田俊生，高明忠

(1.四川大唐國際甘孜水電開發(fā)有限公司，四川康定626001;2.四川大學(xué)水利水電學(xué)院，四川成都610065)

新中國成立以來，水利水電工程事業(yè)快速發(fā)展，尤其是在改革開放之后，在短短幾十年間，水電建設(shè)事業(yè)已取得巨大成就，建設(shè)的水電工程數(shù)量越來越多，工程規(guī)模也越來越大。隨著近年來各種高壩的建設(shè)，如今的中國已躋身世界水電大國之列。在“十二五”規(guī)劃綱要中，水電資源成為需要積極發(fā)展的能源種類。國內(nèi)的水資源稟賦、水電開發(fā)利用程度以及節(jié)能減排要求等因素，共同決定了“十二五”期間大力發(fā)展水電。水利水電建設(shè)事業(yè)的發(fā)展必然引導(dǎo)水電站或水庫大壩運(yùn)行管理技術(shù)的發(fā)展。隨著工程規(guī)模的不斷提升，大壩的安全運(yùn)行將會(huì)越來越復(fù)雜，對(duì)大壩管理提出的要求也會(huì)更多，所需達(dá)到的標(biāo)準(zhǔn)也會(huì)更高。因此，為了確保水利水電工程高效而可靠地運(yùn)行，大壩的安全監(jiān)測(cè)及其自動(dòng)化就顯得越來越重要。目前，國家相關(guān)部門已將大壩安全監(jiān)測(cè)工作提上日程。

大壩安全監(jiān)測(cè)有三大環(huán)節(jié)，分別為數(shù)據(jù)量測(cè)、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)分析。利用現(xiàn)代信息技術(shù)中的傳感器技術(shù)、通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，這三大環(huán)節(jié)分別構(gòu)成了安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的“感官”、“神經(jīng)”和“頭腦”。隨著大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)自動(dòng)化程度的不斷提高以及其復(fù)雜性的日趨增加，對(duì)安全監(jiān)測(cè)儀器的精度、可靠性和響應(yīng)的要求也越來越高?？梢赃@么說，如果“感官”出了毛病，給出的信息失真了，那么，“神經(jīng)“所傳送的信息其本身就是錯(cuò)誤的，無論再聰明的“頭腦”也無能為力。由此可知，在大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)量測(cè)環(huán)節(jié)是大壩安全評(píng)價(jià)系統(tǒng)的根基，做好數(shù)據(jù)的量測(cè)工作具有重要意義。而數(shù)據(jù)的量測(cè)是通過各類安全監(jiān)測(cè)設(shè)備實(shí)現(xiàn)的，高效穩(wěn)定的安全監(jiān)測(cè)儀器將會(huì)為數(shù)據(jù)量測(cè)環(huán)節(jié)提供有力的保障。

筆者在對(duì)國內(nèi)大壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化設(shè)備、儀器調(diào)查研究的基礎(chǔ)上，著重研究了土石壩變形、滲流、壓力(應(yīng)力)、應(yīng)變、溫度及環(huán)境量等安全監(jiān)測(cè)項(xiàng)目中所使用的新設(shè)備、新技術(shù)，對(duì)各類儀器的工作原理、技術(shù)特點(diǎn)、布設(shè)要點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)闡述，從大壩安全監(jiān)測(cè)儀器、設(shè)備發(fā)展角度出發(fā)，探究了土石壩的安全監(jiān)測(cè)技術(shù)。最后，闡明了土石壩安全監(jiān)測(cè)儀器設(shè)備選擇和布設(shè)的基本依據(jù)以及需要注意的一些問題，對(duì)當(dāng)代大壩安全技術(shù)的發(fā)展提出了一些建議和展望，為今后水電站大壩安全監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)提供了一定的依據(jù)。

1 大壩安全監(jiān)測(cè)的重要意義

大壩建造在復(fù)雜的水文地質(zhì)和工程地質(zhì)環(huán)境中，運(yùn)行中的大壩不僅承受著巨大的水壓力和溫度等環(huán)境荷載，有時(shí)還會(huì)受到地震荷載的沖擊，工作條件極為復(fù)雜。同時(shí)，由于材料性能、施工過程中造成的人為影響等因素，隨著使用年限的增長(zhǎng)，大壩也會(huì)出現(xiàn)不同程度的老化、病變和裂縫等問題。這些缺陷或隱患若不能及時(shí)被診斷發(fā)現(xiàn)并解決，將隨時(shí)可能影響到大壩的安全運(yùn)行，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)造成災(zāi)難性事故。目前，國內(nèi)已建成大壩8.6萬多座，其中大部分是20世紀(jì)50～60年代修建的中小型土石壩，這些大壩或沒有布設(shè)安全監(jiān)測(cè)設(shè)備，或設(shè)備儀器落后，其病害十分嚴(yán)重。此外，隨著時(shí)間流逝，一些早年布置了監(jiān)測(cè)設(shè)備的大壩也出現(xiàn)了老化和安全問題。大壩安全監(jiān)測(cè)問題已不容忽視，令人欣慰的是:近年來已得到國家的高度重視。

