（山西省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司 山西太原030024）

1 監(jiān)測對象及必要性

橫泉水庫是山西省基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的一項(xiàng)重點(diǎn)工程，是一座以城市生活和工業(yè)供水、農(nóng)業(yè)灌溉為主，兼顧防洪、發(fā)電等綜合利用的中型水庫。大壩為碾壓式均質(zhì)土壩。最大壩高36.70 m，壩頂寬6 m，壩頂長962 m。

橫泉水庫飲用水水源環(huán)境信息系統(tǒng)工程是借助計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)手段，實(shí)現(xiàn)水量科學(xué)調(diào)配，達(dá)到水資源優(yōu)化調(diào)度的目的。該系統(tǒng)工程主要包括大壩安全監(jiān)測、水質(zhì)監(jiān)測、閘門自動監(jiān)控等內(nèi)容。

其中大壩安全監(jiān)測的建設(shè)尤為重要，為了實(shí)時(shí)了解大壩表面變形的情況，需建立大壩表面變形自動監(jiān)測系統(tǒng)，這對于合理開發(fā)利用橫泉水庫的水資源，監(jiān)測水庫工程運(yùn)行狀況，保護(hù)飲用水水源地是十分必要的?，F(xiàn)就大壩表面位移變形自動監(jiān)測系統(tǒng)展開敘述。

2 大壩表面位移變形自動監(jiān)測系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)現(xiàn)狀

目前大壩表面位移變形觀測主要采用人工觀測，工作量繁重且可靠性低。大壩外觀變形監(jiān)測對觀測人員的要求較高，需要具備一定的專業(yè)知識，而目前水庫運(yùn)行人員中缺乏專業(yè)人員，觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量較低。這樣不論是巡檢的次數(shù)、覆蓋面，還是準(zhǔn)確性，都不能完全滿足工程運(yùn)行的嚴(yán)格要求。

2.2 建設(shè)內(nèi)容與要求

1）擬在調(diào)度中心對大壩內(nèi)外部安全監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并分析，監(jiān)測數(shù)據(jù)同時(shí)同步至調(diào)度中心。

2）建立完善大壩外部自動監(jiān)測系統(tǒng)。

2.3 大壩表面位移變形監(jiān)測方法可行性分析比選

目前，適合土石壩表面形變的自動化監(jiān)測方法主要有GNSS 自動化監(jiān)測系統(tǒng)、高精度智能全站儀自動化監(jiān)測系統(tǒng)，下面分析兩種系統(tǒng)對于橫泉水庫大壩自動化監(jiān)測的可行性。

1）GNSS 自動化監(jiān)測系統(tǒng)

該系統(tǒng)是基于GNSS 動態(tài)測量技術(shù)建立而成的一種自動化監(jiān)測系統(tǒng)[1]，主要由基準(zhǔn)站、監(jiān)測站、通訊系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)管理處理分析軟件組成。由于GNSS 測量技術(shù)可進(jìn)行全天時(shí)、實(shí)時(shí)、連續(xù)的觀測，因而被廣泛用于橋梁、滑坡、邊坡、水利大壩等監(jiān)測中。

系統(tǒng)監(jiān)測時(shí)，在基準(zhǔn)站和監(jiān)測點(diǎn)上安裝GNSS 接收機(jī)和天線，在監(jiān)控中心安裝計(jì)算機(jī)，所有測站均可由220V 直接供電，也可由太陽能供電，通訊系統(tǒng)可選擇電臺、無線、移動通訊、通訊電纜等方式。監(jiān)測時(shí)，可在監(jiān)測軟件上設(shè)置觀測周期、觀測頻率、質(zhì)量控制參數(shù)等觀測設(shè)置，然后系統(tǒng)按照設(shè)置通過通訊電纜控制GNSS 接收機(jī)進(jìn)行自動化監(jiān)測，最終所有監(jiān)測數(shù)據(jù)信息再由通訊電纜實(shí)時(shí)傳回計(jì)算機(jī)，由監(jiān)測軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析后形成監(jiān)測成果存儲發(fā)布，監(jiān)測全過程可實(shí)現(xiàn)全天時(shí)全天候無人值守連續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測。相對全站儀自動化監(jiān)測系統(tǒng)而言，雖然該系統(tǒng)具有無需監(jiān)測網(wǎng)點(diǎn)之間通視的突出優(yōu)點(diǎn)，但是由于該系統(tǒng)的基礎(chǔ)平臺GNSS 技術(shù)對衛(wèi)星可見性和幾何位置有著較高要求，而水利大壩往往建于高山峽谷中，衛(wèi)星遮擋較為嚴(yán)重，同時(shí)由于所有監(jiān)測網(wǎng)點(diǎn)上都需安裝1 臺GNSS 設(shè)備，費(fèi)用高昂，這些對該技術(shù)的應(yīng)用都構(gòu)成了較為不利因素。

