng)用,也有力地促進(jìn)了大壩觀測(cè)技術(shù)的開(kāi)展.測(cè)量自動(dòng)化的初級(jí)實(shí)現(xiàn),是近十幾年開(kāi)展起來(lái)的傳感器.它根據(jù)自動(dòng)限制原理,把被觀測(cè)的幾何量長(zhǎng)度、角度轉(zhuǎn)換成電量,再與一些必要的測(cè)量電路、附件裝置相配合,組成自動(dòng)測(cè)量裝置,從而推動(dòng)了連續(xù)觀測(cè)方法的興起,傳感器也成了自動(dòng)化觀測(cè)必不可缺的重要部件.從外部觀測(cè)的靜力水準(zhǔn)、正倒錘、激光準(zhǔn)直,到內(nèi)部觀測(cè)的滲壓計(jì)、沉降計(jì)、測(cè)斜儀、土體應(yīng)變計(jì)、上壓計(jì),其自動(dòng)化遙測(cè)都建立在傳感器的根底上.由于用

4、途不同,傳感器有機(jī)械式、光敏式、電式又分為電壓式、電容式、電感式等幾種形式,精度也各不相同.目前運(yùn)用最多的是電式和磁式傳感器.例如：廣西大化大壩監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用的變形遙測(cè)儀器均為差動(dòng)電容感應(yīng)式,精度為3.10.2mm,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,可在高濕度環(huán)境下長(zhǎng)期可靠地工作1；新豐江大壩變形監(jiān)測(cè)設(shè)備采用的是地震研究所研制的EMDS型遙測(cè)垂線儀和EMDT型引張線遙測(cè)儀,是用磁場(chǎng)差動(dòng)法測(cè)量位移的二維傳感器,它獨(dú)到的電路和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),使儀器具有良好的線性度、極小的橫向位移影響.且抗磁、防雷、耐潮,有極好的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和可靠性2.激光技術(shù)和GPS的使用,提升了探測(cè)的靈敏度,減少了作業(yè)的條件限制,克服了一定的外界干擾.激光用水

5、準(zhǔn)儀,減少了讀數(shù)和照準(zhǔn)誤差,提升了精度.試驗(yàn)說(shuō)明,當(dāng)視線長(zhǎng)度為50m時(shí),測(cè)站高差中誤差約為M.02mm.而真主管道波帶板激光準(zhǔn)直儀可進(jìn)行三維測(cè)量,能在惡劣環(huán)境下進(jìn)行作業(yè),相對(duì)精度達(dá)左.右.已在太平哨、飽滿、葛洲壩等電站使用,并實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化觀測(cè).隨著GPS衛(wèi)星定位技術(shù)的日趨成熟,隔河巖大壩率先在國(guó)內(nèi)將GPS應(yīng)用于大壩變形監(jiān)測(cè)上網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1.值得一提的是,在1998年8月大壩蓄水至150年一遇的校核洪水水位期間,GPS監(jiān)測(cè)系統(tǒng)一直平安可靠.抗干擾水平強(qiáng),監(jiān)測(cè)精度高,1小時(shí)觀測(cè)資料解算的點(diǎn)位水平精度優(yōu)于1mm,垂直精度優(yōu)于1.5mm：6小時(shí)GPs觀測(cè)資料解算的點(diǎn)位水平精度優(yōu)于0.5mm,垂直精度優(yōu)

6、于1mm.數(shù)據(jù)處理分析及時(shí),反響時(shí)間小于15分鐘,能夠快速反映大壩在超高蓄水下的三維變形.不僅保證了大壩的平安,也成功地實(shí)現(xiàn)了洪水錯(cuò)峰.為防洪減災(zāi)起到重大作用.實(shí)踐證實(shí),由于具有全天侯、實(shí)時(shí)、自動(dòng)化監(jiān)測(cè)等優(yōu)點(diǎn).GPS可用于大壩的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)位移監(jiān)測(cè).振動(dòng)頻率測(cè)試和平安運(yùn)營(yíng)報(bào)答系統(tǒng).為了繼續(xù)提升精度.擴(kuò)大量程,不僅要求硬件的改良更新,還需要軟件解算功能進(jìn)一步優(yōu)化,對(duì)于專業(yè)技術(shù)人員來(lái)說(shuō),大有用武之地.其他大壩變形監(jiān)測(cè)儀器在測(cè)程精度、性能及自動(dòng)化水平上也有了很大提升.表24為武漢地震研究所研制的局部?jī)x器.大期火降監(jiān)窩儀H的技術(shù)指標(biāo)X2儀器二型號(hào)分辨率精度備注液體靜為水準(zhǔn)儀JSY0.01mmY1mm士15

