程改芳 馬福恒 葉偉

摘?要：土石壩外部變形監(jiān)測是掌握大壩安全運(yùn)行性態(tài)的重要基礎(chǔ)工作，土石壩具有自身變形特征，不能像混凝土壩那樣使用引張線儀、靜力水準(zhǔn)儀實現(xiàn)自動化監(jiān)測，如何快速準(zhǔn)確地監(jiān)測土石壩表面變形一直是壩工界的難題。結(jié)合河南省陸渾水庫大壩實際，開展土石壩表面變形自動監(jiān)測系統(tǒng)方案設(shè)計、系統(tǒng)實施及觀測資料可靠性分析，評價大壩變形安全性態(tài)。實施效果表明，GeoMOS遠(yuǎn)程控制機(jī)器人能夠做到快速響應(yīng)、準(zhǔn)確控制，測量機(jī)器人的ATR功能識別準(zhǔn)確、高效精準(zhǔn)，能夠?qū)崟r掌握大壩各測點(diǎn)的位移情況，極大降低了測量人員的內(nèi)、外業(yè)工作量，可為大壩安全運(yùn)行提供技術(shù)保障，也可為同類型大壩的變形自動監(jiān)測提供借鑒。

關(guān)鍵詞：大壩表面變形;自動監(jiān)測;資料分析;測量機(jī)器人;陸渾水庫

中圖分類號：P204;TU196+.1文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.06.034

Design and Practice on Automatic Monitoring System for Luhun Earth-Rock Dam Surface Deformation

CHENG Gaifang1， MA Fuheng2，3， YE Wei2

（1.Henan Management Bureau of Luhun Reservoir， Luoyang 471003， China;

2.Dam Safety Management Department of Nanjing Hydraulic Research Institute， Nanjing 210029， China;

3.Dam Safety Management Center of the Ministry of Water Resources， Nanjing 210029， China）

Abstract：External deformation monitoring of earth-rock dams is an important part of controlling safe operation behavior of dams. Due to the deformation characteristics of earth-rock dams， it is impossible to use tension line instrument and static level instrument to realize automatic monitoring as used on concrete dams. How to monitor the surface deformation of earth-rock dam quickly and accurately has been a difficult issue to be solved urgently in dam engineering field. Based on the actual situation of Luhun Reservoir in Henan Province， the scheme design， system implementation and reliability analysis of observation data for automatic monitoring system of surface deformation were carried out and the safety state of dam deformation was evaluated. The implementation results show that GeoMOS remote control robot can achieve fast response and accurate control. The identification process of the measuring robot ART is accurate， efficient and accurate， which can grasp the displacement of the dam in real time and greatly reduce the workload of the surveyors both inside and outside. It can provide a technical guarantee for the safe operation of the dam. It can provide reference for automatic monitoring of deformation of similar dams.

Key words： dam surface deformation; automatic monitoring; data analysis; measurement robot; Luhun Reservoir

