北斗變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在水電站的應(yīng)用探究

錢(qián) 偉，周 健

（江蘇省工程勘測(cè)研究院有限責(zé)任公司，江蘇 揚(yáng)州 225000）

北斗精密定位系統(tǒng)是我國(guó)自主研發(fā)的定位系統(tǒng)，在大地測(cè)量、地殼形變監(jiān)測(cè)、精密工程測(cè)量等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。北斗系統(tǒng)具有連續(xù)、實(shí)時(shí)、定位精度高、全天候運(yùn)行、自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)，在很大程度上實(shí)現(xiàn)了水電站變形的監(jiān)測(cè)[1]。該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠直觀地顯示水電站變形狀態(tài)，并提供預(yù)警指令，對(duì)預(yù)防水電站變形災(zāi)害監(jiān)測(cè)起到了重要作用。

1 北斗變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在水電站變形監(jiān)測(cè)中的工作原理

基于北斗定位北斗變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是測(cè)量水電站變形的專業(yè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)充分利用北斗衛(wèi)星定位技術(shù)和信息傳輸技術(shù)，與計(jì)算機(jī)處理軟件相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)水電站變形的準(zhǔn)確實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

北斗變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由四部分組成，即參考點(diǎn)、監(jiān)測(cè)點(diǎn)、數(shù)據(jù)處理中心、遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心和通信網(wǎng)絡(luò)。其中，參考點(diǎn)承擔(dān)為監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供參考的任務(wù)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要建立在相對(duì)穩(wěn)定的基礎(chǔ)上[2]。監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)設(shè)在變形發(fā)生的關(guān)鍵位置，參考點(diǎn)提供的參考與其收集的數(shù)據(jù)應(yīng)能夠反映水電站的變形情況。數(shù)據(jù)處理中心是連接各參考點(diǎn)和監(jiān)測(cè)點(diǎn)的信息處理設(shè)備，根據(jù)預(yù)設(shè)的算法處理獲得變形信息，從而獲得水電站變形的具體數(shù)據(jù)，并通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)傳輸至遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心。通信網(wǎng)絡(luò)是連接參考點(diǎn)、監(jiān)控點(diǎn)、數(shù)據(jù)處理中心和遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)傳輸設(shè)施，起到快速、準(zhǔn)確傳輸數(shù)據(jù)的作用。

北斗變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心部分是系統(tǒng)的軟件部分，大致可分為三個(gè)部分：數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)傳輸與存儲(chǔ)模塊和數(shù)據(jù)分析模塊，負(fù)責(zé)采集、整理和分析采集得到的數(shù)據(jù)。在自檢并存儲(chǔ)本地測(cè)試數(shù)據(jù)、配置參數(shù)并實(shí)現(xiàn)采樣控制后，將獲得數(shù)據(jù)傳輸?shù)教幚矸?wù)器。在處理服務(wù)器中，數(shù)據(jù)處理軟件將自動(dòng)計(jì)算接收到的數(shù)據(jù)，并根據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)結(jié)果對(duì)水電站變形情況進(jìn)行評(píng)估和預(yù)警。北斗變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是監(jiān)測(cè)水電站變形的有力手段，為水電站變形控制提供了充分的信息依據(jù)。圖1為北斗系統(tǒng)已發(fā)射的衛(wèi)星軌道詳情。

圖1 北斗系統(tǒng)已發(fā)射的衛(wèi)星軌道詳情

2 項(xiàng)目舉例

某水庫(kù)庫(kù)容4 000萬(wàn)m3，最大蓄水面積可達(dá)3 km2，水庫(kù)為粘土心墻土石壩，壩高40 m，壩頂高程約450 m，壩頂長(zhǎng)4 000 m，壩寬8 m，農(nóng)業(yè)灌溉區(qū)的蓄水量為20 m3/s。

由于對(duì)水電站變形監(jiān)測(cè)的精度要求越來(lái)越高，在利用北斗進(jìn)行監(jiān)測(cè)的同時(shí)，應(yīng)建立北斗監(jiān)測(cè)網(wǎng)，制定合理的水電站變形監(jiān)測(cè)方案，并在北斗觀測(cè)處理中采用適當(dāng)?shù)拇胧┖头椒ǎ詽M足水電站變形監(jiān)測(cè)的要求。為了了解水庫(kù)水電站的變形程度，確保汛期的安全，在水庫(kù)上游安裝帶有八個(gè)位移標(biāo)點(diǎn)的視線，同時(shí)在位移標(biāo)點(diǎn)下方設(shè)置了八個(gè)水準(zhǔn)點(diǎn)。

在壩頂和上下游壩坡上安裝30個(gè)工作基點(diǎn)、18條視準(zhǔn)線和180個(gè)地表位移標(biāo)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)主壩的變形程度。在初始設(shè)計(jì)方案中，有四個(gè)倒置裝置配合外部變形監(jiān)測(cè)控制網(wǎng)監(jiān)測(cè)工作基點(diǎn)的參考值。由于施工難度大，成本相對(duì)較高，很難滿足變形要求。經(jīng)過(guò)專家組討論，該計(jì)劃被取消。設(shè)計(jì)常規(guī)測(cè)量與北斗相結(jié)合的方案，定期監(jiān)測(cè)工作基點(diǎn)的參考值或利用北斗監(jiān)測(cè)地表標(biāo)點(diǎn)的水平位移和垂直沉降位移，并按規(guī)定實(shí)施觀測(cè)方法。