造成大壩失事的原因很多，主要有:(1)壩體泄水能力不足或遭遇超標(biāo)準(zhǔn)的洪水;(2)壩體質(zhì)量和基礎(chǔ)存在問題;(3)其他運(yùn)行管理方面引發(fā)的問題。土石壩失事的主要原因是滲透破壞和壩坡失穩(wěn)，表現(xiàn)為壩體滲漏、壩基滲漏、塌坑、管涌、流土及滑坡等現(xiàn)象。據(jù)統(tǒng)計(jì)［1］，在失事大壩中，僅有35%是由于其自身泄洪能力不足，也就是勘測(cè)設(shè)計(jì)中存在洪水計(jì)算和防洪能力方面的問題;大部分大壩失事仍是由于其他工程原因或運(yùn)行管理問題造成的，而這些問題卻是可以通過加強(qiáng)安全監(jiān)測(cè)及早發(fā)現(xiàn)問題并及時(shí)處理解決的。因此，建設(shè)和完善大壩安全監(jiān)測(cè)設(shè)施重要且必需。

2 大壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)現(xiàn)狀

大壩安全監(jiān)測(cè)是近幾十年才發(fā)展起來的一門新興的邊緣技術(shù)學(xué)科。在20世紀(jì)70年代之前，大壩安全監(jiān)測(cè)被稱為大壩原型觀測(cè)，即是在大壩原型中設(shè)置觀測(cè)儀器進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，以期獲得一些能夠反映大壩結(jié)構(gòu)性態(tài)變化的特征量。對(duì)大壩的安全進(jìn)行監(jiān)測(cè)最早始于19世紀(jì)末，1891年，德國的埃施巴赫重力壩進(jìn)行了變形觀測(cè)［2］。20世紀(jì)初，澳大利亞的巴倫杰克溪薄拱壩和瑞士的孟薩溫斯拱壩進(jìn)行了撓度觀測(cè)，孟薩溫斯拱壩壩體還埋設(shè)了壓阻式儀器;美國新澤西州的波頓重力壩進(jìn)行了溫度觀測(cè)。這些監(jiān)測(cè)最初主要是為了研究大壩的實(shí)際變形、溫度及應(yīng)力狀態(tài)，用來驗(yàn)證大壩的設(shè)計(jì)計(jì)算方法，從而改進(jìn)壩工理論，發(fā)展壩工技術(shù)，其后才真正成為大壩安全管理的手段。自此之后，法國、德國等國家先后研制出了振弦式儀器，利用測(cè)量?jī)x器中的鋼弦自振頻率，將所對(duì)應(yīng)的大壩應(yīng)力、應(yīng)變、滲流壓力等物理量計(jì)算出來。與此同時(shí)，美國還開發(fā)研制出了差動(dòng)電阻式儀器，并在許多國家得到了廣泛應(yīng)用。

伴隨著20世紀(jì)30～70年代世界各國的筑壩高潮，大壩失事事件也時(shí)有發(fā)生。其中，知名的有法國Malpasset雙曲拱壩(最大壩高66.5 m)于1959年12月2日在蓄水期因左岸基礎(chǔ)滑動(dòng)而潰壩;意大利Vajont雙曲高拱壩(最大壩高261.5 m)于1963年10月9日因庫岸滑坡造成漫頂，水庫廢棄;美國Teton土壩(最大壩高91.5 m)于1976年6月5日因壩基管涌而潰決。大壩失事造成的巨大災(zāi)害引起了國際社會(huì)的高度重視，各國政府相繼建立和加強(qiáng)了大壩安全管理機(jī)構(gòu)，并且頒布了有關(guān)法令法規(guī)，大壩觀測(cè)也由最初的主要為設(shè)計(jì)、施工、科研等技術(shù)服務(wù)的輔助項(xiàng)目而發(fā)展成為監(jiān)視大壩安全運(yùn)行這一涉及社會(huì)公共安全的重要事業(yè)。20世紀(jì)70年代以來，各國均致力于發(fā)展大壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)，各類新型監(jiān)測(cè)設(shè)備大量涌現(xiàn)，大壩安全監(jiān)控的理論和方法也得到了不斷完善［3］。隨著現(xiàn)代科技的進(jìn)步，大壩安全監(jiān)測(cè)事業(yè)正在經(jīng)歷著一個(gè)前所未有的發(fā)展時(shí)期。