7、mm第im%濕度垂線鵠at儀EMN-SO.Qlnvn<立0.Lwu120mRn耐滲漏住SY7C+0.3mm土2(K)mn)酎100%濕:度測(cè)箜儀D.Olnim<±0.ImniOTOrtim耐100%濕度銅音標(biāo)割量?jī)HCSTO.Oicnm<±(hlinni±15mm耐100%提度測(cè)溫儀0.01七<±0匕-10-wrc耐100%濕度2.1.2國(guó)外大壩變形監(jiān)測(cè)新技術(shù)這里評(píng)介凡項(xiàng)值得在我國(guó)推廣的國(guó)外監(jiān)測(cè)新技術(shù)5:CT技術(shù)ComputerizedTomography意譯為計(jì)算機(jī)層析成像"這是在不破壞物體結(jié)構(gòu)的前提下,根據(jù)在物體周邊所

8、獲取的某種物理量如波速、X線光強(qiáng)的一維投影數(shù)據(jù),運(yùn)用一定的數(shù)學(xué)方法,通過(guò)計(jì)算機(jī)處理,重建物體特定層面上的二維圖像以及依據(jù)一系列上述二維圖像而構(gòu)成三維圖像的一門技術(shù)其組成結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2.該技術(shù)系美國(guó)科學(xué)家Hounsfield于1971年所研制,率先用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域.近十多年,該技術(shù)已開(kāi)展應(yīng)用到工業(yè)、地球物理、大壩監(jiān)測(cè)等諸多領(lǐng)域.意大利、日本將其應(yīng)用于大壩性態(tài)診斷,有效地進(jìn)行了大壩平安檢查及工程處理效果驗(yàn)證.由于大壩CT技術(shù)能夠定量地反映出大壩內(nèi)部材料性質(zhì)的分布情況和缺陷部位,得出三維結(jié)構(gòu)圖,所以應(yīng)用其以掌握壩址地質(zhì)構(gòu)造,推測(cè)斷層破碎帶分布,隧道開(kāi)挖前后巖層松弛的范圍和程度等.筆者認(rèn)為：CT技術(shù)在壩體的選

9、址、施工和運(yùn)營(yíng)期間可以發(fā)揮重大作用,既減少了儀器設(shè)備的復(fù)雜性,又提升了大壩的平安度,同時(shí)對(duì)于大壩的內(nèi)部性態(tài)檢測(cè)、缺陷搜索和老化評(píng)判都將成為重要依據(jù).對(duì)于大壩數(shù)量居世界第一的中國(guó),開(kāi)展大壩CT技術(shù)會(huì)有更廣闊的大地.電滲流熱監(jiān)測(cè)技術(shù)根據(jù)低溫和大量滲漏存在著聯(lián)系,溫度測(cè)值和抽水試驗(yàn)所得到的滲透系數(shù)問(wèn)有很好的負(fù)線性相關(guān)系數(shù),可以認(rèn)為溫度分布圖像可幫助發(fā)現(xiàn)滲漏較嚴(yán)重部位,即有效實(shí)現(xiàn)滲流異常報(bào)答.滲流熱監(jiān)測(cè)于1965年由Jeseph.HBirman創(chuàng)造.報(bào)告指出：溫度測(cè)頭可放置在結(jié)構(gòu)物或地下一定深度只受氣溫年變化影響而下受氣溫短期變化影響處,精度達(dá)S.1C.這項(xiàng)技術(shù)在美國(guó)、前蘇聯(lián)、瑞典等國(guó)己成功應(yīng)用.由于

