水利工程大坝外部变形监测与维护措施

水利工程大坝外部变形监测与维护措施

李永坡

中国葛洲坝集团勘测设计有限公司  湖北省武汉市  430000

摘要：随着水利工程建设和使用的不断增加，大坝的安全问题也引起了人们的高度重视。为了确保大坝的稳定和安全，需要采取一系列措施来监测和维护大坝的外部变形。在混凝土坝各层设置变形监测设施，设计水工坝外部变形监测视线。这样可以实现对大坝外部变形的精确监测，及时检测变形，为后续处理提供依据和数据支持。引入卫星定位技术对大坝外部变形进行监测和预警。卫星定位技术可以实现对大坝外部变形的全面监测，及时发现异常情况，并提供预警信息，为采取措施提供应急计划和依据。设计了水利工程大坝外部结构槽的划分方法，并对大坝外部结构进行了加固处理。通过将大坝外部结构分槽加固，可以有效提高大坝的整体稳定性和安全性，防止外部变形对大坝主体结构的影响。

关键词：水利工程；大坝外部；变形监测；维护措施

随着现代化社会的不断发展，水利建筑项目的数量越来越多。这些建筑物，如大坝等，由于受到自然因素的影响，可能会产生变形。为了保证这些建筑物的安全运行，必须设定最大承受值。为了预防水利建筑物发生安全事故，并进行日常维护与管理，实时数据监测是施工与运行阶段的必要条件。通过监测观测和分析大坝变形程度和工作形态，可以及时发现问题，并适时增加监测频率并进行现场维护，提升大坝变形监测精度。数据监测可以帮助水利建筑物的管理者更好地了解建筑物的运行状况，及时发现并解决问题。例如，当大坝出现变形时，监测数据可以提供变形的具体情况，帮助管理者了解变形的程度和位置。通过这种方式，可以及时采取措施，避免出现更严重的问题。除了预防安全事故外，数据监测还可以进行日常维护。例如，监测数据可以帮助管理者了解水利建筑物的使用情况，包括水位、水流等信息。这些信息可以帮助管理者更好地规划维护工作，确保水利建筑物的长期安全运行。

1不同大坝变形监测方法

1.1三维激光扫描技术监测

三维激光扫描是一种高精度的三维测量技术，通过激光发射装置照射在目标物体上，根据反射的光源接收装置控制激光方向，再根据旋转装置进行扫描。这种技术可以得到目标物体上每个点的空间坐标，从而构建出三维模型。在进行三维激光扫描之前，需要先建立一个空间坐标系。以扫描仪的中心为坐标原点，明确X轴、Y轴、Z轴的方向。然后，扫描仪通过激光的测距原理，可以得到目标物体上的位置点P与扫描设备L之间的距离。通过对光束横向扫描角度α与竖向扫描角度β之间进行运算，就可以得到目标物体上每个点的空间坐标，得到位置点P的三维坐标公式为：

为消除表面粗糙现象对点云精度产生的误差，设定被检测物体表面的粗糙现象形成的激光支撑设备放置位置的偏差δ可以表示为：

式（2）中：Δmax为大坝表面粗糙度值。在三维建模和监测领域中，激光扫描设备已经成为一种常用工具。然而，在使用激光扫描设备进行监测前，需要进行一些准备工作，以确保获取到的数据是准确和可靠的。首先，角度值会对三维激光扫描的精度产生影响。在实际应用中，入射角为80°以上的数据需要进行消除处理。因此，在使用激光扫描设备进行监测前，需要进行现场勘测，确定合适的扫描角度，以确保扫描数据的准确性。其次，需要对测量点进行布点，并安置标靶。这些标靶通常是球状的，可以用于校正扫描数据。在进行扫描之前，需要确保这些标靶的位置和朝向正确，以便更好地校正扫描数据。完成扫描后，需要对点云数据进行滤波和精简。点云数据是由扫描设备获取的大量点的集合，这些点通常包含一些噪声和无用数据。通过滤波和精简，可以去除这些噪声和无用数据，提高数据的准确性和可用性。最后，需要提取公共球状标靶的球心坐标，并计算球体模型参数得到球心。这些球心坐标可以用于校正扫描数据，提高数据的准确性。将t1与t2及其法向量中的连点空间直线内最短线段中点v作为球心，则有：

