1 前言
大壩安全監(jiān)測是近幾10年中伴隨水利水電工程建設(shè)發(fā)展起來的一門涉及水工結(jié)構(gòu)、電子儀表、光學(xué)物理、統(tǒng)計(jì)數(shù)學(xué)等多種學(xué)科的新興邊緣技術(shù)學(xué)科。上世紀(jì)70年代以前稱為原型觀測，這一時(shí)期的典型工程如新安江、丹江口、柘溪、劉家峽等，在這些工程中都布置了比較系統(tǒng)的觀測設(shè)施，觀測工作也取得了較大成績，積累了許多經(jīng)驗(yàn)。70年代中期以后，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和安全監(jiān)測人員的努力工作，監(jiān)測儀器、安裝埋設(shè)技術(shù)與質(zhì)量、資料分析以及觀測成果的應(yīng)用等都取得了不少進(jìn)展，尤其是80年代中后期以來，隨著電子計(jì)算技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，監(jiān)測儀器自動化采集系統(tǒng)和資料處理分析技術(shù)得到了快速發(fā)展。這個(gè)階段的工程如葛洲壩、東江、漫灣、隔河巖、二灘等，在監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、施工等方面都有較大改進(jìn)，也相繼采用了自動化監(jiān)測系統(tǒng)，資料方面建立了較完整的電子數(shù)據(jù)庫，在監(jiān)測儀器方面的應(yīng)用開始出現(xiàn)多元化的格局，一些振弦式儀器、差動變壓器、電感、電容式儀器以及其它類型的監(jiān)測儀器得到較為廣泛的應(yīng)用，這些都為大壩安全監(jiān)測技術(shù)的快速發(fā)展積累了經(jīng)驗(yàn)、奠定了基礎(chǔ)。
2 監(jiān)測儀器
從我國安全監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展歷程看，可以說是伴隨著監(jiān)測儀器的發(fā)展而發(fā)展的。上世紀(jì)60年代以前，我國大壩安全監(jiān)測儀器以進(jìn)口為主，60年代以后，國產(chǎn)監(jiān)測儀器質(zhì)量有了較大提高，逐步投入工程使用，進(jìn)入80年代后，隨著儀器制造技術(shù)的進(jìn)步和現(xiàn)代工程技術(shù)的需求，一些振弦式、差動變壓器、電感、電容式儀器得到了較大發(fā)展，從此國產(chǎn)監(jiān)測儀器進(jìn)入了多元化發(fā)展階段。
2.1 內(nèi)觀儀器
在我國對大壩建筑物進(jìn)行內(nèi)部性態(tài)長期監(jiān)測的儀器主要有差動電阻式和振弦式兩類。差動電阻式儀器又稱卡爾遜式儀器，是美國加利福尼亞大學(xué)的卡爾遜博士在1932年利用電阻絲變形與電阻比成正比的原理研制成功的。這種儀器利用張緊在儀器內(nèi)部的彈性鋼絲作為傳感部件將儀器感受到的物理量變換為模擬量，所以國外又稱這種監(jiān)測傳感器為彈性鋼絲式儀器。這種儀器具有密封性能好、長期穩(wěn)定性好、可靠度高、測試方法簡單、可兼測溫度等優(yōu)點(diǎn)，在我國得到廣泛應(yīng)用，據(jù)南京電力自動化設(shè)備廠統(tǒng)計(jì)，至今已生產(chǎn)該類型儀器20余萬支，是名副其實(shí)的卡爾遜儀器生產(chǎn)大國。但這類儀器由于內(nèi)阻低導(dǎo)致電纜電阻及其變差影響測值、儀器靈敏度偏低、測量量程較小等缺點(diǎn)，曾一度受到工程設(shè)計(jì)人員的冷落，可喜的是國內(nèi)生產(chǎn)技術(shù)人員在大量的科研試驗(yàn)基礎(chǔ)上發(fā)明了五芯觀測系統(tǒng)，隨后又發(fā)明了利用恒流源技術(shù)的觀測儀表，徹底消除了電纜導(dǎo)線電阻及其變差帶來的電阻比測量誤差，使得差動電阻式儀器重獲新生，也有力地推動了我國大壩安全監(jiān)測工作健康發(fā)展，可以毫不夸張地說，由于五芯測量原理的應(yīng)用，我國差動電阻式儀器系統(tǒng)的技術(shù)性能一躍而成世界領(lǐng)先水平。近年來，一些特殊用途、具有特殊性能的差動電阻式儀器相繼被研制出來，如大量程、大彈模、耐高水壓的傳感器等。更有研究人員對該型儀器進(jìn)行了動態(tài)性能測試，證明差動電阻式儀器的動態(tài)性能很好，其頻響范圍可達(dá)100～300Hz①，而大壩等水工建筑物的諧振頻率一般較低，約10Hz左右，這樣差動電阻式儀器系統(tǒng)的應(yīng)用為今后大壩動態(tài)監(jiān)測提供了便利。下圖為采用SZ型滲壓計(jì)監(jiān)測水中爆破動水壓力實(shí)測波形圖，采樣頻率為200Hz。
振弦式儀器是利用鋼弦振動頻率隨鋼絲應(yīng)力變化的原理制成的，通過電磁鐵激振鋼弦，測量由磁鐵線圈感應(yīng)鋼弦振動頻率得知鋼絲應(yīng)變，所以又稱鋼弦式儀器。該型儀器具有精度高、分辨率高、量程大、受環(huán)境影響小、可長距離傳輸、便于進(jìn)行自動化觀測等優(yōu)點(diǎn)，且傳感器可做得很小。在上世紀(jì)90年代中期以前，受材料和工藝限制，該型儀器國內(nèi)生產(chǎn)質(zhì)量遠(yuǎn)不如進(jìn)口儀器，90年代中后期，一些有識之士大膽引進(jìn)國外先進(jìn)儀器生產(chǎn)技術(shù)，走國產(chǎn)化道路，國內(nèi)弦式儀器的質(zhì)量有較大提高，弦式儀器在我國水利水電工程得以廣泛應(yīng)用，反過來又帶動國內(nèi)弦式儀器的快速發(fā)展。
