我国大坝安全监测技术的发展与展望
［摘要］：本文从监测仪器、设计与施工、监测自动化等方面介绍了我国大坝安全监测技术的发展历程、所取得的成就及其发展趋势。论述了仪器选型、仪器保护的重要性，阐述了监测设计与施工中的一些常见问题与建议，指明了大坝安全监测施工走专业化发展道路的方向。
1 监测仪器
从我国安全监测技术的发展情况看，可以说是伴随着监测仪器的发展而发展的。上世纪60年代以前，我国大坝安全监测仪器以进口为主，60年代以后，国产观测仪器质量有了较大提高，逐步投入工程使用，进入80年代后，一方面，由于工程技术的发展和需求，人们对监测仪器的要求越来越高，比如大量程、高精度高分辨率等；另一方面，差动电阻式仪器观测系统受导线电阻的影响大大地降低了整个观测系统精度，使得大家对发展差动电阻式仪器产生犹豫和怀疑。在这种情况下，一些振弦式、差动变压器、电感、电容式仪器得到了较大发展，从此国产监测仪器进入了多元化发展阶段。
1.1 内观仪器
在我国对大坝建筑物进行内部性态长期监测的仪器主要有差动电阻式和振弦式两类。差动电阻式仪器又称卡尔逊式仪器，是美国加利福尼亚大学的卡尔逊博士在1932年利用电阻丝变形与电阻比成正比的原理研制成功的。这种仪器利用张紧在仪器内部的弹性钢丝作为传感部件将仪器感受到的物理量变换为模拟量，所以国外又称这种观测传感器为弹性钢丝式仪器。这种仪器具有密封性能好、长期稳定性好、可靠度高、测试方法简单、可兼测温度等优点，在我国得到广泛应用，据南京电力自动化设备厂统计，至今已生产该类型仪器20余万支，是名副其实的卡尔逊仪器生产大国。但这类仪器由于内阻低导致电缆电阻及其变差影响测值、仪器灵敏度偏低、测量量程较小等缺点，曾一度受到工程设计人员的冷落，可喜的是国内生产技术人员在大量的科研试验基础上发明了五芯观测系统，随后又发明了利用恒流源技术的观测仪表，彻底消除了电缆导线电阻及其变差带来的电阻比测量误差，使得差动电阻式仪器重获新生，也有力地推动了我国大坝安全监测工作健康发展，可以毫不夸张地说，由于五芯测量原理的应用，我国差动电阻式仪器系统的技术性能一跃而成世界领先水平。近年来，一些特殊用途、具有特殊性能的差动电阻式仪器相继被研制出来，如大量程、大弹模、耐高水压的传感器等。更有研究人员对该型仪器进行了动态性能测试，证明差动电阻式仪器的动态性能很好，其频响范围可达100～300Hz ①，而大坝等水工建筑物的谐振频率一般较低，约10Hz 左右，这样差动电阻式仪器系统的应用为今后大坝动态监测提供了便利。 振弦式仪器是利用钢弦振动频率随钢丝应力变化的原理制成的，通过电磁铁激振钢弦，测量由磁铁线圈感应钢弦振动频率得知钢丝应变，所以又称钢弦式仪器。该型仪器具有精度高、分辨率高、量程大、受环境影响小、可长距离传输、便于进行自动化观测等优点，且传感器可做得很小。在上世纪90年代中期以前，受材料和工艺限制，该型仪器国内生产质量远不
如进口仪器，90年代中后期，一些有识之士大胆引进国外先进仪器生产技术，走国产化道路，国内弦式仪器的质量有较大提高，弦式仪器在我国水利水电工程得以广泛应用，反过来又带动国内弦式仪器的快速发展。
除此之外，在土石坝内部变形监测中还经常用到垂直水平位移计、测斜兼沉降仪、三向测缝计等。垂直水平位移计由垂直位移（即沉降）测量和水平位移测量两部分组成，垂直位移测量主要有水管式沉降仪、钢弦式沉降计等；水平位移测量主要是引张线式水平位移计，这两种仪器一般同时布置以达到垂直水平位移同时测量的目的。由于这种仪器观测中易受掺气、渗漏或线路不均匀沉降的影响使得整体观测精度大为降低，且安装埋设与施工干扰较大，尤其是大断面坝体无法做到全断面上升，导致仪器必须分段埋设，仪器埋设后无法及时进行观测，其观测成果不能反映坝体施工期变形，如大坝沉降观测结果受测点安装进度、观测房施工进度以及大坝全断面施工状况影响很大，往往不能真实反映坝体沉降实际情况。测斜兼沉降仪系统则是通过埋设在坝体中测斜兼沉降管，采用活动式测斜仪和电磁式沉降仪进行观测，它可以从填筑施工一开始就进行埋设和观测，对位移进行累加，可获得施工期全部位移情况，但这类仪器埋设时易受施工影响受损，不易埋设好，实践证明，工程实践中采取加强保护、精细施工的措施是完全可以达到预期目的。三向测缝计是用来监测面板周边缝和斜坡坝基接缝的主要监测仪器，主要有南京电力自动化研究院研制生产的3DM 型三向测缝计，另外也可用三支或两支常规测缝计通过位移传递连接件组成三向或两向测缝计。
