徐忠陽(yáng)
（索佳公司北京代表處）
一、引言
有關(guān)資料標(biāo)明，我國(guó)河川年徑流量總量約2780Gm3，水能資源十分豐富，其中理論蘊(yùn)藏量為676GW，可開(kāi)發(fā)為378GW，為世界第一位。為了充分利用這些水利和水能資源，新中國(guó)剛成立時(shí)，政府就十分注意興修水利，造福人類，到目前已建水庫(kù)堤壩約8.7萬(wàn)座，其中絕大部分（約8萬(wàn)座）建于20世紀(jì)50～70年代。但是，由于歷史原因，有相當(dāng)部分水庫(kù)堤壩未按基本程序辦事，是靠群眾運(yùn)動(dòng)建造的，因此存在工程質(zhì)量差、安全隱患多的問(wèn)題。經(jīng)過(guò)幾十年的運(yùn)行，已經(jīng)到了病險(xiǎn)高發(fā)期。
水利工程即可以造福人類，如管理不善也會(huì)給社會(huì)帶來(lái)慘重災(zāi)難和巨大的經(jīng)濟(jì)損失。歷史上因水庫(kù)潰壩給下游造成的毀滅性災(zāi)難并不鮮見(jiàn)。因此加強(qiáng)水庫(kù)大壩的安全管理必不可少，其中大壩變形監(jiān)測(cè)就是大壩安全管理的重要內(nèi)容之一。
二、目前水庫(kù)大壩變形監(jiān)測(cè)的主要技術(shù)手段
目前，在大壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范中，主要有《土石壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》和《混泥土壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》。
1、土石壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)簡(jiǎn)介
在《土石壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》中，把大壩的變形監(jiān)測(cè)內(nèi)容分為：表面變形、內(nèi)部變形、裂縫及接縫、混泥土面板變形及岸坡位移。
大壩表面變形監(jiān)測(cè)主要分為豎向位移監(jiān)測(cè)和水平位移監(jiān)測(cè)。
（1）豎向位移監(jiān)測(cè)的方法主要是精密水準(zhǔn)法，或連通管（靜力水準(zhǔn)）法；
（2）水平位移又分為橫向（垂直壩軸線）位移和縱向（平行于壩軸線）位移。
a.橫向位移的監(jiān)測(cè)方法主要是視準(zhǔn)線法（活動(dòng)標(biāo)法、小角法、大氣激光準(zhǔn)直法等）；有必要且有條件時(shí)，可用三角網(wǎng)前方交會(huì)法觀測(cè)增設(shè)工作基點(diǎn)（或位移測(cè)點(diǎn)）的橫向水平位移。
b.縱向水平位移觀測(cè)，一般用因鋼尺測(cè)量，或用普通鋼尺加改正系數(shù)，有條件時(shí)可用光電測(cè)距儀測(cè)量。
（3）混泥土面板變形及岸坡位移監(jiān)測(cè)的技術(shù)方法與大壩表面變形監(jiān)測(cè)基本相同。
2、混泥土壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)簡(jiǎn)介
《混泥土壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》規(guī)定：變形監(jiān)測(cè)項(xiàng)目主要有壩體變形、裂縫、接縫以及壩基變形、滑坡體及高邊坡的位移等。
（1）壩體、壩基、滑坡體及高邊坡的水平位移監(jiān)測(cè)
a.重力壩或支墩壩壩體和壩基水平位移一般采用引張線法、真空激光準(zhǔn)直法和垂線法監(jiān)測(cè)。對(duì)于短壩，條件有利時(shí)也可用視準(zhǔn)線法或大氣激光準(zhǔn)直法。
b.拱壩壩體和壩基水平位移宜采用垂線監(jiān)測(cè)。若交會(huì)邊長(zhǎng)較短、交會(huì)角較好，壩體水平位移可采用測(cè)邊或測(cè)角交會(huì)法監(jiān)測(cè)。
c.近壩區(qū)巖體、高邊坡和滑坡體的水平位移，采用邊角網(wǎng)、視準(zhǔn)線法和交會(huì)法監(jiān)測(cè)。
d.觀測(cè)近壩區(qū)巖體、高邊坡或滑坡體的水平位移時(shí)，基準(zhǔn)點(diǎn)和工作基點(diǎn)應(yīng)盡量組成邊角網(wǎng)。