除此之外，在土石壩內(nèi)部變形監(jiān)測中還經(jīng)常用到垂直水平位移計(jì)、測斜兼沉降儀、三向測縫計(jì)等。垂直水平位移計(jì)由垂直位移（即沉降）測量和水平位移測量兩部分組成，垂直位移測量主要有水管式沉降儀、鋼弦式沉降計(jì)等；水平位移測量主要是引張線式水平位移計(jì)，這兩種儀器一般同時(shí)布置以達(dá)到垂直水平位移同時(shí)測量的目的。由于這種儀器觀測中易受摻氣、滲漏或線路不均勻沉降的影響使得整體監(jiān)測精度大為降低，且安裝埋設(shè)與施工干擾較大，尤其是大斷面壩體無法做到全斷面上升，導(dǎo)致儀器必須分段埋設(shè)，儀器埋設(shè)后無法及時(shí)進(jìn)行監(jiān)測，其監(jiān)測成果不能真實(shí)反映壩體施工期變形。測斜兼沉降儀系統(tǒng)則是通過埋設(shè)在壩體中測斜兼沉降管，采用活動式測斜儀和電磁式沉降儀進(jìn)行監(jiān)測，它可以從填筑施工一開始就進(jìn)行埋設(shè)和監(jiān)測，對位移進(jìn)行累加，可獲得施工期全部位移情況，但這類儀器埋設(shè)時(shí)易受施工影響受損，不易埋設(shè)好，實(shí)踐證明，工程實(shí)踐中采取加強(qiáng)保護(hù)、精細(xì)施工的措施是完全可以達(dá)到預(yù)期目的。三向測縫計(jì)是用來監(jiān)測面板周邊縫和斜坡壩基接縫的主要監(jiān)測儀器，主要有南京電力自動化研究院研制生產(chǎn)的3DM型三向測縫計(jì)，另外也可用三支或兩支常規(guī)測縫計(jì)通過位移傳遞連接件組成三向或兩向測縫計(jì)。
2.2 外觀儀器
從上世紀(jì)50年代起，測繪儀器開始朝電子化和自動化方向發(fā)展，首先是測距儀器的變革。電磁測距儀的出現(xiàn)開創(chuàng)了距離測量的新紀(jì)元，以激光、紅外光以及其它光源為載波的光波測距儀和以微波為載波的微波測距儀統(tǒng)稱為電磁測距儀，它與傳統(tǒng)的鋼尺、基線尺量距相比，具有精度高、作業(yè)迅速、受地形氣候影響小等優(yōu)點(diǎn)。隨著光電技術(shù)和電子計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，電磁測距儀正朝小型化、智能化與多功能方向發(fā)展。電子經(jīng)緯儀取代光學(xué)經(jīng)緯儀后與激光測距儀組合，利用安裝在儀器內(nèi)部的集成度很高的計(jì)算芯片，在實(shí)際測量時(shí)只需將各種固定參數(shù)（如測站坐標(biāo)、儀器高、儀器照準(zhǔn)差、指標(biāo)差、棱鏡參數(shù)、氣壓、氣溫等）預(yù)先置入儀器，然后照準(zhǔn)目標(biāo)上的反射鏡，啟動儀器，就可獲得經(jīng)修正的水平角、水平距以及目標(biāo)的三維坐標(biāo)，這種集測距、測角、計(jì)算記錄于一體的新型測量儀器就是全站儀，目前精密型全站儀可達(dá)1mm+1ppm/0.5”的測量精度，新一代可自動尋找目標(biāo)的智能型全站儀，俗稱“測量機(jī)器人”也已問世并在工程應(yīng)用，它可真正做到無人值守，操作簡便、自動化程度高，尤其適應(yīng)在地勢狹窄、氣候惡劣等不適應(yīng)人工觀測的位置使用。這種智能型全站儀經(jīng)軟件升級可用于大尺寸地下洞室開挖的圍巖收斂監(jiān)測和斷面檢測，監(jiān)測效率和使用效果均優(yōu)于常規(guī)接觸式測量。
GPS 工程測量系統(tǒng)是在美國“海軍導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)”技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)，它由三部分組成，即由GPS衛(wèi)星組成的空間部分、由若干地面站組成的地面監(jiān)控系統(tǒng)和以接收機(jī)為主體的用戶設(shè)備。空間部分由分布在多個(gè)軌道面上的多顆衛(wèi)星組成，地面監(jiān)控系統(tǒng)的主要作用是跟蹤觀測GPS衛(wèi)星，計(jì)算編制衛(wèi)星星歷；監(jiān)控衛(wèi)星的“健康”狀況；保持精確的GPS時(shí)間系統(tǒng)；向衛(wèi)星注入導(dǎo)航電文和控制指令。GPS接收機(jī)的基本類型分導(dǎo)航型和大地型，工程測量中一般采用雙頻多站差分接收方式提高測量精度，目前一般測地型GPS接收機(jī)的標(biāo)稱精度為5mm+1ppm，實(shí)踐表明平面位置精度相當(dāng)好，高程方面稍遜一些，國內(nèi)工程上通過改進(jìn)接收機(jī)接收方式、多站聯(lián)測、對電離層和對流層折射進(jìn)行修正、對天線強(qiáng)制對中等措施，高程測量可達(dá)二等水準(zhǔn)測量精度甚至更高。
