大坝安全监测的现状与发展探析

大坝安全监测的现状与发展探析

伍卫权

云南省开远市灌区管理处云南开远市661699

摘要：水利工程是我国的基础设施项目，具有灌溉、航运、发电等功能，影响国民经济的运行。本文以大坝工程为核心，首先指出安全监测的意义，然后介绍了安全监测技术的应用现状，最后阐述了未来发展方向，以供参考。

关键词：大坝；安全监测；重要意义；技术应用；发展方向

大坝是水利工程的重要组成部分，由于自身结构复杂，同时受到环境和外力作用，一旦发生事故会造成严重损失。通过安全监测，能了解大坝的运行状态，及时发现安全隐患，制定相应的修复措施，保证大坝稳定运行。以下结合实践，探讨了安全监测技术的应用现状和未来发展情况。

1．大坝安全监测的重要意义

1.1评估运行安全

在大坝运行期间，监测和安全相辅相成，是安全评估的基础。实际作业中，会对大坝的坝顶、周岸、坝底及设施进行监测，获得相关测量数据，形成完整的资料信息。管理人员利用这些信息，可以开展渗流分析、稳定性分析、运行安全分析，以保证大坝正常运行。

1.2提高综合效益

借助于先进的技术手段，参考已有的测量数据，可对大坝结构、运行状态进行模拟、计算、分析，从而掌握观测量的变化规律，明确裂纹等质量问题的形成原因，并制定合理的修复加固方案。如此，能延长大坝的使用寿命，提高工程的综合效益。

1.3推动理论发展

大坝历经规划、设计、施工、验收等环节，是一个复杂性、系统性的工程，尤其是坝基结构复杂、工作环境恶劣，荷载、参数、模型计算时存在误差，难以和实际情况完全吻合。利用监测数据信息，可以反馈于设计、施工等环节，为类似在建工程、待建工程提供参考经验。

2．大坝安全监测技术的应用现状

2.1光纤传感技术

光纤是由不同折射率的石英玻璃细芯和包层组成，可对光线进行全反射，将图像传输至需要的部位。简单来看，光纤传感技术，就是利用激光为载体，对各种信息进行感应和传输，可对压力、位移、流量、温度、液面等物理量进行测量。20世纪80年代，该技术开始应用在工程领域，用来观测振动、应变、裂缝等，后来在国内得到迅速发展。结合工程实践，光纤传感技术可监测大坝的位移、温度、应变、裂缝、形变等；在雷区、磁场区、潮湿地区，可以代替电子仪器使用，目前在土木工程中应用广泛。

2.2CT诊断技术

CT指的是计算机层析成像，最初应用在医学领域，后期逐步过渡到工程质量检验上。该技术的应用，不会破坏大坝的结构，首先在坝体周边获得波速、X线强度等物理量；然后利用计算机处理数据，生成特定层面的2D图像、3D图像；最后进行针对性分析。结合工程实践，CT诊断技术可以了解坝址的地质特点，推断出破碎地带的范围和程度，在大坝选址、施工、运营中具有重要作用，既能减少仪器设备的使用，又能提高大坝的安全性。

2.3激光探测技术

近年来，激光探测技术在测量行业的应用普遍，具有操作简单、灵敏度高、作业效率高的特点，能克服外界环境因素的干扰，扩宽了作业条件。以国内某大学开发的激光安全监测系统为例，首先选取坝肩基点，设置准直激光，激光能照射至各个坝段；然后在每个坝段，安装密封管道式检测系统；最后在观测过程中，如果发现光斑和检测系统的中心发生偏离，这就说明该坝段发生偏移；配合数学模型，可以得到大坝的具体变形量。结合工程实践，该激光探测系统能对激光的准直度进行校验，以提高监测的精准度；可以实现长距离监测，目前监测长度可达到800m，避免分段监测带来的误差累积。

