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大坝安全监测新技术

中国大坝安全监测起步于20世纪50年代, 在20世纪末本世纪初取得飞速发展, 基础上监理了比较完整大坝安全监测体系。伴随坝工技术进步, 尤其是现代计算机、 人工智能技术飞速发展, 在传统监测仪器基础上涌现出一大批新安全监测技术, 并在工程上得到应用。
1．大坝CT技术
大坝CT技术是计算机层析成像技术在大坝安全监测中应用。它是用某种波在坝体中传输若干射线束, 在探测区内部组成切面, 依据切面上每条穿过探测区波初至信号, 利用计算机进行数学处理, 重建探测区坝体材料弹模分布或强度分布, 以定量地反应坝体磁疗性质分布和老化情况、 病害及缺点部位, 进而达成大坝监测目。
用于大坝CT监测波关键有声波和电磁波两种。
声波型大坝CT是在大坝合适位置部署若干发射点（震源）和若干接收点（震波监测器）, 一次激震各发射点后, 在各接收点统计声波从个发射点到各接收点走时T, 然后利用走时T计算坝内各点上波速V, 因为波速与材料弹性相关, 所以能够经过波速来了解坝体材料性质和老化缺点分布情况。
声波型大坝CT系统包含检测设备和计算机设备, 其中检测设备包含发射、 接收和统计三个部分。发射部分由动能源和驱动装置组成。动能源用于产生弹性波, 能够部署在坝面、 廊道、 钻孔或探坑内, 起震后能立刻使弹性波在被测体传输。大坝CT 动能源关键是电雷管和甘油炸药, 也能够用电火花发生器或起落锤来起震。驱动设备与统计设备相连, 用于检测弹性能源产生波瞬时, 含有镜头统计功效。接收部分是能感知震波拾震传感器, 包含地下测音器（速度型地震仪）以及水下测音器（加速度型传感器）等型号。统计部分是一个多频道数字式振动示波器, 用于距离七宝时间及弹性波形。
电磁波型大坝CT是利用一个天线发射高频宽带电磁波, 另一个天线接收来自坝体或坝基内介质面反射波。因为电磁波路径、 强度及波形与所经过介质电性质和几何形态相关, 所以, 能够依据接收波双程走时、 幅度及波形来推断坝体材料性质和老化分布情况。
声波法成本较高, 工作量较大, 假如受坝体结构制约, 布点数量有限, 则检测结果精度受到影响。电磁波法要求电磁波发射功率较大, 有效检测深度有限, 且比较适合介质差异较大物体, 对混凝土大坝等均质性材料, 其检测效果受到影响。
大坝CT技术应用范围:
（1）内部材料特征（如弹模、 强度等）分布情况监测;
（2）内部材料老化、 病害及裂缝部位、 程度及进程监测;
（3）施工质量监测、 不强加固效果监测。如大坝混凝土蜂窝、 空洞、 不密实区检测, 大坝接缝、 裂缝灌浆效果监测, 预应力锚固效果监测;
（4）基础特征及处理效果监测。如帷幕工作形态、 断层破碎带及软弱夹层成像及处理效果、 基础灌浆效果监测等。
（5）内部预埋构件（钢筋、 金属埋件等）部位及状态监测;
（6）施工爆破及动洞室开挖对大坝结构影响监测;
（7）高边坡及近坝库区稳定监测。
2．GPS监测技术
GPS(Global Positioning System)是以卫星为基础全球定位系统。现在已在大坝变形监测、 高边坡变形监测等方面得到了应用, 能够处理其她监测手段所不能处理部分难题, 实用前景宽广。
基于GPS大坝位移监测系统关键包含空间星座、 地面监控和大坝监测用户设备等三部分。其中, 空间星座和地面监控部分是用户应用该系统进行定位基础, 由美国控制卫星定位系统提供, 大坝监测用户设备由用户开发。
GPS空间星座部分由基础上均匀分布在6个轨道平面内24颗卫星组成。地面监控部分关键由分布在全球5个地面站组成, 包含卫星检测站、 主控站和信息注入站。
GPS大坝位移监测用户设备部分关键由GPS数据采集系统、 数据传输系统和数据处理系统组成。数据采集系统包含GPS基准站和监测站。基准站用于更正监测站GPS信号误差; 监测站用于接收GPS卫星定位信号, 以确定监测点位置三维坐标。数据传输系统分有线传输和无线传输, 有线传输关键用监测站与总控中心数据传输, 无线传输关键用于基准站与总控中心数据传输。数据处理系统由总控软件、 数据自动处理软件、 数据管理软件以及大坝安全分析软件等组成。
GPS大坝位移监测点定位关键有绝对定位和相对定位。绝对定位精度通常较低, 所以, 在GPS大坝位移监测中, 应采取相对定位。GPS相对定位是用两台GPS接收机分别安置在基线两端, 并同时观察相同GPS卫星, 以确定基线端点在协议地球坐标系中相对位置或基线相量。这种方法能够推广到多台接收机安置在若干基线端点, 经过同时观察GPS卫星以确定多条基线相量情况。
2．光纤监测技术
光纤技术是一个集光学、 电子学为一体新兴技术, 其关键技术是光纤传感器。1 979年美国国家航空航天局最早在航空领域开展光纤传感技术研究, 以后与加拿大在复合材料固化、 结构无损检测、 材料损伤监测、 识别及评定等方面开展了大规模光纤应用技术研究。中国于20世纪9O年代后期在新疆石门子水库首次利用分布式光纤监测技术测量碾压混凝土拱坝温度。伴随光导纤维及光纤通信技术快速发展, 光纤技术已逐步在水利水电工程安全监测中得到广泛应用, 前景宽广。
