大坝变形监测技术探析

摘要：近年来，我国水电事业飞速发展，如何确保水电站的安全稳定运行成为目前各大水电站研究的重要课题。在水电站中，对大坝安全进行实时监测是保障其经济效益和人民安全的重要手段，而变形监测在大坝安全监测体系中又起着尤为重要的作用。

关键词：大坝测量；变形监测；水平位移

1 引言

大坝安全监测（Safety Monitoring of Dams）是通过仪器观测和巡视检查对大坝坝体、坝基、坝肩、近坝区岸坡及坝周围环境所作的测量和观察。大坝变形监测是大坝安全监测的重要组成部分，它是利用仪器通过一定的观测手段量测出某点某一时刻的位置与起始位置的变化量，包括大坝、电站厂房、溢洪道等水工建筑物的变形监测、基岩和滑坡体变形监测以及现场巡视检查等。将这些观测资料进行综合分析比较，可以直观地反映大坝的工作状态。由于大坝变形监测在监视大坝安全运行方面发挥着重要作用，所以越来越受到水利水电工作者的重视。

2 大坝变形监测的研究现状和发展趋势

2.1 大坝变形监测发展现状

大坝安全监测是伴随水利水电工程的迅速发展而发展起来的一门涉及电子、光学、传感器、统计学等多个学科的系统工程。它的发展主要经历了两个阶段： 第一个阶段为原型观测阶段（1891 年～1964 年）。观测水平只停留在对大坝原型中设置的观测仪器进行现场测量，从而获得一些可以反映大坝结构状态的参数值，原型监测的重点是检查设计，改进坝工理论。原型观测阶段的典型代表国家主要有德国和澳大利亚的大坝位移观测，美国的温度观测、扬压力观测、应力及应变观测等。在此阶段我国的大坝观测才刚刚起步，观测仪器以进口为主，发展相对落后。

第二个阶段为大坝安全监测阶段（1965 年至今）。由于大坝失事造成了严重的后果，人们逐步将大坝安全运行作为主要目的，专业名词也由“观测”发展为“监测”。尤其是近 20 多年来，不仅将安全监测走上正轨而且自动化监测技术飞速发展。国外的大坝安全自动化监测始于上世纪 60 年代末，日本率先将监测数据采集的自动化应用于三座大坝；70 年代后期，意大利实现了模拟计算机和遥测垂线仪的变形监测；80 年代初，美国和澳大利亚在多个大坝上引入了数据自动化采集系统。我国在自动化监测技术研究方面也不甘落后，上世纪 80 年代中后期，第一批自动化监测项目正式实施，但是由于采集系统在稳定性、兼容性等方面存在很多问题，项目被迫中断。随着电子技术的不断发展，我国认真总结经验教训，大胆创新，终于在 90 年代中后期有了突破性进展。目前，我国监测自动化系统不论在稳定性、兼容性还是适应性方面都位于世界前列。与此同时，国家各个部门也制定了相关制度，以保障和推进我国大坝安全监测的发展。

2.2 大坝变形监测发展趋势

随着技术的发展和人们对大坝安全认识的深入，监测设计的理念也日新月异。从原型观测到自动化监测，从人工巡视的仪器监测到智能化的自动化监控系统，从静态点式观测到动态的分布式观测，人们对大坝安全监测的精度和自动化的要求越来越高。同时，监测仪器自动化采集系统和资料处理分析技术也得到了快速的发展。监测仪器的应用开始出现了多元化的格局，一些差动变压器、电容式、电感式监测仪器、振弦式监测仪器以及其他各种类型的仪器得到了广泛的应用，并在多个大坝的安全保障领域取得了显著的成效。这些都为大坝安全监测技术的快速发展积累了经验、奠定了基础。

虽然大坝安全监测技术得到了空前的发展，但对于保证大坝的安全高效运行需求还有很大的发展空间，尤其是近年来巨型大坝的相继开工建设，给安全监测技术领域提出了新的挑战。如何加强大坝安全监测系统的实时性、无人化、自我诊断能力、预警预报能力以及提高监测设备的精度和稳定性都成为研究的重要课题。

3.大坝变形监测主要技术

3.1大坝水平位移监测技术

大坝的水平位移具有范围大、持续变形、量值小（混凝土坝 mm 级，土石坝cm 级）的特点。监测方法主要有引张线监测法、视准线监测法、激光准直监测法、交会监测法、卫星定位法以及导线法等。

3.1.1引张线监测法

引张线法适用于一般坝体和坝基，主要由固定在岸边基点的引张钢丝和固定在坝体上的测量标尺与设备组成。大坝上设有若干观测点，测点与读数设备、坝体相连，因此测点随坝体变形而移动。通过测定“不变”的引张线钢丝与“变形”的大坝坝体之间的位移变化来反映坝体的变形。该方法成本较低、操作简单、读数直观，但是对环境要求高且标尺的选择与测量精度密切相关。

3.1.2视准线监测法

视准线监测法在大坝两端埋设固定的工作基点，在两个固定工作基点上架设经纬仪，两个基点的连线构成视准线，但其固定不动的“线”为经纬仪的“光线”。因此该监测方法的监测距离不能太大且极易受环境的影响，监测成本较高，自动化程度低，只能适用于监测直线型且较短的坝体。

3.1.3激光准直监测法

激光准直监测法分为大气激光准直监测和真空激光准直监测两种，其监测原理与视准线监测法基本相同。它用激光束代替了经纬仪的人工瞄准，激光发散性小，可以为测量提供一条看得见摸不着的“直线”，而激光在真空中衰减慢，可以长距离传播，测量距离更长，适用于坝体较长时使用。但是激光容易受大气气流等的影响，测量精度不高，不易实现自动化监测。

3.1.4交会监测法及导线监测法

交会监测法和导线法一般使用较高精度的仪器如全站仪、测距仪等观测坝体上位移观测点的角度，进行边角网平差，适用于拱坝等不能通视情况下的测量。该方法的工作量大、测量精度受图形结构、测角误差、基线长度和环境条件等因素的影响，测量精度较低且这两种方法一般不单独使用，需要配合其他方法或者作为备用手段使用。

3.1.5卫星定位法

卫星定位法通常在大坝两岸建立 GPS 基准点，在坝体上合理分布有若干监测点并在各点安装 GPS 接收机进行卫星信号的接收，通过网络传输将数据传至接收中心进行数据分析。该方法成本较高，监测范围太大导致监测精度不高。 通过论述可知，在上述水平位移监测方法中引张线监测法实用性最高，应用最为广泛，如何进一步提高大坝水平位移的测量精度已经成为当今研究的重要课题。

4 结语

大坝的安全状态随着负荷作用、自然因素等的影响随时都发生变化，一旦出现的变化超过正常运行许可，就有可能对人民生命和财产安全造成威胁，同时限制水资源合理利用，降低经济效益。通过对大坝进行监测，可以掌握表征大坝运行状态的各项重要指标，及时解除安全隐患，从而保证大坝安全、高效、稳定运行。

参考文献：

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