黑龙江省水利水电勘测设计研究院 黑龙江省哈尔滨市 150000
摘要：面对溃坝事件带来的巨大损失，人们深刻的认识到大坝的安全监测的重要性。采用监测技术对大坝坝体进行变形监测，测出大坝上各点的位置变化，才能分析大坝安全运行状态，并建立大坝的变形预测模型，实现大坝变形的定量预测。只有这样，才能及时发现大坝的异常变化，对其安全性能做出准确的判断，然后采取必要措施，防止事故的发生。
关键词：大坝变形监测；位移量；监测点；
近年来，随着我国水利工程建设的快速发展，如何保证水电站施工质量的安全运行已经引起了各大水电站的广泛关注。在水电站的建设中，大坝的变形监测在水利工程安全监测中尤为重要。
一、大坝变形监测的主要技术
1.视准线法，通过视准线或经纬仪建立一个平行或通过坝轴线的铅直平面作为基准面，定期观测坝上测点与基准面之间偏离值的大小，即为该点的水平位移，适用于直线形混凝土闸坝顶部和土石坝坝面的水平位移观测。当采用这一方法时，主要要求它们的端点稳定，所以必须要作适当的布置，只能定期地测定端点的位移值，而将观测值加以改正。视准线观测方法具有速度快、精度较高、原理简单、方法实用、实施简便、投资较少的特点，在水平位移观测中得到了广泛应用。不足的是对较长的视准线而言，由于视线长，使照准误差增大，甚至可能造成成照困难。当视准线太长时，目标模糊，照准精度太差且后视点与测点距离相差太远，望远镜调焦误差较大，无疑对观测成果有较大影响。
2.引张线法。利用张紧在两工作基点之间的不锈钢丝作为基准线，测量沿线测点和钢丝之间的相对位移，以确定该点的水平位移，适用于大型直线形混凝土的廊道内测点的水平位移观测，主要用于测定混凝土建筑物垂直于轴线方向的（顺水流方向）水平位移。
3.激光准直法。利用激光束代替视线进行照准的准直方法，使用的仪器有激光准直仪、波带板激光准直系统和真空管道激光准直系统等，适用于大型直线形混凝土坝观测。对于布设在直线型的土石坝或混凝土坝顶上观测点的水平位移，主要是采用视准线法和激光准直方法观测。因为它们速度快，精度较高，计算工作也较简单。当采用这一方法时，主要要求它们的端点稳定，必须作适当的布置，采用适当的方法来检核这一要求是否满足。
4.垂线法。以坝体或坝基的铅垂线作为基准线，采用坐标仪测定沿线点位和铅垂线之间的相对水平位移。这种方法适用于各种形式的混凝土坝。垂线由不锈钢丝制成，钢丝下部吊重锤，悬挂点在上部的称为正垂线；锚固点在基岩深处，依靠顶部浮筒的浮力将钢丝张紧的称为倒垂线。前者可测相对于悬挂点的相对水平位移，后者可测相对于锚固点的绝对水平位移。
5.交会法。利用三角网或导线测定两个或三个固定基点的坐标，通过基点测定闸坝上位移标点的水平位移，适用于长度超过500m的混凝土重力坝和土石坝的水平位移观测，也可用于混凝土拱坝坝顶和下游面的水平位移观测。对于混凝土坝下游面上的观测点以及对于拱坝的观测，常采用前方交会法。这时系以坝下游地区的控制点为测站，对观测点进行前方交会，从而求得其位移值。用前方交会法则可求得位移值的总量，这是该法的优点。基点布置有较大灵活性，能同时观测2个方向的位移，观测耗时少。当测点较多，并分布在多条直线上时，交会法的耗时较视准线等方法少。不足的是，前方交会法由于受测角误差、测边误差、交会角及图形结构、基线长度、外界条件的变化等因素影响，精度较低。另外，其观测工作量较大，计算过程较复杂，故不单独使用，而是常作为备用手段或配合其他方法使用。
6.导线法。在混凝土拱坝廊道内布置折线形导线，以导线端点的倒垂线作基准，用以测量坝内导线点的水平位移，只适用于大型混凝土厚拱坝或曲线型重力坝。如重力拱坝、曲线型桥梁以及一些高层建筑物的位移观测，就不如导线测量法、前方交会法以及地面摄影等方法有利。这些方法可以同时测定建筑物上某观测点在两个方向的位移（即在水平面内的位移）。与一般测量工作相比，由于变形观测是通过重复观测，由不同周期观测成果的比较中确定观测点的位移，因此这种导线在布设、观测以及计算等诸多方面都具有自身的特点。
