程改芳 馬福恒 葉偉

摘?要：土石壩外部變形監(jiān)測是掌握大壩安全運行性態(tài)的重要基礎工作，土石壩具有自身變形特征，不能像混凝土壩那樣使用引張線儀、靜力水準儀實現(xiàn)自動化監(jiān)測，如何快速準確地監(jiān)測土石壩表面變形一直是壩工界的難題。結合河南省陸渾水庫大壩實際，開展土石壩表面變形自動監(jiān)測系統(tǒng)方案設計、系統(tǒng)實施及觀測資料可靠性分析，評價大壩變形安全性態(tài)。實施效果表明，GeoMOS遠程控制機器人能夠做到快速響應、準確控制，測量機器人的ATR功能識別準確、高效精準，能夠實時掌握大壩各測點的位移情況，極大降低了測量人員的內、外業(yè)工作量，可為大壩安全運行提供技術保障，也可為同類型大壩的變形自動監(jiān)測提供借鑒。

關鍵詞：大壩表面變形;自動監(jiān)測;資料分析;測量機器人;陸渾水庫

中圖分類號：P204;TU196+.1文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.06.034

Design and Practice on Automatic Monitoring System for Luhun Earth-Rock Dam Surface Deformation

CHENG Gaifang1， MA Fuheng2，3， YE Wei2

（1.Henan Management Bureau of Luhun Reservoir， Luoyang 471003， China;

2.Dam Safety Management Department of Nanjing Hydraulic Research Institute， Nanjing 210029， China;

3.Dam Safety Management Center of the Ministry of Water Resources， Nanjing 210029， China）

Abstract：External deformation monitoring of earth-rock dams is an important part of controlling safe operation behavior of dams. Due to the deformation characteristics of earth-rock dams， it is impossible to use tension line instrument and static level instrument to realize automatic monitoring as used on concrete dams. How to monitor the surface deformation of earth-rock dam quickly and accurately has been a difficult issue to be solved urgently in dam engineering field. Based on the actual situation of Luhun Reservoir in Henan Province， the scheme design， system implementation and reliability analysis of observation data for automatic monitoring system of surface deformation were carried out and the safety state of dam deformation was evaluated. The implementation results show that GeoMOS remote control robot can achieve fast response and accurate control. The identification process of the measuring robot ART is accurate， efficient and accurate， which can grasp the displacement of the dam in real time and greatly reduce the workload of the surveyors both inside and outside. It can provide a technical guarantee for the safe operation of the dam. It can provide reference for automatic monitoring of deformation of similar dams.

Key words： dam surface deformation; automatic monitoring; data analysis; measurement robot; Luhun Reservoir

土石壩填筑材料的離散性、非剛性造成壩體變形的非一致性。依據規(guī)范[1]，土石壩表面變形包括水平位移和垂直位移，3級建筑物以上為必測項目。非山區(qū)水庫大壩一般較長，表面變形測點布置較多，觀測工作強度大，觀測頻次少，不能及時掌握大壩變形狀態(tài)。鑒于土石壩的變形特征，也不能像混凝土壩那樣使用引張線儀、靜力水準儀實現(xiàn)自動化監(jiān)測，如何快速準確地監(jiān)測土石壩表面變形一直是壩工界的難題。楊超等[2]、王豪威等[3]以某水電站大壩位移監(jiān)測項目為例，研究了MT50全站儀的自有設站、監(jiān)測精度分析方法以及需要注意的事項;孫華芬[4]在地質調研基礎上，建立了M30+GeoMOS尖山磷礦邊坡自動監(jiān)測系統(tǒng)，研究了監(jiān)測數(shù)據的預處理方法及邊坡綜合預測預報模型;張維[5]分析了徠卡M50全站儀特性，并闡述了該設備在地鐵、高鐵及大壩等領域的監(jiān)測方法;王洪[6]以濟南市一條污水管道線中的閘道變形觀測為例，采用TS30超高精度全站儀結合自由設站法，使其觀測精度實現(xiàn)毫米級;管真等[7]在分析MS50全站掃描儀特點的基礎上，研究了掃描數(shù)據直接進行點云拼接的精度，驗證了全站掃描儀在地表變形監(jiān)測中應用的可行性;吉曉輝[8]基于網絡版全站儀自動化監(jiān)測模式，對高精度、高穩(wěn)定性這兩個重要監(jiān)測因素進行剖析，利用自主研發(fā)的監(jiān)測系統(tǒng)對某廣場基坑變形進行了應用，驗證高精度、高穩(wěn)定性全站儀自動化監(jiān)測技術的可靠性;楊浩[9]研究了全站儀任意位置設站觀測各點三維坐標的方法，給出了觀測值及精度計算公式，并應用于實際工程中;王舉等[10]采用三維激光掃描技術對土石壩表面水平與垂直位移進行監(jiān)測分析，結果表明該技術能夠滿足水庫大壩變形分析計算的要求;馬福恒等[11]在對土石壩表面變形監(jiān)測方法系統(tǒng)研究的基礎上，提出了采用高精度全站儀MS50+ GeoMOS的方法實現(xiàn)土石壩全自動監(jiān)測，并研究了監(jiān)測數(shù)據可靠性判別方法及預警模型，減小了土石壩表面變形監(jiān)測的工作強度。筆者結合河南省陸渾水庫土石壩表面變形監(jiān)測實際，給出了MS50+ GeoMOS系統(tǒng)的設計方案、實施過程以及監(jiān)測數(shù)據處理方法等，以期為同類型大壩的變形自動監(jiān)測提供借鑒。

