朱光平 陳 剛 高 全 李 麒

(1.重慶市開州區(qū)水務(wù)局，重慶 405400； 2.國電竹溪水電開發(fā)有限公司，湖北 十堰 442000； 3.長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430010； 4.國家大壩安全工程技術(shù)研究中心，湖北 武漢 430010)

1 概述

某水電站樞紐工程位于湖北省鄖西縣夾河鎮(zhèn)境內(nèi)的漢江支流金錢河上，距十堰市區(qū)120 km，壩址以上控制流域面積5 611 km2，總庫容5.84億m3，是以發(fā)電為主，兼有灌溉、防洪等綜合效益的大(2)型工程。樞紐工程由混凝土面板砂礫石堆石壩、溢洪道、泄洪(排沙)洞、發(fā)電引水洞、發(fā)電廠房、開關(guān)站等組成。大壩為混凝土面板砂礫石堆石壩，最大壩高88.5 m，壩頂高程275.0 m，壩頂寬度8.0 m，壩頂長度342.2 m，上游壩坡1∶1.5，下游壩坡設(shè)有三級2.0 m寬馬道，馬道間坡比1∶1.3。

為監(jiān)測大壩表面變形，大壩布設(shè)有可兼測水平位移和垂直位移的綜合位移標(biāo)點(diǎn)共33個，包括上游面板269.0 m高程處4個測點(diǎn)、壩頂11個測點(diǎn)和壩下253.0 m高程8個測點(diǎn)、232.0 m高程6個測點(diǎn)、馬道208.0 m高程4個測點(diǎn)。水平位移采用視準(zhǔn)線法觀測，垂直位移采用幾何水準(zhǔn)法觀測，觀測勞動強(qiáng)度大、效率低，不適應(yīng)工程“無人值班、少人值守”發(fā)展需要，難以滿足電站現(xiàn)代化、信息化管理要求。通過布設(shè)測量機(jī)器人系統(tǒng)，進(jìn)行堆石壩表面變形自動監(jiān)測，并進(jìn)行監(jiān)測成果精度分析，滿足規(guī)范要求。

2 測量機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計

測量機(jī)器人(measurement robot)是一種能代替人進(jìn)行自動搜索、跟蹤、辨識和精確照準(zhǔn)目標(biāo)并獲取角度、距離、三維坐標(biāo)以及影像等信息的智能型電子全站儀[1]。它是在全站儀的基礎(chǔ)上集成激光、精密機(jī)械、微型計算機(jī)、CCD傳感器以及人工智能技術(shù)發(fā)展起來的，能在計算機(jī)控制下，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的自動識別，精確照準(zhǔn)和測量數(shù)據(jù)的自動記錄，并可實(shí)現(xiàn)對大量目標(biāo)的無接觸自動遙測，且不受白天黑夜影響。徠卡測量機(jī)器人是當(dāng)今世界上精度最高的全站儀(測角精度0.5″，測距精度1 mm+1 ppm)。

2.1 系統(tǒng)設(shè)計原則與要求

水電站大壩表面變形監(jiān)測自動化系統(tǒng)改造，以布設(shè)測量機(jī)器人系統(tǒng)為核心，以實(shí)現(xiàn)堆石壩表面變形全自動化監(jiān)測為目標(biāo)，提高大壩管理水平，為水電站運(yùn)行管理提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持和保障。系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)滿足如下原則與要求[2-4]：

1)測點(diǎn)布置應(yīng)統(tǒng)一規(guī)劃、突出重點(diǎn)、兼顧一般，并充分利用水電站大壩現(xiàn)有監(jiān)測設(shè)施，能夠比較全面地反映大壩的變形工作狀態(tài)。2)技術(shù)方案應(yīng)較為成熟、可靠，儀器設(shè)備應(yīng)精確可靠、穩(wěn)定耐久、經(jīng)濟(jì)實(shí)用，滿足用戶的技術(shù)要求，可實(shí)現(xiàn)自動化監(jiān)測，并體現(xiàn)先進(jìn)性。3)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)體現(xiàn)設(shè)計簡潔、實(shí)用、操作簡便和低成本運(yùn)行的概念，建立可靠性高，能夠滿足將來需求增長的系統(tǒng)。4)完全立足于現(xiàn)有通訊技術(shù)的利用，統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、統(tǒng)一管理，提高效率。

