萬凌翔（廣州市水務(wù)規(guī)劃勘測設(shè)計(jì)研究院，廣東廣州510000）

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水利樞紐外部變形監(jiān)測技術(shù)研究

萬凌翔
（廣州市水務(wù)規(guī)劃勘測設(shè)計(jì)研究院，廣東廣州510000）

水利樞紐屬于水利基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的一種，在抗洪防澇、防旱減災(zāi)中發(fā)揮著重要作用。水利樞紐設(shè)施在長期的使用過程中，建筑外部容易發(fā)生變形，會(huì)對(duì)水利樞紐的安全性產(chǎn)生不良影響，因此水利樞紐工程外部變形監(jiān)測對(duì)維護(hù)水利樞紐的使用安全具有重要的意義。本文介紹和分析了各種常規(guī)變形監(jiān)測的技術(shù)以及一些新技術(shù)的應(yīng)用，指出了變形監(jiān)測向一體化、自動(dòng)化、數(shù)字化、智能化發(fā)展的方向，對(duì)水利樞紐外部變形監(jiān)測技術(shù)進(jìn)行有效的探究。

水利樞紐；外部變形；監(jiān)測技術(shù)；智能化；數(shù)字化

DOI：10.3969 /j.issn.1672-2469.2016.01.026

水利樞紐是集防洪、灌溉、發(fā)電和航運(yùn)等各種功能于一身的綜合性工程，在我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展和建設(shè)中發(fā)揮著重要的作用。正因?yàn)槿绱?，?shí)施水利樞紐的安全監(jiān)測是非常重要的。其中變形監(jiān)測能直觀反映工程運(yùn)行性態(tài)，許多水工建筑物性態(tài)出現(xiàn)異常，最初都是通過變形監(jiān)測值出現(xiàn)異常得到反映的，因此將變形監(jiān)測項(xiàng)目列為安全監(jiān)測的首選監(jiān)測項(xiàng)目。

變形監(jiān)測的主要內(nèi)容包括幾何量監(jiān)測和物理量檢測，水利樞紐的外部變形監(jiān)測主要以幾何量監(jiān)測為主，主要監(jiān)測的內(nèi)容包括：水平位移、垂直位移、傾斜、撓度、彎曲、扭轉(zhuǎn)、震動(dòng)、裂縫等。下面就對(duì)一些常規(guī)的監(jiān)測項(xiàng)目進(jìn)行一些介紹和分析。

1 水平位移監(jiān)測技術(shù)

水平位移監(jiān)測技術(shù)又包括很多具體的方法，其中包括激光準(zhǔn)直法、視準(zhǔn)線法、正倒垂線法、引張線法、前方交匯法以及導(dǎo)線法等等。

1.1 激光準(zhǔn)直法

激光具有很多優(yōu)點(diǎn)，比如方向性強(qiáng)和單色性好等，激光準(zhǔn)直法就是充分利用激光的這種優(yōu)勢，建立一條視準(zhǔn)線，并將這條線作為基準(zhǔn)進(jìn)行測量。測量時(shí)所依據(jù)的原理也不同，因此又可以分為衍射法準(zhǔn)直和直接準(zhǔn)直。衍射法準(zhǔn)直所測得精度要比直接準(zhǔn)直更高。

衍射法準(zhǔn)直的傳播介質(zhì)是不同的，根據(jù)傳播介質(zhì)的不同又可以分為真空激光準(zhǔn)直和大氣激光準(zhǔn)直兩種。真空激光準(zhǔn)直是將激光放在真空管道中，在真空中傳播能夠減少外界因素的干擾，具有很高的精度，現(xiàn)在已經(jīng)應(yīng)用于很多水利樞紐工程中，主要是針對(duì)長壩和高壩的變形監(jiān)測。大氣激光準(zhǔn)直法是讓激光直接在大氣中傳播，這種方法針對(duì)的是小型壩，大氣激光準(zhǔn)直法很容易受到外界的干擾，所以精度相對(duì)較低，也很難實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。但是隨著科技的發(fā)展，逐漸采用了新的技術(shù)，比如CCD技術(shù)，該項(xiàng)技術(shù)的運(yùn)用能夠消除外界因素的影響，精度提高了很多，也實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化監(jiān)測，亦被運(yùn)用到很多工程中。