7.几何水准测量法。利用水准仪和水准尺从水准基点开始测量各点位高程，通过各点位高程变化求得其垂直位移，适用于混凝土闸坝和土石坝垂直位移观测。目前沉陷观测中最常采用的是水准测量方法，对于中、小型厂房和土工建筑物沉陷观测可采用普通水准测量；而对于高大重要的混凝土建筑物，例如大型工业厂
房、高层建筑物以及混凝土坝，要求其沉陷观测的中误差大于1mm，因而就得采用精密水准测量的方法。
8.三角高程测量。三角高程测量往往在一些进行水准测量比较困难、监测精度相对较低的外部变形监测项目中使用，精确量取棱镜高、测站一起高，控制最大视线长度，气象条件观测，必须进行地球曲率和大气折光差改正。
9.液体静力水准法。该法是利用连通管原理测量各点位容器内液面高差，以测定各点垂直位移的观测方法，适用于混凝土闸坝基础廊道和土石坝表面垂直位移观测。由于用液体静力水准仪作业时，一定要在液面平衡后才进行读数，因而作业效率就比较低。应用液体静力水准测量，两点不需要通视，精度高，对于解决所提出的任务，不仅能对设备位置进行遥测，而且还能实现自动调整。为保证对建筑物上观测点位置的长期观测，应用固定设置的液体静力水准仪是合适的。
二、大坝坝体变形监测方法的应用
1.工程概况。某水库为高粘土心墙土石坝，最大坝高114m，坝顶宽10m，坝顶长约590m，体积835万m３，水库总库容1047亿m３。大坝按百年一遇洪水设计，河床段采用粘土心墙砂卵石坝壳的土石混合坝，两岸阶地逐渐扩大心墙过渡为均质土坝。自1989年修建完成以来，大坝变形监测工作为管理者提供了参照的依据。
2.GNSS测量技术的应用。（1）监测点的布设某水库大坝坝体变形监测。点布置略图见图1所示，其中K01～K04为远离大坝体200m以上的稳定基准点，J01～J07为在大坝体上埋设的变形点。借助GNSS测量技术手段，以半年为周期，对大坝体变形点进行观测与计算，得到变形点的三维坐标并且进行了数据分析，完成了2013～2017年共４年期间大坝坝体变形监测的工作任务。
图1 某水库大坝变形监测点布置略图
（2）大坝坝体GNSS控制网外业观测计划。大坝坝体业观测使用的仪器是中海达V30型号的GNSS接收机共4台，考虑到误差累积的影响，对7个变形点每个周期制定了如表1所示的静态外业观测计划。这样的设计可以消除变形点之间误差影响，提高解算数据的质量。每期外业观测结束后，每个时段的数据只包含1个变形点，因此单独解算每个时段的数据，可以根据3个基准点解算出1个变形点的三维坐标。
表1某水库大坝变形监测GNSS控制网外业观测计划
通过对计算的结果表3进行分析，可以得出某水库大坝坝体在2013～2017年期间基本处于稳定状态。处于坝体中部位置的J04、J05变形点的位移量较大。
总之，变形监测工作为大坝的安全运营提供了基础参照数据，通过介绍变形监测传统的测量技术手段、GNSS测量技术手段和测量机器人技术手段，说明不同大坝变形监测方法的特性、以及得到大坝变形点坐标数据的过程。随着科学技术的进步发展，越来越多自动化的技术方法应用于大坝坝体变形监测。
参考文献：
［１］王银萍．浅谈大坝坝体变形监测的技术方法与应用．2017.
［２］刘雪峰，GPS技术在变形监测中的应用和发展趋势．2018.
论文作者:李栋梁
论文发表刊物:《防护工程》2019年第4期
论文发表时间:2019/5/29
标签：位移论文; 大坝论文; 测量论文; 混凝土论文; 准线论文; 方法论文; 水平论文; 《防护工程》2019年第4期论文;