正倒垂監(jiān)測是大壩變形監(jiān)測的重要手段，垂線坐標(biāo)儀從人工觀測發(fā)展到自動遙測，遙測垂線坐標(biāo)儀從接觸式發(fā)展到非接觸式，非接觸式坐標(biāo)儀從步進(jìn)馬達(dá)光學(xué)跟蹤式到近10幾年發(fā)展起來的CCD式和感應(yīng)式垂線坐標(biāo)儀。其中感應(yīng)式垂線坐標(biāo)儀具有測試精度高、長期穩(wěn)定性好、自動化程度高、結(jié)構(gòu)簡單、防水性能好、成本低等特點(diǎn)，特別適合在環(huán)境惡劣的大壩監(jiān)測中應(yīng)用。感應(yīng)式垂線坐標(biāo)儀根據(jù)感應(yīng)原理不同主要有變磁阻式、電磁感應(yīng)式、電容感應(yīng)式幾種，總體講，我國垂線坐標(biāo)儀從儀器品種、性價(jià)比和技術(shù)服務(wù)上都優(yōu)于國外產(chǎn)品。
遙測引張線儀與垂線坐標(biāo)儀原理一樣，除了電容感應(yīng)式，還有電磁感應(yīng)式、步進(jìn)電機(jī)光電跟蹤式，區(qū)別在于只測一個(gè)方向位移。
靜力水準(zhǔn)是監(jiān)測壩體、基礎(chǔ)沉降傾斜的重要手段，因測量要求精度高、長期測量穩(wěn)定可靠，用一般小量程壓力傳感器測量達(dá)不到此要求，目前的遙測靜力水準(zhǔn)儀多采用位移測量方式測量液面變化來獲得建筑物變形。主要有電容感應(yīng)式、差動電感式、步進(jìn)馬達(dá)式、鋼弦式以及渦流式、超聲傳感器式遙測靜力水準(zhǔn)儀，國產(chǎn)儀器與國外儀器水平相當(dāng)。
真空激光準(zhǔn)直測量系統(tǒng)是在激光準(zhǔn)直測量基礎(chǔ)上消除大氣折射影響的一種測量大壩垂直、水平位移的系統(tǒng)，隨著CCD技術(shù)及激光圖像處理技術(shù)的發(fā)展，其測量精度和可靠性都有很大提高。
2.3 其它類型監(jiān)測儀器
除了上述內(nèi)觀儀器和大壩變形監(jiān)測儀器，一些新型大壩監(jiān)測儀器正由研制到逐步應(yīng)用到實(shí)際工程。如光纖傳感器，按傳感器結(jié)構(gòu)測量特點(diǎn)可分為分布式、單點(diǎn)式和準(zhǔn)分布型光纖網(wǎng)絡(luò)式；按傳感原理可分為反射型、干涉型以及后向散射型等幾種。光纖傳感器以其靈敏度高、動態(tài)性能好、耐候性好、抗干擾能力強(qiáng)、自動化程度高、可實(shí)現(xiàn)分布式測量等優(yōu)點(diǎn)，近幾年得到快速發(fā)展，測量參數(shù)從單一的溫度測量發(fā)展到滲漏檢測到變形、位移、應(yīng)力等多參數(shù)。目前光纖溫度測量技術(shù)比較成熟并在電力、石油、水電大壩等眾多領(lǐng)域應(yīng)用，分布式測溫精度可達(dá)0.5℃甚至更高，定位精度可達(dá)0.5m。
隨著一批高壩大庫的相繼建設(shè)，對大壩安全監(jiān)測的要求也越來越高，除了過去常說的內(nèi)觀、外觀等，經(jīng)常要開展水力學(xué)、振動、地震監(jiān)測等，這些監(jiān)測項(xiàng)目所用到的儀器設(shè)備目前國內(nèi)都有生產(chǎn)，在此不再贅述。
2.4 儀器選型
在計(jì)劃經(jīng)濟(jì)時(shí)代，大壩監(jiān)測儀器基本上是國家或行業(yè)部門定點(diǎn)廠家生產(chǎn)，幾乎沒有選擇余地，隨著我國經(jīng)濟(jì)體制改革的不斷深入和建筑市場的加速發(fā)展，國內(nèi)監(jiān)測儀器生產(chǎn)廠家不斷誕生，國外的廠家也看好中國市場紛紛在國內(nèi)設(shè)立代表處，土木建筑行業(yè)內(nèi)部各專業(yè)口互相滲透，監(jiān)測儀器設(shè)備多元化格局基本形成，如何正確選擇監(jiān)測儀器系統(tǒng)就顯得十分重要。水工建筑物不同于其它建筑工程，具有使用壽命長、環(huán)境惡劣、建設(shè)周期長、結(jié)構(gòu)性態(tài)復(fù)雜、安全要求高等特點(diǎn)，所以對大壩監(jiān)測儀器選擇一般應(yīng)遵循以下幾個(gè)原則：
1）長期穩(wěn)定性好，可靠度高，使用壽命至少10年以上；
2）儀器的耐候性好，尤其是防潮密封性能要好，能在潮濕環(huán)境和一定水壓力下正常工作；
3）儀器的分辨率、精度和量程要滿足預(yù)定的要求，觀測結(jié)果不應(yīng)受長距離測量和環(huán)境溫度變化的影響或者這些影響應(yīng)該容易消除；
4）儀器結(jié)構(gòu)牢固，能承受一定的振動和碰撞；
5）與工程等級相匹配，經(jīng)濟(jì)合理。
在實(shí)際工作中由于大壩監(jiān)測的特殊性，雖然生產(chǎn)廠家較多，但各有所長，有很多儀器的可選擇性并不大，在選型時(shí)應(yīng)事先對儀器的使用條件和使用歷史有比較詳細(xì)的了解。筆者根據(jù)國內(nèi)工程經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)有以下幾點(diǎn)體會供選型時(shí)參考。
1）我國的差動電阻式儀器水平處于世界領(lǐng)先水平，經(jīng)過工程實(shí)際檢驗(yàn)基本可以滿足大壩安全監(jiān)測要求，其壓力、孔隙水壓力儀器精度偏低，工程上一般采用振弦式儀器補(bǔ)充；振弦式儀器經(jīng)過近幾年發(fā)展，國產(chǎn)儀器水平基本接近進(jìn)口儀器水平，造價(jià)有很大降低，目前在工程上普遍應(yīng)用，大有取代差動電阻式儀器的趨勢，不過筆者認(rèn)為這兩種儀器各有所長，應(yīng)根據(jù)工程特點(diǎn)區(qū)別對待，不可偏廢。
