谷幅(弦線)變形自動監測系統的研制與應用

周 綠，邱山鳴，李守雷，肖亞子，周靖鴻

(1.水能資源利用關鍵技術湖南省重點實驗室，湖南長沙410014；2.中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司，湖南長沙410014)

1 谷幅(弦線)監測的工程意義

隨著我國水電建設的高速發展，很多大型水電工程建設在地質條件較差的高山峽谷之間。為了快速監測兩岸山體的變形以及山體變形對高拱壩工作性態和長期安全的影響，我國水電建設者提出了一種谷幅監測方法，即在兩岸山體成對設置監測點，并在兩岸平洞作為延長線、對兩監測點距離進行測量、監測兩監測點之間的相對變形[1]，據此成果分析兩岸山體的變形情況并對兩岸邊坡穩定進行分析，從而指導施工、評價工程穩定性。

與此同時，高山峽谷之間通常是拱壩壩型，拱壩壩后弦線同時是大壩變形監測的重要手段，也是工程技術人員關注的重要指標，由于弦線和谷幅采用的技術手段是一樣的，歸類為同一種監測方法。

谷幅(弦線)監測方法原理簡單、成果直觀、實施簡便，并可以通過監測其中一監測點絕對變形再利用谷幅成果推算對岸山體監測點的絕對變形，為評價兩岸山體的穩定性提供監測成果。

我國龍羊峽、李家峽、拉西瓦、二灘、小灣、錦屏[2]、溪洛渡[3- 4]、白鶴灘[5]、烏東德等大型水電工程均布置谷幅和弦線，共同的特點是高山峽谷和拱壩，從公開文獻看，錦屏一級水電站的谷幅和溪洛渡水電站的弦線都有很高的關注度，說明谷幅(弦線)監測對于這類工程意義相當重要。

2 谷幅(弦線)監測技術簡述

谷幅(弦線)監測原理簡單，從測量學原理上講就是距離測量，自提出之初至今基本都是采用全站儀進行距離測量，即采用符合規范要求精度的全站儀進行對向距離測量，并在測量過程中采集測站點和鏡站點的氣象元素。氣象元素包括干溫、濕溫和氣壓，數據處理時按規范要求進行各種改正和歸化，得出兩監測點間的水平距離。改正和歸化包括儀器誤差改正、地球曲率改正、高差改平、各種氣象元素改正等。周期監測水平距離與首期水平距離之差即為周期監測谷幅(弦線)的變形值。

谷幅(弦線)監測是快速、準確取得邊坡及拱壩變形監測成果的重要手段，而現有技術條件下是采用人工觀測，實施存在著以下問題：

(1)儀器設備投入大。一臺滿足規范的全站儀及配套設備需要投入數十萬元。

(2)監測和數據處理工作量大。要定期定時根據規范要求進行對向觀測，并要進行復雜的數據處理，需要耗費大量的人力和物力。

(3)安全影響因素多。山體邊坡不穩定，且無安全的交通條件，對人員和儀器安全有巨大的隱患。

(4)低水平管理。人工谷幅(弦線)測量存在大量的管理工作，且監測成果不能實時取得。

目前已有個別工程采用基于測量機器人的谷幅(弦線)自動監測系統，測量精度和自動化程度不存在問題，但整體造價太高，浪費機器人大部分功能，是性價比極低的技術，很難廣泛應用。

3 谷幅(弦線)自動監測系統

3.1 系統原理

谷幅(弦線)自動監測系統采用激光測距傳感器、氣象傳感器通過采集模塊進行各物理量采集并通過通訊技術(無線或有線)將數據傳輸到后臺，系統軟件進行數據處理并發布谷幅(弦線)監測成果，整個工作過程無需人工干預，全過程自動化，實時監測實時發布，如圖1所示。

圖1 谷幅自動監測系統原理

3.2 傳感器選型

針對谷幅(弦線)自動監測系統所采用的傳感器包括激光測距傳感器和溫濕壓(溫度、濕度和大氣壓力)傳感器，與傳統測量方法不同的是人工測量采用的是干濕溫度計和空盒氣壓計，是通過干溫和濕溫計算環境溫度和濕度，而自動監測系統是采用溫濕壓一體式傳感器。其氣壓、溫度滿足GB/T 16818—2008《中、短程光電測距規范》的Ⅰ等測距精度要求。

