溪源水庫大壩安全位移監測自動化改造淺析

何時建

(福建潤閩工程顧問有限公司，福州 350001)

1 工程概況

福建省溪源水庫大壩位于溪源溪上游，水庫為下游福州地區大學新校區及福州高新區等 60多萬人提供防洪防澇的安全保護，水庫主要功能是防汛為主，兼后期的供水，地位和作用十分重要。溪源水庫大壩為砌石雙曲拱壩，最大壩高68.8m，壩頂長度237.4m，庫容2428萬m3，主汛期防洪庫容1323萬m3，正常水位97.0m，屬年調節、中型、山谷型水庫。水庫設計供水規模為7萬t/d。目前的大壩安全狀態良好，但也存在大壩左岸繞壩滲流明顯、地處多雷暴區面臨雷擊風險危害大等問題，現有人工觀測的壩體表面位移、自動觀測的繞壩滲流監測、壩肩滲漏量監測等，基本滿足大壩安全監測需要。

針對溪源水庫安全運行工作實際需要，溪源水庫大壩安全智能監測項目對大壩安全位移監測項目進行增補，對大壩安全的核心觀測項目位移監測，采用測量機器人 與GNSS 結合的自動化監測方式，達到自動采集和實時處理，并進行分析和實時預警。

2 原有大壩位移監測概況

大壩長度237m，壩頂目前已布設水庫位移監測點和沉降位移監測點各4個。原大壩壩體位移監測任務由管理處委托專業測繪單位，采用全站儀人工觀測，每個月觀測1次，觀測時間挑選天氣較好的時段。而對于臺風、洪水、夜間等不良工況和不利天氣條件，往往無法得到及時的壩體表面位移監測數據，影響對大壩安全狀態的及時掌握。因此對壩體表面位移監測項目進行自動化改造十分必要。

綜合原觀測資料分析，壩體水平位移向左右岸變化的幅度較小，但受水位、溫度影響，向下游最大位移32.5mm，向上游最大位移變化4.6mm，呈現季節性的規律性，壩體垂直位移受溫度的影響較明顯，呈現夏季上浮，冬季下沉季節性的規律，變化幅度±7mm 以內(大壩下沉最大6.7mm，上浮最大4.7mm)。

3 大壩位移監測系統的自動化改造情況

大壩壩體位移的自動化改造方案采用 GNSS 和測量機器人兩種自動化監測方案。GNSS 具有全天候工作優勢，雖然其監測精度(水平位移監測精度2.5mm+0.5PPM)略顯不足(規范要求精度2.0mm)，但目前技術能夠很好識別相對位移， 對于溪源水庫大壩的最大32.5mm的位移量，GNSS 能夠監測到其變化趨勢，特別是GNSS能夠在惡劣天氣、在夜間下進行監測，監測頻次可以很高，對不利天氣情況下的大壩安全判別以及在極端情況下的下游預警與人員疏散有著不可代替的作用。測量機器人監測精度較高，可以彌補 GNSS 的監測精度的不足，但其監測易受天氣、晝夜影響。綜合兩種監測方法的優勢，采用 GNSS 和測量機器人兩種自動化監測方案，兩種方法互補不足，相互驗證，可以滿足壩體表面位移自動化監測需求，并為智能研判提供必要數據，為GNSS全天候觀測手段在日常監測中是否能夠替換測量機器人做些探索性的研究。

3.1 GNSS監測方案情況

GNSS作為當今最先進的定位手段之一，采用GNSS自動化監測方式對壩體表面位移進行實時自動化監測，其工作原理為：各GNSS監測點與參考點接收機實時接收GNSS信號，并通過數據通訊網絡實時發送到控制中心，控制中心服務器GNSS數據處理軟件實時差分解算出各監測點三維坐標，數據分析軟件獲取各監測點實時三維坐標，并與初始坐標進行對比而獲得該監測點變化量，同時分析軟件根據事先設定的預警值而進行報警。GNSS表面位移點均可以和當地的坐標系進行聯測，所有監測點的坐標均可以轉換為當地坐標。

1)監測布置：

GNSS設備共布置6套，GNSS基準站選擇在四周開闊，無信號干擾的基巖處，為控制精度和整個系統的穩定性，設計2個基準站，主基準站G1，布置在管理房附近的基巖上，副基準站G2，布置在大壩左岸下游路邊的基巖上，在大壩壩頂原有的溢洪道左右邊墩上的人工監測點附近布設2個GNSS監測點，監測點編號分別為G4、G5，用來監測沉降和位移變化，點位布設的原則是能跟人工進行校核，又能最大特征的監測變化。壩頂2個GNSS監測點G3、G6，分別布置在左右兩拱中部。