2）外部變形監(jiān)測中測繪儀器精密測量仍以進(jìn)口主機(jī)為好，國內(nèi)儀器一般精度偏低，可在低等級測量或土石壩中應(yīng)用，至于垂線、引張線觀測設(shè)備，國產(chǎn)感應(yīng)式儀器就好。
3）巖土邊坡類觀測儀器如測斜儀等進(jìn)口儀器性能明顯優(yōu)于國產(chǎn)儀器，國外儀器之間差異也很大，可根據(jù)工程等級和測量精度合理選用。
4）其它一些新型儀器不可盲目應(yīng)用，應(yīng)在試驗(yàn)驗(yàn)證基礎(chǔ)上慎重采用。
5）在選型時(shí)要分清分辨率、靈敏度、精度、檢驗(yàn)誤差等概念及其相互關(guān)系，比如分辨率高不一定精度就高，所以有些儀器制造者過分提高分辨率的做法就可能是個(gè)陷阱。再有就是長期穩(wěn)定性問題，可以說后來研制生產(chǎn)的儀器很少做長期穩(wěn)定性試驗(yàn)，這是一個(gè)非常值得重視的問題，由于大壩監(jiān)測儀器大多是埋入式，安裝后無法更換，一旦儀器長期穩(wěn)定性不好，將導(dǎo)致整個(gè)監(jiān)測系統(tǒng)無法應(yīng)用。目前工程上控制儀器質(zhì)量一般以現(xiàn)場檢驗(yàn)率定為依據(jù)，但現(xiàn)場檢驗(yàn)率定結(jié)果反映的是儀器當(dāng)前的狀態(tài)，不能完全反映儀器的長期穩(wěn)定性好壞，雖然檢驗(yàn)指標(biāo)中的靈敏度相對誤差、零度電阻等指標(biāo)可以反映儀器的穩(wěn)定性性能，但由于廠家和現(xiàn)場所采用檢驗(yàn)方法和條件不盡相同，可比性差，所以在選型時(shí)要對儀器的工程應(yīng)用情況進(jìn)行詳細(xì)的考查。
3 監(jiān)測自動化技術(shù)
上世紀(jì)70年代以來，世界各國監(jiān)測儀器和監(jiān)測技術(shù)得到了很快的發(fā)展，大壩安全監(jiān)控的理論和方法不斷成熟，大壩安全監(jiān)測和管理的自動化技術(shù)日趨完善，世界上一些大壩開始實(shí)現(xiàn)或基本實(shí)現(xiàn)了無人值守，通過自動化采集裝置對大壩安全監(jiān)測儀器實(shí)施自動定時(shí)數(shù)據(jù)觀測，通過已建的個(gè)性化監(jiān)控模型進(jìn)行監(jiān)控量的預(yù)測預(yù)報(bào)，使大壩安全監(jiān)測在大壩安全管理中作用發(fā)揮得淋漓盡致。我國在監(jiān)測自動化技術(shù)研究方面也不甘落后，上世紀(jì)80年代中后期，一批水電站相繼上了自動化項(xiàng)目，那個(gè)時(shí)候的自動化采集系統(tǒng)在穩(wěn)定性、耐候性、兼容性等方面還存在很多問題，比如有的自動化系統(tǒng)上了之后，系統(tǒng)不穩(wěn)定不能正常采集，又沒有留下人工觀測接口而不能采集數(shù)據(jù)，致使觀測數(shù)據(jù)中斷。可以說這個(gè)階段自動化系統(tǒng)成功的不多，經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)不少，使人們曾一度對監(jiān)測自動化技術(shù)持懷疑和觀望態(tài)度。進(jìn)入90年代，自動化技術(shù)開始向多元化發(fā)展，主要分為監(jiān)測資料處理分析自動化和采集自動化，這一時(shí)期隨著電子計(jì)算機(jī)和軟件的發(fā)展，利用計(jì)算機(jī)對人工采集的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行自動化計(jì)算處理分析十分普遍，涌現(xiàn)了許多監(jiān)測資料處理分析的專門軟件，包括資料的錄入、自動檢錯(cuò)、物理量計(jì)算、統(tǒng)計(jì)報(bào)表、繪圖以及自動建模等諸多功能，版本不斷更新，一些水電站利用電子計(jì)算機(jī)對以前幾十年的觀測數(shù)據(jù)建立了電子數(shù)據(jù)庫。資料分析模型得到了空前發(fā)展，統(tǒng)計(jì)模型、確定性模型與混合模型三大模型技術(shù)日趨完善，在許多水電站開始應(yīng)用，準(zhǔn)確性較高。一些學(xué)者利用模糊數(shù)學(xué)理論和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)建立監(jiān)測預(yù)報(bào)模型、利用三維有限元分析對大壩建筑物特性參數(shù)進(jìn)行反演分析等等都取得了可喜的成果。在自動化采集系統(tǒng)方面，隨著電子技術(shù)的不斷進(jìn)步，在吸取了前期失敗經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上大膽創(chuàng)新，終于在90年代中后期有了突破性進(jìn)展，目前國內(nèi)監(jiān)測自動化系統(tǒng)不論在穩(wěn)定性、適應(yīng)性和兼容性方面都有了長足進(jìn)步，其典型代表如南京電力自動化研究院的DAMS系統(tǒng)，采用分布式采集方式、CANbus/RS-485總線，兼容差動電阻式、振弦式、電容、電感、電位器、變送器、激光準(zhǔn)直等各種類型的傳感器，可通過光纖、電話線、雙絞屏蔽線以及微波通訊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，可同時(shí)進(jìn)行人工觀測。
4 監(jiān)測設(shè)計(jì)與施工
