土石坝安全监测技术及安全监控理论研究进展

土石坝安全监测技术及安全监控理论研究进展

樊剑锋

云南建投第一水利水电建设有限公司云南昆明650000

摘要：大坝建设的安全性，永远都是水利工程的重中之重。大坝的主要类型可以分成混凝土大坝和土石坝两种。自1970年之后，土石坝的使用数量、范围以及高度都开始远远超过了混凝土大坝。主要原因就是土石坝的造价远远低于混凝土大坝，工程造价小。但是发生溃坝事件的风险也是远远高于混凝土大坝的。就我国的统计数据来看，目前发生的溃坝事件中土石坝所占的比例高达98%，在这些溃坝事件中大部分原因都是因为安全监测和监控没有做到位。本文旨在立足于土石坝的安全监测和安全监测理论研究的进展上，提出未来的发展方向。

关键词：土石坝；安全监测和监控；进展；未来方向

1、关于土石坝的安全监测技术的研究进展

1.1早期的土石坝安全监测技术

我国对于土石坝的安全监测最早可以追溯到1950年左右，早期主要还是依靠人工进行抽样通过专业知识的判断来进行安全监测，这种方法自身存在着很大的缺陷，人力有时尽，无法做到高精度的监测。在1980年实现了安全监测的自动化，从这儿开始，我国的土石坝安全监测技术开始得到快速的发展，那时候对监测仪器的要求比较简单，总结起来就八个字：简单可靠、精度精确。从1990年之后，土石坝的安全监测技术得到了进一步的发展，很多的大坝都更新了自身的安全监测系统。就目前的技术成果来看，土石坝的安全监测技术系统主要包括以下的功能：数据精确采集、管理、分析、预警以及存储，可以将数据进行进一步的处理，并将其转化为3D图像，方便进行更直观的观测。

1.2土石坝的安全监测技术系统现状

土石坝安全监测的过程中最需要进行着重监测的两个物理量就是渗流和变形。在最早期的时候，对渗流数值的测量是采用量杯和秒表的配合在监测点上直接进行读取。后来的进一步发展，则开始采用电力测量仪器进行监测，主要有两个方式，第一种就是在排水口处进行单孔测量，这种方法类似于抽样监测，精度不高，应用范围较窄。第二种就是让水流汇集到量水堰之后，再进行监测。这种方式是经常采用的方式。随着90年之后，自动化监测的进一步发展，目前广泛应用的渗透测量仪器主要分为振弦、电感、电阻、差阻等四类。至于对土石坝变形方面的监测在早期的时候主要采用的水准仪和经纬仪，通过肉眼的观测进行安全监测，同样的误差较大，随着时代的发展已经被淘汰了。从90年之后，大多数都采用全站仪、电子水准仪等来实现监测的半自动化或者是全自动化。上面的这两种一起相比于三角网式的人工检测来说，具有着高精度、测量时长短、数据处理速度快等等优势。通过全站仪和电子水准仪组成的土石坝安全监测系统，可以实现数据的采集和处理分析融为一体，可以更精确的对土石坝的安全情况进行实时的安全监测。在变形监测方面，目前主要是采用引张线和倒垂线组合形成的自动化检测系统。同样的在性能方面可以做到实时监测以及数据处理。

2、土石坝的安全监控研究理论进展

2.1合理的分析土石坝安全监测资料

合理的分析土石坝的安全监测资料主要包括两个方面：处理资料误差、不同的检测仪器的归一处理。就目前的情况来看处理检测系统的误差值主要还是通过使用一种名为最小二乘的理论。采用的方法主要是探测数据和稳健估计。第一种方法就是假设系统中仅仅存在一个测量误差值，将这个测量的误差值放入早已经制定好的函数模型中，使用统计假定方法来检测误差并且剔除误差值。第二种方法就是通过改变使得正常检测中误差和异常情下的误差对参数的不良影响。以此来达到对误差产生的定位以及减少对参数产生的不良影响。现代技术的发展，现在也已经将小波分析应用到了大坝监测数据误差的探测中，这种方法就是将误差自身作为一个奇异信号，通过小波分析出的奇异信号点进行误差检测。针对不同仪器检测到的结果的归一性处理，在保证结果正确和样本多样性的基础上，采用了一种名为单位阶跳跃函数进行统计模型建立进行数据的处理。

2.2建模分析土石坝安全监测资料

土石坝安全检测资料的分析远比混凝土大坝的安全监测分析复杂的多，原因主要可以分为以下几点：自身的材料、构造、边缘条件的物理性质的力学特性和参数变化更加复杂。渗流过程的复杂性，由于自身材料构造的特殊性，存在着渗流场、应力场、温度场三者的融合问题。针对破坏形式、机理以及材料自身的变化特性研究不够深入。观测得到的结果和资料不仅仅和大坝形状、构造、材料有关，同时也与施工过程中的诸如方式、过程等等有关。

现在主流分析土石坝的安全资料模型主要分为以下几种：基于灰色理论上的沉降灰色模型。模糊数学和网络神经结合的沉降组合模型等等。随着目前分形几何学的发展，针对土石坝安全检测资料的分析和安全监控模型会变得越来越多元化有效化。

3、土石坝安全监测技术未来的发展方向

在目前的技术发展的支持下，人们也在不断发展土石坝的安全监测技术。通过现在的计算机技术的支持，人们发现当大坝心墙的渗透系数低于（2-6）乘以10的负7次方的时候，土石坝本身的温度几乎是不变的，处于一个常数状态。当渗透系数开始大于这个系数的时候，温度的变化随着大坝渗透系数的变化而变化。从中可以总结出渗透数值的变化必然会导致大坝温度的变化，这一理论的发现就为今后土石坝的安全监测技术发展指明了方向。

同时现在已经经过验证的技术还有以下这些：TDR（时域反射法），这种方式主要是在大坝的检测部分的修筑过程中放置同轴电缆，如果大坝发生了细微的互动，电缆就会发生一定的形变，通过检测仪器反映的电缆形变状况来判断大坝的形变程度以及位置。近几年来又出现了光纤传感器技术，就是利用光干涉原理将压力以及渗透量编写进光敏感元件中，将信息转化为光纤信号，传输和处理速度快。随着这门技术的不断发展，在不远的未来必将形成一个全光纤形式的大坝安全监测系统。

4、土石坝安全监控系统的未来发展

土石坝安全监测系统的目的就是各类数据进行收集和传输后，通过对数据的处理，为管理部门提供大坝自身是否安全提供数据上的支撑。

随着计算机技术的发展，土石坝的安全监控和决策系统已经发展到了专家系统的层面上，主要就是通过将大坝安全领域内的专家学者知识编写成计算机代码，让计算机将这些思维转化成有效的策略推理，从而实现对大坝的实时安全监控，这也是今后大坝安全监控系统的主要发展方向。

5、总结

文章通过对土石坝安全检测技术以及安全监控理论的主要研究成果和理论进行了深入的解析，主要发现了目前广泛应用的技术还是有着一些缺陷，自动化程度低等，安全监测技术和安全监控系统依然不太完善。通过对文中未来发展方向的深入研究，就可以逐渐改善目前的状况，弥补自身的缺陷，加快土石坝安全监测技术和安全监控理论的深入发展。

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