3.3 系統組成

谷幅(弦線)自動監測系統是電源系統、監測儀器、采集設備、通訊設備以及系統軟件組成的集成系統。電源系統采用有線電源，為采集設備和通訊設備提供電源。監測儀器設備包括測距傳感器、反射設備、氣象傳感器等，反射設備采用常規測量棱鏡，由于需要長期置于野外，除保證棱鏡的品質之外，還采用保護罩進行保護；采集設備包括測距傳感器、反射設備、氣象傳感器等各類傳感器，進行監測物理量數據采集并轉換成數字信號。

3.4 軟件系統

系統軟件安裝在后臺中心(或監測管理中心)，系統軟件具有對采集的控制、數據處理(含精密改正模型)、存儲、分析、發布、預警預報和輸出等功能，同時也具有對整個監測系統進行設置的功能。谷幅(弦線)自動監測系統距離歷時曲線示意見圖2。

含鈦高爐渣100 g，液固比5，浸出溫度140℃，鹽酸濃度18%，攪拌轉速400 r/min的條件下，考察了不同反應時間2 h、4 h、6 h、8 h對CaO、MgO、Fe、Al2O3脫除率及TiO2損失率的影響，結果見圖4。

圖2 谷幅(弦線)自動監測系統距離歷時曲線示意

3.5 精密改正模型

對于電磁波測距工作來說，電磁波測距精度除受到儀器安置、目標設置、測量時間、地球曲率、波束發散等因素影響外，氣象條件是又一項更為嚴重影響測距測程、精度和儀器使用的外在因素，因此，往往需要考慮如何有效地進行測邊氣象改正的問題[6]。

全站儀測距的氣象改正是采用測量測站兩端點(全站儀和棱鏡位置)的干溫、濕溫和大氣氣壓和濕度測量成果，并假定以上參數是線性變化的，即平均值表示全測線的氣象條件，在峽谷地區左右岸氣象差異大、對流強的特殊條件下，傳統的改正方法存在氣象影響因子考慮不全面、氣象觀測值代表性不高、大氣折射系數計算方法不嚴密等問題。

根據前期研究發現，水電站等復雜微氣象條件下，傳統氣象修正模型中要求的平穩氣象條件在全天候24 h觀測時難以時時滿足，致使傳統模型修正結束后殘差(即觀測值與該天距離觀測中位數之差)存在明顯的非線性趨勢。考慮到該非線性變化趨勢存在差異性，為了提高模型的適應度，新模型利用非參數時間序列建模方法擬合并去除該殘差趨勢。并對去除參數趨勢后的數據進行自適應Kalman濾波，進而減小觀測噪聲對谷幅(弦線)變形監測結果的影響。最后，基于每天的谷幅(弦線)觀測值，利用加權最小二乘方法求解天均谷幅(弦線)變形值，并進行精度評定。

4 谷幅(弦線)自動監測系統的優勢

研制基于激光測距傳感器的谷幅(弦線)自動監測系統的優勢在于：

(1)觀測精度高。無儀器安置和人工觀測誤差，同時全時段觀測并采用精密氣象改正模型，有效消除大氣因素影響，監測精度會顯著提高。

(2)提高工作效率。全自動觀測和數據處理，除日常巡查外，不再需要人力物力，提高了人工、儀器設備效率。

(3)提升管理水平。集中到現有數據管理系統進行統一管理，達到實時采集、處理、發布的目的，具有更加完整的全過程資料成果。

(4)保障人員和儀器設備安全。邊坡不安全因素多，實現自動化，能有效保證人員與儀器設備安全。

5 應用案例

5.1 工程概況

由于錦屏壩址區兩岸邊坡高、陡且地質條件復雜，為了解兩岸高邊坡相對變形情況，及時掌握邊坡的穩定性及兩岸坡體變形收斂情況，設計在壩址區布設12條谷幅觀測線及84條洞內測距，觀測河谷及兩岸坡體變形情況[8]。

5.2 選線及設備選型

5.2.1 選線

谷幅測線的選擇需充分考慮工程代表性、設備安裝及維護的便利性、通訊、供電及光照等因素。通過現場勘查分析，最終選擇大壩壩后左岸1 778 m高程馬道的PD16平洞、右岸1 785 m高程馬道分別修建兩個固定觀測墩進行觀測，為驗證谷幅變形自動監測系統的可靠性，并在PD16平洞內在激光測距儀旁修建一個人工觀測墩進行同步對比觀測。谷幅監測自動化系統測距端布置見圖3。