2.2 測量機(jī)器人系統(tǒng)布置

測量機(jī)器人系統(tǒng)布置包括大壩表面變形綜合位移標(biāo)點(diǎn)改造，測量機(jī)器人基點(diǎn)站房及配套系統(tǒng)布設(shè)，大壩表面變形控制網(wǎng)建設(shè)以及測量機(jī)器人自動監(jiān)測系統(tǒng)集成。

測量機(jī)器人硬件系統(tǒng)由基站、基準(zhǔn)點(diǎn)、監(jiān)測點(diǎn)、計算機(jī)、安防系統(tǒng)組成，見圖1?；居捎^測墩、測量機(jī)器人、觀測房組成，測量機(jī)器人架設(shè)于基點(diǎn)上，為坐標(biāo)原點(diǎn)。本工程共布設(shè)2臺測量機(jī)器人，布置在左右穩(wěn)定壩肩上，基礎(chǔ)穩(wěn)定，通視條件良好。一系列基準(zhǔn)點(diǎn)組成控制網(wǎng)，基準(zhǔn)點(diǎn)應(yīng)位于變形區(qū)以外的穩(wěn)固處，有觀測墩和棱鏡，為系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理時的距離及高差差分計算提供基準(zhǔn)。監(jiān)測點(diǎn)布置在變形體表面，反映監(jiān)測目標(biāo)的變形狀態(tài)。監(jiān)測點(diǎn)由觀測墩、正對基站的棱鏡、數(shù)字式溫度計和氣壓計組成，監(jiān)測點(diǎn)根據(jù)工程實(shí)際和規(guī)范要求，較均勻地布設(shè)于變形體有代表性的橫縱斷面上。計算機(jī)監(jiān)測軟件通過通訊電纜控制測量機(jī)器人作全自動變形監(jiān)測，并進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和處理。

2.3 系統(tǒng)精度及功能要求

1)精度要求。測量機(jī)器人儀器標(biāo)稱精度應(yīng)滿足測角精度1″，測距精度(1+1 ppm)mm。根據(jù)規(guī)范要求，大壩表面變形監(jiān)測點(diǎn)，其垂直位移與水平位移監(jiān)測精度相對于臨近工作基點(diǎn)應(yīng)不大于±3 mm[5]。大壩水平位移采用極坐標(biāo)法觀測，其監(jiān)測精度及限差應(yīng)滿足表1要求。

表1 極坐標(biāo)法監(jiān)測及限差

2)功能要求。a.系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)從測量照準(zhǔn)、數(shù)據(jù)采集記錄、數(shù)據(jù)預(yù)處理到測量手簿生成、常用平差軟件所需格式文件的輸出全部過程自動化，可在無人值守的情況下不間斷定時觀測。自動測量過程要易于控制，可以進(jìn)行隨時暫停、繼續(xù)、退出控制。b.適用傳統(tǒng)作業(yè)習(xí)慣，測量可以采用全圓方向觀測，也可以分組觀測，同時可以根據(jù)現(xiàn)行國家規(guī)范進(jìn)行各種測量限差的設(shè)置，測量過程中軟件自動進(jìn)行各項(xiàng)指標(biāo)的檢查。具有三角形閉合差計算功能，及時發(fā)現(xiàn)三角形閉合差是否超限，以達(dá)到及時檢查作業(yè)質(zhì)量的目的。c.系統(tǒng)采用遠(yuǎn)離全站儀監(jiān)測站的計算機(jī)中心控制機(jī)房監(jiān)控方式，值班人員在控制機(jī)房可全面了解監(jiān)測系統(tǒng)的運(yùn)行情況?？刂茩C(jī)房和監(jiān)測站的全站儀之間采用雙向有線通訊方式，實(shí)現(xiàn)控制計算機(jī)對全站儀的遠(yuǎn)距離在線控制。d.系統(tǒng)可自動生成EXCEL文檔格式表格的外業(yè)觀測手簿，具有圖形顯示和輸出功能，用戶可以實(shí)時查看數(shù)據(jù)，可以看到數(shù)據(jù)分析的結(jié)果及圖形化顯示，并對限差進(jìn)行檢核、數(shù)據(jù)計算、預(yù)警、分析。