橫泉水庫監(jiān)測點(diǎn)較多，若用GNSS 自動化監(jiān)測系統(tǒng)，費(fèi)用是全站儀自動化監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)倍。因此，GNSS 自動化監(jiān)測系統(tǒng)對于橫泉水庫大壩監(jiān)測而言，適用性相對較低。

2）高精度智能全站儀自動化監(jiān)測系統(tǒng)

高精度智能全站儀是一種集自動目標(biāo)識別、自動照準(zhǔn)、自動測角與測距、自動目標(biāo)跟蹤、自動記錄于一體的測角精度不低于0.5’’、測距精度不低于1 mm+1 ppm 的全站儀，又稱測量機(jī)器人[2]。該類全站儀既可按照內(nèi)設(shè)程序自動觀測，也可通過通訊電纜與計(jì)算機(jī)連接，由計(jì)算機(jī)軟件遠(yuǎn)程控制觀測，為遠(yuǎn)程自動化監(jiān)測提供了必要的基礎(chǔ)平臺。從高精度智能全站儀出現(xiàn)開始至今，已經(jīng)在橋梁、地鐵隧道、基坑、滑坡、邊坡、水利大壩等眾多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

高精度智能全站儀自動化監(jiān)測系統(tǒng)主要由高精度智能全站儀、通訊系統(tǒng)、棱鏡、氣象傳感器、供電系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)管理處理分析軟件組成，系統(tǒng)觀測以及數(shù)據(jù)處理分析以極坐標(biāo)法監(jiān)測為基本原理。應(yīng)用于大壩監(jiān)測時(shí)，將全站儀安裝在帶有觀測墩的觀測房內(nèi)，觀測房附近安裝氣象傳感器，基準(zhǔn)點(diǎn)和監(jiān)測點(diǎn)上安裝棱鏡，在監(jiān)控中心安裝計(jì)算機(jī)，觀測房內(nèi)全站儀可由220 V 直接供電，也可由太陽能供電，通訊系統(tǒng)可選擇電臺、無線、移動通訊、通訊電纜等方式。監(jiān)測時(shí)，可在監(jiān)測軟件上設(shè)置觀測周期、觀測頻率、質(zhì)量控制參數(shù)等觀測設(shè)置，然后系統(tǒng)按照設(shè)置通過通訊電纜控制全站儀進(jìn)行自動化監(jiān)測，并同時(shí)通過氣象傳感器采集氣象參數(shù)，最終所有監(jiān)測數(shù)據(jù)信息再由通訊電纜實(shí)時(shí)傳回計(jì)算機(jī)，由監(jiān)測軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析后形成監(jiān)測成果存儲，并可實(shí)現(xiàn)web 發(fā)布，監(jiān)測全過程可實(shí)現(xiàn)全天時(shí)無人值守連續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測。該系統(tǒng)只需全站儀與基準(zhǔn)點(diǎn)及監(jiān)測點(diǎn)之間能夠通視即可，具有費(fèi)用低、高精度、高可靠性、實(shí)時(shí)、連續(xù)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在大壩變形監(jiān)測中取得了較好的效果。監(jiān)測系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 自動化監(jiān)測系統(tǒng)組成圖