1?方案設計

1.1?工程概況

陸渾水庫位于黃河支流伊河中游，壩址位于河南省嵩縣境內。水庫控制流域面積為3 492 km2，總庫容為13.2億m3，是一座以防洪為主，結合灌溉、發(fā)電、養(yǎng)殖、城市供水和旅游等綜合利用的大（1）型水利樞紐。該水庫于1959年12月動工興建，1965年8月建成。由于存在安全隱患，因此在1986—1988年進行了一期除險加固，2001年又進行了應急加固，2003—2006年再次進行了除險加固，目前大壩運行性態(tài)正常[12]。

大壩為黏土斜墻砂卵石壩，壩頂高程333.0 m，上設1.2 m高的防浪墻，最大壩高55.0 m，壩頂長710.0 m、寬8.0 m，壩基采用黏土截水槽防滲，并輔以84.0 m長的水平鋪蓋。上游壩坡坡比為1∶3.5～1∶3.25，高程300.0 m以上為六棱柱形混凝土塊護坡，300 m以下為塊石護坡;下游壩坡坡比為1∶2.75～1∶2.5，均為卵石護坡。

大壩表面變形監(jiān)測點布設于水庫建成之初，為水平位移和垂直位移的共用標點，由于當時使用的是自制的位移標點（普通鋼板加工而成），銹蝕嚴重無法繼續(xù)使用，因此在1990年由武漢水利電力學院設計、水庫管理單位施工建成現(xiàn)在的觀測位移基點。使用蔡氏010B經緯儀，采用中間設站、分段觀測的方法進行大壩水平位移觀測，但視準線長的問題沒有得到根本解決，視線模糊、容易受天氣影響等問題繼續(xù)存在，精度很難保證。垂直位移采用蔡氏NI007水準儀進行觀測，精度可以保證。

該水庫承擔著洛陽市防洪、黃河下游防洪和自身保壩三大防洪任務，并和小浪底、三門峽、故縣水庫聯(lián)合運用，削減三門峽至花園口區(qū)間洪水，水庫下游有洛陽、鄭州、開封3個重要城市，還有隴海、焦枝、京廣3條鐵路干線和連霍、寧洛等高速公路以及著名的世界文化遺產龍門石窟，其運行安全至關重要，需要及時掌握大壩變形性態(tài)，為此水庫管理單位于2018年委托水利部大壩安全管理中心對大壩表面變形自動監(jiān)測系統(tǒng)進行方案設計[13]。

1.2?監(jiān)測方案

1.2.1?測點布置

大壩原有表面變形監(jiān)測點有28個，沿壩軸線布置4排，分別為上游壩坡321.0 m高程、臨近壩頂332.0 m高程、下游壩坡320.0 m高程、下游壩坡310.0 m高程，上游壩坡及臨近壩頂每排布置監(jiān)測點8個，下游壩坡每排布置監(jiān)測點6個，另有工作基點3個。根據工程實際，為實現(xiàn)自動觀測，需要新建1座觀測房、改造3個工作基點，采用交匯法觀測大壩表面變形。