土石壩填筑材料的離散性、非剛性造成壩體變形的非一致性。依據(jù)規(guī)范[1]，土石壩表面變形包括水平位移和垂直位移，3級建筑物以上為必測項目。非山區(qū)水庫大壩一般較長，表面變形測點(diǎn)布置較多，觀測工作強(qiáng)度大，觀測頻次少，不能及時掌握大壩變形狀態(tài)。鑒于土石壩的變形特征，也不能像混凝土壩那樣使用引張線儀、靜力水準(zhǔn)儀實現(xiàn)自動化監(jiān)測，如何快速準(zhǔn)確地監(jiān)測土石壩表面變形一直是壩工界的難題。楊超等[2]、王豪威等[3]以某水電站大壩位移監(jiān)測項目為例，研究了MT50全站儀的自有設(shè)站、監(jiān)測精度分析方法以及需要注意的事項;孫華芬[4]在地質(zhì)調(diào)研基礎(chǔ)上，建立了M30+GeoMOS尖山磷礦邊坡自動監(jiān)測系統(tǒng)，研究了監(jiān)測數(shù)據(jù)的預(yù)處理方法及邊坡綜合預(yù)測預(yù)報模型;張維[5]分析了徠卡M50全站儀特性，并闡述了該設(shè)備在地鐵、高鐵及大壩等領(lǐng)域的監(jiān)測方法;王洪[6]以濟(jì)南市一條污水管道線中的閘道變形觀測為例，采用TS30超高精度全站儀結(jié)合自由設(shè)站法，使其觀測精度實現(xiàn)毫米級;管真等[7]在分析MS50全站掃描儀特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，研究了掃描數(shù)據(jù)直接進(jìn)行點(diǎn)云拼接的精度，驗證了全站掃描儀在地表變形監(jiān)測中應(yīng)用的可行性;吉曉輝[8]基于網(wǎng)絡(luò)版全站儀自動化監(jiān)測模式，對高精度、高穩(wěn)定性這兩個重要監(jiān)測因素進(jìn)行剖析，利用自主研發(fā)的監(jiān)測系統(tǒng)對某廣場基坑變形進(jìn)行了應(yīng)用，驗證高精度、高穩(wěn)定性全站儀自動化監(jiān)測技術(shù)的可靠性;楊浩[9]研究了全站儀任意位置設(shè)站觀測各點(diǎn)三維坐標(biāo)的方法，給出了觀測值及精度計算公式，并應(yīng)用于實際工程中;王舉等[10]采用三維激光掃描技術(shù)對土石壩表面水平與垂直位移進(jìn)行監(jiān)測分析，結(jié)果表明該技術(shù)能夠滿足水庫大壩變形分析計算的要求;馬福恒等[11]在對土石壩表面變形監(jiān)測方法系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)上，提出了采用高精度全站儀MS50+ GeoMOS的方法實現(xiàn)土石壩全自動監(jiān)測，并研究了監(jiān)測數(shù)據(jù)可靠性判別方法及預(yù)警模型，減小了土石壩表面變形監(jiān)測的工作強(qiáng)度。筆者結(jié)合河南省陸渾水庫土石壩表面變形監(jiān)測實際，給出了MS50+ GeoMOS系統(tǒng)的設(shè)計方案、實施過程以及監(jiān)測數(shù)據(jù)處理方法等，以期為同類型大壩的變形自動監(jiān)測提供借鑒。

1?方案設(shè)計

1.1?工程概況

陸渾水庫位于黃河支流伊河中游，壩址位于河南省嵩縣境內(nèi)。水庫控制流域面積為3 492 km2，總庫容為13.2億m3，是一座以防洪為主，結(jié)合灌溉、發(fā)電、養(yǎng)殖、城市供水和旅游等綜合利用的大（1）型水利樞紐。該水庫于1959年12月動工興建，1965年8月建成。由于存在安全隱患，因此在1986—1988年進(jìn)行了一期除險加固，2001年又進(jìn)行了應(yīng)急加固，2003—2006年再次進(jìn)行了除險加固，目前大壩運(yùn)行性態(tài)正常[12]。

大壩為黏土斜墻砂卵石壩，壩頂高程333.0 m，上設(shè)1.2 m高的防浪墻，最大壩高55.0 m，壩頂長710.0 m、寬8.0 m，壩基采用黏土截水槽防滲，并輔以84.0 m長的水平鋪蓋。上游壩坡坡比為1∶3.5～1∶3.25，高程300.0 m以上為六棱柱形混凝土塊護(hù)坡，300 m以下為塊石護(hù)坡;下游壩坡坡比為1∶2.75～1∶2.5，均為卵石護(hù)坡。