式（3）中：x为球心坐标。计算出球心坐标x，然后利用其与周围点的坐标信息，计算出每个邻域点到大坝表面的距离和法向偏差。通过比较这些值与预设的标准值，我们可以将点分为外点和内点。需要统计正确的数据集，以便进行后续的迭代。在不断迭代的过程中，我们可以使用一种优化算法，选择最优的数据集进行监测。通过这种方法，我们可以实现多点数据监测，从而提高大坝的安全性能。。

1.2CCD技术监测

大坝作为水利工程的代表，其安全性和稳定性一直是人们关注的焦点。为了保证大坝的安全，科学家们通过数字图像处理技术和CCD传感器等现代技术手段，可以计算出大坝在垂直方向的位移以及水平位置和绕度等重要参数。数字图像处理技术是一种将数字图像进行处理和分析的技术。通过数字图像处理技术，可以提取出光带和暗带的信息，进而计算出大坝在垂直方向上的位移值。在大坝的顶部和下部分别安装相机，通过相机拍摄到的图像，可以精确计算大坝的变形情况。利用数字图像处理技术，不仅可以实时监测大坝的变形情况，还可以对大坝的变形趋势进行预测，从而为工程师提供重要的参考和决策依据。除了数字图像处理技术外，CCD传感器也是一种常用于大坝测量的技术。CCD传感器可以测量大坝的水平位置和绕度。通过在大坝的不同位置安装CCD传感器，可以实现对大坝不同位置的水平位置和绕度进行监测。这些数据可以用于计算大坝的整体变形情况，为水利工程的安全性和稳定性提供有力的保障，计算对应直径成像位移公式为：

式（4）中：CCD传感器在工业生产、医疗、安防等领域广泛应用，其工作原理是将光学信号转换成荷载信号并输出电信号值。参数F、a、ΔN、β是CCD传感器的关键性能指标，其中F表示光电转换效率，a表示光电转换面积，ΔN表示电荷转移效率，β表示噪声系数。这些参数的优化可以提高CCD传感器的灵敏度和精度。被测物体在CCD传感器上的投影部分输出为减弱电平，而有光照射的部分输出为加强电平。这种差异可以通过二值化处理转换为数字信号，并传输到数据采集处理设备。数据采集处理设备对二值化的输出信号进行数据收集与处理，通过相关算法计算被测物体在CCD传感器上的位置。这种方式可以实现对物体的高精度测量，广泛应用于工业自动化生产线、机器人视觉等领域。

2水利工程大坝外部变形监测应用

2.1数据的采集与处理

大坝安全监测数据的采集分为坝体的三维点云的获取、坝前坝后水下的三维点云的获取。采用TrimbleSX10三维激光扫描仪对水面以上的坝体进行扫描，坝体点云数据使用2016年初次扫描点云数据（采集面积0.5km2、点云数目2.8亿、设站33站）与2021年点云数据（采集面积0.5km2、点云数目2.95亿、设站62站）对比分析。坝前坝后的水下地形采用美国R2SONIC公司生产的SONIC2024多波束测深系统进行扫描，水下点云数据采用2018年初次测深点云数据（采集面积0.7km2、点云数目1.26亿）与2021年点云数据（采集面积0.4km2、点云数目1.37亿）对比分析。再对点云数据进行预处理，外业采集的数据是最原始的数据，需要对其进行坐标配准、噪点剔除、重叠部分删减、不可靠站点剔除、数据合并和导出txt文件。剔除点云粗差数据，保留高精度点云数据。

