（山西省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司 山西太原030024）

1 監(jiān)測(cè)對(duì)象及必要性

橫泉水庫(kù)是山西省基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的一項(xiàng)重點(diǎn)工程，是一座以城市生活和工業(yè)供水、農(nóng)業(yè)灌溉為主，兼顧防洪、發(fā)電等綜合利用的中型水庫(kù)。大壩為碾壓式均質(zhì)土壩。最大壩高36.70 m，壩頂寬6 m，壩頂長(zhǎng)962 m。

橫泉水庫(kù)飲用水水源環(huán)境信息系統(tǒng)工程是借助計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)手段，實(shí)現(xiàn)水量科學(xué)調(diào)配，達(dá)到水資源優(yōu)化調(diào)度的目的。該系統(tǒng)工程主要包括大壩安全監(jiān)測(cè)、水質(zhì)監(jiān)測(cè)、閘門自動(dòng)監(jiān)控等內(nèi)容。

其中大壩安全監(jiān)測(cè)的建設(shè)尤為重要，為了實(shí)時(shí)了解大壩表面變形的情況，需建立大壩表面變形自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，這對(duì)于合理開(kāi)發(fā)利用橫泉水庫(kù)的水資源，監(jiān)測(cè)水庫(kù)工程運(yùn)行狀況，保護(hù)飲用水水源地是十分必要的。現(xiàn)就大壩表面位移變形自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)展開(kāi)敘述。

2 大壩表面位移變形自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)現(xiàn)狀

目前大壩表面位移變形觀測(cè)主要采用人工觀測(cè)，工作量繁重且可靠性低。大壩外觀變形監(jiān)測(cè)對(duì)觀測(cè)人員的要求較高，需要具備一定的專業(yè)知識(shí)，而目前水庫(kù)運(yùn)行人員中缺乏專業(yè)人員，觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量較低。這樣不論是巡檢的次數(shù)、覆蓋面，還是準(zhǔn)確性，都不能完全滿足工程運(yùn)行的嚴(yán)格要求。

2.2 建設(shè)內(nèi)容與要求

1）擬在調(diào)度中心對(duì)大壩內(nèi)外部安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并分析，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)同時(shí)同步至調(diào)度中心。

2）建立完善大壩外部自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

2.3 大壩表面位移變形監(jiān)測(cè)方法可行性分析比選

目前，適合土石壩表面形變的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)方法主要有GNSS 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、高精度智能全站儀自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，下面分析兩種系統(tǒng)對(duì)于橫泉水庫(kù)大壩自動(dòng)化監(jiān)測(cè)的可行性。

1）GNSS 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

該系統(tǒng)是基于GNSS 動(dòng)態(tài)測(cè)量技術(shù)建立而成的一種自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[1]，主要由基準(zhǔn)站、監(jiān)測(cè)站、通訊系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)管理處理分析軟件組成。由于GNSS 測(cè)量技術(shù)可進(jìn)行全天時(shí)、實(shí)時(shí)、連續(xù)的觀測(cè)，因而被廣泛用于橋梁、滑坡、邊坡、水利大壩等監(jiān)測(cè)中。

系統(tǒng)監(jiān)測(cè)時(shí)，在基準(zhǔn)站和監(jiān)測(cè)點(diǎn)上安裝GNSS 接收機(jī)和天線，在監(jiān)控中心安裝計(jì)算機(jī)，所有測(cè)站均可由220V 直接供電，也可由太陽(yáng)能供電，通訊系統(tǒng)可選擇電臺(tái)、無(wú)線、移動(dòng)通訊、通訊電纜等方式。監(jiān)測(cè)時(shí)，可在監(jiān)測(cè)軟件上設(shè)置觀測(cè)周期、觀測(cè)頻率、質(zhì)量控制參數(shù)等觀測(cè)設(shè)置，然后系統(tǒng)按照設(shè)置通過(guò)通訊電纜控制GNSS 接收機(jī)進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，最終所有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信息再由通訊電纜實(shí)時(shí)傳回計(jì)算機(jī)，由監(jiān)測(cè)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析后形成監(jiān)測(cè)成果存儲(chǔ)發(fā)布，監(jiān)測(cè)全過(guò)程可實(shí)現(xiàn)全天時(shí)全天候無(wú)人值守連續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。相對(duì)全站儀自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)而言，雖然該系統(tǒng)具有無(wú)需監(jiān)測(cè)網(wǎng)點(diǎn)之間通視的突出優(yōu)點(diǎn)，但是由于該系統(tǒng)的基礎(chǔ)平臺(tái)GNSS 技術(shù)對(duì)衛(wèi)星可見(jiàn)性和幾何位置有著較高要求，而水利大壩往往建于高山峽谷中，衛(wèi)星遮擋較為嚴(yán)重，同時(shí)由于所有監(jiān)測(cè)網(wǎng)點(diǎn)上都需安裝1 臺(tái)GNSS 設(shè)備，費(fèi)用高昂，這些對(duì)該技術(shù)的應(yīng)用都構(gòu)成了較為不利因素。