4.1監(jiān)測設(shè)計(jì)
一個(gè)工程安全監(jiān)測工作的成敗除了選擇可靠的監(jiān)測儀器系統(tǒng)外，搞好監(jiān)測設(shè)計(jì)與施工是至關(guān)重要的。水工建筑物及其基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)、施工與運(yùn)行，雖然已積累了相當(dāng)豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，但由于人們對地質(zhì)條件、水文以及自然環(huán)境的影響等認(rèn)識尚有一定的局限性，再加上大壩安全日益受到人們的重視，大壩安全監(jiān)測重要性越來越顯現(xiàn)出來，總的來說，大壩安全監(jiān)測的意義和目的可以從以下四個(gè)方面來體現(xiàn)。
（1）作為監(jiān)測大壩安全的耳目。通過安全監(jiān)測掌握建筑物狀態(tài)變化，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常并采取措施，確保工程安全運(yùn)用；
（2）驗(yàn)證設(shè)計(jì)，提高設(shè)計(jì)水平。通過監(jiān)測可以驗(yàn)證設(shè)計(jì)中所用公式和參數(shù)的正確性，從而提高設(shè)計(jì)水平；
（3）作為施工決策的依據(jù)。通過監(jiān)測檢查施工質(zhì)量，掌握施工過程中壩與基礎(chǔ)的實(shí)際性態(tài)，從而確定、調(diào)整設(shè)計(jì)或施工技術(shù)方案；
（4）充分發(fā)揮工程效益。通過安全監(jiān)測判定建筑物在各種運(yùn)用條件下的安全程度，以便在確保建筑物安全的前提下，充分發(fā)揮工程效益。隨著監(jiān)測技術(shù)的進(jìn)步和自動化程度越來越高，大壩安全監(jiān)測在發(fā)揮工程效益方面的作用日益突出，例如在1998年長江流域特大洪水期間，清江隔河巖工程依賴及時(shí)準(zhǔn)確的監(jiān)測數(shù)據(jù)超設(shè)計(jì)防洪水位攔蓄清江洪水，為減緩長江干流特別是荊江大堤的抗洪壓力起到了重要作用。
監(jiān)測設(shè)計(jì)應(yīng)在工程設(shè)計(jì)的初始階段納入設(shè)計(jì)整體計(jì)劃，隨著工程設(shè)計(jì)的進(jìn)展，一些工程地質(zhì)、結(jié)構(gòu)的特殊問題和關(guān)鍵技術(shù)問題乃至設(shè)計(jì)計(jì)算的一些假定逐步顯現(xiàn)出來，從而不斷修訂和補(bǔ)充安全監(jiān)測設(shè)計(jì)，甚至在施工階段，由于一些原先未發(fā)現(xiàn)的工程問題暴露出來，都應(yīng)及時(shí)根據(jù)水工設(shè)計(jì)及時(shí)的修改監(jiān)測設(shè)計(jì)。實(shí)踐證明，要做好監(jiān)測設(shè)計(jì)工作還應(yīng)考慮以下幾個(gè)方面的問題。第一，安全監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)要完整，既突出重點(diǎn)，又能兼顧一般，項(xiàng)目要盡量齊全，可以互相補(bǔ)充、互相印證；監(jiān)測儀器的數(shù)量要考慮正常失效后的替代問題，既不宜過多，也不應(yīng)太少，重點(diǎn)部位、重點(diǎn)項(xiàng)目應(yīng)考慮必要的補(bǔ)充；要充分考慮環(huán)境原因量和結(jié)構(gòu)效應(yīng)量之間的相互關(guān)系進(jìn)行系統(tǒng)布置設(shè)計(jì)，以提高監(jiān)測數(shù)據(jù)的應(yīng)用價(jià)值。比如土石壩滲流觀測，一般應(yīng)設(shè)置雨量監(jiān)測手段，以便從監(jiān)測成果中扣除降雨的影響。第二，在做監(jiān)測設(shè)計(jì)時(shí)必須要考慮各項(xiàng)監(jiān)測的目的，避免設(shè)計(jì)的盲目性。每一項(xiàng)監(jiān)測項(xiàng)目在設(shè)計(jì)時(shí)就應(yīng)考慮監(jiān)測的手段、監(jiān)測結(jié)果的處理方法、形式以及監(jiān)測結(jié)果如何應(yīng)用與評價(jià)。有時(shí)在監(jiān)測儀器布置上盲目追求多而全，而對浩繁的觀測資料堆積不問；有的監(jiān)測系統(tǒng)觀測了一堆數(shù)據(jù)，由于系統(tǒng)可靠度低、計(jì)算理論不夠完善致使計(jì)算結(jié)果無法應(yīng)用；有的監(jiān)測項(xiàng)目缺乏科學(xué)合理的監(jiān)控指標(biāo)達(dá)不到監(jiān)控目的，等等，這樣的結(jié)果是不但浪費(fèi)了建設(shè)資金，更使人們對安全監(jiān)測的真正意義感到困惑，所以這個(gè)問題必須引起設(shè)計(jì)人員注意。第三，重視儀器監(jiān)測，逐步實(shí)現(xiàn)自動化在線監(jiān)控，但不能忽視人工巡視檢查。國內(nèi)外大壩安全監(jiān)測的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)告訴我們，有不少的壩出現(xiàn)險(xiǎn)情的部位并不發(fā)生在監(jiān)測儀器斷面上，還有的大壩雖然有完整系統(tǒng)的監(jiān)測儀器系統(tǒng)還是失事了。