(1.云南龍江水利樞紐開發(fā)有限公司，云南 芒市 678400；2.南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210029)

在強(qiáng)降雨、地震、地質(zhì)條件等多種因素的共同作用下，邊坡的坡體會(huì)產(chǎn)生形變，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引發(fā)失穩(wěn)，產(chǎn)生滑動(dòng)?；略谒姽こ讨邪l(fā)生的頻率很高，嚴(yán)重的滑坡災(zāi)害會(huì)造成交通、航運(yùn)中斷，人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。直接威脅到大壩、廠房及河道下游的行洪安全，針對(duì)此種危害，二十世紀(jì)80年代以前主要采用經(jīng)緯儀、水準(zhǔn)儀、全站儀等測(cè)量?jī)x器對(duì)變形體上代表性的點(diǎn)進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)。隨著科技信息技術(shù)的發(fā)展，對(duì)變形監(jiān)測(cè)的精度和效率都提出更高的要求，能夠在以往變形監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，并具備預(yù)測(cè)預(yù)警功能，對(duì)于邊坡安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要的指導(dǎo)意義。通過對(duì)邊坡安全的預(yù)測(cè)預(yù)警，運(yùn)行管理人員可以及時(shí)采取應(yīng)對(duì)措施以減緩災(zāi)害的發(fā)生，減小損失。

1 變形監(jiān)測(cè)及預(yù)警系統(tǒng)現(xiàn)狀

變形監(jiān)測(cè)與預(yù)警是指依據(jù)監(jiān)測(cè)到的前兆信息以及滑坡運(yùn)行的災(zāi)害信息進(jìn)行預(yù)警。隨著信息化技術(shù)的發(fā)展，在高速公路、高速鐵路、煤礦等領(lǐng)域，變形監(jiān)測(cè)與預(yù)警已有所應(yīng)用，并實(shí)現(xiàn)了成功的預(yù)測(cè)預(yù)警，如劉心庭[1]等以土質(zhì)堆積體岸坡為研究對(duì)象，考慮庫(kù)水位變化引起的岸坡巖土體的流固耦合作用，提出了反映庫(kù)水位變化條件下的監(jiān)測(cè)預(yù)警方法。張振華[2]指出單一的靜態(tài)邊坡監(jiān)測(cè)預(yù)警指標(biāo)無(wú)法表達(dá)邊坡在施工過程中動(dòng)態(tài)的變形規(guī)律，提出動(dòng)態(tài)變形監(jiān)測(cè)預(yù)警指標(biāo)的研究思路，采用設(shè)計(jì)安全系數(shù)和破壞模式的邊坡開挖過程動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)預(yù)警指標(biāo)的研究思路用于邊坡的動(dòng)態(tài)變形監(jiān)測(cè)預(yù)警是可行和有效的。在監(jiān)測(cè)與預(yù)警模型的建立與完善方面，魏學(xué)勇[3]結(jié)合三峽庫(kù)區(qū)高邊坡監(jiān)測(cè)工程，建立了三級(jí)監(jiān)測(cè)網(wǎng)分層布置的方式。王堅(jiān)[4]在分析累積和檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量的前提下，構(gòu)建了短期預(yù)警模型，并研究了影響模型預(yù)警效果的因素。總體來(lái)看，對(duì)邊坡變形監(jiān)測(cè)與預(yù)警研究已取得了一些進(jìn)展，而目前主要的研究方向還是需要加強(qiáng)實(shí)時(shí)變形監(jiān)測(cè)和動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)預(yù)警方面研究，以實(shí)現(xiàn)及時(shí)有效地反饋施工及運(yùn)行管理情況，確保邊坡穩(wěn)定和生產(chǎn)安全。

攝影測(cè)量、GPS(全球定位系統(tǒng))也逐漸應(yīng)用到變形監(jiān)測(cè)中，GPS能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)變形監(jiān)測(cè)的功能，而近年來(lái)在GPS基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的GNSS(全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng))監(jiān)測(cè)技術(shù)因其技術(shù)先進(jìn)性和高精度等優(yōu)勢(shì)逐漸在水利水電工程邊坡變形監(jiān)測(cè)中得到應(yīng)用。本文以云南龍江水電站樞紐工程為例，介紹GNSS在大壩及邊坡變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)上的應(yīng)用，并在此基礎(chǔ)上開發(fā)預(yù)警系統(tǒng)軟件，為工程的安全運(yùn)行提供技術(shù)支撐。