1.2 視準(zhǔn)線法

對(duì)于直線型的大壩，這種方法主要是測量水平位移；如果是非直線型的大壩，要采用分段的方法進(jìn)行測量。視準(zhǔn)線法包括兩種方法，分別是測小角法和活動(dòng)覘牌法，前者的精度要比后者高。視準(zhǔn)線法具有很大的局限性，它的測量精度較低，很容易受外界環(huán)境的影響，不容易實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)的監(jiān)測。但是它的造價(jià)很低。為了能夠發(fā)揮它的作用必須要采取相應(yīng)的措施，盡量選擇像TCA2003自動(dòng)跟蹤全站儀這樣精度高的儀器，還要不斷改進(jìn)操作方法和監(jiān)測技術(shù)，全面提高視準(zhǔn)線法的自動(dòng)化監(jiān)測水平。

1.3 正倒垂線法

正倒垂線法具有很多優(yōu)點(diǎn)，既能進(jìn)行水平位移監(jiān)測，又能對(duì)大壩進(jìn)行撓度監(jiān)測。為了便于觀測大壩各點(diǎn)間的位移、壩基的位移和壩體的撓度，要把正垂線的一端固定在壩頂附近，另外一端要懸掛重錘。倒垂線的處理和正垂線不同，要將倒垂線的一端埋設(shè)在大壩的深層基底處，另一端讓它浮起來就可以，用來測大壩的絕對(duì)位移。

1.4 引張線法

引張線法是在一條不銹鋼鋼絲的兩端施加張力，并保持投影呈直線，這樣就能測出被測點(diǎn)和直線的偏距。引張線法是以一條物理直線為基準(zhǔn)進(jìn)行的，其特點(diǎn)是應(yīng)用較為普遍，受外界環(huán)境的影響很小，而且造價(jià)很低，測得的精度很高，自動(dòng)讀數(shù)要比人工讀數(shù)的精度更高。

1.5 前方交匯法

前方交匯法用于下游、拱冠等一些不易測量的點(diǎn)位或者觀測效率很低的位置，并測量這些位置的水平位移。但是測量會(huì)存在誤差，導(dǎo)致誤差的原因有很多，比如角度、基線的長度、圖形的機(jī)構(gòu)以及外界環(huán)境的變化等，測量精度相對(duì)來說很低，一般在±1mm～±3mm之間，這種測量方法操作起來很復(fù)雜，涉及到的計(jì)算也很多，都是配合其他測量方法使用，一般不單獨(dú)使用。

1.6 導(dǎo)線法

導(dǎo)線測量法的應(yīng)用很廣泛，可以對(duì)拱壩的水平位移進(jìn)行監(jiān)測。但是也有一些缺點(diǎn)，比如量邊過程中涉及的工作量很多，受旁折光的影響很大。要避免這些問題，必須要進(jìn)行合理的布設(shè)，盡量設(shè)成直伸環(huán)形網(wǎng)結(jié)構(gòu)，這樣能夠提高測量的精度，也能防止旁折光的影響。

2 垂直位移監(jiān)測技術(shù)

垂直位移監(jiān)測技術(shù)主要包括兩種方法，一是幾何水準(zhǔn)法，二是連通管法。

2.1 幾何水準(zhǔn)法

進(jìn)行垂直位移監(jiān)測最常用的方法就是幾何水準(zhǔn)法，這種方法比較簡便，精度也很高。其測量步驟是：首先根據(jù)水準(zhǔn)基準(zhǔn)點(diǎn)分別校測各個(gè)工作基點(diǎn)，針對(duì)不同的大壩采用不同的水準(zhǔn)測量，通常混凝土壩采用一等水準(zhǔn)測量，土壩采用二等水準(zhǔn)測量；其次是根據(jù)工作基點(diǎn)分別測定各變形點(diǎn)。

幾何水準(zhǔn)法能夠滿足各方面的需求，需要改進(jìn)的問題就是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化觀測，為了提高工作效率可以采用電子水準(zhǔn)儀。