因此安全監(jiān)測儀器系統(tǒng)不能包攬大壩的安全，這是必須正確認(rèn)識的，因?yàn)椴徽摪踩O(jiān)測部位如何周到，監(jiān)測項(xiàng)目如何齊全，但就樞紐整體而言，仍屬局部；而且人們對事故類型、可能發(fā)生的部位和時(shí)間尚不能預(yù)料。為了大壩的安全，必須高度重視人工巡視檢查，由掌握和熟悉建筑物及其基礎(chǔ)全面情況的監(jiān)測人員或設(shè)計(jì)人員進(jìn)行經(jīng)常的或定期的全面、深入、細(xì)致的現(xiàn)場目視檢查，與儀器監(jiān)測緊密結(jié)合、綜合分析，以達(dá)到確保大壩安全的目的。目前雖然這項(xiàng)工作被寫入規(guī)范，大多數(shù)工程也都在做，但由于實(shí)施人員素質(zhì)和經(jīng)驗(yàn)欠缺等原因使得巡視檢查的深度不夠，有許多還停留于形式和表面，有的僅僅反映監(jiān)測儀器的狀態(tài)等等，這一點(diǎn)應(yīng)引起高度重視，加強(qiáng)巡視檢查人員的培訓(xùn)，使巡視檢查發(fā)揮出應(yīng)有的作用。
隨著技術(shù)的發(fā)展和人們對大壩及其基礎(chǔ)的認(rèn)識越來越深入，監(jiān)測設(shè)計(jì)的理念也在發(fā)生著變化，由原型觀測到安全監(jiān)控，由儀器監(jiān)測與巡視檢查相結(jié)合的常規(guī)監(jiān)測方法到基于專家系統(tǒng)的智能化監(jiān)控系統(tǒng)，由靜態(tài)點(diǎn)式監(jiān)測到動態(tài)的分布式監(jiān)測等等。關(guān)于水工建筑物是否需要開展動態(tài)監(jiān)測的問題，過去很多人認(rèn)為：水工建筑物的自振頻率很低，對有害振動反應(yīng)緩慢，宏觀監(jiān)測重于微觀監(jiān)測，外觀監(jiān)測重于內(nèi)觀監(jiān)測。但事物都有兩面性，我們知道，任何結(jié)構(gòu)的破壞都是從材料的微觀破壞開始的，只是人們對微觀結(jié)構(gòu)的變化不易覺察而已，今天我們可以借助先進(jìn)儀器來測量這些微觀變化，還事物的本來面目。比如混凝土裂斷過程就是一個(gè)從微觀到宏觀的變化過程，其首先表現(xiàn)為應(yīng)力集中，超過混凝土容許拉應(yīng)力而出現(xiàn)微裂縫，然后由于混凝土的黏聚力不斷抵抗拉應(yīng)力導(dǎo)致裂縫緩慢擴(kuò)展，進(jìn)而裂斷，如果在應(yīng)力集中過程甚至初裂階段能監(jiān)測到這個(gè)變化，采取卸荷、補(bǔ)強(qiáng)等措施，就可以預(yù)防裂縫的產(chǎn)生或擴(kuò)大。目前國內(nèi)外大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)均采取靜態(tài)觀測方法觀測應(yīng)力、變形、位移等特性參數(shù)并進(jìn)行工作性態(tài)評價(jià)，但大壩的運(yùn)行過程實(shí)際是一個(gè)動態(tài)的過程，尤其在洪水、地震以及水位、水流急劇變化時(shí)，其動態(tài)特性更為重要，此時(shí)靜態(tài)觀測往往不易捕捉到諸多不利的數(shù)據(jù)，致使觀測結(jié)果不能準(zhǔn)確反映大壩的真實(shí)變化，影響決策的準(zhǔn)確性與及時(shí)性，對大壩的安全運(yùn)行產(chǎn)生不可忽視的隱患，甚至潰壩。因此，開展大壩動態(tài)安全監(jiān)測才能真正地做到實(shí)時(shí)監(jiān)控，我們期待大家都來重視并研究這個(gè)問題，使大壩安全監(jiān)測更好地為大壩的安全運(yùn)行服務(wù)。
4.2監(jiān)測儀器施工
一個(gè)好的安全監(jiān)測設(shè)計(jì)要付諸實(shí)施，施工階段十分關(guān)鍵。簡單地說，安全監(jiān)測施工就是將監(jiān)測儀器系統(tǒng)按設(shè)計(jì)的位置根據(jù)土建施工進(jìn)度進(jìn)行安裝或埋設(shè)。這個(gè)工作看起來似乎比較簡單，但在實(shí)際工作中由于施工經(jīng)驗(yàn)不足、現(xiàn)場環(huán)境的復(fù)雜性以及施工組織措施不到位等原因往往影響安全監(jiān)測的實(shí)施效果與質(zhì)量，從而影響監(jiān)測數(shù)據(jù)的真實(shí)性與可靠性乃至引起誤判。下面就如何搞好監(jiān)測儀器施工談幾點(diǎn)看法。
（1）儀器埋設(shè)人員應(yīng)熟悉儀器結(jié)構(gòu)原理及特性，在施工前應(yīng)仔細(xì)研究工程設(shè)計(jì)資料、工程地質(zhì)資料，充分理解設(shè)計(jì)意圖。這一點(diǎn)非常重要，同樣的監(jiān)測儀器在不同的場合會有不同的作用和監(jiān)測目的，施工環(huán)境、地質(zhì)條件的差異以及不同類別的儀器等都會影響施工技術(shù)方案，千萬不可千篇一律的套用施工技術(shù)方案。比如在混凝土和基巖中埋設(shè)應(yīng)變計(jì)、鉆孔埋設(shè)測斜管與土石壩填筑過程埋設(shè)測斜管、差動電阻式儀器與振弦式儀器等等都是有區(qū)別的，這些有的在規(guī)范或設(shè)計(jì)文件中做了規(guī)定，更多的時(shí)候要靠實(shí)施人員根據(jù)設(shè)計(jì)意圖和現(xiàn)場條件來分別對待。所以對監(jiān)測儀器埋設(shè)人員的要求不但要具備一定的水工建筑物知識，還應(yīng)熟悉儀器的結(jié)構(gòu)原理、熟悉施工流程和特點(diǎn)，這樣在現(xiàn)場儀埋邊界條件發(fā)生變化時(shí)就能根據(jù)現(xiàn)場的具體情況采取合適的方法進(jìn)行儀器的安裝埋設(shè)，以保證監(jiān)測目的的實(shí)現(xiàn)，所以說儀埋人員具備一定的專業(yè)素質(zhì)和豐富的現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)是非常重要的。