大壩表面變形監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)于水庫建成之初，為水平位移和垂直位移的共用標(biāo)點(diǎn)，由于當(dāng)時使用的是自制的位移標(biāo)點(diǎn)（普通鋼板加工而成），銹蝕嚴(yán)重?zé)o法繼續(xù)使用，因此在1990年由武漢水利電力學(xué)院設(shè)計、水庫管理單位施工建成現(xiàn)在的觀測位移基點(diǎn)。使用蔡氏010B經(jīng)緯儀，采用中間設(shè)站、分段觀測的方法進(jìn)行大壩水平位移觀測，但視準(zhǔn)線長的問題沒有得到根本解決，視線模糊、容易受天氣影響等問題繼續(xù)存在，精度很難保證。垂直位移采用蔡氏NI007水準(zhǔn)儀進(jìn)行觀測，精度可以保證。

該水庫承擔(dān)著洛陽市防洪、黃河下游防洪和自身保壩三大防洪任務(wù)，并和小浪底、三門峽、故縣水庫聯(lián)合運(yùn)用，削減三門峽至花園口區(qū)間洪水，水庫下游有洛陽、鄭州、開封3個重要城市，還有隴海、焦枝、京廣3條鐵路干線和連霍、寧洛等高速公路以及著名的世界文化遺產(chǎn)龍門石窟，其運(yùn)行安全至關(guān)重要，需要及時掌握大壩變形性態(tài)，為此水庫管理單位于2018年委托水利部大壩安全管理中心對大壩表面變形自動監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行方案設(shè)計[13]。

1.2?監(jiān)測方案

1.2.1?測點(diǎn)布置

大壩原有表面變形監(jiān)測點(diǎn)有28個，沿壩軸線布置4排，分別為上游壩坡321.0 m高程、臨近壩頂332.0 m高程、下游壩坡320.0 m高程、下游壩坡310.0 m高程，上游壩坡及臨近壩頂每排布置監(jiān)測點(diǎn)8個，下游壩坡每排布置監(jiān)測點(diǎn)6個，另有工作基點(diǎn)3個。根據(jù)工程實際，為實現(xiàn)自動觀測，需要新建1座觀測房、改造3個工作基點(diǎn)，采用交匯法觀測大壩表面變形。

1.2.2?測量機(jī)器人

測量機(jī)器人啟動ATR自動測量時，全站儀中的CCD相機(jī)視場內(nèi)如果沒有棱鏡，則先進(jìn)行目標(biāo)搜索，一旦在視場內(nèi)出現(xiàn)棱鏡，則進(jìn)入目標(biāo)照準(zhǔn)過程，達(dá)到照準(zhǔn)允許精度后，啟動距離和角度的測量，利用GeoMOS軟件進(jìn)行計算分析。目前，徠卡新一代測量機(jī)器人TM50相比第一代測量機(jī)器人TCA2003，各項性能指標(biāo)都有了很大的提升，TM50自動照準(zhǔn)距離高達(dá)3 000 m，ATR精度最高可達(dá)0.5″，距離測量精度達(dá)0.6 mm，強(qiáng)大的四重軸系補(bǔ)償功能，防塵防水等級高達(dá)IP65，數(shù)據(jù)存儲方式集成了內(nèi)存、SD卡、U盤等，新一代驅(qū)動馬達(dá)采用壓電陶瓷技術(shù)，而且增加了高頻率廣角相機(jī)和高分辨率望遠(yuǎn)鏡相機(jī)，使得TM50在自動照準(zhǔn)、目標(biāo)識別、搜索和鎖定、自動測量時，更加快速、高效和精確，同時在各種惡劣環(huán)境下的適用性和穩(wěn)定性更強(qiáng)。

1.2.3?系統(tǒng)軟件

GeoMOS是一套現(xiàn)代監(jiān)測和分析軟件，適用于自動監(jiān)測、變形測量、山體滑坡、沉降測量等不同類型的監(jiān)測任務(wù)。它可以將各種不同類型的測量傳感器（比如TM50、溫度氣壓傳感器、GPS等）連接到一起工作，同時支持多用戶進(jìn)入的大型數(shù)據(jù)庫（SQL-Server），GeoMOS軟件主要包括監(jiān)測和分析兩部分，都可以在計算機(jī)上運(yùn)行。

