(1.云南龍江水利樞紐開發(fā)有限公司，云南 芒市 678400；2.南京水利科學研究院，江蘇 南京 210029)

在強降雨、地震、地質條件等多種因素的共同作用下，邊坡的坡體會產(chǎn)生形變，嚴重時會引發(fā)失穩(wěn)，產(chǎn)生滑動?；略谒姽こ讨邪l(fā)生的頻率很高，嚴重的滑坡災害會造成交通、航運中斷，人員傷亡和經(jīng)濟損失。直接威脅到大壩、廠房及河道下游的行洪安全，針對此種危害，二十世紀80年代以前主要采用經(jīng)緯儀、水準儀、全站儀等測量儀器對變形體上代表性的點進行變形監(jiān)測。隨著科技信息技術的發(fā)展，對變形監(jiān)測的精度和效率都提出更高的要求，能夠在以往變形監(jiān)測的基礎上實現(xiàn)實時動態(tài)監(jiān)測，并具備預測預警功能，對于邊坡安全穩(wěn)定運行具有重要的指導意義。通過對邊坡安全的預測預警，運行管理人員可以及時采取應對措施以減緩災害的發(fā)生，減小損失。

1 變形監(jiān)測及預警系統(tǒng)現(xiàn)狀

變形監(jiān)測與預警是指依據(jù)監(jiān)測到的前兆信息以及滑坡運行的災害信息進行預警。隨著信息化技術的發(fā)展，在高速公路、高速鐵路、煤礦等領域，變形監(jiān)測與預警已有所應用，并實現(xiàn)了成功的預測預警，如劉心庭[1]等以土質堆積體岸坡為研究對象，考慮庫水位變化引起的岸坡巖土體的流固耦合作用，提出了反映庫水位變化條件下的監(jiān)測預警方法。張振華[2]指出單一的靜態(tài)邊坡監(jiān)測預警指標無法表達邊坡在施工過程中動態(tài)的變形規(guī)律，提出動態(tài)變形監(jiān)測預警指標的研究思路，采用設計安全系數(shù)和破壞模式的邊坡開挖過程動態(tài)監(jiān)測預警指標的研究思路用于邊坡的動態(tài)變形監(jiān)測預警是可行和有效的。在監(jiān)測與預警模型的建立與完善方面，魏學勇[3]結合三峽庫區(qū)高邊坡監(jiān)測工程，建立了三級監(jiān)測網(wǎng)分層布置的方式。王堅[4]在分析累積和檢驗統(tǒng)計量的前提下，構建了短期預警模型，并研究了影響模型預警效果的因素。總體來看，對邊坡變形監(jiān)測與預警研究已取得了一些進展，而目前主要的研究方向還是需要加強實時變形監(jiān)測和動態(tài)預測預警方面研究，以實現(xiàn)及時有效地反饋施工及運行管理情況，確保邊坡穩(wěn)定和生產(chǎn)安全。

攝影測量、GPS(全球定位系統(tǒng))也逐漸應用到變形監(jiān)測中，GPS能夠實現(xiàn)實時變形監(jiān)測的功能，而近年來在GPS基礎上發(fā)展起來的GNSS(全球導航衛(wèi)星系統(tǒng))監(jiān)測技術因其技術先進性和高精度等優(yōu)勢逐漸在水利水電工程邊坡變形監(jiān)測中得到應用。本文以云南龍江水電站樞紐工程為例，介紹GNSS在大壩及邊坡變形監(jiān)測系統(tǒng)上的應用，并在此基礎上開發(fā)預警系統(tǒng)軟件，為工程的安全運行提供技術支撐。