圖3 谷幅監測自動化系統測距端布置

5.2.2 設備選型

設備的選型首先應考慮各種各類傳感器主要技術指標應滿足相關規程規范的要求，其次應滿足設備的供電及信號傳輸的技術指標要求。本次現場安裝設備型號及參數信息見表1。

表1 現場安裝設備型號及參數

5.3 應用效果

(1)原始數據采集情況。距離及氣象數據的采集頻次可通過后臺或采集模塊進行調整設置，現場安裝調試完成后，左右岸觀測站的采集頻次為1次/h，運行穩定后，改為6次/h。

(2)精密改正模型修正。考慮到該非線性變化趨勢存在差異性，為了提高模型的適應度，新模型利用非參數時間序列建模方法擬合并去除該殘差趨勢。并對去除參數趨勢后的數據進行自適應Kalman濾波，進而減小觀測噪聲對谷幅(弦線)變形監測結果的影響。最后，基于每天的谷幅(弦線)觀測值，利用加權最小二乘方法求解天均谷幅(弦線)變形值，并進行精度評定。

(3)與人工對比。為驗證谷幅變形自動監測系統的可靠性，在激光測距儀旁修建一個人工觀測墩進行同步對比觀測，人工觀測的頻次為2次/月，如圖3所示。與谷幅自動化監測同步的人工觀測頻次為2次/月，現場觀測儀器采用TM50全站儀，精度指標為測角精度0.5″，測距精度0.6 mm+1 mm/km；對于受氣像影響較大的所有跨江測段的觀測每期都選在上午進行。觀測實施過程中往返觀測兩點之間的天頂距、斜距，觀測始末讀取測點與鏡站的溫度、氣壓。邊長觀測按一等邊長觀測技術要求實施。谷幅自動化監測系統通過精密氣象改正模型改正后測距精度達±1 mm(見圖4)，相對于平差前的1.4 mm，精度提高了28.7%，基本可達到人工觀測的精度，能夠滿足谷幅觀測的精度要求。

圖4 谷幅(弦線)自動監測系統精密改正模型改正效果

6 結論與展望

6.1 結論

本文通過研制谷幅(弦線)自動監測系統，并在大型水電站工程進行運用，研究成果表明，谷幅(弦線)自動監測系統經濟可靠、其觀測精度基本可達到人工觀測的精度。全自動觀測和數據處理提高了人工、儀器設備效率，能有效保證人員與儀器設備安全，提升了工程的安全監測的管理水平，并驗證了谷幅自動化監測系統的可行性、經濟效益性。精密氣象改正模型不僅適用于谷幅(弦線)的監測數據改正，同時也適合于外觀自動化系統的距離改正，具有非常廣泛的市場推廣應用價值，對整個外觀監測自動化具有積極的推動作用。

6.2 展望

谷幅(弦線)自動監測系統是一個設計硬件、通訊、算法模型改正、采集軟件、管理軟件及成果應用的監測綜合系統，因此，在谷幅(弦線)自動監測系統整個研發過程中，監測系統的各個方面難免有些不足，有待于進一步的深入研究和完善，今后谷幅(弦線)自動監測系統主要研究和完善的方向如下：

(1)照準、反射設備及信號傳輸系統等硬件設備的升級改造。照準及微調系統不夠方便，與全站儀照準存在差距；反射裝置僅用固定棱鏡，后續考慮用反光板進行實驗，并評定其精度；數據傳輸系統適應性，適用4G/5G網絡、光纖、無線網橋、LoRa等。

(2)超大型水電工程的應用研究。谷幅(弦線)自動監測系統在超大型水電工程的應用研究，例如：白鶴灘水電站、烏東德水電站等。

(3)精密氣象改正模型精度的驗證。進行大型工程試驗，并與人工觀測精度進行對比；與其他監測手段(石墨桿、多點位移計等)的相互驗證研究等。

(4)精密氣象改正模型算法實現及應用。與現有數據采集軟件、監測信息管理軟件集成的問題；適應谷幅自動化系統產品化應用的需要，同時，為外觀監測自動化的應用研究提供支撐。