橫泉水庫(kù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)較多，若用GNSS 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，費(fèi)用是全站儀自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)倍。因此，GNSS 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)于橫泉水庫(kù)大壩監(jiān)測(cè)而言，適用性相對(duì)較低。

2）高精度智能全站儀自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

高精度智能全站儀是一種集自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別、自動(dòng)照準(zhǔn)、自動(dòng)測(cè)角與測(cè)距、自動(dòng)目標(biāo)跟蹤、自動(dòng)記錄于一體的測(cè)角精度不低于0.5’’、測(cè)距精度不低于1 mm+1 ppm 的全站儀，又稱測(cè)量機(jī)器人[2]。該類全站儀既可按照內(nèi)設(shè)程序自動(dòng)觀測(cè)，也可通過(guò)通訊電纜與計(jì)算機(jī)連接，由計(jì)算機(jī)軟件遠(yuǎn)程控制觀測(cè)，為遠(yuǎn)程自動(dòng)化監(jiān)測(cè)提供了必要的基礎(chǔ)平臺(tái)。從高精度智能全站儀出現(xiàn)開(kāi)始至今，已經(jīng)在橋梁、地鐵隧道、基坑、滑坡、邊坡、水利大壩等眾多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

高精度智能全站儀自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由高精度智能全站儀、通訊系統(tǒng)、棱鏡、氣象傳感器、供電系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)管理處理分析軟件組成，系統(tǒng)觀測(cè)以及數(shù)據(jù)處理分析以極坐標(biāo)法監(jiān)測(cè)為基本原理。應(yīng)用于大壩監(jiān)測(cè)時(shí)，將全站儀安裝在帶有觀測(cè)墩的觀測(cè)房?jī)?nèi)，觀測(cè)房附近安裝氣象傳感器，基準(zhǔn)點(diǎn)和監(jiān)測(cè)點(diǎn)上安裝棱鏡，在監(jiān)控中心安裝計(jì)算機(jī)，觀測(cè)房?jī)?nèi)全站儀可由220 V 直接供電，也可由太陽(yáng)能供電，通訊系統(tǒng)可選擇電臺(tái)、無(wú)線、移動(dòng)通訊、通訊電纜等方式。監(jiān)測(cè)時(shí)，可在監(jiān)測(cè)軟件上設(shè)置觀測(cè)周期、觀測(cè)頻率、質(zhì)量控制參數(shù)等觀測(cè)設(shè)置，然后系統(tǒng)按照設(shè)置通過(guò)通訊電纜控制全站儀進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，并同時(shí)通過(guò)氣象傳感器采集氣象參數(shù)，最終所有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信息再由通訊電纜實(shí)時(shí)傳回計(jì)算機(jī)，由監(jiān)測(cè)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析后形成監(jiān)測(cè)成果存儲(chǔ)，并可實(shí)現(xiàn)web 發(fā)布，監(jiān)測(cè)全過(guò)程可實(shí)現(xiàn)全天時(shí)無(wú)人值守連續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。該系統(tǒng)只需全站儀與基準(zhǔn)點(diǎn)及監(jiān)測(cè)點(diǎn)之間能夠通視即可，具有費(fèi)用低、高精度、高可靠性、實(shí)時(shí)、連續(xù)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在大壩變形監(jiān)測(cè)中取得了較好的效果。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成圖