1.2.2?測量機器人

測量機器人啟動ATR自動測量時，全站儀中的CCD相機視場內如果沒有棱鏡，則先進行目標搜索，一旦在視場內出現(xiàn)棱鏡，則進入目標照準過程，達到照準允許精度后，啟動距離和角度的測量，利用GeoMOS軟件進行計算分析。目前，徠卡新一代測量機器人TM50相比第一代測量機器人TCA2003，各項性能指標都有了很大的提升，TM50自動照準距離高達3 000 m，ATR精度最高可達0.5″，距離測量精度達0.6 mm，強大的四重軸系補償功能，防塵防水等級高達IP65，數(shù)據存儲方式集成了內存、SD卡、U盤等，新一代驅動馬達采用壓電陶瓷技術，而且增加了高頻率廣角相機和高分辨率望遠鏡相機，使得TM50在自動照準、目標識別、搜索和鎖定、自動測量時，更加快速、高效和精確，同時在各種惡劣環(huán)境下的適用性和穩(wěn)定性更強。

1.2.3?系統(tǒng)軟件

GeoMOS是一套現(xiàn)代監(jiān)測和分析軟件，適用于自動監(jiān)測、變形測量、山體滑坡、沉降測量等不同類型的監(jiān)測任務。它可以將各種不同類型的測量傳感器（比如TM50、溫度氣壓傳感器、GPS等）連接到一起工作，同時支持多用戶進入的大型數(shù)據庫（SQL-Server），GeoMOS軟件主要包括監(jiān)測和分析兩部分，都可以在計算機上運行。

GeoMOS監(jiān)測部分是一個在線的工作軟件，主要負責控制傳感器、收集數(shù)據以及事件的管理，主界面見圖1。

GeoMOS分析部分是一個分體式的軟件，主要用于測量數(shù)據的分析、可視化和后處理，主界面見圖2。

1.3?系統(tǒng)組成

陸渾水庫大壩表面變形自動監(jiān)測系統(tǒng)包括3部分，系統(tǒng)架構見圖3。

（1）監(jiān)測子系統(tǒng)。遠程控制TM50按照監(jiān)測任務對監(jiān)測點棱鏡進行自動觀測，同時采用徠卡溫度和氣壓傳感器自動、實時采集環(huán)境溫度和氣壓數(shù)據，通過光纖將監(jiān)測點的坐標和溫度、氣壓數(shù)據傳輸?shù)綌?shù)據中心，該子系統(tǒng)主要由TM50、反射棱鏡、溫度和氣壓傳感器組成。

（2）數(shù)據通信子系統(tǒng)。監(jiān)測子系統(tǒng)與數(shù)據中心之間采用光纖通信方式傳輸全站儀和溫度、壓力傳感器的數(shù)據至數(shù)據中心。

（3）數(shù)據中心子系統(tǒng)。主要由服務器和GeoMOS軟件組成，GeoMOS軟件能同時控制全站儀、溫度及氣壓傳感器等不同用途的設備，對TM50進行遠程配置，并控制其進行外業(yè)自動觀測，接收監(jiān)測子系統(tǒng)的測量數(shù)據，依據溫度和氣壓傳感器測得的數(shù)據，自動對TM50的測量成果進行氣象修正，并對最后的測量數(shù)據進行計算、分析，根據預設限差發(fā)布預警信息。

2?實施與測量

陸渾水庫大壩表面變形自動監(jiān)測系統(tǒng)于2018年9月開始實施，12月完成。

2.1?測站、基準、測點改造

為實現(xiàn)變形監(jiān)測自動化，根據陸渾大壩變形監(jiān)測的實際需要以及外業(yè)觀測的客觀條件，在大壩左右兩岸的穩(wěn)定地帶設置了3個基準點（J1～J3），基準點的觀測墩采用鋼筋混凝土澆筑，基礎深挖至基巖，基準點上永久安置強制對中的反射棱鏡，并用專門的不銹鋼保護罩對反射棱鏡加以保護。同時在上游壩坡、壩頂、下游壩坡分別設置4排共計28個監(jiān)測點（B1～B8、C1～C8、D1～D6、E1～E6），所有監(jiān)測點均采用混凝土基礎澆筑，為防塵防盜，在觀測墩上安裝永久強制對中的反射棱鏡及不銹鋼保護罩。