GeoMOS監(jiān)測部分是一個在線的工作軟件，主要負(fù)責(zé)控制傳感器、收集數(shù)據(jù)以及事件的管理，主界面見圖1。

GeoMOS分析部分是一個分體式的軟件，主要用于測量數(shù)據(jù)的分析、可視化和后處理，主界面見圖2。

1.3?系統(tǒng)組成

陸渾水庫大壩表面變形自動監(jiān)測系統(tǒng)包括3部分，系統(tǒng)架構(gòu)見圖3。

（1）監(jiān)測子系統(tǒng)。遠(yuǎn)程控制TM50按照監(jiān)測任務(wù)對監(jiān)測點(diǎn)棱鏡進(jìn)行自動觀測，同時采用徠卡溫度和氣壓傳感器自動、實時采集環(huán)境溫度和氣壓數(shù)據(jù)，通過光纖將監(jiān)測點(diǎn)的坐標(biāo)和溫度、氣壓數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心，該子系統(tǒng)主要由TM50、反射棱鏡、溫度和氣壓傳感器組成。

（2）數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng)。監(jiān)測子系統(tǒng)與數(shù)據(jù)中心之間采用光纖通信方式傳輸全站儀和溫度、壓力傳感器的數(shù)據(jù)至數(shù)據(jù)中心。

（3）數(shù)據(jù)中心子系統(tǒng)。主要由服務(wù)器和GeoMOS軟件組成，GeoMOS軟件能同時控制全站儀、溫度及氣壓傳感器等不同用途的設(shè)備，對TM50進(jìn)行遠(yuǎn)程配置，并控制其進(jìn)行外業(yè)自動觀測，接收監(jiān)測子系統(tǒng)的測量數(shù)據(jù)，依據(jù)溫度和氣壓傳感器測得的數(shù)據(jù)，自動對TM50的測量成果進(jìn)行氣象修正，并對最后的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行計算、分析，根據(jù)預(yù)設(shè)限差發(fā)布預(yù)警信息。

2?實施與測量

陸渾水庫大壩表面變形自動監(jiān)測系統(tǒng)于2018年9月開始實施，12月完成。

2.1?測站、基準(zhǔn)、測點(diǎn)改造

為實現(xiàn)變形監(jiān)測自動化，根據(jù)陸渾大壩變形監(jiān)測的實際需要以及外業(yè)觀測的客觀條件，在大壩左右兩岸的穩(wěn)定地帶設(shè)置了3個基準(zhǔn)點(diǎn)（J1～J3），基準(zhǔn)點(diǎn)的觀測墩采用鋼筋混凝土澆筑，基礎(chǔ)深挖至基巖，基準(zhǔn)點(diǎn)上永久安置強(qiáng)制對中的反射棱鏡，并用專門的不銹鋼保護(hù)罩對反射棱鏡加以保護(hù)。同時在上游壩坡、壩頂、下游壩坡分別設(shè)置4排共計28個監(jiān)測點(diǎn)（B1～B8、C1～C8、D1～D6、E1～E6），所有監(jiān)測點(diǎn)均采用混凝土基礎(chǔ)澆筑，為防塵防盜，在觀測墩上安裝永久強(qiáng)制對中的反射棱鏡及不銹鋼保護(hù)罩。

TM50測量機(jī)器人（測站點(diǎn)Z）安置在大壩右岸，為保護(hù)儀器設(shè)備，建造專門的觀測房，觀測房內(nèi)澆筑混凝土觀測墩，觀測墩上安置強(qiáng)制對中底盤，TM50長期固定在對中底盤上，觀測房面向大壩一側(cè)留有大開口的觀測窗，觀測窗口視野開闊，3個基準(zhǔn)點(diǎn)和28個監(jiān)測點(diǎn)均可通視，觀測窗安裝有電動卷簾，可以根據(jù)測量任務(wù)遠(yuǎn)程控制起閉。此外，為了進(jìn)行距離測量的溫度和氣壓修正，在觀測房的一側(cè)房檐下安置傳感器，溫度和氣壓數(shù)據(jù)連同坐標(biāo)測量值可以同步傳輸至中心機(jī)房，并通過GeoMOS軟件對測距數(shù)據(jù)進(jìn)行氣象修正。觀測房及測量機(jī)器人見圖4。