與國際上大壩安全監(jiān)測(cè)的發(fā)展進(jìn)程相類似，中國從20世紀(jì)50年代開始了大壩原型觀測(cè)的研究和應(yīng)用，也經(jīng)歷了一個(gè)從注重大壩的微觀觀測(cè)到關(guān)注宏觀監(jiān)測(cè)的發(fā)展過程。當(dāng)時(shí)，國內(nèi)剛剛開始的大壩觀測(cè)工作正處于國際社會(huì)加強(qiáng)大壩性態(tài)研究的高潮時(shí)期，因而很自然地把工作重點(diǎn)放在了內(nèi)部觀測(cè)方面。例如:20世紀(jì)50年代，國內(nèi)開始在永定河上的官廳水庫和淮河上的南灣、薄山等大型水庫大壩上進(jìn)行了水平位移、垂直沉降和浸潤(rùn)線等項(xiàng)目的觀測(cè);其后，在豐滿、佛子嶺、梅山水電站以及上猶江、流溪河等水庫大壩上安裝了溫度、應(yīng)變計(jì)等監(jiān)測(cè)儀器;20世紀(jì)60年代后期，開始對(duì)一些大型水庫大壩進(jìn)行滲流、滲流量、滲水濁度、波浪、傾斜、撓度、揚(yáng)壓力、拉裂縫和應(yīng)力應(yīng)變以及水位、雨量等項(xiàng)目的觀測(cè)。到20世紀(jì)80年代，在各種會(huì)議和學(xué)術(shù)期刊的論文中，論述大壩變形、滲流、滲壓的文章已占絕大多數(shù)，同時(shí)，量測(cè)大壩變形、滲流、滲壓的儀器設(shè)備的研制也有了長(zhǎng)足的發(fā)展。經(jīng)過多年的努力，如今，國內(nèi)主要安全監(jiān)測(cè)設(shè)備的研制及其工藝水平也取得了極大的進(jìn)步，一些高、精、尖的技術(shù)和先進(jìn)的儀器、設(shè)備已應(yīng)用到了大壩安全監(jiān)測(cè)工作中，例如基礎(chǔ)的巖層電測(cè)、光纖傳感、電荷耦合元件(CCD)、全球定位系統(tǒng)(GPS)、大壩CT［4］和滲流熱監(jiān)測(cè)等技術(shù)，為大壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展提供了有力的保障。

但是，國內(nèi)土石壩安全監(jiān)測(cè)的自動(dòng)化滯后于混凝土壩。除20世紀(jì)90年代后期的小浪底堆石壩由國外公司承包施工，布置了一些進(jìn)口儀器設(shè)備以外，安裝國內(nèi)設(shè)備并由國內(nèi)實(shí)施的土石壩工程則是21世紀(jì)初新疆烏魯瓦提水利樞紐工程的管理自動(dòng)化，其首次系統(tǒng)地實(shí)施了土石壩的安全監(jiān)測(cè)管理自動(dòng)化。此后，隨著土石壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化設(shè)備的逐漸完善，結(jié)合混凝土壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化的成功經(jīng)驗(yàn)，土石壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展的速度不斷加快。目前，新建的大型土石壩工程在設(shè)計(jì)時(shí)就已按自動(dòng)化的方式進(jìn)行布置，并從施工階段就已開始陸續(xù)實(shí)施自動(dòng)化監(jiān)測(cè)。而今，土石壩安全監(jiān)測(cè)的自動(dòng)化程度及其水平已同混凝土壩相當(dāng)了。