2.4DDA分析技术

DDA指的是非连续形变分析，主要用在有多个裂缝或断裂的模型上，利用重积分计算法，对模型受力后的复杂形变进行计算。但是，该技术的计算过程比较复杂，且参数设置需要多次调整，会影响计算方案，在实际工程中难以应用。基于此，在DDA技术上改良出TDDA技术，计算数值时利用逐次迭代法，通过调整计算模型，促使计算结果和观测数据相吻合。结合工程实践，在大坝监测中应用TDDA技术，首先获得测量数据，然后输入数据库和多媒体，建立大坝安全评估专家系统，实现了监测、管理的一体化，见下图1。

图1：基于TDDA技术的大坝安全评估专家系统结构

3．大坝安全监测的未来发展方向

3.1监测范围扩大

依据《土石坝安全监测技术规范》，指出安全监测范围是坝体、坝基、坝肩，以及影响大坝安全的岸坡、设备、建筑物等。然而在实际工程中，安全影响因素还有很多，涉及工程设计、施工、运行全过程。未来，大坝安全监测的范围扩大：①在设计阶段，坝址确定后，地质、水文、地震频率等要素也确定，安全监测任务是校核大坝的坝型、结构、材料、分区、地质、水文等资料，保证洪水演算数据、地质勘察数据的准确性。②在施工阶段，安全监测的重点是对比现场施工和设计图纸，及时发现工程缺陷，对设计进行优化。③在运行阶段，应该全面掌握监测资料，检查水库调度，以及和大坝相关的机电设备。

3.2监测理论创新

大坝安全监测理论的创新，体现在三个方面：①微观监测。以往安全监测的要素是变形、渗流量，属于宏观监测；未来会更加重视微观监测，例如应力应变、材料老化、结构失稳等。微观监测能及时发现安全问题，通过修复和加固，避免出现严重的事故。②综合分析。以往安全监测立足于大坝的局部，未来监测工作应该树立综合理念，将巡视检查、物化分析、结构数据、图像信息等结合起来，必要时利用非常规监测手段，以保证监测结果的全面性，防止漏掉关键信息。③应急预案。通过安全监测，能掌握安全影响因素的特征，评估大坝发生事故的概率，继而制定应急预案。在未来，大坝安全监测期间，依靠各种数据建立数据库，利用数值分析技术、风险决策技术，编制多种应急预算，以做好充足准备。

3.3监测方法进步

大坝安全监测技术的进步，能提高数据分析的准确度，减小计算误差，具体如下：①数据分析。我国在大坝安全监测上的起步时间晚，在数据分析上，最先采用统计回归方法，后来相继出现了周期函数模拟荷载、裂缝开合度统计模型、坝顶水平位移时间序列分析等。而在未来，灰色理论、神经网络、模糊数学等理论和方法，会应用在数据分析上，为安全监测和决策处理提供科学依据。②误差处理。观测误差按照类型划分，分为系统误差、随机误差、粗差三种，其中，后两者可以消除。结合实际工作，误差处理主要采用最小二乘法，近年来又出现了回归分析法、模型误差分离法、抗差算法等。这些方法的应用，能不断降低观测误差对计算结果的影响，以便做出更加精准的监测结论。如下表1，是大坝变形监测技术的发展历程。

表1：大坝变形监测技术的发展历程

结语：

综上所述，对大坝进行安全监测，能评估运行安全，提高综合效益，推动相关理论进一步发展。文中以光纤传感技术、CT诊断技术、激光探测技术、DDA分析技术为例，介绍了目前安全监测技术的应用。在未来，安全监测范围扩大、理论创新、方法进步，能提高监测结果的精准度，为大坝运行管理提供科学依据。

参考文献：

[1]胡波,陈军,李新,等.大坝安全监测信息管理系统设计及应用[J].水电与抽水蓄能,2017,3(6):25-29,24.

[2]王健,王士军.全国水库大坝安全监测现状调研与对策思考[J].中国水利,2018,(20):15-19.