10、溫度監(jiān)測(cè)費(fèi)用不大,且目前壩體監(jiān)測(cè)中大多安置了測(cè)溫計(jì),可以數(shù)據(jù)共享.根據(jù)能量守恒方程、質(zhì)量守恒方程、滲流運(yùn)動(dòng)方程及初始條件；邊界條件,推導(dǎo)出有關(guān)計(jì)算公式,設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)計(jì)算方法及程序后,就可以把溫度測(cè)得的數(shù)據(jù)代人,得出定量描述壩及地基中的熱流和滲流場(chǎng).模擬計(jì)算說(shuō)明,留神墻滲透系數(shù)小于26Xm/s時(shí),壩溫變化幾乎是常數(shù).當(dāng)超過(guò)上值時(shí)；可通過(guò)分析溫度變化較準(zhǔn)確地估計(jì)其滲透性.要在我國(guó)大壩監(jiān)測(cè)中推廣該法,關(guān)鍵在于根據(jù)具體壩況設(shè)計(jì)出合理的計(jì)算公式和數(shù)據(jù)處理程序軟件.光纖傳感技術(shù)光導(dǎo)纖維是以不同折射率的石英玻璃包層及石英玻璃細(xì)芯組合而成的一種新型纖維.它使光線的傳播以全反射的形式進(jìn)行,能將光和圖像曲折傳遞到所需

11、要的任意空間.具有通信容量大,速度快,抗電磁干擾等優(yōu)點(diǎn).以激光作載波,光導(dǎo)纖維作傳輸路徑來(lái)感應(yīng)、傳輸各種信息.但凡電子儀器能測(cè)量的物理量如位移、壓力、流量、液面、溫度等它幾乎都能測(cè)量,其靈敏度,對(duì)位移達(dá),對(duì)溫度達(dá)0.01Co在美國(guó)、德國(guó)、加拿大、奧地利.日本等國(guó)已應(yīng)用于裂縫、應(yīng)力、應(yīng)變、振動(dòng)等觀測(cè).該技術(shù)具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：將傳感和數(shù)據(jù)通道集為一體、便于組成遙測(cè)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)在線分布式檢測(cè)；測(cè)量對(duì)象廣泛,適于各種物理量的觀測(cè)；體積小、重量輕、非電連接、無(wú)機(jī)械活動(dòng)件,不影響埋設(shè)點(diǎn)物性；靈敏度高,可遠(yuǎn)距測(cè)量；耐水性、電絕緣好、耐腐蝕,抗電磁干擾；頻帶寬,有利于超高速測(cè)量.所以,適用于壩體的裂縫、應(yīng)力變、

12、水平.垂直位移等測(cè)量,可用于監(jiān)測(cè)關(guān)鍵部位的壩體形變.尤其可以替代高雷區(qū)、強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)或潮濕地帶的電子儀器.2 .2計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)為了實(shí)現(xiàn)大壩變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的一體化.自動(dòng)化,數(shù)據(jù)采集后,運(yùn)用了多種數(shù)值計(jì)算方法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和在線分析.近幾年來(lái),為了進(jìn)一步切合實(shí)際而提出對(duì)合理模型進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)分析的學(xué)術(shù)交流日益活潑：有的將分形分布隨機(jī)過(guò)程應(yīng)用于三維數(shù)據(jù)內(nèi)插,對(duì)復(fù)雜的不規(guī)那么地形、地貌進(jìn)行定量描述：有的用曲線擬合法對(duì)變形沉陷監(jiān)測(cè)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,檢驗(yàn)其可靠性;有的以多級(jí)灰關(guān)聯(lián)評(píng)估大壩實(shí)測(cè)性態(tài)：有的將力學(xué)模型引人大壩平安監(jiān)測(cè)系統(tǒng),用三維粘彈塑性理論擬定二級(jí)監(jiān)控指標(biāo)；有的針對(duì)大壩結(jié)構(gòu)和地質(zhì)條件復(fù)雜,荷載種類多,將專家