3 測量機(jī)器人系統(tǒng)實(shí)施

3.1 控制網(wǎng)建立

監(jiān)測坐標(biāo)系統(tǒng)應(yīng)與原有控制網(wǎng)坐標(biāo)系統(tǒng)保持一致[6]，本控制網(wǎng)結(jié)合水電站現(xiàn)有控制網(wǎng)點(diǎn)DK06和DK07進(jìn)行控制網(wǎng)布置。通過外業(yè)實(shí)測和內(nèi)業(yè)對比分析DK06-DK07邊長，控制點(diǎn)DK06，DK07坐標(biāo)值存在一定的偏差?？紤]到控制點(diǎn)成果較為久遠(yuǎn)，點(diǎn)位存在偏移，本項(xiàng)目控制網(wǎng)測量平差采用策略為：以較為穩(wěn)定的山頂巖石控制點(diǎn)(DK06)的坐標(biāo)為起算點(diǎn)，DK06-DK07原方向值(347°41′33.51″)作為方向值，壩頂設(shè)計高程(275 m)作為投影高，按一點(diǎn)一方向進(jìn)行平差，求取控制網(wǎng)點(diǎn)的坐標(biāo)值。本工程控制網(wǎng)以2個已知控制點(diǎn)DK06和DK07作后視點(diǎn)，與工作基點(diǎn)(TN01，TN02)以及工作基點(diǎn)墩身埋設(shè)的檢核點(diǎn)(TPG1，TPG2)共6個點(diǎn)組成本監(jiān)測系統(tǒng)的控制網(wǎng)，如圖2所示。

3.2 方案實(shí)施

測量機(jī)器人按照設(shè)計要求對棱鏡目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行自動觀測，同時采用徠卡溫度及壓力傳感器自動實(shí)時采集測量點(diǎn)的溫度和壓力數(shù)據(jù)，通過光纖將監(jiān)測點(diǎn)的坐標(biāo)、溫度和壓力數(shù)據(jù)實(shí)時傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心，該子系統(tǒng)主要由監(jiān)測機(jī)器人、棱鏡、溫度及壓力傳感器組成。測量機(jī)器人子系統(tǒng)包括2臺TM50全站儀和37個觀測點(diǎn)圓棱鏡，其中監(jiān)測點(diǎn)33個，基準(zhǔn)點(diǎn)4個，工作基點(diǎn)2個。觀測房采用三級防雷措施，房頂布置防雷導(dǎo)網(wǎng)，房內(nèi)安裝空開及防浪涌保護(hù)器，并采納防雷排插進(jìn)行設(shè)備供電。

數(shù)據(jù)通訊采用GPRS無線通訊方式，對儀器進(jìn)行配置，并控制儀器的測量，管理整個系統(tǒng)的運(yùn)行，接收測量機(jī)器人觀測成果，依據(jù)溫度及壓力傳感器測得數(shù)據(jù)，自動對監(jiān)測機(jī)器人的測量成果進(jìn)行自動氣象修正，并對監(jiān)測機(jī)器人的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行計算、分析，根據(jù)預(yù)設(shè)限差自動發(fā)送報警信息。

在水電站管理房內(nèi)設(shè)立安全監(jiān)測工作站，布設(shè)服務(wù)器等硬件系統(tǒng)和自動化控制軟件(GeoMoS)等系統(tǒng)，作為自動化監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)控制中心。數(shù)據(jù)中心通過GPRS網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行連接、傳輸與控制，從而實(shí)現(xiàn)表面變形自動化監(jiān)測。

4 測量機(jī)器人系統(tǒng)首次測量及成果分析

自動化監(jiān)測系統(tǒng)正式投入使用前進(jìn)行控制網(wǎng)聯(lián)測以確定各基點(diǎn)、工作基點(diǎn)及監(jiān)測點(diǎn)的初始坐標(biāo)值[7]，為測量機(jī)器人系統(tǒng)自動化監(jiān)測奠定基礎(chǔ)。根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，安全監(jiān)測自動化改造時，應(yīng)保持觀測成果的連續(xù)性，測量機(jī)器人坐標(biāo)系統(tǒng)應(yīng)與原監(jiān)測坐標(biāo)系統(tǒng)保持一致。

