紫金矿业集团股份有限公司
摘要：大坝具有蓄水防洪、灌溉防旱、改善河道、减少水土流失、清洁发电等功能，建设大坝已成为水利开发利用的重要手段，对人类社会可持续化发展有重要的作用。因此，对大坝外部变形进行监测，有助于提高大坝的寿命，保障大坝安全稳定地运行，而随着科技的发展，自动化监测技术在大坝外部变形的监测中应用越来越广泛。
关键词：大坝；变形监测；影响因素；应用
1影响大坝外部形变的因素
（1）压力变化，大坝内部受到静水推力，会导致大坝向外形变，此外高水位对水底的压力变大会导致水底环境发生改变，改变大坝地基的受力情况。（2）温度变化，热胀冷缩是所有物体的共性，所以大坝会随着季节温度变化胀缩，大坝主要建设材料为混凝土，对于温度较为敏感。（3）地质灾害，地质灾害对大坝的影响在于突然改变大坝的受力情况，引起的受力不均衡甚至地基不稳，大坝的载荷过大产生变形。（4）时间作用，随着时间的推移，大坝的建设材料尤其是混凝土会发生变化，这个变化在大坝修建初期较为明显，但随着时间的推移会逐渐趋于稳定。
2自动化监测在大坝外部变形监测中的优势
通过对大坝外部形变影响因素的分析，发现地质灾害是引起大坝外部变形的主要原因；此外，设计不合理、施工质量、运行过程中维护保养不周也是大坝外部形变的原因。因此，需要不断强化大坝安全监测工作，以便提前预警，及时采取应对措施。现今，大坝外部变形监测主要有人工观测和自动化监测两种方式。传统的人工观测方式工作量大、费时费力，容易产生人为误差，监测频率也难以满足安全监测实时性的要求，监测预报存在一定的滞后性；相较而言，自动化监测可以极大解放劳动生产力，能够为大坝运行管理单位提供全天候、连续、高精度的监测数据，实现实时监测，技术优势十分明显。
3大坝外部变形监测自动化技术的应用
3.1测量机器人自动化监测技术
测量机器人（即智能型全站仪）可以快速地自动识别锁定各监测目标，基于这一特点，其搭配监测棱镜组、气象传感器、供电通讯设备、测量控制和数据处理软件，共同组成测量机器人自动化监测系统。测量机器人自动化监测技术的关键是工作基点（测量机器人测站）和基准点（后视点、校核点）选点布设。根据大坝的实际情况及其外部变形监测的要求，可以选用1台或多台测量机器人布设1个或多个测站，利用大坝原有监测控制网点作为基准点或新建独立基准点，同时在监测部位上布设永久棱镜监测点，通过测量控制和数据处理软件进行精确定向完成测站设置，便可以开始自动化监测测量。测量机器人自动化监测系统具有精度高、效率高、稳定性强及受地形影响较小等优点，且建造成本较低，特别适用于大坝、边坡等的实时性变形监测，缺点是在大雨、浓雾天气时不能进行观测。
3.2GNSS自动化监测技术
大坝GNSS自动化监测系统由各基准点、监测点的GNSS设备、供电设备、数据传输设备、防雷设备、测量控制和数据处理软件等构成。GNSS自动化监测技术的关键是GNSS基准点和GNSS监测点的选点布设。根据规范要求，GNSS基准点和GNSS监测点布点位置要求视野开阔，视场内障碍物的高度角尽量不超过15°，远离高压线和大功率无线电发射源等。GNSS基准点可以设置在大坝原有监测控制网点，也可以选择设置在监测区域以外的稳定基点，GNSS监测点直接设置在各变形监测部位。通过测量控制和数据处理软件可以完成各基准点、监测点三维坐标数据的实时采集和处理，完成自动化监测测量。GNSS自动化监测系统对大坝进行变形监测，具有全天候、不受通视条件限制、作业范围广等方面优势，但缺点在于易受地形、卫星分布及多路径效应等影响，要达到较高精度需要长时段观测及解算。
3.3地面三维激光扫描自动化监测技术
地面三维激光扫描仪是一种固定式激光扫描仪，能够采集获取扫描物体表面的三维点云数据。类似于测量机器人自动化监测技术，地面三维激光扫描仪搭配气象传感器、供电通讯设备、测量控制和数据处理软件，共同组成地面三维激光扫描自动化监测系统。
地面三维激光扫描仪能够快速、高密度地采集监测物体或监测区域的三维点云数据，将点云数据预处理后生成监测物体或监测区域的表面模型，然后再把不同时段内生成的模型统一到同一个坐标系中，以此做对比分析来提取监测物体或监测区域的变形量。因此在仪器布设方面，地面三维激光扫描自动化监测技术的关键是工作基点（扫描坐标系以激光束发射中心为坐标原点）的布设，并且一般不需要设置监测点。不同于测量机器人和GNSS的点式监测，地面三维激光扫描仪是基于整体的外部变形监测方法。地面三维激光扫描自动化监测技术的优势就在于可以快速、高密度、高精度地获取大坝建筑及两岸边坡的三维点云数据，从而能够反映坝体及边坡的总体变形趋势。
4工程实例
某水电站处于我国中部南北向地震带中南段的东侧，区域构造稳定条件较差，地形地质条件复杂，大坝及其邻近区域的变形监测任务十分重要。因此，在该大坝建成后，及时建立了大坝外部变形监测自动化系统，以代替人工监测。
按照系统结构划分，大坝外部变形监测自动化系统是由变形监测数据采集、数据传输、控制与分析软件、供电和防雷等模块组成。而按照监测数据采集模式划分，该系统又可分为测量机器人自动化监测系统和GNSS自动化监测系统两个子系统，二者能够进行联合监测。如下图所示。
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基准点布设。两套子系统共用4个基准点（其中的2个基准点同时也是测量机器人测站点即工作基点，内部同轴安装测量机器人、圆棱镜、GNSS天线）。
监测点布设。根据现场条件，超出测量机器人观测视线范围的监测点只布设GNSS，GNSS信号不佳的监测点只布设圆棱镜，坝顶及其他满足共同观测条件的特定监测点同轴安装圆棱镜和GNSS天线，因此，全部监测点共包括了7个单GNSS监测点、28个单棱镜监测点、18个GNSS和棱镜同轴监测点。
大坝外部变形监测自动化系统同时采用测量机器人和GNSS自动化监测技术，将二者的技术优势进行了互补。在坝区范围内均匀布设若干个监测点，同轴安装圆棱镜和GNSS天线，两套子系统观测的数据可以相互检校，既可以保证观测精度，也可以实现全天候观测，并且可以适当节约成本。
5结语
大坝外部变形监测采用自动化监测手段已经成为未来发展的主要方向，同时也将对自动化监测技术提出更高要求。从行业的角度来讲，应继续鼓励开发、优化自动化监测软硬件设备，不断总结工程经验，推广和借鉴良好的工程经验，共同推进自动化监测技术的发展，对包括大坝外部变形监测在内的各类工程安全监测提供技术保证。
参考文献
[1]基于双测量机器人的土石坝表面变形自动化监测技术研究[J].杨明化,汪少青,高全.水利水电快报.2019(12)
[2]自动化技术在大坝变形监测中的应用研究[J].宋智全.江西建材.2018(13)