2.2?基準(zhǔn)點(diǎn)測量

基準(zhǔn)點(diǎn)是進(jìn)行變形監(jiān)測的起算點(diǎn)，需要布設(shè)為控制網(wǎng)，如圖5所示，采用自由設(shè)站法，將測站點(diǎn)Z設(shè)為坐標(biāo)原點(diǎn)，以順河方向為X軸，大壩軸線方向為Y軸，建立一套獨(dú)立坐標(biāo)系統(tǒng)，Z點(diǎn)的平面坐標(biāo)設(shè)為（X=0，Y=0）。將TM50機(jī)器人架設(shè)在Z點(diǎn)觀測墩，運(yùn)用ATR對于J1～J3分別進(jìn)行4個測回的自動照準(zhǔn)測量，經(jīng)過平差后獲取J1～J3的基準(zhǔn)坐標(biāo)值?？紤]到基準(zhǔn)點(diǎn)的長期使用和變化，為了保證監(jiān)測系統(tǒng)的精度，今后每年對這3個基準(zhǔn)點(diǎn)至少復(fù)測一次。

J1～J3的基準(zhǔn)坐標(biāo)值的準(zhǔn)確性非常重要，因為考慮到測站點(diǎn)Z位于大壩右岸山體上，它的穩(wěn)定性能否充分滿足變形監(jiān)測的要求，要在每次開始測量之前，利用J1～J3這3個基準(zhǔn)點(diǎn)作為已知后視點(diǎn)進(jìn)行一次后方交會測量，從而精確計算出測站點(diǎn)Z的坐標(biāo)值。后方交會理論上有2個后視點(diǎn)即可完成坐標(biāo)計算，但為了進(jìn)一步提高坐標(biāo)解析計算的精度，陸渾水庫實際采用了3個后視點(diǎn)，保證至少有1個冗余觀測值，而且在基準(zhǔn)點(diǎn)的位置選址之初，需要根據(jù)水庫大壩實際，保證這3個后視點(diǎn)與測站點(diǎn)之間形成的角度比較合適，基本將它們兩兩之間的夾角控制在30°～150°之間，這就提高了通過后方交會方式解析計算出測站點(diǎn)Z最終坐標(biāo)的準(zhǔn)確性。

2.3?變形測量

大壩表面變形正式測量前，首先需要對28個監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行一輪學(xué)習(xí)測量，以確定它們的起始坐標(biāo)值，今后每個測量周期內(nèi)測量的各個測點(diǎn)坐標(biāo)都將與這個起始坐標(biāo)值進(jìn)行比對。對變形測點(diǎn)的測量，運(yùn)用TM50測量機(jī)器人的ATR功能，采用正倒鏡的方法測量這28個測點(diǎn)的起始坐標(biāo)值（X0，Y0），該坐標(biāo)為極坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的大地坐標(biāo)，然后根據(jù)壩軸線的方向及測點(diǎn)布置位置，在GeoMOS軟件測點(diǎn)設(shè)定模塊中進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換[6]。在第一個測量周期，再次使用同樣的方法測得這28個監(jiān)測點(diǎn)的坐標(biāo)值（X1，Y1），在第二個測量周期，測得這28個監(jiān)測點(diǎn)的坐標(biāo)值（X2，Y2），每一個測量周期的坐標(biāo)值（Xn，Yn）都將會自動與起始值（X0，Y0）和臨近值（Xn-1，Yn-1）進(jìn)行比較，快速獲取這個測點(diǎn)的當(dāng)前位移變化值和累計位移變化值，隨著觀測數(shù)據(jù)量的增加，可以看出每個測點(diǎn)的位移變化趨勢。以上周期性測量，都是在中心機(jī)房內(nèi)通過GeoMOS軟件提前設(shè)定好測量程序，然后遠(yuǎn)程開啟觀測房的電動卷簾，同時激活TM50測量機(jī)器人，剩下的觀測工作全部交由機(jī)器人按照設(shè)定程序自動完成，實現(xiàn)自動觀測，降低了觀測人員的工作強(qiáng)度，提高了觀測精度和實時性。

