堤防工程變形監(jiān)測技術(shù)綜述

高業(yè)何敏 陳媛媛 徐傳旺 桂仁

摘 要：作為國民經(jīng)濟(jì)的重要基礎(chǔ)設(shè)施，堤防工程在防洪、灌溉、供水、航運(yùn)、水保等方面發(fā)揮了巨大的社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。堤防工程的變形監(jiān)測工作是維持其安全運(yùn)營的重要保證。本文闡述了四種代表性較強(qiáng)的堤防變形監(jiān)測技術(shù)：三維激光掃描技術(shù)、近景攝影測量技術(shù)、合成孔徑雷達(dá)干涉測量技術(shù)以及分布式光纖測量技術(shù)。本文在介紹了基本原理的基礎(chǔ)上，分析了技術(shù)特點(diǎn)和適用范圍，進(jìn)而從應(yīng)用的角度分析了每種技術(shù)的研究現(xiàn)狀與不足之處，最后總結(jié)出堤防工程變形監(jiān)測技術(shù)未來發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：堤防工程; 變形監(jiān)測; 三維激光掃描; 近景攝影測量; 合成孔徑雷達(dá)干涉測量; 分布式光纖測量

中圖分類號(hào)：TV871? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：1006-3315（2021）11-095-002

我國堤防受到自然及社會(huì)的雙重影響。一方面我國的大部分河堤建于新中國成立初期，限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平再加上運(yùn)行年限長久，因而出現(xiàn)不同程度開裂、變形、滲漏等現(xiàn)象;另一方面，堤防結(jié)構(gòu)類型多樣、材料的力學(xué)性質(zhì)復(fù)雜、筑堤方式的多樣性，使得堤防的變形監(jiān)測工作變得不容易，導(dǎo)致堤防的日常維護(hù)管理變得復(fù)雜。我國許多研究學(xué)者開展了堤防安全監(jiān)測技術(shù)的研究。傳統(tǒng)的堤防變形監(jiān)測主要借助在堤防周邊布設(shè)地表移動(dòng)觀測站，通過水準(zhǔn)儀、GPS、全站儀、光纖傳感器、測壓管等設(shè)備對(duì)堤防的幾何形變進(jìn)行監(jiān)測，獲取堤防的變形量。這種監(jiān)測方法通常采用斷面式布點(diǎn)，測點(diǎn)較少且容易受外界影響，難以對(duì)堤防的準(zhǔn)確變化進(jìn)行有效的分析。

傳統(tǒng)堤防工程變形監(jiān)測技術(shù)根據(jù)數(shù)據(jù)采集形式的不同可分為單點(diǎn)監(jiān)測方式和面狀監(jiān)測方式。單點(diǎn)監(jiān)測方式如水準(zhǔn)測量、全站儀三維坐標(biāo)測量、GPS測量等，均基于稀疏的離散點(diǎn)進(jìn)行形變的提取與分析。這類監(jiān)測方式容易遺漏變形關(guān)鍵部位、監(jiān)測基準(zhǔn)點(diǎn)容易被破壞，容易引起變形信息時(shí)空上的不連續(xù)性，從而直接限制了監(jiān)測資料與其它地質(zhì)、力學(xué)、環(huán)境信息的融合，阻礙了對(duì)堤防進(jìn)行深層次的分析及趨勢的精確預(yù)報(bào)^[1]。隨著科技的提高和社會(huì)的發(fā)展，近年來，越來越多的新型技術(shù)應(yīng)用于堤防變形監(jiān)測領(lǐng)域。

1.三維激光掃描技術(shù)

三維激光掃描技術(shù)以主動(dòng)、非接觸式的測量方式，可快速、高精度的獲取目標(biāo)物體的三維信息^[2]。通過激光掃描獲取的數(shù)據(jù)信息真實(shí)可靠，最直接反應(yīng)了目標(biāo)物體實(shí)時(shí)、真實(shí)的三維形態(tài)，是快速獲取目標(biāo)物體空間數(shù)據(jù)的一種行之有效的技術(shù)手段，為堤防變形監(jiān)測提供了新的可靠方案。采用三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行堤防變形監(jiān)測，主要是采用三維激光掃描設(shè)備在待監(jiān)測目標(biāo)周圍多期掃描，獲得物體表面三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)等信息，并將掃描獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行后期數(shù)據(jù)處理。通過對(duì)比不同時(shí)期處理后的數(shù)據(jù)，來提取待監(jiān)測目標(biāo)的變形信息，進(jìn)行堤防的變形分析。