2.2布置外部变形监测视准线

随着科技的不断发展，水利工程建设也在不断提升。在大坝建设中，为了确保大坝的安全运行，外部变形监测视准线成为了必不可少的一项工作。首先，为了全面了解大坝的变形情况，需要在混凝土大坝各层布置变形监测设备。这些设备包括引张线、能量水准线、精密导线、弦线、垂直位移监测点等，覆盖范围应该全面而准确。其次，为了确保监测设备的稳定性和可靠性，需要按照图纸要求进行预埋、埋设、安装等。在布置监测设备时，要特别注意设备的准确性和可靠性，确保监测数据的精准度。

2.3点云数据精度分析

2.3.1工作基点精度评定

工作基点本次选择TM30/RTK实测基点。大坝坝体两侧及坝顶有监测墩，每个星期会定期使用机器人TM30监测，数据实时更新。在某些没有固定观测墩又需要进行扫描的位置（主要是大坝两侧、顶部北侧道路及大坝下游底部），利用TM30型全站仪架设在各观测房顶部观测墩，通过三维变形分析多测回自动观测方式，共采集4个测回的数据，而后加入气象条件，进行极坐标平差后得到基点坐标。同时利用RTK的方式进行测量，将测量结果与TM30全站仪测得数据比较，如果两种结果相近，则采用全站仪数据作为站点坐标，否则就要重新使用全站仪测量该站点坐标。

2.3.2坝体三维点云数据精度评定

(1）内符合精度

内符合精度表示同一测站不同时刻测量同一目标，两期数据间的内符合程度。验证内符合精度能保证不同时期数据的准确性。本次内符合精度的检验选取GTP08测站两次扫描的点云数据叠加进行内符合精度的评定，在同一位置截取部分点云进行建模分析。

使用DEM分析法，能够清楚地看到高程范围呈条带分布，两个面基本吻合，总体上看点云数据良好。使用cloudcompare软件可以通过点云之间的高程差来直观表示每个点云的质量。通过数据分析，蓝色方柱为两次数据有重叠点的对比结果，能够达到3mm以内；红色方柱表示两次数据没有重叠点的对比结果，不能反映真实的测量精度。所以，本次内符合精度可以达到3mm以内。

(2）外符合精度

外符合精度表示不同测站同一时刻测量相同目标，两站数据的相互吻合度。验证外符合精度保证同期数据成果的正确性。本次外符合精度的检验选取GP07与GP08测站扫描截取的点云观测数据，将点云观测数据统一到施工坐标系下进行对比，截取两站观测数据同一位置的点云，分别进行叠加建模并精度分析。

通过分析可知，测点范围约100m的条件下，各站间扫描的外符合精度较佳，两测站的同一位置点云数据差值基本都在10mm以内，所以坝体点云数据的外符合精度优于10mm。

综上所述，通过数据分析及评定可以认为：在本项目的开展过程中，采用100m扫描范围内的数据，采用TM30/RTK实测基点所观测的点云数据精度优于10mm。

结论

水利工程大坝是保障水资源利用和防洪排涝的重要设施，而其外部变形监测与维护对于保障大坝的稳固性至关重要。因此，设计一种新的外部变形监测与维护方法，以提高大坝结构的稳固性，成为了必要且紧迫的任务。布置水利工程大坝外部变形监测视准线是该方法的第一步。这可以通过建立一套准线系统，对大坝的外部变形进行实时监测，从而及时发现并处理大坝结构的问题。基于卫星定位技术的外部变形预警是该方法的重要环节。通过将卫星定位技术与传感器技术相结合，可以实现对大坝的外部变形进行实时监测，并在出现异常情况时进行预警，从而及时采取措施，防止大坝的灾害事故。预埋灌浆钢管与浇筑施工也是该方法的重要环节。通过在大坝结构中预埋灌浆钢管，并进行浇筑施工，可以增强大坝的整体稳定性，防止其外部变形问题。

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