2.2 連通管法

連通管法也叫做流體靜力水準(zhǔn)法，這種方法是依據(jù)連通管的原理進(jìn)行的。其測量精度很高，也能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，是進(jìn)行垂直位移監(jiān)測普遍使用的方法。但是這種方法也存在一些缺點(diǎn)，因?yàn)闇y點(diǎn)要保持在同一水平，所以測量范圍就相對(duì)較小，但是隨著一些新儀器的使用，其測量范圍也逐漸擴(kuò)大。

3 三維位移監(jiān)測技術(shù)

上述各種監(jiān)測方法都單獨(dú)對(duì)變形點(diǎn)一個(gè)方向上的變化進(jìn)行測量，而且還存在著周期性較長、測量成果不具備同時(shí)性的特點(diǎn)，這樣一來也就無法準(zhǔn)確觀察到水利樞紐周圍觀測物體的具體變化情況，也就影響了施工人員的具體判斷，降低了成果的使用價(jià)值。隨著科技的進(jìn)步，越來越多的實(shí)際應(yīng)用中都采取三維位移監(jiān)測，同時(shí)獲取變形點(diǎn)的三維位移值。應(yīng)用較廣的技術(shù)主要有三個(gè)，分別是：極坐標(biāo)法、全站儀TPS變形監(jiān)測系統(tǒng)和GPS變形監(jiān)測系統(tǒng)。

3.1 極坐標(biāo)法

這種方法采用的是極坐標(biāo)測量法原理，使用的是具有超高精度的測量儀器。系統(tǒng)的配置也很高，主要由TCA全站儀、精度極高的數(shù)字溫度計(jì)、氣壓計(jì)和APSWin軟件等組成。在測量時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化，縮短測量時(shí)間，能夠減少外界環(huán)境的影響?；鶞?zhǔn)網(wǎng)的信息具有很強(qiáng)的穩(wěn)定性，利用這些信息即使不測量氣象元素也能夠?qū)Υ髿庹凵浜驼酃膺M(jìn)行實(shí)施糾正。極坐標(biāo)差分監(jiān)測系統(tǒng)主要包括TCA全站儀APSWin軟件和MRDiff軟件，其配置很高，精度很高，能夠準(zhǔn)確的獲取三維坐標(biāo)。該系統(tǒng)現(xiàn)在已被運(yùn)用到多個(gè)水利樞紐的變形監(jiān)測中，并且發(fā)揮了很大的作用。

3.2 全站儀TPS變形監(jiān)測系統(tǒng)

全站儀TPS變形監(jiān)測系統(tǒng)是集多種監(jiān)測儀器為一體的監(jiān)測系統(tǒng)，他不僅可以實(shí)現(xiàn)測量的智能化全程控制，還能夠自動(dòng)進(jìn)行目標(biāo)的識(shí)別、照準(zhǔn)、測距以及記錄。因?yàn)槟軐?shí)現(xiàn)一體化的自動(dòng)操作，全站儀TPS變形儀器又被叫做測量機(jī)器人。在大壩周圍環(huán)境視野較為開闊的條件下，可以在大壩周圍較為穩(wěn)定的地方設(shè)置測量機(jī)器人。與此同時(shí)，因?yàn)槿緝xTPS是集多種監(jiān)測儀器為一體的監(jiān)測系統(tǒng)，所以在大壩兩側(cè)地形較為平整的地方設(shè)置基準(zhǔn)點(diǎn)以及反射棱鏡。這樣無需人工看守，只需要一臺(tái)計(jì)算機(jī)就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)水利樞紐的監(jiān)測。然而，在測量當(dāng)中應(yīng)該注意的是，因?yàn)楸O(jiān)測系統(tǒng)采用的

是智能化自動(dòng)控制，所以在受天氣因素影響和周圍視野模糊的情況下，全站儀TPS變形監(jiān)測系統(tǒng)很難得到準(zhǔn)確的監(jiān)測數(shù)據(jù)，也就影響了水利工程施工工人的準(zhǔn)確判斷。

