翟振起

(深圳市北部水源工程管理處， 深圳 518000)

大壩安全監(jiān)測是重要的安全管理手段，其中變形監(jiān)測是安全監(jiān)測的重要內(nèi)容，早期主要采用全站儀、水準(zhǔn)儀等人工監(jiān)測手段[1-4]。全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)包括美國GPS、俄羅斯GLONASS、中國北斗等系統(tǒng)。GNSS變形監(jiān)測技術(shù)具有精度高、不受距離限制、實時連續(xù)監(jiān)測等優(yōu)點，早期曾應(yīng)用于隔河巖水庫[5-10]。

茜坑水庫主壩表面GNSS自動化變形監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)了深圳地區(qū)首次采用北斗和GPS技術(shù)開展大壩變形監(jiān)測，具有一定的代表性[11-12]。本文結(jié)合茜坑水庫主壩GNSS自動化變形監(jiān)測系統(tǒng)的運行情況進行了分析和總結(jié)。

1 茜坑水庫GNSS監(jiān)測系統(tǒng)概述

茜坑水庫位于深圳市龍華新區(qū)觀瀾街道東南約5 km處，茜坑河上游，庫內(nèi)地勢平緩，植被較好。水庫建成于1995年，于2000年經(jīng)過擴建，水庫集雨面積4.79 km2，正常蓄水位75.0 m，總庫容1917萬m3。作為龍茜供水工程的終點和北線引水工程向鵝頸水庫與石巖水庫輸水的重要轉(zhuǎn)輸水庫，茜坑水庫發(fā)揮著重要的供水調(diào)蓄作用。茜坑水庫大壩由1條主壩和4條副壩組成，為均質(zhì)土壩。茜坑水庫主壩頂軸長389.0 m，壩頂高程76.8 m，最大壩高28.6 m。

茜坑水庫主壩表面GNSS自動化變形監(jiān)測系統(tǒng)，采用北斗和GPS技術(shù)，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)和計算機技術(shù)，實現(xiàn)了主壩外部水平位移及垂直位移監(jiān)測數(shù)據(jù)自動采集、自動處理和實時分析預(yù)警。前期建設(shè)情況表明，系統(tǒng)具備實時、自動化、全天候監(jiān)測能力，每4 h輸出一次監(jiān)測結(jié)果的精度相對于基準(zhǔn)點不大于±3 mm。系統(tǒng)由1個基準(zhǔn)站和12個監(jiān)測站、數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)、控制中心模塊和供電網(wǎng)絡(luò)等部分組成。

系統(tǒng)于2015年8月正式運行，截至2018年8月31日已連續(xù)運行達3 a。系統(tǒng)運行期間，相關(guān)單位定期開展了監(jiān)測系統(tǒng)運行維護工作和監(jiān)測成果數(shù)據(jù)整編分析工作，本文對系統(tǒng)運行期間的相關(guān)工作進行了分析和總結(jié)。

2 系統(tǒng)運行維護

茜坑水庫GNSS變形監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)完成后，管理單位組織專業(yè)技術(shù)人員成立了運行維護項目組，按時開展系統(tǒng)運行維護工作。根據(jù)維護發(fā)生時間的不同，包括日常維護、定期維護、應(yīng)急維護等。根據(jù)維護工作內(nèi)容的不同，包括數(shù)據(jù)維護、軟件維護、硬件維護等方面。通過系統(tǒng)運行維護工作的開展，保障了系統(tǒng)的順利運行。

2.1 數(shù)據(jù)維護

每天檢查監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和存儲狀態(tài)。定期對GNSS原始監(jiān)測數(shù)據(jù)、監(jiān)測成果數(shù)據(jù)和監(jiān)測數(shù)據(jù)庫等進行備份操作。定期對接收機和服務(wù)器的存儲空間進行整理，確保有足夠的空余存儲空間接收新數(shù)據(jù)。

2.2 軟件維護

軟件維護可分為改正性維護、適應(yīng)性維護、完善性維護、預(yù)防性維護等。在近3年的運行中，系統(tǒng)主要開展了改正性維護和完善性維護工作，即對程序使用期間發(fā)現(xiàn)的錯誤進行診斷和改正，對已有的軟件功能進行優(yōu)化和完善。

2.3 設(shè)備維護

每月安排專業(yè)人員對GNSS接收機等進行一次全面檢查，檢查內(nèi)容包括觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量、搜星穩(wěn)定性、數(shù)據(jù)存儲情況、設(shè)備溫度、供電情況、網(wǎng)絡(luò)通信情況等。對維護期間發(fā)現(xiàn)的設(shè)備故障情況進行詳細記錄，向主管人員匯報并及時處理。

3 監(jiān)測成果數(shù)據(jù)整編

3.1 在線監(jiān)測成果

系統(tǒng)運行期間，每4 h采集1次監(jiān)測數(shù)據(jù)并存儲在數(shù)據(jù)庫中，工作人員可通過瀏覽頁面在線查詢監(jiān)測成果。在監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)生異常突變時，系統(tǒng)能以短信的形式及時通知工作人員。

3.2 監(jiān)測月報

系統(tǒng)運行期間，定期提交監(jiān)測月報，對上月的監(jiān)測工作進行總結(jié)。監(jiān)測月報的主要內(nèi)容包括：監(jiān)測工程概況、監(jiān)測月報時限、監(jiān)測內(nèi)容和監(jiān)測點布置情況、當(dāng)月監(jiān)測系統(tǒng)運行情況簡介、當(dāng)月監(jiān)測結(jié)果及分析、當(dāng)月監(jiān)測預(yù)警情況、當(dāng)月監(jiān)測工作總結(jié)。通過監(jiān)測月報整編，管理單位能及時掌握大壩變形情況及變化趨勢，從而在運行調(diào)度過程中做出準(zhǔn)確判斷。