13、系統(tǒng)與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合,成功地應(yīng)用于混凝上面板支墩壩的疑點(diǎn)物理成因分析,等等.特別要提及的是：美籍華人科學(xué)家石耿華的非連續(xù)形變分析法DDA法,英譯為DiscontinuousDeformationAnalysis.傳統(tǒng)的有限無(wú)法是假設(shè)介質(zhì)為連續(xù)的,這與危險(xiǎn)建筑物實(shí)際狀況有較大出入.基于其平安性研究難以實(shí)現(xiàn),于是石氏提出了DDA法.該法可以計(jì)算模型中具有多條斷裂的情況,以重積分解決復(fù)雜模型受力后的形變計(jì)算.但因該法計(jì)算過(guò)于繁復(fù),模型中斷裂的設(shè)置又不能一次成功,計(jì)算方案需要不斷修改,故難以在實(shí)際應(yīng)用中推廣.幾年后,我國(guó)留日博士后陳光齊配制的TDDAToolOfDDA.以數(shù)值計(jì)算方法,利用逐次迭代,不

14、斷調(diào)整模型,使其計(jì)算結(jié)果與觀測(cè)數(shù)據(jù)到達(dá)根本相符時(shí)迭代計(jì)算終止的方法,解決了這個(gè)難題6.這一方法和計(jì)算機(jī)的配合,就能利用觀測(cè)數(shù)據(jù)的限制,以不斷調(diào)整模型中斷裂設(shè)置和受力狀態(tài),使所探測(cè)的模型受力狀況得以展示,將它用于大壩監(jiān)測(cè)上,是對(duì)壩況平安性研究的一大進(jìn)步.將數(shù)據(jù)分析編制為計(jì)算機(jī)軟件,建立數(shù)據(jù)庫(kù)與多媒體系統(tǒng),其總體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3.進(jìn)一步增強(qiáng)大壩平安評(píng)估專家系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)、研究,這也正是為實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的一體兒,自動(dòng)化所急待解決的課題.3 多學(xué)科的融合欲實(shí)現(xiàn)大壩變形監(jiān)測(cè)的一體化、自動(dòng)化、數(shù)字化和智能化,須有多學(xué)科的融合和滲透.變形監(jiān)惻的硬件技術(shù)的開(kāi)展與精密儀器學(xué)、電子傳感技術(shù)、通訊技術(shù)相聯(lián)系,實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集的自

15、動(dòng)化和實(shí)時(shí)連續(xù)性,并向科傻型開(kāi)展.而軟件的變形分析,從獲取幾何信息開(kāi)展到運(yùn)用物理力學(xué)信息進(jìn)行解釋,并結(jié)合了其它交叉學(xué)科見(jiàn)圖4,全面考慮外界相關(guān)因素,擴(kuò)充大壩平安評(píng)估專家系統(tǒng)的知識(shí)庫(kù)和方法庫(kù),進(jìn)行壩況研究和平安預(yù)測(cè).回溯機(jī)制敷據(jù)采集系統(tǒng)-靛件檢側(cè)人機(jī)界囿1方法庠«3大加平安評(píng)判寺我系既超體第將I-4WE.|«»物理力學(xué),材修學(xué)迎凱學(xué)T士力學(xué)福醫(yī)學(xué)葩芬砒I水五學(xué)巴象率««AT虢中閡讖分行租分監(jiān)I計(jì)苒技福明4變形分析的金學(xué)料融合圖示4結(jié)語(yǔ)目前,大壩監(jiān)測(cè)在國(guó)內(nèi)外己快速開(kāi)展,這里指出幾點(diǎn)應(yīng)值得注意:1由于多學(xué)科綜合分析以提升平安度,可能造成儀器增多、數(shù)據(jù)量增大、使數(shù)據(jù)分析加大工作量,延時(shí)預(yù)測(cè)結(jié)果,可能導(dǎo)致不良后果.所以及時(shí)處理數(shù)據(jù)是關(guān)鍵,并且選擇有效的測(cè)試儀器.新舊更換,限制數(shù)據(jù)量.2自動(dòng)化設(shè)備的有效利用,一方面對(duì)自動(dòng)化觀測(cè)數(shù)據(jù)定期通過(guò)人工比測(cè)檢核,以防設(shè)備失常；另方面對(duì)埋設(shè)壩體中或安置于廊道內(nèi)的設(shè)備定期維護(hù)、檢修,保證儀器的可靠.3)一體化的平安評(píng)判,需要繼續(xù)在監(jiān)控模型,報(bào)警指標(biāo),評(píng)估規(guī)程等技術(shù)問(wèn)題上進(jìn)行攻關(guān),同時(shí),編制為應(yīng)用軟件