圖1 壩體位移設備布置圖

2)監測設備：

主要監測設備為高精度GNSS+扼流圈天線以及配套的解析軟件。

圖2 GNSS安裝示意圖

3)通訊方式：

采用無線(4G)和光纖通信的兩種互為備用的形式，將壩體表面位移監測數據傳輸至調度中心,從而實現系統遠程實時在線監測目的。采用4G無線通信在滿足大壩安全監測需求的情況下，GNSS系統的采樣頻率可以設定。

4)系統軟件：

該系統采用GNSS自動化監測方式對壩頂表面位移進行實時自動化監測，其工作原理為：各GNSS監測點與參考點接收機實時接收GNSS信號，并通過數據通訊網絡實時發送到控制中心，控制中心服務器GNSS數據處理軟件實時差分解算出各監測點三維坐標，數據分析軟件獲取各監測點實時三維坐標，并與初始坐標進行對比而獲得該監測點變化量，同時分析軟件根據事先設定的預警值而進行報警并把實時三維坐標推送到系統總平臺。

3.2 測量機器人監測方案情況

1)設備：

設備選用測量機器人，自動全站儀系統，由監測機器人全站儀、精密棱鏡組、溫度氣壓傳感器、通訊設備等組成。而軟件主要由專業監測軟件組成，上述硬件和軟件再配上現場安裝的監測棱鏡，構成了一套外業和內業結合、測量與通訊配套的自動化實時監測體系。

圖3 測量機器人

2)測量機器人全站儀的工作原理：

測量機器人全站儀的工作原理，見圖4。

圖4 測量機器人全站儀的工作原理圖

3)監測布置：

測量機器人TR1布置在原右岸測量工作基點，加蓋右岸觀測房1座。左岸控制點TR2利用原左岸測量工作基點。壩頂布置7個觀測墩TR3-TR9(其中4個利用原人工觀測墩，新增3個觀測墩)；壩后人行橋上游側新增3個觀測墩TR10-TR12 ，具體布置情況詳見圖1 。

4)通訊設備：

結合大壩的現場條件和監測需求，選擇采用光纖的有線通訊方式，最大程度地保障了數據的安全性和可靠性。

5)軟件：

測量機器人采用專業的監測軟件，支持數據分析和處理，主要包含控制和分析兩個基本模塊，控制模塊可以遠程控制全站儀的測量動作，同時，對于監測機器人實時測量的點位數據，可以進行及時的傳輸和處理，并分析出監測點的坐標變化，據此得到這些監測點的位移趨勢，并且可以圖形化的展示。如果某個監測點的位移變化超過了事先設定的安全閥值，就會發出預警信息并推送實時測量的點位數據到系統總平臺。

4 大壩位移觀測自動化試運行情況

2021年8月， 經有相關資質單位對福建省溪源水庫大壩安全智能監測系統進行系統功能性和性能效率測試，經測試本系統符合GB/T 系統與軟件工程系統與軟件質量要求和評價的要求，開始投入試運行。大壩壩頂特征觀測點測量機器人測點TR6和GNSS測點G4位移數據和相對誤差值匯總見表1。

表1 大壩壩頂特征觀測點測量機器人測點TR6和GNSS測點G4位移數據和相對誤差值匯總表

續表1

特征觀測點測量機器人測點TR6和GNSS測點G4在壩頂同一位置，根據2021年9月至2022年3月近7個月在同一時間段的位移觀測數據和相對誤差值可以看出：測量機器人和GNSS的大壩位移觀測數據基本吻合，其趨勢、變幅、變化規律和周期接近，兩組數據最大誤差值：Ex=mm ； Ey =mm；EZ=mm，最小誤差值：Ex =mm；Ey= mm E= mm，誤差平均值 Ex=0.mm ；Ey=0.mm；E=0.mm，滿足溪源水庫大壩安全監測和自動化改造要求。

5 結 語

經改造后溪源水庫大壩位移監測系統，GNSS、測量機器人自動化兩個系統同時運行，相輔相成。運行期間各設備運行正常，智能監測系統相對穩定，GNSS、測量機器人自動化監測大大提升大壩安全管理自動化水平，系統取長補短、相互驗證，提高了監測數據的可靠性。溪源水庫大壩是省防洪重點中型水庫，做好溪源水庫大壩的智慧安全監測系統，既有保證福州地區大學新校區防洪安全的巨大現實效益，也有引領示范全省水庫大壩加強安全管理的社會效益和行業效益。