大壩變形監(jiān)測自動化技術(shù)的發(fā)展

1、大壩變形監(jiān)測自動化技術(shù)的最新開展劉智敏桂林工學(xué)院土木工程系摘要近年來,隨著大型大壩建筑的增多和電子計算機技術(shù)、激光技術(shù)、空間技術(shù)等高新科技的應(yīng)用,有力地促進了大壩技術(shù)的開展.本文介紹了當前大壩變形監(jiān)測自動化技術(shù)的國內(nèi)外開展狀況,在幾何學(xué)、物理力學(xué)、計算機仿真學(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)測向一體化、自動化、數(shù)字化、智能化開展的方向.關(guān)鍵詞大壩變形監(jiān)測；一體化；自動化；數(shù)字化；智能化1前言我國的大壩變形監(jiān)測自50年代開始,到80年代末已實現(xiàn)了自動化遙測.90年代后,大壩平安監(jiān)測技術(shù)飛速開展,許多老壩完成了自動化監(jiān)測系統(tǒng)的更新改造,有的新建大壩也設(shè)計了功能更全的高水平監(jiān)測系統(tǒng).

2、其開展過程見表1.目前,大壩變形監(jiān)測自動化已實現(xiàn)了運行變量的數(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)警的計算機限制網(wǎng)絡(luò)化,并在向一體化、自動化、數(shù)字化、智能化方向開展.大地變形監(jiān)測開展一覽表*1開展階段數(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、經(jīng)驗判斷七八十年代光電機被化,激光類儀器開始使用小鵬計算器存鋪數(shù)據(jù)由程扉處理附W的散掘及成圖人機結(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)庫存儲_4數(shù)據(jù)處理軟件進一步優(yōu)化.GIS數(shù)字化成圖開展到三堆由人機結(jié)合向大壩平安評判專家家跣開展2大壩變形監(jiān)測技術(shù)的開展2.1

3、 硬件技術(shù)2.1.1 國內(nèi)大壩變形監(jiān)測技術(shù)近十年來年,隨著我國大型水壩的增多,對大壩平安監(jiān)測系統(tǒng)不斷提出新任務(wù)、新課題和新要求.同時,電子計算機技術(shù)、激光技術(shù)、空間技術(shù)等新科技的開展與應(yīng)用,也有力地促進了大壩觀測技術(shù)的開展.測量自動化的初級實現(xiàn),是近十幾年開展起來的傳感器.它根據(jù)自動限制原理,把被觀測的幾何量長度、角度轉(zhuǎn)換成電量,再與一些必要的測量電路、附件裝置相配合,組成自動測量裝置,從而推動了連續(xù)觀測方法的興起,傳感器也成了自動化觀測必不可缺的重要部件.從外部觀測的靜力水準、正倒錘、激光準直,到內(nèi)部觀測的滲壓計、沉降計、測斜儀、土體應(yīng)變計、上壓計,其自動化遙測都建立在傳感器的根底上.由于用

4、途不同,傳感器有機械式、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.目前運用最多的是電式和磁式傳感器.例如：廣西大化大壩監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用的變形遙測儀器均為差動電容感應(yīng)式,精度為3.10.2mm,結(jié)構(gòu)簡單,可在高濕度環(huán)境下長期可靠地工作1；新豐江大壩變形監(jiān)測設(shè)備采用的是地震研究所研制的EMDS型遙測垂線儀和EMDT型引張線遙測儀,是用磁場差動法測量位移的二維傳感器,它獨到的電路和結(jié)構(gòu)設(shè)計,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、準儀,減少了讀數(shù)和照準誤差,提升了精度.試驗說明,當視線長度為50m時,測站高差中誤差約為M.02mm.而真主管道波帶板激光準直儀可進行三維測量,能在惡劣環(huán)境下進行作業(yè),相對精度達左.右.已在太平哨、飽滿、葛洲壩等電站使用,并實現(xiàn)了自動化觀測.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內(nèi)將GPS應(yīng)用于大壩變形監(jiān)測上網(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)測系統(tǒng)一直平安可靠.抗干擾水平強,監(jiān)測精度高,1小時觀測資料解算的點位水平精度優(yōu)于1mm,垂直精度優(yōu)于1.5mm：6小時GPs觀測資料解算的點位水平精度優(yōu)于0.5mm,垂直精度優(yōu)