相對(duì)于傳統(tǒng)的布設(shè)斷面監(jiān)測點(diǎn)的方法，三維激光掃描技術(shù)可以獲取更為豐富的三維數(shù)據(jù)，且觀測效率高。三維激光掃描技術(shù)通過掃描獲取面狀的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，可以監(jiān)測整個(gè)堤防的變形過程。但其變形探測的精度有限，只能達(dá)到厘米級(jí)的精度。

2.近景攝影測量技術(shù)

近景攝影測量主要是靠布設(shè)在物體附近的像機(jī)進(jìn)行攝影測量，它的測量距離一般小于300m。近幾年來，由于攝影測量技術(shù)的高速發(fā)展，近景攝影測量中使用了高分辨率的量測儀器以及高質(zhì)量的攝像機(jī)，近景攝影測量獲取的點(diǎn)位精度與以往相比得到了顯著的提高。這種精密的攝影測量技術(shù)在堤防變形監(jiān)測中得到了廣泛的應(yīng)用。近景攝影測量技術(shù)在變形監(jiān)測方面的應(yīng)用主要是利用量測或非量測相機(jī)，在需要監(jiān)測的區(qū)域進(jìn)行高速攝影，獲取目標(biāo)物的三維點(diǎn)云坐標(biāo)，進(jìn)而提取和分析變形的方法。利用近景攝影測量技術(shù)進(jìn)行變形提取的具體實(shí)施方法為：在待監(jiān)測堤防周圍穩(wěn)定區(qū)域上布設(shè)一定數(shù)量的控制點(diǎn)，利用攝影機(jī)對(duì)監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行拍攝測量，要求拍攝的相片具有一定的重疊度;然后利用相應(yīng)的軟件對(duì)測量獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行后期處理，得到監(jiān)測區(qū)域的點(diǎn)云坐標(biāo)。采用絕對(duì)坐標(biāo)控制點(diǎn)，將不同時(shí)期獲取的觀測數(shù)據(jù)統(tǒng)一到同一坐標(biāo)系下;也可以對(duì)兩期數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配，轉(zhuǎn)換到相對(duì)坐標(biāo)系下。通過比較監(jiān)測點(diǎn)在不同時(shí)期坐標(biāo)值的變化量，對(duì)堤防的變形量進(jìn)行分析^[3]。王建雄采用非量測數(shù)字相機(jī)的近景攝影測量方法，對(duì)水庫的庫岸實(shí)施了變形監(jiān)測，測定其在水平平面及豎直平面內(nèi)的變形。利用精密近景攝影測量技術(shù)進(jìn)行形變監(jiān)測具有以下優(yōu)勢：非接觸性測量，可以將儀器架設(shè)在距離監(jiān)測區(qū)域一定距離的安全地帶，保證了人機(jī)的安全，非常適合于惡劣條件下的形變監(jiān)測;可以瞬間獲取監(jiān)測目標(biāo)的大量的幾何物理信息，減少工作人員野外作業(yè)強(qiáng)度，反應(yīng)監(jiān)測區(qū)域的整體變形趨勢;設(shè)備簡單容易操作，自動(dòng)化程度較高，人為因素對(duì)攝影結(jié)果影響小，監(jiān)測結(jié)果質(zhì)量高。同時(shí)，該設(shè)備也存在一些不足之處，如內(nèi)頁數(shù)據(jù)處理技術(shù)含量高，需配備高素質(zhì)的數(shù)據(jù)處理人員：對(duì)拍攝獲取的數(shù)據(jù)影像質(zhì)量要求較高，若影像質(zhì)量較差，匹配精度較差，影響判斷結(jié)果。

3、雷達(dá)干涉測量技術(shù)

