陕西省水利电力勘测设计研究院陕西西安710001
摘要：水利水电建设事业的发展必然将促进水电站／水库大坝运行管理技术的发展，大坝的安全运行将随着工程规模的提升而更趋复杂，对大坝管理提出的要求将更多、标准更高。因此，为了确保水利水电工程的高效、高可靠性运行，大坝的安全监测及其自动化将是不二的选择和必由之路。本文分析了大坝安全监测的现状与发展趋势。
关键词：大坝；安全监测；现状；发展趋势
大坝是调控水资源时空分布、优化水资源配置的重要工程措施,也是江河防洪工程体系的重要组成部分。随着世界各国水利、水电事业的发展,水库大坝的安全问题也越来越突出。
一、概述
随着世界各国水资源的不断开发和利用，大坝及其它类型的水工建筑物，数量、规模都在不断增加和扩大，与此同时，大坝失事现象也频频出现。为安全起见，大坝的设计必须留有适当的安全余地，必须考虑在大坝使用寿命内能抵御正常运行以及异常灾祸可能出现的各种不利情况。安全监测即对施工、蓄水和运行的大坝及其它水工建筑物布设监测系统，通过测量坝体及基础变形、渗流、应力应变等状态，通过监测仪器和设备捕捉这些变化信息，与设计中的理论分析计算成果进行对比，从而评估和判断建筑物当前的工作状态，达到监测建筑物安全的目的，分析评判建筑物的安全性状及其发展趋势，及时发现异常危及安全因素，预测预报大坝安全性态，以便能把有可能发现的事故损失降低到最小程度。进行大坝安全监测，有助于认识各种观测量的变化规律和成因机理，以确保大坝安全，能够反馈大坝设计、指导施工和大坝运行，推动坝工理论的发展，提高大坝运行的综合效益。
二、大坝安全监测的状况
1.光纤技术。光纤传感器就是用被测量的变化调制传输光光波的某一参数，使其随之变化，然后对已调制的光信号进行检测，从而得到被测物理量。采用分布式传感型光纤监测系统有下列优点：一是信息量大。分布式传感型光纤监测系统能在整个连续光纤的长度上，以距离的连续函数形式传感出被测参数随光纤长度方向的变化，即光纤任一点都是“传感器”，它的信息量可以说是海量信息。如果将光纤按一定的网络铺设，可实现对大坝安全的全方位监测，可以克服传统点式监测容易漏测和渗流难以定位的弊端，极大地提高大坝安全监测的有效性。二是结构简单，可靠性高，方便施工，潜在故障少，可维护性好，可靠性高。三是使用方便。光纤本身轻细纤柔，光纤传感器的体积小，重量轻，不仅便于布设安装，而且对埋设部位的材料性能和力学参数影响甚小，能实现无损埋设。光纤埋设后，测点可根据需要改变设定，可以取1m距离为一个测点，也可以取2m距离为一个测点等。因此，在病害定位监测时极其方便。分布式光纤监测系统相对于电信号为基础的传感监测系统和点式光纤监测系统而言，无论是从监测技术的难度、监测量的内容及指标，还是从监测的场合和范围都提高到了一个新的阶段。
2.渗漏量监测技术。渗漏量监测一直是水工建筑物非常重要的监测项目，一般采用量水堰监测。虽然该技术有非常成熟的试验研究和理论基础，但由于量水堰监测渗漏量只能人工读取，不能自动采集，因此要求工作人员掌握一定的专业知识，在工程运行期间工作人员要定时、定点的进行现场观测，尤其廊道内终年潮湿环境条件恶劣，人力资源消耗太大。为了节约了人工测量数据的时间，避免了人工输入数据过程中出现的差错，保证了数据的的及时性、准确性。有一种排水沟流量观测的沉井式结构（见图1），需要设一个静止观测井（带隔栅的防污管），静止观测井应装在水流相对平静区域内的铅垂位置,将量水堰计系统放到所需监测的位置，保证传感器浮筒部分侵入水中，但传感器不可侵入水中，系统在井中安装时应注意对中。沉井式监测系统有以下优点；一是具有高分辨率、高精度、高稳定性、高可靠性、响应时间快，工作寿命长等。二是通过RS485数字信号输出，可接入自动化监测系统,同时设置人工监测通道。