3 北斗變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 基準(zhǔn)網(wǎng)設(shè)計(jì)方案

設(shè)計(jì)基準(zhǔn)網(wǎng)的目的是提高變形監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)值的精度，以便引入精確地心坐標(biāo)，減少基準(zhǔn)點(diǎn)坐標(biāo)誤差的影響。借鑒我國(guó)一些大型水庫(kù)水電站的北斗變形監(jiān)測(cè)方案，設(shè)計(jì)變形監(jiān)測(cè)試驗(yàn)基準(zhǔn)的觀測(cè)方案和布設(shè)情況，最終確定水庫(kù)變形監(jiān)測(cè)試驗(yàn)基準(zhǔn)網(wǎng)。考慮到水庫(kù)水電站的優(yōu)缺點(diǎn)，建立二級(jí)水平位移監(jiān)測(cè)網(wǎng)，并在一級(jí)參考網(wǎng)上安裝特殊的三級(jí)北斗網(wǎng)，包括三個(gè)工作基點(diǎn)和五個(gè)參考點(diǎn)。

3.2 參考網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)

在儀器設(shè)備方面，采用了五個(gè)徠卡350北斗接收機(jī)和相應(yīng)北斗處理軟件。對(duì)水電站進(jìn)行監(jiān)測(cè)前，根據(jù)庫(kù)區(qū)的水平高度、經(jīng)緯度，編制衛(wèi)星幾何圖形強(qiáng)度預(yù)報(bào)表和衛(wèi)星能見(jiàn)度預(yù)報(bào)表，確定水電站的觀測(cè)周期。現(xiàn)有五個(gè)北斗接收機(jī)用于同時(shí)監(jiān)測(cè)五個(gè)站點(diǎn)的時(shí)間段，每個(gè)時(shí)間段的觀測(cè)時(shí)間應(yīng)在8 h以上。

在處理觀測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)，首先用軟件對(duì)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后確認(rèn)數(shù)據(jù)觀測(cè)記錄正常，保證沒(méi)有嚴(yán)重的周跳等異常，再進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析；然后進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算，為了降低基線計(jì)算誤差，提高初始數(shù)據(jù)的精度，獲得高精度的地心坐標(biāo)，需要相關(guān)跟蹤站的精確坐標(biāo)和該跟蹤站的觀測(cè)數(shù)據(jù)。以水庫(kù)參考網(wǎng)的一個(gè)點(diǎn)和跟蹤站的數(shù)據(jù)求解長(zhǎng)基線，保證得到該點(diǎn)的高精度地心坐標(biāo)，并將該點(diǎn)作為參考網(wǎng)內(nèi)所有事物基線計(jì)算的起點(diǎn)。

4 應(yīng)用前景

北斗變形監(jiān)測(cè)水電站是北斗定位系統(tǒng)的典型應(yīng)用，如果用北斗進(jìn)行水電站變形監(jiān)測(cè)，通常包括兩種方法：第一種監(jiān)測(cè)方法是北斗接收機(jī)，即定期在指定的監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行觀察，并對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析；第二種監(jiān)測(cè)方法是無(wú)人北斗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，即把系統(tǒng)安裝在監(jiān)測(cè)站，其實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和變形分析工作在軟件控制下自動(dòng)完成。第一種方法成本相對(duì)較低，但勞動(dòng)強(qiáng)度相對(duì)較大，自動(dòng)化程度相對(duì)較低，無(wú)法實(shí)時(shí)監(jiān)控；第二種方法不僅可以實(shí)時(shí)監(jiān)控，而且自動(dòng)化程度高。然而，北斗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)必須安裝在每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，這導(dǎo)致系統(tǒng)建設(shè)成本大幅增加。

除上述兩種方法外，我國(guó)還自主開(kāi)發(fā)了北斗多天線水電站變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，使北斗接收機(jī)與多個(gè)天線相連，不僅提高自動(dòng)化程度，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，而且降低成本，驗(yàn)證北斗多天線水電站變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有突出的優(yōu)勢(shì)。

5 結(jié)論

北斗定位技術(shù)是一種先進(jìn)的高科技手段，其可應(yīng)用于水電站變形監(jiān)測(cè)中。目前，世界上許多國(guó)家的水電站都非常重視這種監(jiān)測(cè)方法，并投入人力物力進(jìn)行研究。目前，我國(guó)北斗定位系統(tǒng)已經(jīng)開(kāi)始應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域，極大方便生活和工作。運(yùn)用北斗定位技術(shù)進(jìn)行水電站變形監(jiān)測(cè)，不但提高了監(jiān)測(cè)精度，還降低了監(jiān)測(cè)成本，促進(jìn)了水電站變形監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展。