大坝安全监测新技术

大坝安全监测新技术

我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，基本上监理了比较完整的大坝安全监测体系。随着坝工技术进步，特别是现代计算机、人工智能技术的飞速发展，在传统的监测仪器基础上涌现出一大批新的安全监测技术，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的应用。它是用某种波在坝体中传播的若干射线束，在探测区内部构成切面，根据切面上每条穿过探测区的波的初至信号，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，以定量地反映坝体磁疗性质分布和老化情况、病害及缺陷部位，进而达到大坝监测的目的。

用于大坝CT监测的波主要有声波和电磁波两种。

声波型大坝CT是在大坝适当位置布置若干发射点（震源）和若干接收点（震波监测器），一次激震各发射点后，在各接收点记录声波从个发射点到各接收点的走时T，然后利用走时T计算坝内各点上的波速V，由于波速与材料弹性有关，因此可以通过波速来了解坝体材料性质和老化缺陷分布情况。

声波型大坝CT系统包括检测设备和计算机设备，其中检测设备包括发射、接受和记录三个部分。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，可以布置在坝面、廊道、钻孔或探坑内，起震后能立即使弹性波在被测体传播。大坝CT 的动能源主要是电雷管和甘油炸药，也可以用电火花发生器或起落锤来起震。驱动设备与记录设备相连，用于检测弹性能源产生的波瞬时，具有镜头记录功能。接收部分是能感知震波的拾震传感器，包括地下测音器（速度型地震仪）以及水下测音器（加速度型传感器）等型号。记录部分是一个多频道的数字式振动示波器，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的反射波。由于电磁波的路径、强度及波形与所通过介质的电性质和几何形态有关，因此，可以根据接收波的双程走时、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，如果受坝体结构的制约，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，且比较适合介质差别较大的物体，对混凝土大坝等均质性材料，其检测效果受到影响。

大坝CT技术的应用范围：

（1）内部材料特性（如弹模、强度等）分布状况监测；

（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）基础特性及处理效果监测。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的影响监测；

（7）高边坡及近坝库区稳定监测。

2．GPS监测技术

GPS(Global Positioning System)是以卫星为基础的全球定位系统。目前已在大坝变形监测、高边坡变形监测等方面得到了应用，可以解决其他监测手段所不能解决的一些难题，实用前景广阔。

基于GPS的大坝位移监测系统主要包括空间星座、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的基础，由美国控制的卫星定位系统提供，大坝监测用户设备由用户开发。

GPS的空间星座部分由基本上均匀分布在6个轨道平面内的24颗卫星组成。地面监控部分主要由分布在全球的5个地面站组成，包括卫星检测站、主控站和信息注入站。

GPS的大坝位移监测用户设备部分主要由GPS数据采集系统、数据传输系统和数据处理系统构成。数据采集系统包括GPS基准站和监测站。基准站用于改正监测站的GPS 信号误差；监测站用于接收GPS卫星定位信号，以确定监测点位置的三维坐标。数据传输系统分有线传输和无线传输，有线传输主要用监测站与总控中心的数据传输，无线传输主要用于基准站与总控中心的数据传输。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构成。

GPS大坝位移监测点的定位主要有绝对定位和相对定位。绝对定位的精度一般较低，因此，在GPS大坝位移监测中，应采用相对定位。GPS相对定位是用两台GPS接收机分别安置在基线的两端，并同步观测相同的GPS卫星，以确定基线端点在协议地球坐标系中的相对位置或基线相量。这种方法可以推广到多台接收机安置在若干基线的端点，通过同步观测GPS卫星以确定多条基线相量的情况。

2．光纤监测技术

光纤技术是一种集光学、电子学为一体的新兴技术，其核心技术是光纤传感器。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，此后与加拿大在复合材料固化、结构无损检测、材料损伤监测、识别及评估等方面开展了大规模的光纤应用技术研究。我国于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。随着光导纤维及光纤通信技术的迅速发展，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，前景广阔。

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，其基本原理是将光源的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，使光的光学性质发生变化而成为被调制的信号光，再经出射光纤送入光探测器、解调器而获得被测参数。当前，光纤监测系统主要是一种时域分布式光纤监测系统，它的技术基础是光时域反射技术OTDR(optical time_一domain reflectormetry)。OTDR 的工作机理是脉冲激光器向被测光纤发射光脉冲，该光脉冲通过光纤时由于光纤存在折射率的微观不均匀性，以及光纤微观特性的变化，有一部分光会偏离原来的传播向空间散射，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播至光纤的始端，经定向耦合器送至光电检测系统。

由于从光纤返回的后向散射光有三种成分：由光纤折射率的微小变化引起的瑞利(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起的拉曼(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起的布里渊(Brillouin)散射。因此，时域分布光纤检测系统按光的载体可分为三种形式：基于拉曼散射的分布式光纤检测系统、基于瑞利散射的分布式光纤监测系统和基于布里渊散射的分布式光纤检测系统。

当前，前二种形式的研究和应用较多，后一种形式是国际上近年来才研发出来的一项尖端技术，国内研究才刚刚起步。由于后一种形式可用来测量光纤沿线的应变分布，可以预计，不久在这方面将有所突破，并且前二种形式将发展成更多的应用种类，逐渐向大坝安全监测的各个领域渗透。

与此同时，准分布式光纤监测系统将获得较大发展，以光纤应变计组成的三向应变和二向应变的准分布式监测系统将面世；同一坝段一些非物理场类监测量，如裂缝监测，以及同一区域一些非物理场类监测量，如预应力监测，将出现更多的准分布式光纤监测系统，从而使相关量获得同步观测，大大提高观测资料的质量。