岩土工程监测技术的发展及其应用

岩土工程监测技术的发展及其应用1.前言近年来,随着我国基础建设的日益扩大,人们对岩土工程构筑物逐渐有了更高的安全要求。随着人类岩土工程监测技术的日趋成熟，其在基础建筑甚至地灾评价预测等方面也作出越来越大的贡献。本文在论述岩土工程监测技术发展及应用状况的基础上，结合各个学者提的一些关于岩土工程监测技术的新理论，较系统建的进行总结概括，以便后来读者查阅。2.岩土工程监测技术发展及应用状况自50年代末期以来,现代科技成就,特别是电子技术和计算技术的成就被引用到岩土工程中来,极大地推动了勘察测试技术和岩土构筑物以及地基设计理论与方法的进展(魏道垛,孙福,1998)。作为岩土工程重要内容的岩土工程监测技术(包括监测手段、方法与工具)的发展与进步,加速了信息化施工的推行,反过来又迅速提高了人们对岩土设计方法和理论的认识。岩土工程设计原则正从强度破坏极限状态控制向着变形极限状态(或建筑物功能极限状态)控制发展。目前,有一部分内容正努力试行着向新的概率极限状态(可靠性设计方法)控制展。我国岩土工程技术新进步的一个重要(在某种意义上可能是最重要的)表现是岩土工程信息化作业(融施工、监测和设计于一体的施工方法)的运行。信息化施工原理和环境效应问题被人们所注意、关心,以致被接受并付诸行动。这不仅是岩土工程技术本身的进步,更是工程界直至社会方面在岩土工程总体意识上的更新、进步和发展,已日益表现在着力于岩土工程各类行为信息的监测、反馈、监控及其信息数据的及时处理和技术与管理措施的及时更新等。岩土工程监测技术的进步和发展,则是岩土工程信息化得以实施的强有力的物质基础和技术保障。横览中外,岩土工程监测技术的进步和发展具体表现在以下二个方面:一是监测方法及机具本身的进步。现代物理,特别是电子技术的成就,已广泛应用于新型监测仪表器具中,如各种材料不同形式的收敛计、多点位移计、应力计、压力盒、远视沉降仪、各类孔压计及测斜仪等的设计与制作,优化了仪表结构性能,提高了精度和稳定性;二是监测内容的不断扩大与完整。分析方法的不断提高,岩土体竖向变形和侧向位移、岩土中初始应力及二次应力、土体侧向压力、基础结构内力、接触面应力、空隙水压力以及施工环境诸因素和对象的反应监控等都能较全面地得到实施。前者为后者的实施提供了技术手段保证,而后者又促进了前者的技术更新与改进。监测用于施工,保证和控制了施工质量,防止了事故(特别是灾难性事故)的发生,保证了环境安全,使岩土工程设计施工整体水平提到新的高度。但是,我们必须看到,目前岩土工程监测及应用方面还存在着一些问题,主要表现以下几点:①监测仪表器具本身,在线性、稳定性、重复性、响应特性及操作性方面还存在不少问题。②监测信息的采集对基础地质信息重视不够,信息处理的新技术、新方法有待进一步的研究和发展。③在一些工程项目中,虽然重视了岩土程监测工作,但岩土工程信息却没有得到充分的应用。在许多工程中,岩土工程监测信息真正得到实际应用的不多,用以现场、指导生产、解决实际问题的则更少。3.我国岩土工程监测技术信息管理的现状与不足随着西部大开发战略的实施，国家许多大型水电站工程如溪洛渡、龙滩、大岗山、瀑布沟、锦屏等陆续开工建设，这些电站的挡水坝所依托的边坡高度越来越高、规模越来越大，地质条件越来越复杂。为保证复杂岩体高边坡的安全与稳定，水电边坡工程必须在施工和运行过程中进行安全监测，以保证能将边坡变形、渗流渗压、支护应力等一系列监测信息及时反馈给设计人员，达到调整和优化设计方案、保证边坡稳定与安全运行的目的。水电边坡工程监测仪器种类繁杂，数量众多，监测数据量庞大且监测资料系列较长，面对海量的边坡监测信息和数据，目前大部分水电边坡仍主要依靠人工进行监测信息管理和数据计算分析处理，因而劳动强度大，效率低，人为影响因素较多，数据分析因人为因素造成的错误几率较大。这种落后的监测数据处理分析状况导致边坡监测资料的整理、分析与评价往往滞后于工程运行需要，不能及时发现和预报边坡的安全隐患，因而直接影响水电边坡的运行安全。近年来，随着计算机技术的发展，工程安全监测也进入了自动化、信息化时代。在国外，意大利、法国是最早开始开发工程监测数据处理系统的国家，所开发的数据处理系统应用实践时间较长，在国际上有较大影响。如1994年河海大学研制开发了“大坝安全评判专家系统”，提出和开发了由“一机四库”（综合推理机、知识库、工程数据库、方法库和图库）组成的大坝安全综合评价专家系统和“四库”（综合分析推理库、工程数据库、方法库和图库）组成的在线监控和反馈分析系统；由河海大学和福建省电力局合作研制开发的“福建省水电站大坝安全管理专家决策系统”1993年投入使用，在远程监控、实时分析、网络设计等方面取得了很大进展；2002年，南京水利水电科学研究院研制出了“土石坝安全监测分析评价预报系统”，包括土石坝的安全监测信息管理分析系统和安全监测分析评价预报分析系统，实现了对土石坝安全状况的科学分析和评价。在水电高陡边坡的安全监控与分析系统开发方面，目前国内研发成果还比较少。中国水利水电科学研究院在2005年针对小湾高边坡工程的需要，开发了“小湾水电站高边坡安全监测数据库及资料分析系统”，该系统主要包括监测数据库、方法库、图形库和分析模型库，提供了监测数据时空动态分析与评估以及超限报警。4.岩土工程监测技术的光纤遥感器的应用传感器是一种以一定的精确度把被测量转换为与之有确定对应关系的、便于应用的某种物理量的测量装置。在岩土工程监测中,传感器被广泛使用以检测应力、应变以及位移等物理量,常见的主要有电阻式和振弦式等几种。但这些传统的传感技术由于受到工作原理和材料性质所限,多为点式传感,采集的数据有限,难以满足目前岩土工程的监测要求,而传感器材耐久性差、不便于更换等缺陷,更影响到了检测结果和技术的推广。光纤作为传感和传导材料应用在检测技术中,只是近年的事,而应用在岩土工程及土木工程领域中是在年代以后才开始兴起。由于光纤良好的物理化学特性以及杰出的传导、传感性能它在近年来得到了迅猛的发展。本文就当前一些较有代表性的光纤传感器进行介绍、分析和评价,以期推动我国岩土工程监测中光纤传感器的研发和应用。5.岩土工程监测发展趋势随着科学技术水平的不断提高,一些先进测试仪器将不断开发研制出来,将水电边坡工程安全监测信息管理与监测数据分析网络统应用于龙滩水电边坡工程的监测数据管理与处理分析，实现了监测数据的远程实时共享及网络化的管理和分析，大大减轻了人工数据分析的劳动强度，提高了劳动生产效率，减少了人为因素引起的错误，使监测分析成果能够及时、准确地反馈给设计人员，对规避设计和施工风险，保证边坡施工和运行安全，起到了重要的作用。总之,岩土工程监测系统正朝着功能多样化、数据采集自动化、计算分析微机化、信息反馈控制化的方向发展。