1.2 外观仪器
外观又称变形监测，除了水准仪、经纬仪、测距仪、全站仪等测绘仪器设备外，大坝变形监测还常用到垂线坐标仪、引张线、真空激光准直系统等。
从上世纪50年代起，测绘仪器开始朝电子化和自动化方向发展，首先是测距仪器的变革。电磁测距仪的出现开创了距离测量的新纪元，以激光、红外光以及其它光源为载波的光波测距仪和以微波为载波的微波测距仪统称为电磁测距仪，它与传统的钢尺、基线尺量距相比，具有精度高、作业迅速、受地形气候影响小等优点。随着光电技术和电子计算技术的发展，电磁测距仪正朝小型化、智能化与多功能方向发展，如将激光测距与电子测角功能有机组合在一起就产生了全站仪。电子经纬仪取代光学经纬仪后与激光测距仪组合，利用安装在仪器内部的集成度很高的计算芯片，在实际测量时只需将各种固定参数（如测站坐标、仪器高、仪器照准差、指标差、棱镜参数、气压、气温等）预先置入仪器，然后照准目标上的反射镜，启动仪器，就可获得经修正的水平角、水平距以及目标的三维坐标，这种集测距、测角、计算记录于一体的新型测量仪器就是全站仪，目前精密型全站仪可达1mm+1ppm/0.5”的测量精度，新一代可自动寻找目标的智能型全站仪，俗称“测量机器人”也已问世并在工程应用，它可真正做到无人值守，操作简便、自动化程度高，尤其适应在地势狭窄、气候恶劣等不适应人工观测的位置使用。这种智能型全站仪经软件升级可用于大尺寸地下洞室开挖的围岩收敛监测和断面检测，监测效率和使用效果均优于常规接触式测量。
GPS 工程测量系统是在美国“海军导航卫星系统”技术基础上发展起来的全球卫星定位系统，
它由三部分组成，即由GPS 卫星组成的空间部分、由若干地面站组成的地面监控系统和以接收机为主体的用户设备。GPS 接收机的基本类型分导航型和大地型，工程测量中一般采用双频多站差分接收方式提高测量精度，目前一般测地型GPS 接收机的标称精度为5mm+1ppm，实践表明平面位置精度相当好，高程方面稍逊一些，国内工程上通过改进接收机接收方式、多站联测、对电离层和对流层折射进行修正、对天线强制对中等措施，高程测量可达二等水准测量精度甚至更高。
正倒垂监测是大坝变形监测的重要手段，垂线坐标仪从人工观测发展到自动遥测，遥测垂线坐标仪从接触式发展到非接触式，非接触式坐标仪从步进马达光学跟踪式到近10几年发展起来的CCD 式和感应式垂线坐标仪。其中感应式垂线坐标仪具有测试精度高、长期稳定性好、自动化程度高、结构简单、防水性能好、成本低等特点，特别适合在环境恶劣的大坝监测中应用。感应式垂线坐标仪根据感应原理不同主要有变磁阻式、电磁感应式、电容感应式几种。总体讲，我国垂线坐标仪从仪器品种、性价比和技术服务上都优于国外产品。 遥测引张线仪与垂线坐标仪原理一样，除了电容感应式，还有电磁感应式、步进电机光电跟踪式，区别在于只测一个方向位移。
静力水准是监测坝体、基础沉降倾斜的重要手段，因测量要求精度高、长期测量稳定可靠，用一般小量程压力传感器测量达不到此要求，目前的遥测静力水准仪多采用位移测量方式测量液面变化来获得建筑物变形。主要有电容感应式、差动电感式、步进马达式、钢弦式以及涡流式、超声传感器式遥测静力水准仪，国产仪器与国外仪器水平相当。
真空激光准直测量系统是在激光准直测量基础上消除大气折射影响的一种测量大坝垂直、水平位移的系统，随着CCD 技术及激光图像处理技术的发展，其测量精度和可靠性都有很大提高。
1.3 其它类型监测仪器