2 GNSS變形監(jiān)測系統(tǒng)構成

2.1 系統(tǒng)總體結構

GNSS變形監(jiān)測系統(tǒng)是由GNSS監(jiān)測單元、供電單元、通信單元和監(jiān)控中心單元四個部分組成。監(jiān)測單元主要由GNSS主機、天線等構成；供電單元由太陽能供電單元或市電電源及配套電纜構成；通信單元由成對的無線網(wǎng)橋構成；監(jiān)控中心單元由服務器、T4D監(jiān)測軟件、監(jiān)控與預警軟件和網(wǎng)絡機房設備組成。系統(tǒng)網(wǎng)絡結構如圖1所示。

圖1 GNSS變形監(jiān)測系統(tǒng)結構

2.2 系統(tǒng)組成

2.2.1 GNSS監(jiān)測單元

GNSS監(jiān)測單元是GNSS變形監(jiān)測系統(tǒng)的核心部分，其安裝于各變形監(jiān)測點和觀測基點，由觀測墩和GNSS接收機(NetR9)組成。 GNSS接收機(NetR9)由主機、天線、天線饋線、電源適配器等組成。

GNSS接收機(NetR9)在支持GPS通道的基礎上，還支持GLONASS、Galileo、北斗衛(wèi)星，并且還具備擴展功能，主機具有440個通道，衛(wèi)星跟蹤能力極強。內置7800mAH鋰電池，可供長時間連續(xù)工作使用，在外部電源斷電情況下的可作為緊急備用電源，以確保數(shù)據(jù)安全不丟失。接收機具有藍牙、串口、Mini USB、RJ45網(wǎng)口等多種接口，方便數(shù)據(jù)傳輸。

2.2.2 通信單元

通信單元是實現(xiàn)GNSS監(jiān)測單元與監(jiān)控中心單元的雙向數(shù)據(jù)傳輸，即觀測數(shù)據(jù)的上傳和監(jiān)控中心服務器指令的下發(fā)。

通信方式采用無線方式，5.8G無線網(wǎng)橋搭建項目地局部無線網(wǎng)絡，在2～3km范圍內帶寬可達5Mbps以上。在通視無遮擋的情況下，無線網(wǎng)橋的通信穩(wěn)定可靠，成熟技術，是系統(tǒng)較為理想的通信手段。

2.2.3 監(jiān)控中心單元

監(jiān)控中心單元由主服務器、T4D軟件和網(wǎng)絡機房設備(交換機、路由器、UPS、防雷接地裝置等)組成。

無線網(wǎng)橋安裝在監(jiān)控中心房頂或側墻，保持與野外通信設備的通視，中心網(wǎng)橋通信設備通過網(wǎng)線與監(jiān)控中心交換機連接。

3 精度校驗

為檢驗GNSS接收機的主要技術指標，開展精度校驗工作。其校驗的主要指標要求如下：在實時觀測12h后，系統(tǒng)可以實時持續(xù)穩(wěn)定地監(jiān)測水平1mm、垂直2mm的位移變化量。

3.1 校驗儀器

用于校驗的主要設備有GNSS接收機2臺，移動基座平臺1個。GNSS接收機采用本項目現(xiàn)場安裝的設備，在安裝前進行檢驗。移動基座平臺是安裝有千分尺的可控制水平和垂直位移的設備，該移動基座的位移精度可達0.01mm，能夠滿足對GNSS接收機精度的校驗要求。

3.2 校驗方法和要求

為較好地接收衛(wèi)星信號，選擇四周較為開闊場地制作2個40cm×40cm混凝土觀測墩。并在觀測墩中預埋強制對中基座，以便于安裝和校驗GNSS接收機，其中1個觀測墩作為固定點，另一個觀測墩放置安裝有千分尺的移動平臺實現(xiàn)可量測的水平和垂直位移，如圖2所示。