（图1）
3.大坝安全监测自动化系统。大坝安全监测的最终目的就是为了不断获取连续的现场监测数据，并将之迅速转化成相应的物理量，这样才能及时准确了解各个部位的各类变形情况，确保其在安全可靠的状态下工作，为大坝及相关建筑物的科学运行管理做出明确的决策。因此大坝安全监测自动化系统应具备如下功能：一是由于大坝安全监测自动化系统所处的环境均较差，一般都布置在终年潮湿的廊道中，又有电厂高压线的强电干扰和雷电的冲击，因此自动化监测系统设备必须适应在恶劣的环境下工作。另外随着监测技术的发展，监测手段也在不断地变化，一个水电站工程中的安全监测仪器设备的设计类型是多式样的，主要包括电容式、差阻式、振弦式、光纤等，因此安全监测系统应该具有广泛的兼容性，能够实现对不同类型设备、不同监测种类的组合，从而进行全面的监测。二是满足无人值守在线监控的要求。安全监测自动化安装完成后，根据现场实际需要，监测数据的采集工作可做到准确、及时，数据采集时间可以任意设定进行。自动采集的数据存入相应的数据库中之后，由数据分析处理软件对其进行实时分析，整个操作过程具有简洁、快速的特点。三是实现离线分析。由于在线监控和实时分析只是简单的初步分析工作，当完成在线监控工作后，在实测数据库的基础上，即可开展深层次的分析工作。主要就是应用各种模型库、方法库和知识库对各类建筑物的变形、渗流、应力、应变等实际运行性态进行正反比分析和仿真计算，以达到全面了解建筑物的安全状况的要求，为管理运行单位进行科学决策提供强有力的支持。
三、大坝安全监测发展趋势
随着社会的进步，人们观念的不断转变，科学技术特别是信息技术的发展，对大坝安全监测提出了更高更深的要求，大坝安全监测的未来发展趋势展望如下：
1.传感器智能化。智能仪器是自带微型计算机或者微型处理器的测量传感器，仪器自身具有数据存储、数据传输、逻辑运算判断及自动化操作等功能。随着人工智能技术和电池技术的迅猛发展，逐步具备自检、自校、自诊断功能、物理量直接展示、结果数字化输出、无线传输和人机交互等功能特性。
2.接口的标准化和即插即用。国内外多个监测仪器生产厂家的仪器设备，由于各家接口和系统不通用、需要专业安装调试队伍等问题严重阻碍了大坝安全监测自动化的推广，为此需要研究通用的通讯协议、数据库接口、通讯接口、传感器接口和电源接口标准，建立健全相应的技术规程规范，从而方便各个系统设备、模块之间的集成。
3.虚拟现实。虚拟现实技术是数字水利、数字流域的必然要求，是与GIS、GPS和RS技术相配套的技术。近年来，虚拟现实技术又有了很大的发展，在大坝安全监测自动化方面的应用可以包括：一是动态模拟大坝变形、渗流、裂缝等的产生、发展和相互耦合过程，实现三维动态可视化；二是利用增强现实模拟上下游溃坝、泄洪和其他荷载变化对大坝安全的影响，进行淹没和损失评估；三是利用分布式虚拟现实环境，在因特网环境下，充分利用各地人才和数据资源的优势，协同开发虚拟现实的大坝健康诊断系统等。
随着现代科学技术的发展，现代化的安全监测技术与安全监测设备已成为安全监测工作发展的迫切需要，因此，未来现代化的安全监测技术必将取代传统的监测方法。由于很多现代化的监测技术才起步，研究实施工作也刚刚开始，这样就为广大的安全监测工作者提供了广阔的发展空间，相信这一天马上就会到来。
参考文献
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[3]贾文利.21世纪水力发电工程科学技术发展战略研讨会论文集.北京:中国电力出版社,2015.