6、于1mm.數(shù)據(jù)處理分析及時,反響時間小于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,也成功地實現(xiàn)了洪水錯峰.為防洪減災(zāi)起到重大作用.實踐證實,由于具有全天侯、實時、自動化監(jiān)測等優(yōu)點.GPS可用于大壩的動態(tài)實時位移監(jiān)測.振動頻率測試和平安運營報答系統(tǒng).為了繼續(xù)提升精度.擴大量程,不僅要求硬件的改良更新,還需要軟件解算功能進一步優(yōu)化,對于專業(yè)技術(shù)人員來說,大有用武之地.其他大壩變形監(jiān)測儀器在測程精度、性能及自動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儀器.大期火降監(jiān)窩儀H的技術(shù)指標X2儀器二型號分辨率精度備注液體靜為水準儀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:度測箜儀D.Olnim<±0.ImniOTOrtim耐100%濕度銅音標割量僅CSTO.Oicnm<±(hlinni±15mm耐100%提度測溫儀0.01七<±0匕-10-wrc耐100%濕度2.1.2國外大壩變形監(jiān)測新技術(shù)這里評介凡項值得在我國推廣的國外監(jiān)測新技術(shù)5:CT技術(shù)ComputerizedTomography意譯為計算機層析成像"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線光強的一維投影數(shù)據(jù),運用一定的數(shù)學(xué)方法,通過計算機處理,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)見圖2.該技術(shù)系美國科學(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)已開展應(yīng)用到工業(yè)、地球物理、大壩監(jiān)測等諸多領(lǐng)域.意大利、日本將其應(yīng)用于大壩性態(tài)診斷,有效地進行了大壩平安檢查及工程處理效果驗證.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,推測斷層破碎帶分布,隧道開挖前后巖層松弛的范圍和程度等.筆者認為：CT技術(shù)在壩體的選

9、址、施工和運營期間可以發(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,同時對于大壩的內(nèi)部性態(tài)檢測、缺陷搜索和老化評判都將成為重要依據(jù).對于大壩數(shù)量居世界第一的中國,開展大壩CT技術(shù)會有更廣闊的大地.電滲流熱監(jiān)測技術(shù)根據(jù)低溫和大量滲漏存在著聯(lián)系,溫度測值和抽水試驗所得到的滲透系數(shù)問有很好的負線性相關(guān)系數(shù),可以認為溫度分布圖像可幫助發(fā)現(xiàn)滲漏較嚴重部位,即有效實現(xiàn)滲流異常報答.滲流熱監(jiān)測于1965年由Jeseph.HBirman創(chuàng)造.報告指出：溫度測頭可放置在結(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S.1C.這項技術(shù)在美國、前蘇聯(lián)、瑞典等國己成功應(yīng)用.由于

10、溫度監(jiān)測費用不大,且目前壩體監(jiān)測中大多安置了測溫計,可以數(shù)據(jù)共享.根據(jù)能量守恒方程、質(zhì)量守恒方程、滲流運動方程及初始條件；邊界條件,推導(dǎo)出有關(guān)計算公式,設(shè)計數(shù)據(jù)計算方法及程序后,就可以把溫度測得的數(shù)據(jù)代人,得出定量描述壩及地基中的熱流和滲流場.模擬計算說明,留神墻滲透系數(shù)小于26Xm/s時,壩溫變化幾乎是常數(shù).當超過上值時；可通過分析溫度變化較準確地估計其滲透性.要在我國大壩監(jiān)測中推廣該法,關(guān)鍵在于根據(jù)具體壩況設(shè)計出合理的計算公式和數(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.以激光作載波,光導(dǎo)纖維作傳輸路徑來感應(yīng)、傳輸各種信息.但凡電子儀器能測量的物理量如位移、壓力、流量、液面、溫度等它幾乎都能測量,其靈敏度,對位移達,對溫度達0.01Co在美國、德國、加拿大、奧地利.日本等國已應(yīng)用于裂縫、應(yīng)力、應(yīng)變、振動等觀測.該技術(shù)具有以下幾個優(yōu)點：將傳感和數(shù)據(jù)通道集為一體、便于組成遙測系統(tǒng),實現(xiàn)在線分布式檢測；測量對象廣泛,適于各種物理量的觀測；體積小、重量輕、非電連接、無機械活動件,不影響埋設(shè)點物性；靈敏度高,可遠距測量；耐水性、電絕緣好、耐腐蝕,抗電磁干擾；頻帶寬,有利于超高速測量.所以,適用于壩體的裂縫、應(yīng)力變、