（2）加強(qiáng)施工期資料整理工作，施工期資料整理的重點(diǎn)應(yīng)該放在資料的真實(shí)性和可靠性方面，由于儀表飄移、人員誤差、特殊環(huán)境和施工影響、監(jiān)測設(shè)施損傷等等原因都可能引起監(jiān)測成果的較大變化，這些必須在施工期及時(shí)得到消除和確認(rèn)，以便資料分析時(shí)加以區(qū)別。在這里有一個(gè)問題值得提出，那就是儀器率定計(jì)算問題，我們知道許多儀器的測試原理是基于被測試物理量與輸出電信號成線性關(guān)系或近似線性關(guān)系，所以我們一般規(guī)定監(jiān)測儀器的線性關(guān)系要好，比如對差動電阻式儀器的端基線性要求在2％F.S，而實(shí)際上這些儀器的被測試物理量與輸出電信號大多是近似成線性關(guān)系的，比如差動電阻式儀器的溫度與電阻、振弦式儀器的鋼弦頻率與變形等都不是嚴(yán)格的線性關(guān)系，在過去為了計(jì)算方便，規(guī)定按線性關(guān)系進(jìn)行率定計(jì)算，如今電子計(jì)算機(jī)的應(yīng)用十分普遍，對其進(jìn)行多項(xiàng)式回歸計(jì)算已不是難事，筆者經(jīng)過多次試算，計(jì)算精度可提高一倍以上，建議在整理資料時(shí)改用非線性計(jì)算參數(shù)以提高監(jiān)測物理量的計(jì)算精度②。
（3）關(guān)于儀器率定問題，由于監(jiān)測儀器埋設(shè)很多情況下是無法更換的，屬于隱蔽工程，儀器的好壞直接關(guān)系到安全監(jiān)測的成敗，所以技術(shù)規(guī)范規(guī)定所有的監(jiān)測儀器埋設(shè)前必須進(jìn)行率定檢驗(yàn)，目前有許多中小工程的監(jiān)測儀器還是以儀器出廠率定為依據(jù)，這是對工程不負(fù)責(zé)任的做法。關(guān)于鋼弦式儀器的絕緣檢驗(yàn)問題，目前的規(guī)程規(guī)范未提出明確規(guī)定，許多監(jiān)測人員對此也缺乏足夠的認(rèn)識，認(rèn)為弦式儀器絕緣度低并不影響儀器的測值，但是監(jiān)測儀器是長期埋設(shè)在水工建筑物結(jié)構(gòu)內(nèi)，需要進(jìn)行長期監(jiān)測，儀器絕緣度偏低，甚至儀器內(nèi)部受潮或進(jìn)水，短期內(nèi)可能不會影響測值，但必定造成儀器內(nèi)部結(jié)構(gòu)物理特性和電氣性能產(chǎn)生緩慢變化，這就影響儀器的長期穩(wěn)定性，甚至儀器失效，所以應(yīng)重視監(jiān)測儀器絕緣度檢驗(yàn)。還有一種情況就是目前一些儀器廠家的率定方法與施工時(shí)不盡相同，導(dǎo)致一些穩(wěn)定性參數(shù)不滿足要求而引起爭議，比如相對誤差、溫度系數(shù)等就經(jīng)常出現(xiàn)這種情況。可喜的是監(jiān)測儀器檢驗(yàn)率定標(biāo)準(zhǔn)正在編制中，這些問題有望得到解決。
（4）關(guān)于儀器設(shè)施保護(hù)問題，主要有兩個(gè)方面，一是儀器安裝埋設(shè)過程的保護(hù)，二是儀器設(shè)施安裝埋設(shè)好后運(yùn)行過程中保護(hù)。首先在儀器安裝埋設(shè)過程，由于施工交叉作業(yè)，土建施工的大方量、大機(jī)械設(shè)備以及現(xiàn)場惡劣環(huán)境等，而監(jiān)測儀器多為精密電子儀器設(shè)備，對震動、防水防潮等要求較高，這些使得監(jiān)測儀器的現(xiàn)場保護(hù)具有一定的難度，也是監(jiān)測儀器施工的關(guān)鍵點(diǎn)。要做好儀埋的保護(hù)工作，首要的還是責(zé)任心，這是搞好儀埋工作的前提，所以良好的職業(yè)素質(zhì)與素養(yǎng)是十分必要的；其次是要抓住影響儀埋質(zhì)量的關(guān)鍵點(diǎn)，比如電纜、接頭、填筑與覆蓋等等，值得強(qiáng)調(diào)的是電纜牽引和接頭的處理，因?yàn)楸O(jiān)測儀器的監(jiān)測全靠電纜將信號傳輸?shù)綁瓮饣蚶鹊肋M(jìn)行觀測，電纜施工的時(shí)間和空間跨度都很大，極易受到損傷和破壞，尤其是電纜受到暗傷和接頭處理不好是危害最大的，往往不易被及時(shí)發(fā)現(xiàn)，隨后慢慢銹蝕導(dǎo)致測值不穩(wěn)、漂移直至完全測不出，有時(shí)還會出現(xiàn)電纜集中被盜割后無法識別的問題。這些都說明重視監(jiān)測儀器的安全保護(hù)是十分關(guān)鍵的。