（2）壩體、壩基、滑坡體及高邊坡的垂直位移監(jiān)測(cè)
a.壩體、壩基的垂直位移監(jiān)測(cè)，一般用精密水準(zhǔn)法、連通管法（即流體靜力水準(zhǔn)法）和真空激光系統(tǒng)
b.滑坡體及高邊坡的垂直位移監(jiān)測(cè)，一般用精密水準(zhǔn)法，也可用三角高程法測(cè)定。
3、大壩內(nèi)部變形監(jiān)測(cè)自動(dòng)化技術(shù)簡(jiǎn)介
（1）大壩水平位移監(jiān)測(cè)
傳統(tǒng)的大壩水平位移監(jiān)測(cè)通常采用經(jīng)緯儀三角測(cè)量或視準(zhǔn)測(cè)量的方法。因混泥土大壩的變形量相對(duì)較小，監(jiān)測(cè)精度要求較高，因此近一、二十年來(lái)，傳統(tǒng)方法逐漸被垂線、引張線所取代，并在人工觀測(cè)的基礎(chǔ)上向自動(dòng)化方向發(fā)展。現(xiàn)在使用較多的是步進(jìn)電機(jī)式、光電式、感應(yīng)式和激光等自動(dòng)遙測(cè)傳感器設(shè)備。
（2）大壩垂直位移監(jiān)測(cè)
大壩垂直位移監(jiān)測(cè)通常采用人工的光學(xué)水準(zhǔn)測(cè)量方法。近年來(lái)為了滿足大壩管理部門自動(dòng)化遙測(cè)的需求，出現(xiàn)了靜力水準(zhǔn)遙測(cè)技術(shù)。我國(guó)研制的差動(dòng)變壓器式和電容式等靜力水準(zhǔn)裝置在許多大壩中得到了應(yīng)用。
三、大壩表面變形自動(dòng)化監(jiān)測(cè)新技術(shù)
在中國(guó)，絕大多數(shù)的水庫(kù)大壩為土石壩（約占90%）。一般來(lái)講，土石壩的變形量相對(duì)較大，對(duì)變形監(jiān)測(cè)的精度也相對(duì)較低，而引張線、垂線和靜力水準(zhǔn)等方法的量程有限。因此在土石壩的表面變形監(jiān)測(cè)中，大都繼續(xù)采用視準(zhǔn)線法（活動(dòng)標(biāo)法、小角法）和人工水準(zhǔn)測(cè)量法進(jìn)行水平位移和垂直位移監(jiān)測(cè)。這些方法原理相對(duì)簡(jiǎn)單，設(shè)備費(fèi)用也較低，但都不是自動(dòng)化監(jiān)測(cè)。
對(duì)于中、大型的混泥土大壩，在壩區(qū)較大范圍內(nèi)還需建立平面和高程監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)網(wǎng)；部分拱壩壩體、滑坡體及高邊坡等位移點(diǎn)仍大都采用邊、角交會(huì)實(shí)現(xiàn)平面位移監(jiān)測(cè)，采用三角高程實(shí)現(xiàn)垂直位移監(jiān)測(cè)。這些方面也正是混泥土大壩實(shí)現(xiàn)全面自動(dòng)化監(jiān)測(cè)的瓶頸。
隨著自動(dòng)化全站儀（測(cè)量機(jī)器人）、GPS、計(jì)算機(jī)軟件和通信技術(shù)的發(fā)展，突破大壩（特別是土石壩）表面變形監(jiān)測(cè)自動(dòng)化的技術(shù)手段已成為可能。如目前市場(chǎng)上比較流行的“流動(dòng)式半自動(dòng)化變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”和“固定式全自動(dòng)化變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”。
1、流動(dòng)式半自動(dòng)變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)
流動(dòng)式半自動(dòng)化變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)一方面可用于基點(diǎn)和工作基點(diǎn)三角網(wǎng)的邊角觀測(cè)；另一方面還可在基點(diǎn)或工作基點(diǎn)上對(duì)變形點(diǎn)進(jìn)行邊角交會(huì)測(cè)量。由于自動(dòng)化全站儀在機(jī)載軟件的控制下，可實(shí)現(xiàn)對(duì)棱鏡目標(biāo)的自動(dòng)識(shí)別與照準(zhǔn)，因此測(cè)站工作實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化觀測(cè)、記錄與限差檢核。但因多站觀測(cè)，需要人工在有關(guān)的網(wǎng)點(diǎn)（基點(diǎn)或工作基點(diǎn)）之間搬動(dòng)儀器。因此，此系統(tǒng)應(yīng)用的特點(diǎn)是監(jiān)測(cè)方案?jìng)鹘y(tǒng)成熟，但使用的設(shè)備是現(xiàn)代化的。該系統(tǒng)的軟硬件主要配置如下：