圖2 校驗方法示意

觀測墩制作完畢后，將2臺GNSS接收機分別安置于固定點和移動點觀測墩(其中A點安裝于固定點觀測墩，B點安裝于移動點觀測墩，后移動至C點)，設備安裝完成后將接收機開機6～12h進行初始數(shù)據(jù)定位，以實現(xiàn)初始坐標的穩(wěn)定。待獲得初始數(shù)據(jù)后，移動B測點至C測點(分三次進行，首先沿AB方向水平移動10mm，然后垂直AB方向水平移動10mm，最后向豎直方向移動10mm)，通過移動平臺可準確量出水平和垂直方向移動的距離，并通過計算獲得水平方向位移和垂直方向的位移。再經(jīng)過觀測獲得C點坐標，至此可以通過測量獲取A、B、C三點坐標，然后計算得出BC間距離，與實測值水平方向位移值相比較以校驗觀測準確性。

3.3 校驗結果

通過現(xiàn)場精度指標校驗測試，從圖3校驗精度趨勢圖中可以看出，GNSS監(jiān)測系統(tǒng)在12h或更長時間的數(shù)據(jù)處理，可以實時持續(xù)穩(wěn)定地監(jiān)測水平1mm，垂直2mm的位移變化量。

從實際測試結果來看，本次測試過程中水平中誤差隨著數(shù)據(jù)的積累，其趨勢逐漸減小，當測試進行到24h后中誤差在1mm以內，且仍有繼續(xù)減小的趨勢。垂直中誤差由于受環(huán)境影響因素較多，在測試超過6h后中誤差急劇降低，在24h解算后，垂直中誤差略有提高，但仍在2mm以內，能夠滿足變形監(jiān)測要求。值得注意的一點是，垂直中誤差在6h后急劇下降，表明在現(xiàn)場實際監(jiān)測應用時，只要積累一定的數(shù)據(jù)后，通過6h以上的數(shù)據(jù)解算就可以大幅提高垂直位移的監(jiān)測精度，這對常規(guī)僅采用水平位移監(jiān)測的手段是極大的補充，可以滿足邊坡高精度三維變形全天候實時監(jiān)測要求。在更長的時間內進行持續(xù)監(jiān)測，將顯著提高變形實時監(jiān)測精度，并為進行邊坡安全預測預警持續(xù)提供數(shù)據(jù)，滿足高邊坡長期穩(wěn)定變形監(jiān)測需求。

圖3 校驗精度趨勢圖

4 GNSS變形監(jiān)測系統(tǒng)安裝

4.1 變形監(jiān)測測點布置

結合云南龍江水利樞紐工程的特點，為滿足水庫大壩安全運行管理及日常變形監(jiān)測需求，變形實時監(jiān)測系統(tǒng)共布置2個基點，6個觀測點，如圖4所示?；c布置于水電站廠房和變電站兩個基巖較為穩(wěn)定部位，觀測點分別位于大壩壩頂和兩岸邊坡，其中3個布置于壩頂左、右岸和最大壩高處，3個布置于兩岸邊坡。邊坡測點編號如下，左岸為廠房邊坡測點(Za)和纜機邊坡測點(Zg)，右岸為大壩右岸邊坡測點(Ya)，大壩最大壩高處及兩岸重力墩分別布置1個測點。

圖4 GNSS監(jiān)測點布置

4.2 通訊系統(tǒng)網(wǎng)絡配置

該系統(tǒng)采用無線網(wǎng)橋通信，有效提高了系統(tǒng)通信的穩(wěn)定性。通過5.8G無線網(wǎng)橋搭建局部無線網(wǎng)絡，在2～3km范圍內帶寬可達5Mbps以上。每一個測點固定一個IP地址，每一個接收機也有固定的IP地址。

5 變形監(jiān)控指標的建立

為實現(xiàn)邊坡變形預測預警，首先需要建立相應的變形監(jiān)控指標。而根據(jù)實測資料建立的監(jiān)控指標更具有代表性和可操作性。對2013年1月—2015年7月云南龍江水電站左岸纜機邊坡、廠房邊坡和右岸壩肩邊坡變形量和變形速率進行分析，左岸纜機邊坡月最大位移12.6mm，月平均變形速率0.28mm/d，廠房邊坡月最大位移9.7mm，月平均變形速率0.33mm/d，右岸壩肩邊坡月最大位移12.5mm，月平均變形速率0.44mm/d，以上邊坡均為穩(wěn)定狀態(tài)。