合成孔徑雷達(dá)干涉測量（Interferometric Synthetic Aperture Radar）是一種空間遙感對(duì)地觀測技術(shù)。該技術(shù)通過合成孔徑雷達(dá)的相位信息，即通過雷達(dá)衛(wèi)星在相鄰的重復(fù)軌道上，對(duì)同一地區(qū)實(shí)現(xiàn)兩次雷達(dá)成像，進(jìn)而對(duì)兩幅圖像進(jìn)行干涉處理，獲得干涉圖像。通過對(duì)圖像進(jìn)行解纏處理，解算出地面上每個(gè)點(diǎn)的正確相位，計(jì)算出地面點(diǎn)到雷達(dá)的斜距以及高程，最終得到地表的三維信息等地形數(shù)據(jù)。INSAR技術(shù)作為一種新型的主動(dòng)式微波遙感技術(shù)，不但可以實(shí)現(xiàn)全天候的、大范圍的快速獲取地表三維信息，而且不需要建立監(jiān)測網(wǎng)，省時(shí)、監(jiān)測精度高、受氣候條件影響小，被廣泛的應(yīng)用于地表形變以及邊坡滑坡等監(jiān)測領(lǐng)域。

合成孔徑雷達(dá)干涉（InSAR）是形變監(jiān)測前沿技術(shù)和研究熱點(diǎn)。但其工程化應(yīng)用存在以下問題：①時(shí)空失相干降低了干涉圖質(zhì)量，影響變形監(jiān)測可靠性和可行性;②受可獲取影像數(shù)量和空間分辨率限制，監(jiān)測的時(shí)空分辨率難以滿足實(shí)際工程需要，特別是難以實(shí)現(xiàn)單個(gè)建（構(gòu)）筑物精準(zhǔn)變形監(jiān)測。地基合成孔徑雷達(dá)干涉（ground based InSAR， GBIn-SAR）技術(shù)基于微波探測主動(dòng)成像方式獲取監(jiān)測區(qū)域二維影像，通過合成孔徑技術(shù)和步進(jìn)頻率技術(shù)實(shí)現(xiàn)雷達(dá)影像方位向和距離向的高空間分辨率，克服了星載SAR影像受時(shí)空失相干嚴(yán)重和時(shí)空分辯率低等缺點(diǎn)，通過干涉技術(shù)可實(shí)現(xiàn)優(yōu)于毫米級(jí)微變形監(jiān)測。清江隔河巖大壩項(xiàng)目中，采用GBIn-SAR技術(shù)對(duì)壩體進(jìn)行變形監(jiān)測，在消除大氣影響后GBIn-SAR監(jiān)測的壩體變形速率與垂線監(jiān)測結(jié)果一致^[4]。張昊宇采用基于調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）技術(shù)的Fast-GBSAR設(shè)備對(duì)陸水大壩進(jìn)行監(jiān)測，取得了7s/組的數(shù)據(jù)采集速度，對(duì)大壩在放水前后的變形進(jìn)行分析，并與三維數(shù)字高程模型進(jìn)行數(shù)據(jù)融合。結(jié)果表明基于7s/組的高速數(shù)據(jù)采集能力，F(xiàn)ast-GBSAR幾乎可以做到對(duì)大壩變形的實(shí)時(shí)分析^[5]。GBIn-SAR技術(shù)精度高，監(jiān)測效率快，但目前GBIn-SAR商用設(shè)備僅能從國外進(jìn)口且費(fèi)用高昂，極大地阻礙了國內(nèi)學(xué)者的研究和其工程化的推廣^[6]。

4.分布式光纖測量技術(shù)

分布式光纖傳感器作為一門迅猛崛起的高新傳感技術(shù)，其理論發(fā)展和實(shí)踐應(yīng)用也在不斷的深入當(dāng)中。分布式光纖傳感技術(shù)可以根據(jù)想要監(jiān)測的目標(biāo)，采用直接測量方式或間接測量方式來對(duì)堤防進(jìn)行監(jiān)測：①直接測量是將光纖直接布設(shè)于被監(jiān)測物體內(nèi)，光纖隨著被監(jiān)測物的形變、溫度的變化，得到的應(yīng)變、溫度信息即為被監(jiān)測物的應(yīng)變情況及溫度分布。直接測量法可以有效地對(duì)堤防的險(xiǎn)情進(jìn)行預(yù)警，但是不利于長期監(jiān)測。②間接測量是將光纖布設(shè)在一定支撐結(jié)構(gòu)上或使用光纖傳感器探頭，被監(jiān)測物的形變、溫度轉(zhuǎn)化為支撐結(jié)構(gòu)或傳感器的相應(yīng)參數(shù)變化量，再轉(zhuǎn)化為光纖的應(yīng)變、溫度，通過檢測光纖上的應(yīng)變、溫度間接得到被監(jiān)測物的形變和溫度。間接測量法可以進(jìn)行長期的監(jiān)測，但是要設(shè)計(jì)專門的支撐結(jié)構(gòu)，并且要求所用的支撐結(jié)構(gòu)或傳感器的變化量與光纖的應(yīng)變、溫度有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系^[7-10]。