（1）硬件配置：
1臺(tái)NET05或NET1自動(dòng)化全站儀、若干單棱鏡組（根據(jù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位數(shù)量而定）及其它附件
（2）軟件配置：
a.NET05、NET1全站儀機(jī)載軟件，或PDA、PC機(jī)版專業(yè)軟件，用于變形監(jiān)測(cè)過(guò)程中的基準(zhǔn)網(wǎng)點(diǎn)、位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)的自動(dòng)化觀測(cè)。軟件功能滿足中國(guó)現(xiàn)行規(guī)范的要求。
b.在PC機(jī)上運(yùn)行的變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)后處理平差軟件。主要用于測(cè)前基準(zhǔn)網(wǎng)的精度估計(jì)、測(cè)后的觀測(cè)數(shù)據(jù)平差處理、基點(diǎn)（工作基點(diǎn)）的穩(wěn)定性分析、變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變形計(jì)算與分析等。
流動(dòng)式半自動(dòng)化變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案成熟，設(shè)備先進(jìn)，已在國(guó)內(nèi)許多大型水電大壩的變形監(jiān)測(cè)中發(fā)揮了很好的作用。
2、固定式全自動(dòng)變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)
與流動(dòng)式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不同，固定式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的最大特點(diǎn)是測(cè)量設(shè)備（NET05、NET1等自動(dòng)化全站儀）固定在基點(diǎn)（工作基點(diǎn)）或位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)上，需要時(shí)建有防護(hù)作用的觀測(cè)房；測(cè)量設(shè)備通過(guò)通信系統(tǒng)與遠(yuǎn)方的控制計(jì)算機(jī)相聯(lián)，在計(jì)算機(jī)軟件的控制下實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控化的全自動(dòng)化變形監(jiān)測(cè)。
如上圖所示，固定式全自動(dòng)變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主要配置為：
（1）硬件配置：1臺(tái)或多臺(tái)監(jiān)測(cè)設(shè)備（主要是自動(dòng)化全站儀）、若干單棱鏡組（根據(jù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位數(shù)量而定）及其它附件、監(jiān)測(cè)儀器供電設(shè)備、監(jiān)測(cè)儀器與計(jì)算機(jī)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信設(shè)備、監(jiān)測(cè)設(shè)備觀測(cè)站房等。
（2）軟件配置：
AutoMoS變形自動(dòng)化監(jiān)測(cè)軟件。主要功能為配置管理NET05/NET1自動(dòng)化全站儀等測(cè)量設(shè)備，實(shí)現(xiàn)限差檢核，系統(tǒng)運(yùn)行消息輸出，變形量分析等。
