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100～300Hz①，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，