2 GNSS變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成

2.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

GNSS變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是由GNSS監(jiān)測(cè)單元、供電單元、通信單元和監(jiān)控中心單元四個(gè)部分組成。監(jiān)測(cè)單元主要由GNSS主機(jī)、天線等構(gòu)成；供電單元由太陽(yáng)能供電單元或市電電源及配套電纜構(gòu)成；通信單元由成對(duì)的無(wú)線網(wǎng)橋構(gòu)成；監(jiān)控中心單元由服務(wù)器、T4D監(jiān)測(cè)軟件、監(jiān)控與預(yù)警軟件和網(wǎng)絡(luò)機(jī)房設(shè)備組成。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 GNSS變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2 系統(tǒng)組成

2.2.1 GNSS監(jiān)測(cè)單元

GNSS監(jiān)測(cè)單元是GNSS變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心部分，其安裝于各變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)和觀測(cè)基點(diǎn)，由觀測(cè)墩和GNSS接收機(jī)(NetR9)組成。 GNSS接收機(jī)(NetR9)由主機(jī)、天線、天線饋線、電源適配器等組成。

GNSS接收機(jī)(NetR9)在支持GPS通道的基礎(chǔ)上，還支持GLONASS、Galileo、北斗衛(wèi)星，并且還具備擴(kuò)展功能，主機(jī)具有440個(gè)通道，衛(wèi)星跟蹤能力極強(qiáng)。內(nèi)置7800mAH鋰電池，可供長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作使用，在外部電源斷電情況下的可作為緊急備用電源，以確保數(shù)據(jù)安全不丟失。接收機(jī)具有藍(lán)牙、串口、Mini USB、RJ45網(wǎng)口等多種接口，方便數(shù)據(jù)傳輸。

2.2.2 通信單元

通信單元是實(shí)現(xiàn)GNSS監(jiān)測(cè)單元與監(jiān)控中心單元的雙向數(shù)據(jù)傳輸，即觀測(cè)數(shù)據(jù)的上傳和監(jiān)控中心服務(wù)器指令的下發(fā)。

通信方式采用無(wú)線方式，5.8G無(wú)線網(wǎng)橋搭建項(xiàng)目地局部無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，在2～3km范圍內(nèi)帶寬可達(dá)5Mbps以上。在通視無(wú)遮擋的情況下，無(wú)線網(wǎng)橋的通信穩(wěn)定可靠，成熟技術(shù)，是系統(tǒng)較為理想的通信手段。

2.2.3 監(jiān)控中心單元

監(jiān)控中心單元由主服務(wù)器、T4D軟件和網(wǎng)絡(luò)機(jī)房設(shè)備(交換機(jī)、路由器、UPS、防雷接地裝置等)組成。

無(wú)線網(wǎng)橋安裝在監(jiān)控中心房頂或側(cè)墻，保持與野外通信設(shè)備的通視，中心網(wǎng)橋通信設(shè)備通過網(wǎng)線與監(jiān)控中心交換機(jī)連接。

3 精度校驗(yàn)

為檢驗(yàn)GNSS接收機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)，開展精度校驗(yàn)工作。其校驗(yàn)的主要指標(biāo)要求如下：在實(shí)時(shí)觀測(cè)12h后，系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)持續(xù)穩(wěn)定地監(jiān)測(cè)水平1mm、垂直2mm的位移變化量。

3.1 校驗(yàn)儀器

用于校驗(yàn)的主要設(shè)備有GNSS接收機(jī)2臺(tái)，移動(dòng)基座平臺(tái)1個(gè)。GNSS接收機(jī)采用本項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)安裝的設(shè)備，在安裝前進(jìn)行檢驗(yàn)。移動(dòng)基座平臺(tái)是安裝有千分尺的可控制水平和垂直位移的設(shè)備，該移動(dòng)基座的位移精度可達(dá)0.01mm，能夠滿足對(duì)GNSS接收機(jī)精度的校驗(yàn)要求。

3.2 校驗(yàn)方法和要求

為較好地接收衛(wèi)星信號(hào)，選擇四周較為開闊場(chǎng)地制作2個(gè)40cm×40cm混凝土觀測(cè)墩。并在觀測(cè)墩中預(yù)埋強(qiáng)制對(duì)中基座，以便于安裝和校驗(yàn)GNSS接收機(jī)，其中1個(gè)觀測(cè)墩作為固定點(diǎn)，另一個(gè)觀測(cè)墩放置安裝有千分尺的移動(dòng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)可量測(cè)的水平和垂直位移，如圖2所示。

