对大坝安全进行监测开始于19世纪末,1891年德国的埃斯希巴赫重力坝进行了变形观测。20世纪初,澳大利亚的鲑溪拱坝和瑞士的孟萨温斯拱坝进行了挠度观测,孟萨温斯拱坝坝体内还埋设了压阻式仪器,美国新泽西州的波顿重力坝进行了温度观测。这些监测最初主要是为了研究大坝设计计算方法,发展坝工技术,其后才真正成为大坝安全管理的手段。法国、德国等国家先后研制出了钢弦式仪器,利用测量钢弦自振频率将所对应的大坝的应力、应变、渗流压力等物理量计算出来。与此同时,美国开发研制的差动电阻式仪器,在世界上许多国家得到了广泛应用。

20世纪50年代,我国开始在永定河上官厅水库和淮河上南湾、薄山等大型水库大坝上进行了水平位移、垂直沉降和浸润线等项目的观测。其后,在丰满、佛子岭、梅山水电站以及上犹江、流溪河等水库大坝上安装了温度、应变计等监测仪器。60年代后期,我国在一些大型水库大坝上开始对渗流、渗流量、渗水浊度、波浪、倾斜、挠度、扬压力、接裂缝和应力应变以及水位、雨量等项目进行观测。

随着技术的进步,大坝安全监测仪器设备得到了长足的发展。经过多年的努力,我国主要观测仪器的研制及工艺技术水平也取得了很大进展,一些高、精、尖的技术和先进的仪器、设备应用到了大坝安全监测中,如基础岩层电测、光纤传感、CCD、GPS、大坝CT 和渗流热监测等技术。基础岩层电测技术的原理是基于岩石在剧烈变动之前,会有异常的电荷释放,局部区域会产生激烈的电荷骤变,骤变的电荷以静电的方式向四周地层或坝体的方向传播,通过测量电荷的变化可预测基础岩层的变化,这一技术已在日本进行了实际应用。光纤传感是利用光导纤维来感受各种物理量,并传送所感受信息的一种新技术,广东的茜坑水库大坝应用光纤传感器建立了渗流监测系统。小浪底水库大坝外观监测中应用了测量机器人技术,由带电动马达驱动和程序控制的TPS系统结合激光和CCD 技术组合而成,具有目标识别、自动照准、自动测量、自动跟踪和自动记录功能[3]。随着GPS系统硬件和软件技术的提高,GPS技术已应用于大坝安全监测,如隔河岩大坝就建立了用于表面变形监测的GPS系统。GPS观测系统具有精度高、速度快、自动化、全天候以及测点之间无需通视等优点,但其高昂的价格却极大地制约了其在大坝安全监测领域的发展。针对这一问题,杨光等开发应用了GPS多天线监测系统[4],它使得一台GPS接收机能够同时连接多台天线并保证信号完整可靠。GPS多天线变形监测系统已在小浪底、东江等大坝的监测中得到了实际应用。意大利首先将CT 技术应用于水工建筑物的性态诊断,采用声波方法,并利用介质的波速分布进行反演,形成大坝的CT 成像,有效地应用于大坝安全检查和工程处理效果的验证。渗流热监测技术是通过观测温度场分布和变化情况来监测坝体、坝基渗流性态,已在美国、瑞典和俄罗斯等国得到应用。目前,应用于大坝安全的监测仪器设备不仅种类繁多,而且其测量精度和可靠性也大大提高,为我国大坝的安全监测提供了最基本的手段。

监测数据采集自动化系统的研制和应用起步较晚,20世纪60年代后期国外开始研制大坝安全自动化设备。日本首选在梓川的3座拱坝上实现了监测数据采集自动化。70年代后期意大利在Talvacchia双曲拱坝上利用模拟计算机和垂线坐标仪实现了变形自动化监测,在Chotas坝上安装了集中式数据采集系统,经过改进在Ridracoli坝上安装了分布式系统为一体的混合式系统[5]。现在发展的GPDAS (Global Position Data Assemble System)分布式数据采集系统,已被广泛推广应用。

美国在20世纪80年代初期开始大坝安全监测自动化的研制开发,1981年美国垦务局在Moniticcllo拱坝上安装了集中式数据采集系统。从1982年起在FlamingGeogo等四座拱坝上安装了分布式数据采集系统,取得了较成功的应用,此后分布式数据采集系统得到了广泛应用。(www.daowen.com)

从国外大坝安全监测自动化发展过程来看,都是由集中式数据采集系统向分布式数据采集系统发展,目前有代表性的国外产品有意大利ISMES研究所的GPDAS系统,美国GEOMATION 公司的2300系统和SINCO 公司的IDA 系统,都是分布式,其相关产品和系统已在我国有所应用。

我国大坝安全监测自动化工作起步较晚,从20世纪70年代末到80年代中期,只解决了部分仪器的远距离集中测量,主要是差动电阻式仪器。80年代后期能够遥测的垂线坐标仪在大坝上开始使用。通过“七五”攻关计划的实施,研制成功了集中式数据采集系统。90年代初已有近30座大坝安装了一些遥测仪器或采用集中式数据采集系统,实现了部分监测项目的自动化。90年代后期发展为分布式数据采集系统。

从结构上讲,这种自动化系统均为集散式测控系统 (DMCS,Distributed Measure and Control System),虽然能成功地解决大坝安全监测数据的自动化采集和系统拓扑结构复杂的问题,但从一些管理单位反馈的信息表明,普遍存在着系统的可靠性不高和设备更新换代困难等问题,需要从监测系统结构、通信制式和标准化上开展研究,以提高监测系统的可靠性,并解决设备的更新换代问题。