羅文標 LUO Wen-biao

（中國水利水電第八工程局有限公司，長沙 410000）

0 引言

GPS 是最早投入使用的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)，是一種基于人造衛(wèi)星的無線電導航定位系統(tǒng)，主要由空間、地面監(jiān)控與用戶設備三大部分組成，可為全球各區(qū)域提供準確的地理位置及時間信息。相比于傳統(tǒng)的監(jiān)測手段，如水準測量等，GPS 具有全天候工作、監(jiān)測點間無需通視、自動高效等優(yōu)點。近年來，由于技術的提升和人們對于大壩使用壽命的要求，GPS 在大壩變形監(jiān)測領域的使用越來越廣泛，加強相關研究具有重要意義。

1 大壩變形監(jiān)測發(fā)展概述

大壩變形監(jiān)測技術隨著大壩建造工藝的發(fā)展以及人們對大壩安全的需要變化而發(fā)展進步，大致可以分成早期階段、發(fā)展階段和成熟階段這三個階段。

①19 世紀末之前是早期階段。建造大壩的材料大多為泥土和石料，由于缺乏必要的技術手段和科學指導，人們只能憑借肉眼對大壩的變形進行觀察和感知。

②19 世紀末到20 世紀50 年代末是發(fā)展階段。壩工理論慢慢的形成了一個體系，世界上很多國家開始使用混凝土來建造大壩，各個國家也相繼開展大壩變形監(jiān)測。變形監(jiān)測得到了初步的重視，由此大多數混凝土壩都安裝上了測壓管用來監(jiān)測揚壓力；三角測量法、精密水準法和視準線法被用于測定大壩的水平位移和徑向位移；之后又將垂線法用來觀測大壩撓曲和將靜力水準法用來觀測大壩傾斜。1950 年后，大壩變形監(jiān)測已經形成一套完整的體系，光學、電測和機械相關的方法被廣泛運用到監(jiān)測儀器中，讓大壩的各種監(jiān)測項目都有了相對應的儀器。工作人員獲得了大量的監(jiān)測數據，并將實測值與設計值、實測值與模型試驗進行了對比。壩基揚壓力、拱壩試驗荷載法、計算方法等設計計算方法也已得到觀測數據的驗證和推廣。

③20 世紀60 年代后是成熟階段。新建的高壩和大型水庫的數量正在迅速增加，在復雜的地形和地質條件下，許多大壩建筑出現了一些新的結構形式和新的施工方法。大壩建設對大壩監(jiān)測提出了更高的要求。在這一階段，大壩的監(jiān)測對象由壩體和壩基的淺部擴展到壩基的深部和壩區(qū)附近更寬的區(qū)域。對地基、橋臺、岸坡的監(jiān)測越來越受到重視，出現了多點位移儀、滑動測斜儀等新型儀器對深部巖體變形進行監(jiān)測，逐步取代人工觀測儀器，測量技術向半自動儀器、更高水平和自動化發(fā)展。

現如今，GPS 技術在我國的應用范圍越來越廣，主要在導航以及定位過程中得到了主要應用，同時在開展一些精密性較高的工作時，GPS 技術的使用可有效提高工程變形測量的工作效率以及工作質量，本文著重圍繞GPS 在水電站壩體變形監(jiān)測中的應用展開分析。

2 GPS 在水電站壩體變形監(jiān)測中的應用價值

2.1 變形監(jiān)測要求

大壩變形監(jiān)測的主要項目有：大壩垂直位移，大壩平面位移，撓曲，傾斜，基巖變形和滑坡變形等。由于不同大壩之間存在著諸如材料、尺寸、結構和所處地的地形地質條件等多種不同，管理人員應根據大壩的具體情況和觀測需求選擇需要進行觀測的項目。對于不同的監(jiān)測目標，變形監(jiān)測的精度要求有所區(qū)別，對于混凝土大壩的變形，《混凝土大壩安全監(jiān)測技術規(guī)范》中的要求如表1 所示。