4.1 外業(yè)觀測

首先，對本監(jiān)測系統(tǒng)的控制網(wǎng)進(jìn)行外業(yè)觀測，平面采用邊角網(wǎng)方式，按二等邊角網(wǎng)方式施測，角度測量采用方向觀測法實(shí)施，方向觀測法限差見表2。高程采用三角高程法往返對向觀測，進(jìn)行水平位移監(jiān)測控制網(wǎng)邊長傾斜改正時，垂直觀測限差見表3。

表2 方向觀測法限差表

表3 垂直觀測限差表

外業(yè)觀測時間為2018年11月30日～2018年12月1日，采用1臺TM30全站儀按上述要求進(jìn)行施測，經(jīng)檢查，外業(yè)觀測數(shù)據(jù)符合要求。

4.2 數(shù)據(jù)處理

1)測點(diǎn)平面及高程平差。除墩身備用后視點(diǎn)TPG1，TPG2外，其他控制網(wǎng)點(diǎn)均采用往返測量方式實(shí)施，以DK06高程作為已知值，DK07高程作為檢核點(diǎn)，進(jìn)行平差，精度統(tǒng)計如表4所示。

表4 控制網(wǎng)平面及高程精度統(tǒng)計表

其中，平面最弱點(diǎn)點(diǎn)位中誤差為±2.32 mm，最弱邊邊長中誤差為1/303 913，滿足二等技術(shù)要求；垂直最弱點(diǎn)點(diǎn)位中誤差為±1.13 mm，滿足二等水準(zhǔn)測量要求。

2)控制網(wǎng)成果表。平差后，控制網(wǎng)成果如表5所示。按同樣平差策略進(jìn)行檢核平差計算，對比分析，Δx,Δy,Δh平差差值均不超過±1.0 mm，平差結(jié)果精度穩(wěn)定可靠。

表5 控制網(wǎng)成果表及檢驗(yàn)平差計算

4.3 監(jiān)測成果

2018年12月15日，進(jìn)行大壩表面變形自動化監(jiān)測，監(jiān)測成果初始值如表6所示。

表6 大壩表面變形自動化監(jiān)測成果初始值

綜上分析，測點(diǎn)平面最弱點(diǎn)點(diǎn)位中誤差為±2.32 mm，垂直最弱點(diǎn)點(diǎn)位中誤差為±1.13 mm，滿足二等測量要求。平差檢核，Δx,Δy,Δh平差差值均不超過±1.0 mm，控制網(wǎng)平差結(jié)果精度穩(wěn)定可靠。結(jié)合觀測成果分析，測值變化平緩，無缺測和測值明顯突變情況，中誤差在±3.0 mm以內(nèi)，滿足規(guī)范要求，規(guī)律性明顯，符合一般規(guī)律，能反映大壩變形性態(tài)，滿足大壩安全管理需要。

5 結(jié)語

本文對測量機(jī)器人在面板堆石壩表面變形監(jiān)測中應(yīng)用展開研究，介紹了測量機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計原則與要求、測量機(jī)器人系統(tǒng)布置方法、系統(tǒng)精度及功能要求，結(jié)合具體工程進(jìn)行實(shí)施應(yīng)用，包括控制建立和系統(tǒng)實(shí)施，并對測量成果控制網(wǎng)平面及高程精度分析，測量精度滿足規(guī)范要求，成功獲取測量機(jī)器人自動化觀測成果初始值，實(shí)現(xiàn)了堆石壩表面變形自動化監(jiān)測。應(yīng)用表明，測量機(jī)器人在面板堆石壩表面變形監(jiān)測中具有精度高、實(shí)時、動態(tài)、全天候、智能遠(yuǎn)程遙測的優(yōu)點(diǎn)，可以減少人力資源，快速完成大壩表面變形監(jiān)測工作，實(shí)現(xiàn)真正意義上的無人值守連續(xù)運(yùn)行的高精度自動形變監(jiān)測，應(yīng)用前景廣闊。