3.3 監(jiān)測年報

系統(tǒng)運行期間，每年度按時提交監(jiān)測年報，對全年的監(jiān)測工作進行總結(jié)。年報的主要內(nèi)容有：監(jiān)測工程概況、監(jiān)測年報時限、監(jiān)測內(nèi)容和監(jiān)測點布置情況、年度內(nèi)監(jiān)測系統(tǒng)運行情況簡介、年度內(nèi)監(jiān)測結(jié)果及分析、年度內(nèi)監(jiān)測預(yù)警情況、大壩工作狀態(tài)和存在問題的綜合評價及其結(jié)論、對下年度的工作建議等。通過監(jiān)測年報整編，管理單位能對大壩安全的長期變化趨勢形成較為全面的了解，從而有利于后續(xù)監(jiān)測工作的安排和調(diào)整。

4 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

4.1 監(jiān)測數(shù)據(jù)變化趨勢分析

茜坑水庫主壩GNSS變形觀測布設(shè)了12個監(jiān)測點，分4個縱斷面、5個橫斷面。如圖1所示，自水庫上游至下游分布有4個縱斷面，編號分別為1#～4#；自右壩肩至左壩肩分布有5個橫斷面，編號分別為1#～5#。布點時，重點考慮了大壩填筑深度最深的2、3號橫斷面。

圖1 茜坑水庫GNSS監(jiān)測點布置圖

系統(tǒng)自2015年8月開始監(jiān)測以來，茜坑水庫主壩表面變形監(jiān)測點變形趨勢平穩(wěn)，未發(fā)生變形量突然大幅增加或變形速率劇變的情況。2018年8月31日監(jiān)測數(shù)據(jù)，相對于初始觀測值：各監(jiān)測點沿壩軸方向(X方向)累計變形量為-6.6～-2.0 mm，變形最大點為AL302DB(-6.6 mm)；垂直壩軸線方向(Y方向)累計變形量為-0.4～3.6 mm，變形最大點為AL203DB(3.6 mm)；豎直方向累計沉降量為12.5～18.3 mm，沉降最大點為AL303DB(18.3 mm)

分析沿壩軸線方向、垂直壩軸線方向、豎直方向的變形趨勢：沿壩軸線方向，未見明顯變形；垂直壩軸線方向，靠近上游的縱斷面表現(xiàn)出隨庫水位變化的變形；豎直方向，表現(xiàn)為隨時間的緩慢沉降。

在垂直于壩軸線方向上，1#、2#縱斷面均表現(xiàn)出隨庫水位升降的變形。如圖2所示的AL201DB點累計變形圖，垂直壩軸線方向的變形與水庫水位變化之間具有相關(guān)性：當(dāng)水庫水位上升時，監(jiān)測點有向下游方向位移的趨勢(Y正方向)；當(dāng)水庫水位下降時，監(jiān)測點有向上游方向位移的趨勢(Y負方向)；壩體Y方向變形發(fā)生后可恢復(fù)，表現(xiàn)出一定的彈性。3#、4#縱斷面監(jiān)測點，在垂直于壩軸線方向上的變形，未表現(xiàn)出明顯的隨庫水位變化的趨勢。

圖2 AL201DB點垂直壩軸線方向累計變形過程曲線

在豎直方向上，各點均表現(xiàn)為隨時間緩慢下沉。3#、4#縱斷面監(jiān)測點在豎直方向累計沉降比1#、2#縱斷面監(jiān)測點明顯。水庫水位升降對監(jiān)測點的沉降速率有一定影響。典型沉降變化趨勢如圖3所示，3 a間累計沉降18.3 mm，年平均沉降6.1 mm。茜坑水庫于1995年建成，2000年進行擴建，擴建施工至今已有18 a，而GNSS沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)表明土石壩工后沉降依然在發(fā)生，這說明土石壩工后沉降是一個極其漫長的過程。

4.2 臺風(fēng)暴雨期間的觀測數(shù)據(jù)

茜坑水庫所在的深圳市屬亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，臺風(fēng)、暴雨多發(fā)，全市多年平均降雨量1935.8 mm，年均受臺風(fēng)影響3.5次。圖4繪制了自2015年9月至2018年8月期間GNSS監(jiān)測點的累計變形量與降雨量過程曲線圖，監(jiān)測期間最大降雨量為152 mm(2018年6月5日)。圖4說明茜坑水庫GNSS變形監(jiān)測系統(tǒng)在面對臺風(fēng)、暴雨等惡劣天氣時，能夠正常采集觀測數(shù)據(jù)，所測得的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，未出現(xiàn)數(shù)據(jù)異常情況。這表明，茜坑水庫主壩GNSS變形監(jiān)測系統(tǒng)具備全天候變形監(jiān)測能力。

圖3 AL303DB點累計沉降過程曲線

圖4 GNSS監(jiān)測變形量與降雨量對比

5 結(jié) 語

茜坑水庫主壩GNSS變形監(jiān)測系統(tǒng)自開始運行以來，通過采取有效的運行維護管理措施，運行狀態(tài)平穩(wěn)，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。系統(tǒng)能抵抗臺風(fēng)、暴雨等惡劣天氣的影響，開展全天候變形監(jiān)測，為管理單位提供及時、準(zhǔn)確、豐富的變形數(shù)據(jù)，有效提升了水庫安全管理水平。管理單位定期對GNSS監(jiān)測數(shù)據(jù)進行了整編分析，數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明，系統(tǒng)能捕捉到大壩隨水位變化的微小變形，能采集到土石壩工后沉降的緩慢變化過程，對未來的土石壩安全分析具有重要意義。