3 土石壩安全監(jiān)測(cè)項(xiàng)目

對(duì)大壩的安全狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的主要目的有:(1)了解大壩在運(yùn)行期間的安全狀況，及時(shí)準(zhǔn)確地收集大壩安全監(jiān)測(cè)資料，可為評(píng)估大壩工作性態(tài)提供科學(xué)依據(jù)，進(jìn)而通過控制運(yùn)用或加固等工程措施保障大壩的安全;只要監(jiān)測(cè)及時(shí)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可靠、分析判斷準(zhǔn)確，就可以避免重大災(zāi)害事故的發(fā)生或減少災(zāi)害所造成的損失;(2)可以在施工過程中不斷獲得反饋信息，用以驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性，并為修正水工設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)?？傊髩伟踩O(jiān)測(cè)是為了了解大壩安全性態(tài)、對(duì)大壩安全實(shí)施科學(xué)管理所必不可少的重要手段。

了解大壩是否安全，一般需要通過日常的人工例行檢查和儀器監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)。日常人工例行檢查已被大多數(shù)水庫管理單位所理解和接受，且已普遍付諸實(shí)施，在水庫/水電站的安全管理中發(fā)揮了較好的作用。而儀器的監(jiān)測(cè)則是指依據(jù)相關(guān)規(guī)范，結(jié)合工程實(shí)際，在水庫大壩上布設(shè)各類安全監(jiān)測(cè)儀器和設(shè)備，從而采集大壩安全運(yùn)行的各類性態(tài)信息。通過對(duì)這些信息進(jìn)行處理和整編分析，結(jié)合人工例行檢查所提供的情況，對(duì)大壩的運(yùn)行、安全狀況做出比較客觀的評(píng)價(jià)，這種評(píng)價(jià)結(jié)果可以作為大壩安全運(yùn)行和水庫調(diào)度的依據(jù)，還可作為大壩除險(xiǎn)加固或采取其他工程措施的依據(jù)［5］。

土石壩安全監(jiān)測(cè)的主要項(xiàng)目有:變形、滲流、壓力、應(yīng)力應(yīng)變、水力學(xué)及環(huán)境量等。其中變形和滲流監(jiān)測(cè)是最為重要的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，因?yàn)檫@些監(jiān)測(cè)量直觀可靠，可基本反映大壩在各種荷載作用下的安全性態(tài)。筆者著重介紹了土石壩變形、滲流、壓力(應(yīng)力)、應(yīng)變、溫度及環(huán)境量等安全監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的監(jiān)測(cè)方法及儀器設(shè)備。

4 土石壩安全監(jiān)測(cè)設(shè)備革新

隨著新型水工建筑物的興建和發(fā)展，人們開始研制并安裝一些專門儀器設(shè)備用于觀測(cè)水工建筑物的性態(tài)，例如美國1927年建造的Stevenson Creek拱壩(最大壩高36 m)，埋設(shè)了140支電測(cè)儀器進(jìn)行實(shí)際測(cè)量?？栠d(美國)發(fā)明的差動(dòng)電阻式儀器運(yùn)用于工程以后，人們對(duì)混凝土的應(yīng)變、徐變、自身體積變形以及溫度等有了實(shí)際了解，從而建立了一整套由應(yīng)變計(jì)觀測(cè)值計(jì)算混凝土應(yīng)力的方法。差動(dòng)電阻式儀器的測(cè)量長(zhǎng)期穩(wěn)定性較好，適用于大體積混凝土建筑物的變形、應(yīng)力、滲壓等方面的監(jiān)測(cè)，同時(shí)還能兼測(cè)測(cè)點(diǎn)的溫度，因此，該系列儀器經(jīng)過不斷改進(jìn)后一直到現(xiàn)在仍被廣泛運(yùn)用［6］。中國是生產(chǎn)差動(dòng)電阻式儀器的大國，目前已生產(chǎn)了超過30萬支儀器應(yīng)用于各類工程。振弦式儀器也已開始在水工建筑物中大量應(yīng)用，這種儀器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，測(cè)量長(zhǎng)期穩(wěn)定性較好，儀器輸出的是頻率值，便于自動(dòng)化和長(zhǎng)距離測(cè)量。隨著監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展，振弦式儀器的性能也得到了不斷的改進(jìn)，使得該類儀器直到現(xiàn)在仍廣泛應(yīng)用于土建、水工、橋梁等工程。