TM50測量機器人（測站點Z）安置在大壩右岸，為保護儀器設備，建造專門的觀測房，觀測房內澆筑混凝土觀測墩，觀測墩上安置強制對中底盤，TM50長期固定在對中底盤上，觀測房面向大壩一側留有大開口的觀測窗，觀測窗口視野開闊，3個基準點和28個監(jiān)測點均可通視，觀測窗安裝有電動卷簾，可以根據測量任務遠程控制起閉。此外，為了進行距離測量的溫度和氣壓修正，在觀測房的一側房檐下安置傳感器，溫度和氣壓數(shù)據連同坐標測量值可以同步傳輸至中心機房，并通過GeoMOS軟件對測距數(shù)據進行氣象修正。觀測房及測量機器人見圖4。

2.2?基準點測量

基準點是進行變形監(jiān)測的起算點，需要布設為控制網，如圖5所示，采用自由設站法，將測站點Z設為坐標原點，以順河方向為X軸，大壩軸線方向為Y軸，建立一套獨立坐標系統(tǒng)，Z點的平面坐標設為（X=0，Y=0）。將TM50機器人架設在Z點觀測墩，運用ATR對于J1～J3分別進行4個測回的自動照準測量，經過平差后獲取J1～J3的基準坐標值?？紤]到基準點的長期使用和變化，為了保證監(jiān)測系統(tǒng)的精度，今后每年對這3個基準點至少復測一次。

J1～J3的基準坐標值的準確性非常重要，因為考慮到測站點Z位于大壩右岸山體上，它的穩(wěn)定性能否充分滿足變形監(jiān)測的要求，要在每次開始測量之前，利用J1～J3這3個基準點作為已知后視點進行一次后方交會測量，從而精確計算出測站點Z的坐標值。后方交會理論上有2個后視點即可完成坐標計算，但為了進一步提高坐標解析計算的精度，陸渾水庫實際采用了3個后視點，保證至少有1個冗余觀測值，而且在基準點的位置選址之初，需要根據水庫大壩實際，保證這3個后視點與測站點之間形成的角度比較合適，基本將它們兩兩之間的夾角控制在30°～150°之間，這就提高了通過后方交會方式解析計算出測站點Z最終坐標的準確性。

2.3?變形測量

大壩表面變形正式測量前，首先需要對28個監(jiān)測點進行一輪學習測量，以確定它們的起始坐標值，今后每個測量周期內測量的各個測點坐標都將與這個起始坐標值進行比對。對變形測點的測量，運用TM50測量機器人的ATR功能，采用正倒鏡的方法測量這28個測點的起始坐標值（X0，Y0），該坐標為極坐標轉換的大地坐標，然后根據壩軸線的方向及測點布置位置，在GeoMOS軟件測點設定模塊中進行坐標轉換[6]。在第一個測量周期，再次使用同樣的方法測得這28個監(jiān)測點的坐標值（X1，Y1），在第二個測量周期，測得這28個監(jiān)測點的坐標值（X2，Y2），每一個測量周期的坐標值（Xn，Yn）都將會自動與起始值（X0，Y0）和臨近值（Xn-1，Yn-1）進行比較，快速獲取這個測點的當前位移變化值和累計位移變化值，隨著觀測數(shù)據量的增加，可以看出每個測點的位移變化趨勢。以上周期性測量，都是在中心機房內通過GeoMOS軟件提前設定好測量程序，然后遠程開啟觀測房的電動卷簾，同時激活TM50測量機器人，剩下的觀測工作全部交由機器人按照設定程序自動完成，實現(xiàn)自動觀測，降低了觀測人員的工作強度，提高了觀測精度和實時性。

3?數(shù)據處理與成果分析

3.1?數(shù)據處理及測站穩(wěn)定性分析

（1）數(shù)據處理。采用GeoMOS軟件中多測回測量處理模塊以及相應平差軟件對28個監(jiān)測點進行坐標計算，計算成果直接寫入數(shù)據庫。

（2）測站點位置穩(wěn)定性分析。自由設站后測出基準點J1的坐標，然后以J1為定向點，觀測基準點J2各期觀測坐標并與首次觀測值比較，上下游水平位移ΔX絕對最大值為0.8 mm，左右岸水平位移ΔY絕對最大值為0.6 mm，垂直位移ΔS最大值為1.0 mm。由此可知，J1、J2兩個基準點位置穩(wěn)定，自由設站精度較高，能滿足大壩表面變形監(jiān)測精度要求。