3?數(shù)據(jù)處理與成果分析

3.1?數(shù)據(jù)處理及測站穩(wěn)定性分析

（1）數(shù)據(jù)處理。采用GeoMOS軟件中多測回測量處理模塊以及相應(yīng)平差軟件對28個監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)計算，計算成果直接寫入數(shù)據(jù)庫。

（2）測站點(diǎn)位置穩(wěn)定性分析。自由設(shè)站后測出基準(zhǔn)點(diǎn)J1的坐標(biāo)，然后以J1為定向點(diǎn)，觀測基準(zhǔn)點(diǎn)J2各期觀測坐標(biāo)并與首次觀測值比較，上下游水平位移ΔX絕對最大值為0.8 mm，左右岸水平位移ΔY絕對最大值為0.6 mm，垂直位移ΔS最大值為1.0 mm。由此可知，J1、J2兩個基準(zhǔn)點(diǎn)位置穩(wěn)定，自由設(shè)站精度較高，能滿足大壩表面變形監(jiān)測精度要求。

3.2?觀測成果分析

隨著測量周期的逐漸延長，測點(diǎn)的測量數(shù)據(jù)越來越多，現(xiàn)以2019年4月—2019年10月為例，以B1～B8這一排監(jiān)測點(diǎn)為具體對象，GeoMOS軟件采集數(shù)據(jù)經(jīng)過整編后給出的測點(diǎn)順河向變形情況如圖6所示?？梢钥闯?，位于壩頂位置的測點(diǎn)B1位移較大，尤其是X軸（上下游水平位移）方向的位移更加明顯。隨著測點(diǎn)遠(yuǎn)離壩頂，其位移逐步減小，全部監(jiān)測點(diǎn)的位移變化值都保持在0.5 mm左右，與前期人工觀測結(jié)果相符，符合土石壩變形的一般規(guī)律，比較準(zhǔn)確地反映了陸渾水庫大壩的實際變形情況。由于垂直位移觀測精度大于1.0 mm，不滿足土石壩安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范要求，因此陸渾水庫大壩沉降測量采用電子水準(zhǔn)儀徠卡DNA03來完成，測量成果直接導(dǎo)入大壩安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)，實現(xiàn)自動分析與預(yù)警[13]。

4?結(jié)?論

結(jié)合河南省陸渾水庫大壩實際，開展了土石壩表面變形自動監(jiān)測系統(tǒng)方案設(shè)計、系統(tǒng)實施及觀測資料可靠性分析，發(fā)現(xiàn)臨近壩頂?shù)臏y點(diǎn)B1位移較大，隨著測點(diǎn)遠(yuǎn)離壩頂，其位移逐步減小，全部監(jiān)測點(diǎn)的水平位移都保持在0.5 mm左右，與前期人工觀測結(jié)果相符，符合土石壩變形的一般規(guī)律，比較準(zhǔn)確地反映了陸渾水庫大壩的實際變形情況。相比傳統(tǒng)的人工觀測方法，效率和精度都得到了顯著的提高，而且極大地降低了測量人員的內(nèi)、外業(yè)工作量。垂直位移由于觀測精度大于1.0 mm，不滿足規(guī)范要求，需要采用電子水準(zhǔn)儀徠卡DNA03進(jìn)行監(jiān)測，通過將測量成果導(dǎo)入大壩安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)，實現(xiàn)自動分析與預(yù)警。該系統(tǒng)能夠?qū)崟r掌握大壩各測點(diǎn)的表面變形情況，為大壩安全運(yùn)行提供技術(shù)保障，也可為同類型大壩的變形自動監(jiān)測提供借鑒。

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