目前，研制出的用于監(jiān)測(cè)大壩變形的儀器有電容感應(yīng)式、電磁感應(yīng)式、光電式(CCD)、渦流感應(yīng)式、電感式及步進(jìn)馬達(dá)跟蹤式等遙測(cè)垂線座標(biāo)儀;電容感應(yīng)式、CCD及步進(jìn)馬達(dá)跟蹤式等遙測(cè)引張線儀。監(jiān)測(cè)壩體沉降的儀器有電容感應(yīng)式、CCD、步進(jìn)馬達(dá)跟蹤式、電感式及差動(dòng)變壓器式等遙測(cè)靜力水準(zhǔn)儀;對(duì)壩體、基礎(chǔ)廊道、廠房、洞室、邊坡等基巖不同深度變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)的多點(diǎn)變位計(jì);所用的位移傳感器有電位器式、電容感應(yīng)式、鋼弦式、差動(dòng)電阻式及LVDT等［7］。中國所筑的土石壩數(shù)量居世界首位，隨著建壩理論及施工技術(shù)的不斷發(fā)展，還興建了許多大型面板壩。為了滿足土石壩安全監(jiān)測(cè)的需要，國內(nèi)自行研制并生產(chǎn)了技術(shù)先進(jìn)的土石壩監(jiān)測(cè)儀器，例如用于監(jiān)測(cè)面板周邊縫的差動(dòng)電阻式、電位器式、振弦式三向測(cè)縫計(jì);監(jiān)測(cè)土石壩內(nèi)部變形并可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)遙測(cè)的引張線式水平位移計(jì)、水管式沉降儀等。目前，國產(chǎn)儀器在技術(shù)性能、品種以及數(shù)量上都能夠滿足工程需要，并且還有很多技術(shù)創(chuàng)新。

5 結(jié)論與建議

筆者在研究國內(nèi)大壩安全監(jiān)測(cè)儀器的基礎(chǔ)上，著重對(duì)土石壩安全監(jiān)測(cè)的相關(guān)問題進(jìn)行了介紹。土石壩安全監(jiān)測(cè)相關(guān)儀器種類繁多，筆者僅從安全監(jiān)測(cè)儀器選擇及布設(shè)方面探究了土石壩安全監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)工作，至于后續(xù)的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的確立及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的處理、分析和評(píng)價(jià)，還有待進(jìn)一步的研究。

目前，傳統(tǒng)的安全監(jiān)測(cè)技術(shù)已趨于完善，但新型監(jiān)測(cè)技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用仍較為滯后，一些新技術(shù)仍處于理論探討和試驗(yàn)性的研究階段，例如:①GPS監(jiān)測(cè)技術(shù)在一機(jī)多天線等方面取得了快速進(jìn)展，但其造價(jià)較高，很難被大部分業(yè)主所接受，有待開發(fā)降低其造價(jià)的新理論和新方法;②大壩CT技術(shù)在結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)、力學(xué)特性測(cè)試等幾個(gè)方面取得了一些成果，但是其在波的傳播和圖像重構(gòu)方面還較為原始，難以被大規(guī)模推廣和應(yīng)用;③光纖光柵技術(shù)在溫度、滲流、裂縫監(jiān)測(cè)等方面得到了一定的應(yīng)用，但其多元化和智能化程度還不夠高;④當(dāng)前的土石壩變形監(jiān)測(cè)自動(dòng)化技術(shù)手段還很少，這也是監(jiān)測(cè)技術(shù)中亟待研究解決的重大課題。

我國的大壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)雖然已經(jīng)較為成熟，某些方面甚至已達(dá)到了國際先進(jìn)水平，但是，在新的時(shí)代仍然面臨著許多新的挑戰(zhàn)。展望未來，希望能夠看到的是一個(gè)完整的、滿足大壩及工程安全監(jiān)測(cè)需求的儀器系列，它們將是高精度、高可靠性、高穩(wěn)定性和智能化的儀器系統(tǒng);一個(gè)功能強(qiáng)大、性能優(yōu)良、穩(wěn)定可靠、小型化的自動(dòng)化采集裝置;一個(gè)可采用多總線、多介質(zhì)構(gòu)建各種規(guī)模的、穩(wěn)定可靠、智能化的大壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng);一個(gè)具有區(qū)域性綜合管理能力的大壩安全監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)，它擁有完備的智能化在線監(jiān)測(cè)、離線分析、安全評(píng)判、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和決策支持系統(tǒng)，能及時(shí)、充分地挖掘大壩安全監(jiān)測(cè)的有用信息，在確保大壩安全運(yùn)行的基礎(chǔ)上，充分發(fā)揮水電站/水庫的最大經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

國內(nèi)的水電建設(shè)事業(yè)尚在蓬勃發(fā)展，水電站/水庫自動(dòng)化的應(yīng)用需求也在不斷提高，可以預(yù)期，水電站/水庫的綜合一體化、智能化即將實(shí)現(xiàn)，在不久的將來，中國大壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化的水平將全面處于國際領(lǐng)先水平。

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