（5）關(guān)于監(jiān)測儀器施工專業(yè)化問題。隨著水電建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大以及人們對大壩安全的越來越重視，安全監(jiān)測儀器施工的規(guī)模越來越大，施工隊(duì)伍的數(shù)量也與日俱增，加上交通、建筑、巖土專業(yè)的監(jiān)測隊(duì)伍不斷滲透，推動大壩安全監(jiān)測施工技術(shù)不斷發(fā)展，對監(jiān)測儀器施工專業(yè)化的需求也越來越緊迫。監(jiān)測儀器施工專業(yè)化，主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面，一是監(jiān)測儀器施工隊(duì)伍的專業(yè)化，我國從上世紀(jì)50年代起，一些水電施工單位相繼成立了安全監(jiān)測專業(yè)班組，專業(yè)從事監(jiān)測儀器埋設(shè)與觀測工作，各大設(shè)計(jì)院也設(shè)立了監(jiān)測專業(yè)設(shè)計(jì)室，為了進(jìn)一步推動安全監(jiān)測專業(yè)技術(shù)的發(fā)展，相繼成立了大壩監(jiān)測技術(shù)信息網(wǎng)、中國水力發(fā)電工程學(xué)會安全監(jiān)測專業(yè)委員會等一些學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)，這些都為安全監(jiān)測技術(shù)的交流與發(fā)展起到了重要作用，隨著我國水電工程建設(shè)體制的變革和安全監(jiān)測項(xiàng)目單獨(dú)招投標(biāo)的推行，安全監(jiān)測施工隊(duì)伍越來越多，許多設(shè)計(jì)院、科研機(jī)構(gòu)、大專院校、儀器生產(chǎn)廠商甚至一些工程業(yè)主紛紛參與安全監(jiān)測施工，總的來說對推動我國安全監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展起到了一定的作用，但由于技術(shù)水平和施工經(jīng)驗(yàn)參差不齊以及一些不正當(dāng)競爭，使得一些工程的監(jiān)測項(xiàng)目無法達(dá)到預(yù)期目的，這在我國的一些工程上是有著慘痛教訓(xùn)的，為此我們期待進(jìn)一步規(guī)范安全監(jiān)測施工準(zhǔn)入和招投標(biāo)活動。近年來一些人或單位忽視了監(jiān)測施工的重要性，在選擇施工隊(duì)伍時(shí)片面強(qiáng)調(diào)資料分析處理能力而不太注重施工經(jīng)驗(yàn)和施工保障能力，這是十分不妥的。監(jiān)測儀器施工專業(yè)化的另外一個(gè)方面就是施工設(shè)備和工器具的專業(yè)化，我們知道，監(jiān)測儀器施工是一項(xiàng)十分精細(xì)的工作，安裝埋設(shè)過程需要借助許多設(shè)備和工器具，由于監(jiān)測儀器和施工環(huán)境的多樣性，需要一些特定的設(shè)備和工器具，受經(jīng)濟(jì)條件、建設(shè)體制以及思想觀念等的限制，我國在監(jiān)測儀器施工設(shè)備和工器具的專業(yè)化發(fā)展方面是十分緩慢的，可喜的是目前一些專業(yè)施工隊(duì)伍已開始著手研究和總結(jié)專用的監(jiān)測儀器施工設(shè)備和工器具，這必將推動我國監(jiān)測儀器施工技術(shù)水平和質(zhì)量不斷提高。
5 結(jié)語
雖然我國大壩安全監(jiān)測技術(shù)在近十余年得到了空前的發(fā)展，但相對于水電大壩安全高效運(yùn)行的需求來說，還有很大的發(fā)展空間，尤其是近年來一些巨型的高壩大庫相繼開工建設(shè)，給安全監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域提出了許多新的課題。在監(jiān)測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)和監(jiān)測施工走專業(yè)化發(fā)展道路等方面還任重道遠(yuǎn)，一些新興的監(jiān)測技術(shù)如：大壩安全監(jiān)測實(shí)時(shí)監(jiān)控預(yù)警預(yù)報(bào)系統(tǒng)、基于分布式光纖傳感監(jiān)測技術(shù)和傳導(dǎo)型纖維傳感技術(shù)的智能化監(jiān)測系統(tǒng)、大壩動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)、大壩CT層析技術(shù)等，都還處于研究階段，期待廣大的安全監(jiān)測技術(shù)人員進(jìn)一步研究，早日為工程服務(wù)。
參考文獻(xiàn)：
1、大壩和巖土工程中埋設(shè)儀器選型問題的探討 儲海寧 大壩監(jiān)測技術(shù) 2006.2
2、差動電阻式儀器溫度檢驗(yàn)限差的討論 邵乃辰 水電自動化與大壩監(jiān)測 2004.2
3、混凝土大壩安全自動化監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展方向 劉觀標(biāo) 水電自動化與大壩監(jiān)測 2004.2
4、簡論水工建筑物及其基礎(chǔ)安全監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì) 曹樂安 大壩安全監(jiān)測與監(jiān)控，中國水利水電出版社，2004.10