圖2 校驗(yàn)方法示意

觀測(cè)墩制作完畢后，將2臺(tái)GNSS接收機(jī)分別安置于固定點(diǎn)和移動(dòng)點(diǎn)觀測(cè)墩(其中A點(diǎn)安裝于固定點(diǎn)觀測(cè)墩，B點(diǎn)安裝于移動(dòng)點(diǎn)觀測(cè)墩，后移動(dòng)至C點(diǎn))，設(shè)備安裝完成后將接收機(jī)開機(jī)6～12h進(jìn)行初始數(shù)據(jù)定位，以實(shí)現(xiàn)初始坐標(biāo)的穩(wěn)定。待獲得初始數(shù)據(jù)后，移動(dòng)B測(cè)點(diǎn)至C測(cè)點(diǎn)(分三次進(jìn)行，首先沿AB方向水平移動(dòng)10mm，然后垂直AB方向水平移動(dòng)10mm，最后向豎直方向移動(dòng)10mm)，通過移動(dòng)平臺(tái)可準(zhǔn)確量出水平和垂直方向移動(dòng)的距離，并通過計(jì)算獲得水平方向位移和垂直方向的位移。再經(jīng)過觀測(cè)獲得C點(diǎn)坐標(biāo)，至此可以通過測(cè)量獲取A、B、C三點(diǎn)坐標(biāo)，然后計(jì)算得出BC間距離，與實(shí)測(cè)值水平方向位移值相比較以校驗(yàn)觀測(cè)準(zhǔn)確性。

3.3 校驗(yàn)結(jié)果

通過現(xiàn)場(chǎng)精度指標(biāo)校驗(yàn)測(cè)試，從圖3校驗(yàn)精度趨勢(shì)圖中可以看出，GNSS監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在12h或更長(zhǎng)時(shí)間的數(shù)據(jù)處理，可以實(shí)時(shí)持續(xù)穩(wěn)定地監(jiān)測(cè)水平1mm，垂直2mm的位移變化量。

從實(shí)際測(cè)試結(jié)果來(lái)看，本次測(cè)試過程中水平中誤差隨著數(shù)據(jù)的積累，其趨勢(shì)逐漸減小，當(dāng)測(cè)試進(jìn)行到24h后中誤差在1mm以內(nèi)，且仍有繼續(xù)減小的趨勢(shì)。垂直中誤差由于受環(huán)境影響因素較多，在測(cè)試超過6h后中誤差急劇降低，在24h解算后，垂直中誤差略有提高，但仍在2mm以內(nèi)，能夠滿足變形監(jiān)測(cè)要求。值得注意的一點(diǎn)是，垂直中誤差在6h后急劇下降，表明在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際監(jiān)測(cè)應(yīng)用時(shí)，只要積累一定的數(shù)據(jù)后，通過6h以上的數(shù)據(jù)解算就可以大幅提高垂直位移的監(jiān)測(cè)精度，這對(duì)常規(guī)僅采用水平位移監(jiān)測(cè)的手段是極大的補(bǔ)充，可以滿足邊坡高精度三維變形全天候?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)要求。在更長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)，將顯著提高變形實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)精度，并為進(jìn)行邊坡安全預(yù)測(cè)預(yù)警持續(xù)提供數(shù)據(jù)，滿足高邊坡長(zhǎng)期穩(wěn)定變形監(jiān)測(cè)需求。

圖3 校驗(yàn)精度趨勢(shì)圖

4 GNSS變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安裝

4.1 變形監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)布置

結(jié)合云南龍江水利樞紐工程的特點(diǎn)，為滿足水庫(kù)大壩安全運(yùn)行管理及日常變形監(jiān)測(cè)需求，變形實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)共布置2個(gè)基點(diǎn)，6個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，如圖4所示?；c(diǎn)布置于水電站廠房和變電站兩個(gè)基巖較為穩(wěn)定部位，觀測(cè)點(diǎn)分別位于大壩壩頂和兩岸邊坡，其中3個(gè)布置于壩頂左、右岸和最大壩高處，3個(gè)布置于兩岸邊坡。邊坡測(cè)點(diǎn)編號(hào)如下，左岸為廠房邊坡測(cè)點(diǎn)(Za)和纜機(jī)邊坡測(cè)點(diǎn)(Zg)，右岸為大壩右岸邊坡測(cè)點(diǎn)(Ya)，大壩最大壩高處及兩岸重力墩分別布置1個(gè)測(cè)點(diǎn)。

圖4 GNSS監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

4.2 通訊系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)配置

該系統(tǒng)采用無(wú)線網(wǎng)橋通信，有效提高了系統(tǒng)通信的穩(wěn)定性。通過5.8G無(wú)線網(wǎng)橋搭建局部無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，在2～3km范圍內(nèi)帶寬可達(dá)5Mbps以上。每一個(gè)測(cè)點(diǎn)固定一個(gè)IP地址，每一個(gè)接收機(jī)也有固定的IP地址。