12、水平.垂直位移等測量,可用于監(jiān)測關(guān)鍵部位的壩體形變.尤其可以替代高雷區(qū)、強磁場區(qū)或潮濕地帶的電子儀器.2 .2計算機軟件技術(shù)為了實現(xiàn)大壩變形監(jiān)測系統(tǒng)的一體化.自動化,數(shù)據(jù)采集后,運用了多種數(shù)值計算方法進行數(shù)據(jù)處理和在線分析.近幾年來,為了進一步切合實際而提出對合理模型進行變形監(jiān)測分析的學(xué)術(shù)交流日益活潑：有的將分形分布隨機過程應(yīng)用于三維數(shù)據(jù)內(nèi)插,對復(fù)雜的不規(guī)那么地形、地貌進行定量描述：有的用曲線擬合法對變形沉陷監(jiān)測進行數(shù)據(jù)分析,檢驗其可靠性;有的以多級灰關(guān)聯(lián)評估大壩實測性態(tài)：有的將力學(xué)模型引人大壩平安監(jiān)測系統(tǒng),用三維粘彈塑性理論擬定二級監(jiān)控指標；有的針對大壩結(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)的有限無法是假設(shè)介質(zhì)為連續(xù)的,這與危險建筑物實際狀況有較大出入.基于其平安性研究難以實現(xiàn),于是石氏提出了DDA法.該法可以計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算.但因該法計算過于繁復(fù),模型中斷裂的設(shè)置又不能一次成功,計算方案需要不斷修改,故難以在實際應(yīng)用中推廣.幾年后,我國留日博士后陳光齊配制的TDDAToolOfDDA.以數(shù)值計算方法,利用逐次迭代,不

14、斷調(diào)整模型,使其計算結(jié)果與觀測數(shù)據(jù)到達根本相符時迭代計算終止的方法,解決了這個難題6.這一方法和計算機的配合,就能利用觀測數(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),使所探測的模型受力狀況得以展示,將它用于大壩監(jiān)測上,是對壩況平安性研究的一大進步.將數(shù)據(jù)分析編制為計算機軟件,建立數(shù)據(jù)庫與多媒體系統(tǒng),其總體結(jié)構(gòu)見圖3.進一步增強大壩平安評估專家系統(tǒng)的開發(fā)、研究,這也正是為實現(xiàn)監(jiān)測系統(tǒng)的一體兒,自動化所急待解決的課題.3 多學(xué)科的融合欲實現(xiàn)大壩變形監(jiān)測的一體化、自動化、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,實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集的自

15、動化和實時連續(xù)性,并向科傻型開展.而軟件的變形分析,從獲取幾何信息開展到運用物理力學(xué)信息進行解釋,并結(jié)合了其它交叉學(xué)科見圖4,全面考慮外界相關(guān)因素,擴充大壩平安評估專家系統(tǒng)的知識庫和方法庫,進行壩況研究和平安預(yù)測.回溯機制敷據(jù)采集系統(tǒng)-靛件檢側(cè)人機界囿1方法庠«3大加平安評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計苒技福明4變形分析的金學(xué)料融合圖示4結(jié)語目前,大壩監(jiān)測在國內(nèi)外己快速開展,這里指出幾點應(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,延時預(yù)測結(jié)果,可能導(dǎo)致不良后果.所以及時處理數(shù)據(jù)是關(guān)鍵,并且選擇有效的測試儀器.新舊更換,限制數(shù)據(jù)量.2自動化設(shè)備的有效利用,一方面對自動化觀測數(shù)據(jù)定期通過人工比測檢核,以防設(shè)備失常；另方面對埋設(shè)壩體中或安置于廊道內(nèi)的設(shè)備定期維護、檢修,保證儀器的可靠.3)一體化的平安評判,需要繼續(xù)在監(jiān)控模型,報警指標,評估規(guī)程等技術(shù)問題上進行攻關(guān),同時,編制為應(yīng)用軟件