2013年8月近壩庫岸邊坡出現(xiàn)滑坡，在6—7月份有降雨期間，未發(fā)現(xiàn)邊坡變形出現(xiàn)異常。而8月初突降暴雨，8月6日變形量為1.5cm，自8月6日開始邊坡變形加速增大，8月16日變形量達到7.0cm，自8月16日后變形量有增速進一步加快，呈現(xiàn)突變趨勢，8月23日早8點變形量達到20cm，平均變形速率15mm/d，根據(jù)歷史變形監(jiān)測及邊坡滑坡發(fā)生過程監(jiān)測資料邊坡分析，確定以變形速率為指標的等級劃分見下表。

邊坡安全等級劃分標準表

該指標是根據(jù)已發(fā)生滑坡擬定，對本工程及類似工程邊坡穩(wěn)定指標具有一定的參考價值。但邊坡的滑坡與其他的眾多因素有關，如降雨、巖體巖性、溫度等，只有在累積大量數(shù)據(jù)，并全面分析影響邊坡位移的各個因素，才能得出更優(yōu)的監(jiān)控指標以供預測預警使用。

6 預警系統(tǒng)的構建

6.1 系統(tǒng)結構

高精度三維變形實時監(jiān)測與預警系統(tǒng)包括高精度三維變形實時監(jiān)測、水庫大壩安全實時監(jiān)測、實時監(jiān)控與預警三大子系統(tǒng)。其中，高精度三維變形實時監(jiān)測子系統(tǒng)應用現(xiàn)代GNSS技術，能夠實時采集水庫大壩和邊坡的三維變形信息。水庫大壩安全實時監(jiān)測子系統(tǒng)用于水庫大壩環(huán)境量及變形、滲流、應力應變等項目的監(jiān)測。實時監(jiān)控與預警子系統(tǒng)在收集高精度三維變形實時監(jiān)測子系統(tǒng)、水庫大壩安全實時監(jiān)測子系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)的基礎上，通過監(jiān)控模型建立預警指標，對水庫大壩及庫岸邊坡的實時運行性態(tài)進行監(jiān)控和預警。

6.2 監(jiān)控與預警子系統(tǒng)功能

該系統(tǒng)在對三維變形等監(jiān)測資料進行科學管理的基礎上，實現(xiàn)監(jiān)控預警的目的。在采集系統(tǒng)的基礎上，構建監(jiān)測信息分析與評價系統(tǒng)。以實現(xiàn)用戶登錄、數(shù)據(jù)庫連接、監(jiān)測系統(tǒng)管理、監(jiān)測數(shù)據(jù)管理、監(jiān)測數(shù)據(jù)分析與評價、監(jiān)控及預警等功能，系統(tǒng)功能菜單如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)功能菜單

7 結 語

為保障云南龍江水電站樞紐工程的安全運行，引進GNSS系統(tǒng)對大壩及邊坡進行變形監(jiān)測，同時開發(fā)預測預警軟件，為云南龍江水電站的安全運行提供技術支撐，通過該GNSS系統(tǒng)的應用主要得到以下結論：

?通過對GNSS接收機進行變形監(jiān)測精度的校驗，校驗結果顯示GNSS系統(tǒng)可以達到中誤差水平1mm，垂直2mm的監(jiān)測精度，表明該系統(tǒng)具備高精度位移監(jiān)測的能力，是對常規(guī)變形監(jiān)測手段有力的補充，能夠滿足云南龍江水電站邊坡高精度三維變形全天候實時監(jiān)測要求。

?對云南龍江水電站多個邊坡的變形和變形速率的歷史數(shù)據(jù)進行分析，提出了以變形速率為依據(jù)的邊坡預警等級，并開發(fā)相關軟件，為水庫大壩及庫岸邊坡的運行和預警提供依據(jù)。