光纤传感器系统由光源、 入射光纤、 出射光纤、 光调制器、 光探测器以及解调器组成, 其基础原理是将光源光经入射光纤送入调制区, 光在调制区内与外界被测参数相互作用, 使光光学性质发生改变而成为被调制信号光, 再经出射光纤送入光探测器、 解调器而取得被测参数。目前, 光纤监测系统关键是一个时域分布式光纤监测系统, 它技术基础是光时域反射技术OTDR(optical time_一domain reflectormetry)。OTDR工作机理是脉冲激光器向被测光纤发射光脉冲, 该光脉冲经过光纤时因为光纤存在折射率微观不均匀性, 以及光纤微观特征改变, 有一部分光会偏离原来传输向空间散射, 在光纤中形成后向散射光和前向散射光。其中后向散射光向后传输至光纤始端, 经定向耦合器送至光电检测系统。
因为从光纤返回后向散射光有三种成份: 由光纤折射率微小改变引发瑞利(RayLeigh)散射, 其频率与入射光相同; 由光子与光声子相互作用而引发拉曼(Raman)散射, 其频率与入射光相差几十太赫兹; 由光子与光纤内弹性声波场低频声子相互作用而引公布里渊(Brillouin)散射。所以, 时域分布光纤检测系统按光载体可分为三种形式: 基于拉曼散射分布式光纤检测系统、 基于瑞利散射分布式光纤监测系统和基于布里渊散射分布式光纤检测系统。
目前, 前二种形式研究和应用较多, 后一个形式是国际上多年来才研发出来一项尖端技术, 中国研究才刚刚起步。因为后一个形式可用来测量光纤沿线应变分布, 能够估计, 很快在这方面将有所突破, 而且前二种形式将发展成更多应用种类, 逐步向大坝安全监测各个领域渗透。
与此同时, 准分布式光纤监测系统将取得较大发展, 以光纤应变计组成三向应变和二向应变准分布式监测系统将面世; 同一坝段部分非物理场类监测量, 如裂缝监测, 以及同一区域部分非物理场类监测量, 如预应力监测, 将出现更多准分布式光纤监测系统, 从而使相关量取得同时观察, 大大提升观察资料质量。
现在, 在水利水电工程中, 光纤技术已从早期单纯温度监测, 发展到渗流监测、 应力应变监测、 位移监测等多个方面, 比如: 渗漏定位监测、 裂缝监测、 混凝土应力应变监测、 动应变及结构振动监测、 岩石锚固监测(锚杆及锚索预应力监测)、 钢筋混凝土薄体结构物受力监测、 混凝土固化监测、 钢筋锈蚀监测、 温度与渗流耦合监测等。
4、 水下检测技术
大坝水下安全监测手段能够正确定位缺点位置, 对检测分辨率有较高要求, 依据具体检测目, 监测范围需要覆盖库区和近坝区域。
因为水下环境特殊, 通常不许可使用对坝体造成伤害方法。传统检测方法关键经过潜水员水下作业, 依靠手触觉或目视检验, 分辨结构体上有没有形态变异, 发觉异常后测定异状位置, 并将测定情况汇报水上人员作好统计。因为水下环境较为复杂, 检测质量关键依靠潜水员水下作业经验和水质情况。而且复杂水下环境对潜水员也有一定威胁。
新型水下检测技术依据信息载体不一样, 分为光学、 声学、 电法、 磁法、 示踪法五类。
光学常见设备关键有: 水下摄影、 水下闭路电视、 水下激光扫瞄。光学设备拍摄结果受水体浑浊度影响较大, 缺乏后处理方法, 难以反应全貌, 也无法对异常情况进行跟踪给管理。
声学设备利用发射声脉冲从目标界面返回波束来取得距离参数, 实现检测目。依据结果类型可分为图像声纳、 剖面声纳和渗漏声纳三种。图像声纳如船载单波束探测仪、 多波束探测仪等, 可取得库区水下地形。剖面声纳包含测量水下地质剖面浅层剖面仪以及利用声波对金属结构裂缝、 防腐涂层厚度进行检测金属裂纹探测仪与超声波测厚仪。
渗流声纳是面向水流速度场声纳渗流检测技术, 经过测定顺流、 逆流方向声波差异判定生流分布情况。
电法设备信息载体为电位差, 树妖用于水下金属结构检测, 判定构件腐蚀情况。, 关键设备为水下点位测量仪, 可适用200m水深。
磁法利用电极在测区发明一个磁场, 将磁粉覆盖金属结构表面, 依据磁粉形态判定裂缝损伤位置。
示踪法是一个查明大坝中渗漏通道检测方法。示踪剂法可人为在上游投入或在大坝上利用钻孔或已经有孔洞添加。追踪示踪剂流动路线, 查明渗流通道。常见示踪剂有放射性同位素、 可溶性盐、 荧光素。
表1 水下检测技术应用

5.结语
纵观大坝安全监测发展历程, 结合大家对工程安全运行管理需要, 能够预见未来大坝安全监测将向以下多个方面发展:
（1）由静态监测向动态监测发展, 由间断性监测向实时监测发展。尤其是地下工程动态监测设计理念已经为业界所关注。
（2）由现场监测向远程监控发展, 由单个建筑物监测向群坝、 流域集控方向发展。
（3）由安全监测向安全预警、 健康诊疗、 枢纽调度决议技术支持方向发展。
（4）由单一安全监测向安全监测与现场检测有机融合方向发展。建立大坝安全监测视频监控系统, 实现对大坝、 地基、 岸坡等关键部位可视化监控将得到深入发展。