表1 混凝土大壩變形監(jiān)測精度要求

傳統(tǒng)變形監(jiān)測技術采用經緯儀、水準儀、測距儀、全站儀測定點的變形值，其優(yōu)點是能夠提供變形體整體的變形狀態(tài)，適用于不同的監(jiān)測精度要求、不同形式的變形體和不同的監(jiān)測環(huán)境，可以提供絕對變形信息；缺點是外業(yè)工作量大，布點受地形條件影響，不易實現自動化監(jiān)測。GPS（全球定位系統(tǒng)）自動化監(jiān)測優(yōu)點是測站間無需保持通視，可同時測定點的三維位移，全天候觀測，易于實現全系統(tǒng)的自動化，可以獲得mm 級精度；缺點是測站周圍的環(huán)境要求高度角15°以上不允許存在成片的障礙物，無強信號干擾源，測站周圍也不允許有大的信號反射物，觀測墩和控制點要穩(wěn)定。

2.2 GPS 應用價值

GPS 在水電站壩體變形監(jiān)測中的應用價值主要歸納為以下兩點：

①應用范圍廣，測量精確度高。在變形監(jiān)測過程中，GPS 技術的使用解決了傳統(tǒng)監(jiān)測方式中數據處理分析難度高以及觀測方法復雜的困難，由此得到了廣泛應用，如：在滑坡工程中使用GPS 進行全方位變形監(jiān)測，可全面掌握滑坡的整體活動情況，明確滑坡的變形規(guī)律、變形程度以及發(fā)育情況；在大壩位移監(jiān)測過程中，GPS 技術的使用可有效提高監(jiān)測速度，受外界影響較小，同時其準確度較高，同時可不間斷對大壩不同監(jiān)測點位進行移動監(jiān)測，幫助工作人員快速、準確地掌握對大壩三維位移規(guī)律；大壩變形監(jiān)測過程中，GPS 技術的使用可對海上、蓋層以及地面等部位進行監(jiān)測，從而保證大壩的安全性。

②自動化連續(xù)監(jiān)測，保障大壩安全運行。利用GPS 技術進行大壩變形測量時，相關工作人員只需要在基準站以及監(jiān)測站中安裝GPS 接收機，GPS 便會開展自動化地連續(xù)性監(jiān)測，而通過GPS 變形監(jiān)控在線實時分析系統(tǒng)可對獲取到的監(jiān)測數據信息進行及時分析并研究，從而判斷變形現狀的實際情況。對于大壩變形監(jiān)測工作來說，采用GPS 自動化監(jiān)測可不受地域限制隨時掌握壩體的運行情況、危險源動態(tài)、監(jiān)測預警信息，當危險源預警時，可通過手機接收預警信息。通過綜合監(jiān)管系統(tǒng)分析壩體實時數據，全面、及時、準確了解各項監(jiān)測點情況，在突發(fā)情況下，及時指揮應急處置與救援。

3 實例探析GPS 在水電站壩體變形監(jiān)測中的應用

3.1 項目背景

某水庫為供水、攔沙兼顧灌溉等綜合利用的大（2）型水庫，水庫樞紐主要建筑物由攔河壩、導流泄洪洞、溢洪道、引水發(fā)電洞、壩后電站等五部分組成。利用現代信息采集、自動控制、GPS 監(jiān)測等技術，建成了先進實用、高效可靠、覆蓋庫區(qū)大壩及基礎、引水發(fā)電洞和導流泄洪洞、電站基礎、溢洪道等建筑物及各樞紐建筑物邊坡的水利樞紐工程安全監(jiān)測系統(tǒng)（圖1），實現了各樞紐建筑物施工期和運行期的表面變形、沉降、內部變形、滲流、應力應變、庫區(qū)泥沙淤積等工情信息采集存儲自動化、信息傳輸處理網絡化、數據處理分析智能化，為水庫各樞紐工程的安全運行提供了可靠的保障。

圖1 水利樞紐工程安全監(jiān)測系統(tǒng)

3.2 GPS 在壩體變形監(jiān)測中的應用

3.2.1 變形監(jiān)測過程

壩體變形監(jiān)測過程要可以分為5 步：

①監(jiān)測設計：設計人員在清楚了解了壩區(qū)自然地理情況和地質情況、大壩主要功能及結構等信息的基礎上，設計出完整、可靠、先進、經濟的監(jiān)測方案；