對于橫泉水庫大壩，壩區(qū)視野開闊，電力、通訊均較為方便，雖然壩體相對較長，但是可通過合理布設(shè)測站，便可得到較好監(jiān)測效果，因而，該系統(tǒng)具有更好的適用性。

綜合上述兩種自動化監(jiān)測方法的分析，結(jié)合橫泉水庫大壩監(jiān)測現(xiàn)狀和需求以及前述對現(xiàn)有自動化監(jiān)測系統(tǒng)在橫泉大壩監(jiān)測中的適用性分析，顯而易見，高精度智能全站儀自動化監(jiān)測系統(tǒng)有著較強(qiáng)的適用性，是橫泉水庫大壩自動化監(jiān)測的最佳選擇。

2.4 變形監(jiān)測內(nèi)容

建立基于8 個工作基點(diǎn)和1 臺全站儀為基準(zhǔn)的大壩監(jiān)測局部坐標(biāo)系，根據(jù)現(xiàn)場情況，壩體長960 m，如將全站儀安置在左岸或右岸，觀測距離較長，最遠(yuǎn)的測點(diǎn)接近1 000 m，大多數(shù)測點(diǎn)的距離超過500 m，將嚴(yán)重影響實(shí)際的觀測效果，因此擬在0+505 斷面1 126.9 m 高程馬道處于建立全站儀觀測墩，該位置到各點(diǎn)的距離適中，較為適合。

在壩體表面原有基準(zhǔn)點(diǎn)和監(jiān)測點(diǎn)上安裝帶有精密基座的棱鏡，這樣監(jiān)測軟件可以通過光纖等手段遠(yuǎn)程控制全站儀（精密測量機(jī)器人）進(jìn)行連續(xù)自動監(jiān)測、實(shí)時(shí)采集、分析、處理監(jiān)測數(shù)據(jù)并直接形成數(shù)據(jù)報(bào)表等功能，實(shí)現(xiàn)大壩變形位移監(jiān)測的無人值守、同時(shí)還可以遠(yuǎn)程控制的24 h 連續(xù)自動監(jiān)測（以大壩水平位移監(jiān)測為主，并兼顧壩體沉降監(jiān)測）。

主要包括：壩體變形監(jiān)測點(diǎn)，壩左、右岸基準(zhǔn)點(diǎn)，監(jiān)測房及觀測墩，測量機(jī)器人和供電及數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、遠(yuǎn)程控制中心（安裝自動監(jiān)測軟件）。

2.5 變形監(jiān)測測點(diǎn)設(shè)置

橫泉水庫大壩表面位移變形觀測包括壩面沉降觀測和壩面水平觀測。外部變形觀測橫斷面共布置9個，斷面樁號分別為0+250、0+300、0+350 等。觀測縱斷面共設(shè)3 個，均位于壩軸線下游側(cè)。大壩兩岸每排測點(diǎn)的延長線各布置一個起測基點(diǎn)，在下游3 km 范圍內(nèi)布設(shè)3 個水準(zhǔn)基點(diǎn)。總計(jì)共設(shè)測點(diǎn)36 個，這些測點(diǎn)均可以作為水平位移和沉降位移觀測測點(diǎn)。豎向位移采用精密水準(zhǔn)法測量，橫向位移采用視準(zhǔn)線法測量，縱向水平位移采用鋼尺測量。

3 小結(jié)

結(jié)合水庫大壩現(xiàn)狀和需求，為了實(shí)時(shí)了解大壩表面位移變形情況，需建立大壩表面變形自動監(jiān)測系統(tǒng)。通過電子測量技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信及軟件技術(shù)的集成化作業(yè)實(shí)現(xiàn)信息自動化管理，更好地提高監(jiān)測的實(shí)時(shí)性和可靠性，同時(shí)與人工巡視檢查互為補(bǔ)充，通過通信通道將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳和人工巡檢結(jié)果傳至工程監(jiān)測中心，進(jìn)行綜合分析并定期提交工程安檢報(bào)告，為工程安全運(yùn)行提供更好的決策和依據(jù)。