除了上述内观仪器和大坝变形监测仪器，一些新型大坝监测仪器正由研制到逐步应用到实际工程。如光纤传感器，按传感器结构测量特点可分为分布式、单点式和准分布型光纤网络式；按传感原理可分为反射型、干涉型以及后向散射型等几种。光纤传感器以其灵敏度高、动态性能好、耐候性好、抗干扰能力强、自动化程度高、可实现分布式测量等优点，近几年得到快速发展，测量参数从单一的温度测量发展到渗漏检测到变形、位移、应力等多参数。目前光纤温度测量技术比较成熟并在电力、石油、水电大坝等众多领域应用，分布式测温精度可达0.5℃甚至更高，定位精度可达0.5m 。
随着一批高坝大库的相继建设，对大坝安全监测的要求也越来越高，除了过去常说的内观、外观等，经常要开展水力学、振动、地震监测等，这些监测项目所用到的仪器设备目前国内都有生产，在此不再赘述。
1.4 仪器选型
在计划经济时代，大坝观测仪器基本上是国家或行业部门定点厂家生产，几乎没有选择余地，随着我国经济体制改革的不断深入和建筑市场的加速发展，国内监测仪器生产厂家
不断诞生，国外的厂家也看好中国市场纷纷在国内设立代表处，土木建筑行业内部各专业口互相渗透，监测仪器设备多元化格局基本形成，如何正确选择监测仪器系统就显得十分重要。水工建筑物不同于其它建筑工程，具有使用寿命长、环境恶劣、建设周期长、结构性态复杂、安全要求高等特点，所以对大坝监测仪器选择一般应遵循以下几个原则：
1）长期稳定性好，可靠度高，使用寿命至少10年以上；
2）仪器的耐候性好，尤其是防潮密封性能要好，能在潮湿环境和一定水压力下正常工作；
3）仪器的分辨率、精度和量程要满足预定的要求，观测结果不应受长距离测量和环境温度变化的影响或者这些影响应该容易消除；
4）仪器结构牢固，能承受一定的振动和碰撞；
5）与工程等级相匹配，经济合理。
2.1监测设计
一个工程安全监测工作的成败除了选择可靠的监测仪器系统外，搞好监测设计与施工是至关重要的。水工建筑物及其基础的设计、施工与运行，虽然已积累了相当丰富的实践经验，但由于人们对地质条件、水文以及自然环境的影响等认识尚有一定的局限性，再加上大坝安全日益受到人们的重视，大坝安全监测重要性越来越显现出来，总的来说，大坝安全监测的意义和目的可以从以下四个方面来体现。
（1）作为监测大坝安全的耳目。通过安全监测掌握建筑物状态变化，能及时发现异常并采取措施，确保工程安全运用；
（2）验证设计，提高设计水平。通过监测可以验证设计中所用公式和参数的正确性，从而提高设计水平；
（3）作为施工决策的依据。通过监测检查施工质量，掌握施工过程中坝与基础的实际性态，从而确定、调整设计或施工技术方案；
（4）充分发挥工程效益。通过安全监测判定建筑物在各种运用条件下的安全程度，以便在确保建筑物安全的前提下，充分发挥工程效益。随着监测技术的进步和自动化程度越来越高，大坝安全监测在发挥工程效益方面的作用日益突出，例如在1998年长江流域特大洪水期间，清江隔河岩工程依赖及时准确的监测数据超设计防洪水位拦蓄清江洪水，为减缓长江干流特别是荆江大堤的抗洪压力起到了重要作用。
2.2监测仪器施工
一个好的安全监测设计要付诸实施，施工阶段十分关键。简单地说，安全监测施工就是将监测仪器系统按设计的位置根据土建施工进度进行安装或埋设。这个工作看起来似乎比较简单，但在实际工作中由于施工经验不足、现场环境的复杂性以及施工组织措施不到位等原因往往影响安全监测的实施效果与质量，从而影响监测数据的真实性与可靠性乃至引起误判。下面就如何搞好监测仪器施工谈几点看法。
（1）仪器埋设人员应熟悉仪器结构原理及特性，在施工前应仔细研究工程设计资料、工程地质资料，充分理解设计意图。这一点非常重要，同样的监测仪器在不同的场合会有不同的
作用和监测目的，施工环境、地质条件的差异以及不同类别的仪器等都会影响施工技术方案，千万不可千篇一律的套用施工技术方案。比如在混凝土和基岩中埋设应变计、钻孔埋设测斜管与土石坝填筑过程埋设测斜管、差动电阻式仪器与振弦式仪器等等都是有区别的，这些有的在规范或设计文件中做了规定，更多的时候要靠实施人员根据设计意图和现场条件来分别对待。所以对监测仪器埋设人员的要求不但要具备一定的水工建筑物知识，还应熟悉仪器的结构原理、熟悉施工流程和特点，这样在现场仪埋边界条件发生变化时就能根据现场的具体情况采取合适的方法进行仪器的安装埋设，以保证监测目的的实现，所以说仪埋人员具备一定的专业素质和丰富的现场经验是非常重要的。