5 變形監(jiān)控指標(biāo)的建立

為實(shí)現(xiàn)邊坡變形預(yù)測(cè)預(yù)警，首先需要建立相應(yīng)的變形監(jiān)控指標(biāo)。而根據(jù)實(shí)測(cè)資料建立的監(jiān)控指標(biāo)更具有代表性和可操作性。對(duì)2013年1月—2015年7月云南龍江水電站左岸纜機(jī)邊坡、廠房邊坡和右岸壩肩邊坡變形量和變形速率進(jìn)行分析，左岸纜機(jī)邊坡月最大位移12.6mm，月平均變形速率0.28mm/d，廠房邊坡月最大位移9.7mm，月平均變形速率0.33mm/d，右岸壩肩邊坡月最大位移12.5mm，月平均變形速率0.44mm/d，以上邊坡均為穩(wěn)定狀態(tài)。

2013年8月近壩庫(kù)岸邊坡出現(xiàn)滑坡，在6—7月份有降雨期間，未發(fā)現(xiàn)邊坡變形出現(xiàn)異常。而8月初突降暴雨，8月6日變形量為1.5cm，自8月6日開始邊坡變形加速增大，8月16日變形量達(dá)到7.0cm，自8月16日后變形量有增速進(jìn)一步加快，呈現(xiàn)突變趨勢(shì)，8月23日早8點(diǎn)變形量達(dá)到20cm，平均變形速率15mm/d，根據(jù)歷史變形監(jiān)測(cè)及邊坡滑坡發(fā)生過程監(jiān)測(cè)資料邊坡分析，確定以變形速率為指標(biāo)的等級(jí)劃分見下表。

邊坡安全等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)表

該指標(biāo)是根據(jù)已發(fā)生滑坡擬定，對(duì)本工程及類似工程邊坡穩(wěn)定指標(biāo)具有一定的參考價(jià)值。但邊坡的滑坡與其他的眾多因素有關(guān)，如降雨、巖體巖性、溫度等，只有在累積大量數(shù)據(jù)，并全面分析影響邊坡位移的各個(gè)因素，才能得出更優(yōu)的監(jiān)控指標(biāo)以供預(yù)測(cè)預(yù)警使用。

6 預(yù)警系統(tǒng)的構(gòu)建

6.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

高精度三維變形實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)包括高精度三維變形實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、水庫(kù)大壩安全實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)監(jiān)控與預(yù)警三大子系統(tǒng)。其中，高精度三維變形實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)代GNSS技術(shù)，能夠?qū)崟r(shí)采集水庫(kù)大壩和邊坡的三維變形信息。水庫(kù)大壩安全實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)用于水庫(kù)大壩環(huán)境量及變形、滲流、應(yīng)力應(yīng)變等項(xiàng)目的監(jiān)測(cè)。實(shí)時(shí)監(jiān)控與預(yù)警子系統(tǒng)在收集高精度三維變形實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)、水庫(kù)大壩安全實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，通過監(jiān)控模型建立預(yù)警指標(biāo)，對(duì)水庫(kù)大壩及庫(kù)岸邊坡的實(shí)時(shí)運(yùn)行性態(tài)進(jìn)行監(jiān)控和預(yù)警。

6.2 監(jiān)控與預(yù)警子系統(tǒng)功能

該系統(tǒng)在對(duì)三維變形等監(jiān)測(cè)資料進(jìn)行科學(xué)管理的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控預(yù)警的目的。在采集系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建監(jiān)測(cè)信息分析與評(píng)價(jià)系統(tǒng)。以實(shí)現(xiàn)用戶登錄、數(shù)據(jù)庫(kù)連接、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)管理、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)管理、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析與評(píng)價(jià)、監(jiān)控及預(yù)警等功能，系統(tǒng)功能菜單如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)功能菜單

7 結(jié) 語(yǔ)

為保障云南龍江水電站樞紐工程的安全運(yùn)行，引進(jìn)GNSS系統(tǒng)對(duì)大壩及邊坡進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)，同時(shí)開發(fā)預(yù)測(cè)預(yù)警軟件，為云南龍江水電站的安全運(yùn)行提供技術(shù)支撐，通過該GNSS系統(tǒng)的應(yīng)用主要得到以下結(jié)論：

?通過對(duì)GNSS接收機(jī)進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)精度的校驗(yàn)，校驗(yàn)結(jié)果顯示GNSS系統(tǒng)可以達(dá)到中誤差水平1mm，垂直2mm的監(jiān)測(cè)精度，表明該系統(tǒng)具備高精度位移監(jiān)測(cè)的能力，是對(duì)常規(guī)變形監(jiān)測(cè)手段有力的補(bǔ)充，能夠滿足云南龍江水電站邊坡高精度三維變形全天候?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)要求。

?對(duì)云南龍江水電站多個(gè)邊坡的變形和變形速率的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，提出了以變形速率為依據(jù)的邊坡預(yù)警等級(jí)，并開發(fā)相關(guān)軟件，為水庫(kù)大壩及庫(kù)岸邊坡的運(yùn)行和預(yù)警提供依據(jù)。