對(duì)于橫泉水庫(kù)大壩，壩區(qū)視野開(kāi)闊，電力、通訊均較為方便，雖然壩體相對(duì)較長(zhǎng)，但是可通過(guò)合理布設(shè)測(cè)站，便可得到較好監(jiān)測(cè)效果，因而，該系統(tǒng)具有更好的適用性。

綜合上述兩種自動(dòng)化監(jiān)測(cè)方法的分析，結(jié)合橫泉水庫(kù)大壩監(jiān)測(cè)現(xiàn)狀和需求以及前述對(duì)現(xiàn)有自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在橫泉大壩監(jiān)測(cè)中的適用性分析，顯而易見(jiàn)，高精度智能全站儀自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)有著較強(qiáng)的適用性，是橫泉水庫(kù)大壩自動(dòng)化監(jiān)測(cè)的最佳選擇。

2.4 變形監(jiān)測(cè)內(nèi)容

建立基于8 個(gè)工作基點(diǎn)和1 臺(tái)全站儀為基準(zhǔn)的大壩監(jiān)測(cè)局部坐標(biāo)系，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，壩體長(zhǎng)960 m，如將全站儀安置在左岸或右岸，觀測(cè)距離較長(zhǎng)，最遠(yuǎn)的測(cè)點(diǎn)接近1 000 m，大多數(shù)測(cè)點(diǎn)的距離超過(guò)500 m，將嚴(yán)重影響實(shí)際的觀測(cè)效果，因此擬在0+505 斷面1 126.9 m 高程馬道處于建立全站儀觀測(cè)墩，該位置到各點(diǎn)的距離適中，較為適合。

在壩體表面原有基準(zhǔn)點(diǎn)和監(jiān)測(cè)點(diǎn)上安裝帶有精密基座的棱鏡，這樣監(jiān)測(cè)軟件可以通過(guò)光纖等手段遠(yuǎn)程控制全站儀（精密測(cè)量機(jī)器人）進(jìn)行連續(xù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)采集、分析、處理監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)并直接形成數(shù)據(jù)報(bào)表等功能，實(shí)現(xiàn)大壩變形位移監(jiān)測(cè)的無(wú)人值守、同時(shí)還可以遠(yuǎn)程控制的24 h 連續(xù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)（以大壩水平位移監(jiān)測(cè)為主，并兼顧壩體沉降監(jiān)測(cè)）。

主要包括：壩體變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)，壩左、右岸基準(zhǔn)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)房及觀測(cè)墩，測(cè)量機(jī)器人和供電及數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、遠(yuǎn)程控制中心（安裝自動(dòng)監(jiān)測(cè)軟件）。

2.5 變形監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)設(shè)置

橫泉水庫(kù)大壩表面位移變形觀測(cè)包括壩面沉降觀測(cè)和壩面水平觀測(cè)。外部變形觀測(cè)橫斷面共布置9個(gè)，斷面樁號(hào)分別為0+250、0+300、0+350 等。觀測(cè)縱斷面共設(shè)3 個(gè)，均位于壩軸線下游側(cè)。大壩兩岸每排測(cè)點(diǎn)的延長(zhǎng)線各布置一個(gè)起測(cè)基點(diǎn)，在下游3 km 范圍內(nèi)布設(shè)3 個(gè)水準(zhǔn)基點(diǎn)?？傆?jì)共設(shè)測(cè)點(diǎn)36 個(gè)，這些測(cè)點(diǎn)均可以作為水平位移和沉降位移觀測(cè)測(cè)點(diǎn)。豎向位移采用精密水準(zhǔn)法測(cè)量，橫向位移采用視準(zhǔn)線法測(cè)量，縱向水平位移采用鋼尺測(cè)量。

3 小結(jié)

結(jié)合水庫(kù)大壩現(xiàn)狀和需求，為了實(shí)時(shí)了解大壩表面位移變形情況，需建立大壩表面變形自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。通過(guò)電子測(cè)量技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信及軟件技術(shù)的集成化作業(yè)實(shí)現(xiàn)信息自動(dòng)化管理，更好地提高監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)性和可靠性，同時(shí)與人工巡視檢查互為補(bǔ)充，通過(guò)通信通道將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳和人工巡檢結(jié)果傳至工程監(jiān)測(cè)中心，進(jìn)行綜合分析并定期提交工程安檢報(bào)告，為工程安全運(yùn)行提供更好的決策和依據(jù)。