基于布里淵散射技術(shù)的分布式光纖傳感器可以測定光纖沿線任一點(diǎn)上的溫度和應(yīng)力。加拿大的Roctest Instruments Ltd. 公司，瑞士的Omnisens公司Smartech 公司，美國的NRL公司，英國的Sensornet公司及Kent大學(xué)和Southampton大學(xué)等都開展了分布式光纖傳感器的研究。國內(nèi)的寧波振東光電公司與德國GOES（ Geostationary Operational Envi-ronmentalStllite）公司合作開發(fā)的分布式光纖溫度傳感器（DTS）系統(tǒng)，在水電站面板壩滲漏、溫度場的監(jiān)測等項(xiàng)目得到了成功的應(yīng)用。

隨著分布式光纖技術(shù)的理論成熟和實(shí)踐應(yīng)用的不斷發(fā)展，分布式光纖傳感技術(shù)也正越來越多地被堤防、堤壩工程所采用。如張丹等將分布式光纖傳感技術(shù)用于堤壩工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測。王寶軍、丁勇、隋海波等將分布式光纖傳感技術(shù)用于邊坡變形的監(jiān)測及實(shí)踐，并取得較好的效果。朱萍玉，蔣桂林等采用分布式光纖傳感技術(shù)用于土壩模型滲漏監(jiān)測分析，得到了堤壩滲漏與溫度場的初步關(guān)系，并用Ansys進(jìn)行了有限元的分析。蔡德所將分布式光纖傳感技術(shù)用于監(jiān)測三峽大壩混凝土溫度場，為分布式光纖傳感技術(shù)用于堆石壩混凝土溫度的監(jiān)測提供了實(shí)驗(yàn)參考。丁睿等研究了分布式光纖傳感器裂縫模型的研究，為堤壩的裂縫監(jiān)測提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)。黃河水利科學(xué)研究院利用引進(jìn)的Omnisens公司的分布式溫度、應(yīng)變測量系統(tǒng)正在開展堤壩工程的滲漏與應(yīng)變監(jiān)測工作。德國GTC公司同慕尼黑科技大學(xué)合作開展了光纖分析儀在土耳其Birecik 混凝土壩等工程都做了相關(guān)研究工作。

分布式光纖傳感的傳感單元不但具有抗射頻、抗電磁干擾、防燃、防爆、耐腐蝕、耐高電壓、耐電離輻射等特點(diǎn)，且具有大信號(hào)傳輸快捷、實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)和分布廣的諸多優(yōu)點(diǎn)?？梢詮浹a(bǔ)堤防點(diǎn)式監(jiān)測盲區(qū)的數(shù)據(jù)空缺，提高地方安全監(jiān)測的可靠性和精度。

5.結(jié)語

從傳統(tǒng)型到現(xiàn)代化，變形監(jiān)測技術(shù)不斷向高精度、連續(xù)性、高自動(dòng)化程度發(fā)展，然而堤防工程的健康監(jiān)測需要一個(gè)無損、精確、穩(wěn)定、可靠、長期而又經(jīng)濟(jì)的安全監(jiān)測系統(tǒng)。因此，當(dāng)前堤防工程變形監(jiān)測技術(shù)在自主研發(fā)、全自動(dòng)化、成本控制等方面仍有較大提升空間。與此同時(shí)，堤防變形監(jiān)測技術(shù)不僅要滿足現(xiàn)實(shí)需求、適應(yīng)長遠(yuǎn)發(fā)展需要，同時(shí)要在一定程度上與水文監(jiān)測相結(jié)合，形成系統(tǒng)性的監(jiān)測體系。

基金項(xiàng)目：江蘇省水利科技項(xiàng)目（2019001）;江蘇省科技廳創(chuàng)新能力建設(shè)計(jì)劃-省屬公益類科研院所自主科研經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目（ BM2018028）

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