②設備的選購：根據設計的要求選擇精度可靠、穩(wěn)定耐久、防潮性能強的的儀器設備；

③設備埋設安裝：對設備進行檢驗、率定和配套驗收后嚴格按照設計進行施工；

④現場觀測與檢查；

⑤資料整編與分析。

3.2.2 變形監(jiān)測應用

本項目壩體壩變形監(jiān)測GPS 系統(tǒng)由監(jiān)測單元、數據網絡、輔助裝置組成，具體應用如下：

①監(jiān)測單元設置。本項目GPS 傳感器系統(tǒng)由樞紐區(qū)監(jiān)測控制網、大壩壩體、溢洪道、導流泄洪洞進口高邊坡、導流泄洪洞出口高邊坡、電站高邊坡等監(jiān)測單元組成，負責大壩位移監(jiān)測點數據采集，選用上海華測公司的X60MGPS 設備共計101 個位移監(jiān)測點和1 個GPS 參考站。GPS 參考站是大壩表面位移監(jiān)測的基準框架，長期連續(xù)跟蹤觀測衛(wèi)星信號，通過數據通訊網絡實時傳輸GPS觀測數據到控制中心，并實時為各監(jiān)測站提供高精度的載波相位差分數據及起算坐標。

在大壩監(jiān)測部位合理布設GPS 監(jiān)測點，具體如下：

1）內部變形監(jiān)測：壩0+091.00、壩0+168.00、壩0+240.00、壩0+302.00、壩0+370.00 的壩下6m 分別布設5個壩體內部沉降監(jiān)測點，壩0+096.00、壩0+171.00、壩0+237.00、壩0+297.00、壩0+366.00 的壩下6m 分別布設5個壩體內部水平位移監(jiān)測點，在大壩填筑到壩頂高程，鉆孔埋設測斜管，測斜管內安裝固定式測斜儀，共計60 支，監(jiān)測大壩壩體內部垂直于壩軸線方向不同高程的水平位移量。

2）表面變形監(jiān)測：樞紐區(qū)監(jiān)測控制網建設水平位移監(jiān)測控制點20 個，垂直位移監(jiān)測控制點12 個（其中3 個為雙金屬管標）；大壩表面變形監(jiān)測點33 個，溢洪道、溢洪道高邊坡變形觀測點16 個，導流泄洪洞進口高邊坡變形觀測點10 個，導流泄洪洞出口邊坡變形觀測點6 個，電站高邊坡變形觀測點4 個。

②傳輸網絡。

利用大壩布設的光纖通信鏈路，將GPS 及其他監(jiān)測傳感器數據傳輸至控制中心。各級遠程監(jiān)控終端實時接收從現地監(jiān)測/監(jiān)控站采集到的各類實時信息，應用系統(tǒng)進行監(jiān)視、分析、處理，及時做出相應決策；有權限用戶可以在大壩安全監(jiān)控管理中心及上級管理單位監(jiān)控終端進行控制；工作人員可在現場設置各種自動安全監(jiān)測儀器采集信息量、采集次數。

③輔助裝置。

控制中心UPS 供電；GPS 監(jiān)測站、參考站供電方式選用太陽能供電和交流供電兩種方式相互結合，提高系統(tǒng)可靠性；防雷系統(tǒng)，距觀測墩3m~3.5m 處安裝避雷針，建設地網，接地電阻小于10Ω；室外設備必須統(tǒng)一放在機柜。監(jiān)測整個系統(tǒng)的軟件和硬件運行狀況，一旦某個監(jiān)測站出現死機現象，系統(tǒng)馬上通過數據信號觸發(fā)方式實現接收機自動重啟；監(jiān)控站的監(jiān)控精度范圍可設置1mm~1cm；記錄原始數據，可任意截取其中部分數據并對原始數據解算回放，實時的數據采集的延遲不大于1s；通過短信、電子郵件等方式進行報警，可對監(jiān)控點進行頻域和時域分析，7×24h 持續(xù)可靠工作。

3.2.3 變形監(jiān)測情況

本系統(tǒng)在正常觀測期內獲得的監(jiān)測數據連續(xù)、可靠，水庫開始蓄水以來,各類監(jiān)測儀器的穩(wěn)定運行,為工程的安全管理與決策提供了重要的數據資料。

4 結語

綜上所述，隨著GPS 技術的逐漸成熟，GPS 測量技術已經在各種變形監(jiān)測中得到廣泛應用。水電站壩體變形監(jiān)測工作中，主要采取固定連續(xù)GPS 測站陣列的方式，構建永久性GPS 觀測站實現連續(xù)觀測，并將觀測到的數據信息傳輸到數據處理中心對其進行處理，由此實現對大壩形變的準確識別，為施工及維護提供有效意見，保證大壩安全可靠運行。