3.2?觀測成果分析

隨著測量周期的逐漸延長，測點的測量數(shù)據越來越多，現(xiàn)以2019年4月—2019年10月為例，以B1～B8這一排監(jiān)測點為具體對象，GeoMOS軟件采集數(shù)據經過整編后給出的測點順河向變形情況如圖6所示?？梢钥闯?，位于壩頂位置的測點B1位移較大，尤其是X軸（上下游水平位移）方向的位移更加明顯。隨著測點遠離壩頂，其位移逐步減小，全部監(jiān)測點的位移變化值都保持在0.5 mm左右，與前期人工觀測結果相符，符合土石壩變形的一般規(guī)律，比較準確地反映了陸渾水庫大壩的實際變形情況。由于垂直位移觀測精度大于1.0 mm，不滿足土石壩安全監(jiān)測技術規(guī)范要求，因此陸渾水庫大壩沉降測量采用電子水準儀徠卡DNA03來完成，測量成果直接導入大壩安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)，實現(xiàn)自動分析與預警[13]。

4?結?論

結合河南省陸渾水庫大壩實際，開展了土石壩表面變形自動監(jiān)測系統(tǒng)方案設計、系統(tǒng)實施及觀測資料可靠性分析，發(fā)現(xiàn)臨近壩頂?shù)臏y點B1位移較大，隨著測點遠離壩頂，其位移逐步減小，全部監(jiān)測點的水平位移都保持在0.5 mm左右，與前期人工觀測結果相符，符合土石壩變形的一般規(guī)律，比較準確地反映了陸渾水庫大壩的實際變形情況。相比傳統(tǒng)的人工觀測方法，效率和精度都得到了顯著的提高，而且極大地降低了測量人員的內、外業(yè)工作量。垂直位移由于觀測精度大于1.0 mm，不滿足規(guī)范要求，需要采用電子水準儀徠卡DNA03進行監(jiān)測，通過將測量成果導入大壩安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)，實現(xiàn)自動分析與預警。該系統(tǒng)能夠實時掌握大壩各測點的表面變形情況，為大壩安全運行提供技術保障，也可為同類型大壩的變形自動監(jiān)測提供借鑒。

參考文獻：

[1]?中華人民共和國水利部.土石壩安全監(jiān)測技術規(guī)范：SL 551—2012[S].北京：中國水利水電出版社，2012：55-58.

[2]?楊超，王豪威. TM50全站儀在電廠水平位移監(jiān)測中的應用研究[J].經緯天地， 2017（4）：45-49.

[3]?王豪威，陳慧建，李云濤.基于邊角后方交會的電廠變形監(jiān)測應用研究[J].現(xiàn)代測繪，2016（1）：33-35.

[4]?孫華芬.尖山磷礦邊坡監(jiān)測及預測預報研究[D].昆明：昆明理工大學，2014：60-65.

[5]?張維.徠卡全站掃描儀MS50在變形監(jiān)測中的應用[J].測繪通報，2014（6）：131-132.

[6]?王洪.徠卡TS30超高精度全站儀在變形監(jiān)測中的應用[J].遼寧工程技術大學學報（自然科學版），2015，34（3）：401-404.

[7]?管真，黃聲享，賈桂寶.全站掃描儀在地表變形監(jiān)測中的應用研究[J].北京測繪， 2017（增刊1）：181-185.

[8]?吉曉輝.高精度高穩(wěn)定性全站儀自動化監(jiān)測技術研究[J].鐵道勘察，2017（6）：27-30.

[9]?楊浩.全站儀任意坐標系三維變形監(jiān)測方法[J].測繪地理信息， 2017，42（1）：61-64，68.

[10]?王舉，張成才.基于三維激光掃描技術的土石壩變形監(jiān)測方法研究[J].巖土工程學報，2014，36（12）：2345-2350.

[11]?馬福恒，李子陽，胡江.土石壩安全監(jiān)控與預警技術及應用[M].南京：河海大學出版社，2016：12.

[12]?李子陽，馬福恒，程改芳.河南省陸渾水庫大壩安全綜合評價報告[R].南京：南京水利科學研究院，2015：12.

[13]?馬福恒，劉小軍，程改芳，等.河南省陸渾水庫大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)改造完善方案[R].北京：水利部大壩安全管理中心，2018：5.

【責任編輯?張?帥】