（2）加强施工期资料整理工作，施工期资料整理的重点应该放在资料的真实性和可靠性方面，由于仪表飘移、人员误差、特殊环境和施工影响、监测设施损伤等等原因都可能引起监测成果的较大变化，这些必须在施工期及时得到消除和确认，以便资料分析时加以区别。在这里有一个问题值得提出，那就是仪器率定计算问题，我们知道许多仪器的测试原理是基于被测试物理量与输出电信号成线性关系或近似线性关系，所以我们一般规定监测仪器的线性关系要好，比如对差动电阻式仪器的端基线性要求在2％F.S ，而实际上这些仪器的被测试物理量与输出电信号大多是近似成线性关系的，比如差动电阻式仪器的温度与电阻、振弦式仪器的钢弦频率与变形等都不是严格的线性关系，在过去为了计算方便，规定按线性关系进行率定计算，如今电子计算机的应用十分普遍，对其进行多项式回归计算已不是难事，笔者经过多次试算，计算精度可提高一倍以上，建议在整理资料时改用非线性计算参数以提高监测物理量的计算精度②。
（3）关于仪器率定问题，由于监测仪器埋设很多情况下是无法更换的，属于隐蔽工程，仪器的好坏直接关系到安全监测的成败，所以技术规范规定所有的监测仪器埋设前必须进行率定检验，目前有许多中小工程的监测仪器还是以仪器出厂率定为依据，这是对工程不负责任的做法。关于钢弦式仪器的绝缘检验问题，目前的规程规范未提出明确规定，许多监测人员对此也缺乏足够的认识，认为弦式仪器绝缘度低并不影响仪器的测值，但是监测仪器是长期埋设在水工建筑物结构内，需要进行长期监测，仪器绝缘度偏低，甚至仪器内部受潮或进水，短期内可能不会影响测值，但必定造成仪器内部结构物理特性和电气性能产生缓慢变化，这就影响仪器的长期稳定性，甚至仪器失效，所以应重视监测仪器绝缘度检验。还有一种情况就是目前一些仪器厂家的率定方法与施工时不尽相同，导致一些稳定性参数不满足要求而引起争议，比如相对误差、温度系数等就经常出现这种情况。可喜的是监测仪器检验率定标准正在编制中，这些问题有望得到解决。
（4）关于仪器设施保护问题，主要有两个方面，一是仪器安装埋设过程的保护，二是仪器设施安装埋设好后运行过程中保护。首先在仪器安装埋设过程，由于施工交叉作业，土建施工的大方量、大机械设备以及现场恶劣环境等，而监测仪器多为精密电子仪器设备，对震动、防水防潮等要求较高，这些使得监测仪器的现场保护具有一定的难度，也是监测仪器施工的关键点。要做好仪埋的保护工作，首要的还是责任心，这是搞好仪埋工作的前提，所以良好
的职业素质与素养是十分必要的；其次是要抓住影响仪埋质量的关键点，比如电缆、接头、填筑与覆盖等等，值得强调的是电缆牵引和接头的处理，因为监测仪器的监测全靠电缆将信号传输到坝外或廊道进行观测，电缆施工的时间和空间跨度都很大，极易受到损伤和破坏，尤其是电缆受到暗伤和接头处理不好是危害最大的，往往不易被及时发现，随后慢慢锈蚀导致测值不稳、漂移直至完全测不出，有时还会出现电缆集中被盗割后无法识别的问题。这些都说明重视监测仪器的安全保护是十分关键的。
3 结语
虽然我国大坝安全监测技术在近十余年得到了空前的发展，但相对于水电大坝安全高效运行的需求来说，还有很大的发展空间，尤其是近年来一些巨型的高坝大库相继开工建设，给安全监测技术领域提出了许多新的课题。在监测技术标准化建设和监测施工走专业化发展道路等方面还任重道远，一些新兴的监测技术如：大坝安全监测实时监控预警预报系统、基于分布式光纤传感监测技术和传导型纤维传感技术的智能化监测系统、大坝动态监测系统、大坝CT 层析技术等，都还处于研究阶段，期待广大的安全监测技术人员进一步研究，早日为工程服务。
参考文献：
1、大坝和岩土工程中埋设仪器选型问题的探讨 储海宁 大坝监测技术 2006.2
2、差动电阻式仪器温度检验限差的讨论 邵乃辰 水电自动化与大坝监测 2004.2
3、混凝土大坝安全自动化监测技术的发展方向 刘观标 水电自动化与大坝监测 2004.2
4、简论水工建筑物及其基础安全监测系统设计 曹乐安 大坝安全监测与监控，中国水利水电出版社，2004