3.3 GPS導(dǎo)航系統(tǒng)變形監(jiān)測系統(tǒng)

GPS變形監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)σ坏絻汕滓詢?nèi)的短基線進(jìn)行測量，并能夠獲得極高的精度，可以達(dá)到亞毫米級(jí)的定位精度。這個(gè)系統(tǒng)主要有五個(gè)模塊組成，分別是數(shù)據(jù)的采集、處理、分析、管理和總控。通常在水利樞紐建筑物不受變形影響的地方設(shè)置GPS基準(zhǔn)站，在被監(jiān)測物上合理布置幾個(gè)恰當(dāng)?shù)奈灰票O(jiān)測點(diǎn)，然后在各點(diǎn)架設(shè)GPS接受機(jī)進(jìn)行信號(hào)接收的監(jiān)測，從而確保其能夠準(zhǔn)確的接收到GPS衛(wèi)星信號(hào)。然后再通過網(wǎng)絡(luò)技術(shù)把各點(diǎn)GPS接受機(jī)所接收到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)街行木W(wǎng)絡(luò)服務(wù)器當(dāng)中，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器根據(jù)數(shù)據(jù)推出位移觀測點(diǎn)的空間三維坐標(biāo)，最后得出觀察點(diǎn)的空間三維坐標(biāo)之差。

該系統(tǒng)有很多優(yōu)點(diǎn)：具有很高的精度，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)自動(dòng)觀測。但是也存在一些缺點(diǎn)：第一是觀測點(diǎn)必須要對(duì)空開闊，對(duì)于衛(wèi)星的要求也是很多的，必須要四個(gè)以上；第二是不能得到實(shí)時(shí)觀測數(shù)據(jù)；第三是成本相對(duì)來說很高，觀測點(diǎn)增加就要相應(yīng)增加GPS接收機(jī)。

4 新技術(shù)的發(fā)展

無論是全站儀TPS變形監(jiān)測系統(tǒng)還是GPS變形監(jiān)測系統(tǒng)，都給變形監(jiān)測技術(shù)帶來了很大的進(jìn)步，當(dāng)然他們也有著自身的局限性，但是技術(shù)總是在不斷革新的。在很多復(fù)雜的大型水利工程中，GPS/TPS組合系統(tǒng)也得到了開發(fā)和應(yīng)用，這是一套可靠性極高的綜合性自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)，將GPS和TPS優(yōu)點(diǎn)很好的結(jié)合在一起。還有為了解決GPS接收機(jī)成本問題而出現(xiàn)的多天線GPS監(jiān)測系統(tǒng)，通過多個(gè)GPS天線與一臺(tái)GPS接收機(jī)連接在一起，并設(shè)置天線轉(zhuǎn)換開關(guān)逐個(gè)切換，來實(shí)現(xiàn)分時(shí)段接受觀測信號(hào)，節(jié)省了大量的硬件成本。同時(shí)還有為了應(yīng)對(duì)GPS系統(tǒng)管理者美國軍方的人為控制和干擾，將俄羅斯的GLONASS、歐洲的GALILEO以及我國的北斗等多種衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)結(jié)合到變形觀測系統(tǒng)中，給變形監(jiān)測工作帶來了更可靠的保證。

5 結(jié)語

綜上所述，科技的進(jìn)步使得水利樞紐外部變形監(jiān)測技術(shù)經(jīng)歷了從手工到自動(dòng)，從低精度到高精度，從一維到三維的過程。水利樞紐外部變形監(jiān)測技術(shù)包括三種，分別是水平位移監(jiān)測、縱向位移監(jiān)測、三維位移監(jiān)測。每一種監(jiān)測技術(shù)中都容納了眾多的技術(shù)，隨著智能傳感器以及互聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)的發(fā)展，我們可以預(yù)見，未來的變形監(jiān)測技術(shù)將會(huì)具有高精度、高效率、人工智能化等特點(diǎn)，可以更好的為水利樞紐工程的正常運(yùn)行保駕護(hù)航。

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1672-2469（2016）01-0080-02

2015-09-18

萬凌翔（1986年—），男，工程師。