飲用水源水庫大壩外觀形變自動監測技術

褚凌超

摘要：外觀形變監測是水庫大壩安全監測系統的重要組成部分，是水庫日常管理工作中的一項重要內容。文章以高精度差分全球定位系統（GPS）位置測量為基礎，GPS多天線陣列接收技術為核心，設計了一種飲用水源水庫大壩外觀形變自動監測系統，并探討了該系統的設計、組成、工作原理等。實踐測試結果表明該系統滿足大壩外觀形變監測要求。

關鍵詞：飲用水源；水庫大壩；外觀形變；精密測量；差分GPS；自動監測

中圖分類號：TV698文獻標識碼：A文章編號：1009-2374（2014）21-0080-02

城市中一般都是以水庫蓄水的形式為城市居民提供飲用水，水庫蓄水能力的大小與城市發展息息相關，一般大型城市周圍都配備幾個大型水庫，以滿足人民生活基本需要。當雨量豐沛時正是水庫蓄水的最佳時機，同時也對水庫的安全防御能力提出了新的要求，尤其是實時監測水庫大壩外觀形變，當外觀形變達到警戒范圍時，必須開閘放水以減輕對水壩的壓力，從而保證安全。水壩外觀形變需要定期、定時進行監測，根據監測結果制定保養和維護措施，以提高水壩抗洪澇、地震、其他自然災害的能力，對保護人民生命、財產等起到至關重要作用。

1外觀形變監測技術

精密工程測量和變形監測，是以毫米級乃至亞毫米級精度為目標的工程測量，水利大壩變形是正好適合此領域，通過對大壩上特定位置點位移隨時間的變化情況，而得到外觀形變。早期的監測儀器可以完成水平位移檢測、垂直位移監測、三維位移監測。水平和垂直位移監測時采用的儀器主要有側垂線坐標儀、引張線儀、遙測靜力水準儀、激光準直測量儀、自動化全站儀等。三維位移監測主要采用經緯儀、全站儀等行測量。上述測量儀器各有優缺點，對水壩變形監測手段有限，費事費力，而且效率不高，尤其對于某些特殊位置點，由于環境特點不適合架設檢測儀器，從而形成檢測盲區而帶來隱患。上述監測儀器的另一個顯著弊端是檢測數據不能實時處理，必須對數據進行事后分析，有可能錯失最佳保養、維護、處理時機。

GPS是一種新型的外觀形變監測儀器，實踐已經證明可以在各種精密工程測量和變形檢測中應用，借助其精密位置測量技術實現水庫大壩外觀三維形變監測是其應用的一個主要領域，與其他監測儀器比較，GPS具有精度高、速度快、全天候、實時性好、測量數據全面、便于聯網、不需要通視等諸多優點，是實現全自動化檢測的必備條件之一。應用GPS實現測量主要兩種模式：一是使用GPS進行定期、定點人工采集數據，這種模式雖然簡單，但是實時性不好；二是在每一個監測點上都安置一個GPS接收系統，此種方式具有實時性，最高可1秒鐘更新一次數據，但是這種模式成本較高，制約了監測點的個數，上述兩種模式都有具體應用實例。考慮數據處理實時性與監測點個數之間的關系，本文設計了一種單接收機，多GPS天線陣列的水壩外觀形變監測系統，以犧牲數據處理實時性為代價，增加監測點個數，從而降低系統成本。該系統兼顧上述兩種模式的優點，克服缺點，使用一個接收與5個GPS天線相組合分時處理數據，可以達到10分鐘的數據更新率，完全滿足水壩外觀形變監測要求。

2自動監測系統設計原理

設計的自動監測系統適合應用在壩長在200m以內，壩高在20m以內的中小型水壩外觀形變檢測。系統由數據采集、數據傳輸、數據處理、形變顯示四個主要部分構成。

GPS數據采集分為基準點和監測點兩個部分。為提高大壩監測的精度和可靠性，大壩監測基準點宜選兩個，并分別位于大壩兩岸，點位地質條件要好，點位要穩定且能滿足GPS觀測條件。基準點采用差分GPS技術，2臺GPS接收機安置在基準點上進行觀測，根據基準點已知精密坐標，計算出基準點到衛星的距離改正數，并由基準站實時地將這一改正數發送出去，監測點的接收機在進行GPS觀測的同時，也接收到基準點的改正數，并對其定位結果進行改正，從而提高定位精度，應用此種方式可使檢測點的定位精度達到毫米級別。檢測點能反映大壩變形，并能滿足GPS觀測條件。根據以上原則，本系統大壩外觀變形GPS監測系統基準點為2個，監測點5個（每隔50m設置一個GPS監測點）可以滿足觀測

要求。

數據傳輸：GPS數據傳輸采用有線方式（壩面監測點觀測數據）和無線（基準點觀測數據）相結合的方法。

GPS數據處理、分析和管理：整個系統由3臺GPS接收機組成，7個GPS天線組成，其中基準點位置必須當接收機與天線組合使用，監測點使用一機多天線技術，這里的核心技術是各個天線之間分時工作機理。在整個觀測時間內，需連續觀測，并實時將觀測資料傳輸至控制中心，進行處理、分析、存儲。系統反應時間小于10分鐘，即從每臺GPS接收傳輸數據開始，到處理、分析、變形顯示為止，所需總的時間小于10分鐘。

形變顯示：將處理后的數據實時以“組態”的形式顯示在監視屏幕上，監視人員可以直接從屏幕上判斷變形的狀態及變形大小，也可以通過網絡形式將監測結果及“組態”圖像傳輸至遠程控制室內，可真正實現遠程無人值守監視工作。為實現上述功能必須建立一個完善的軟件管理、監測系統。

對設計系統進行實際測試，整個系統全自動工作。測試結果表明，使用一個基準點進行變形監測，應用衛星廣播經歷1～2個小時GPS觀測資料解算的監測點位水平精度優于2cm，垂直精度優于2cm；6小時GPS觀測資料解算水平精度優于1.5mm，垂直精度優于1.5mm。利用兩個基準點，1～2個小時GPS觀測資料解算的監測點位水平精度優于1.5cm，垂直精度優于1.5cm；6小時GPS觀測資料解算水平精度優于1mm，垂直精度優于1mm。

3結論

從飲用水源水庫大壩外觀形變監測的角度出發，以高精度差分GPS位置點位測量為基礎，一機多天線陣列接收技術為核心，設計了一種外觀形變自動監測系統，該系統具有測量精度高、監測無盲區、省事省力、具有全天候工作能力、可實現無人值守等諸多優點。當外觀水庫大壩外觀形變達到警戒要求時，可以自動發出報警信號，以指示工作人員開閘放水。同時，此系統經過升級改造后也可自動控制閘門打開放水，從而實現真正的實時性，提高安全防護級別。實踐表明本系統6小時監測水平與垂直精度均優于1mm，達到了水壩外觀形變監測要求。

參考文獻

[1]徐紹銓，張華海，楊志強，等．GPS測量原理及應用[M]．武漢：武漢大學出版社，2002．

[2]劉基于，李征航，王躍虎，等．全球定位系統原理及其應用[M]．北京：測繪出版社，1993．

[3]馬洪濱，賀黎明，何群．基于GPS的超長水壩垂向變形監測方法[J]．沈陽建筑大學學報，2009，25（1）．

[4]倪志華，王慶勇．GPS技術在某水庫大壩形變監測中的應用[J]．新疆水利，2011，（5）．

作者簡介：禇凌超（1977-），男，吉林柳河人，吉林省柳河縣自來水公司工程師，研究方向：自動供水、水質監測。

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