何時(shí)建

(福建潤閩工程顧問有限公司，福州 350001)

1 工程概況

福建省溪源水庫大壩位于溪源溪上游，水庫為下游福州地區(qū)大學(xué)新校區(qū)及福州高新區(qū)等 60多萬人提供防洪防澇的安全保護(hù)，水庫主要功能是防汛為主，兼后期的供水，地位和作用十分重要。溪源水庫大壩為砌石雙曲拱壩，最大壩高68.8m，壩頂長度237.4m，庫容2428萬m3，主汛期防洪庫容1323萬m3，正常水位97.0m，屬年調(diào)節(jié)、中型、山谷型水庫。水庫設(shè)計(jì)供水規(guī)模為7萬t/d。目前的大壩安全狀態(tài)良好，但也存在大壩左岸繞壩滲流明顯、地處多雷暴區(qū)面臨雷擊風(fēng)險(xiǎn)危害大等問題，現(xiàn)有人工觀測(cè)的壩體表面位移、自動(dòng)觀測(cè)的繞壩滲流監(jiān)測(cè)、壩肩滲漏量監(jiān)測(cè)等，基本滿足大壩安全監(jiān)測(cè)需要。

針對(duì)溪源水庫安全運(yùn)行工作實(shí)際需要，溪源水庫大壩安全智能監(jiān)測(cè)項(xiàng)目對(duì)大壩安全位移監(jiān)測(cè)項(xiàng)目進(jìn)行增補(bǔ)，對(duì)大壩安全的核心觀測(cè)項(xiàng)目位移監(jiān)測(cè)，采用測(cè)量機(jī)器人 與GNSS 結(jié)合的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)方式，達(dá)到自動(dòng)采集和實(shí)時(shí)處理，并進(jìn)行分析和實(shí)時(shí)預(yù)警。

2 原有大壩位移監(jiān)測(cè)概況

大壩長度237m，壩頂目前已布設(shè)水庫位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)和沉降位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)各4個(gè)。原大壩壩體位移監(jiān)測(cè)任務(wù)由管理處委托專業(yè)測(cè)繪單位，采用全站儀人工觀測(cè)，每個(gè)月觀測(cè)1次，觀測(cè)時(shí)間挑選天氣較好的時(shí)段。而對(duì)于臺(tái)風(fēng)、洪水、夜間等不良工況和不利天氣條件，往往無法得到及時(shí)的壩體表面位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，影響對(duì)大壩安全狀態(tài)的及時(shí)掌握。因此對(duì)壩體表面位移監(jiān)測(cè)項(xiàng)目進(jìn)行自動(dòng)化改造十分必要。

綜合原觀測(cè)資料分析，壩體水平位移向左右岸變化的幅度較小，但受水位、溫度影響，向下游最大位移32.5mm，向上游最大位移變化4.6mm，呈現(xiàn)季節(jié)性的規(guī)律性，壩體垂直位移受溫度的影響較明顯，呈現(xiàn)夏季上浮，冬季下沉季節(jié)性的規(guī)律，變化幅度±7mm 以內(nèi)(大壩下沉最大6.7mm，上浮最大4.7mm)。

3 大壩位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的自動(dòng)化改造情況

大壩壩體位移的自動(dòng)化改造方案采用 GNSS 和測(cè)量機(jī)器人兩種自動(dòng)化監(jiān)測(cè)方案。GNSS 具有全天候工作優(yōu)勢(shì)，雖然其監(jiān)測(cè)精度(水平位移監(jiān)測(cè)精度2.5mm+0.5PPM)略顯不足(規(guī)范要求精度2.0mm)，但目前技術(shù)能夠很好識(shí)別相對(duì)位移， 對(duì)于溪源水庫大壩的最大32.5mm的位移量，GNSS 能夠監(jiān)測(cè)到其變化趨勢(shì)，特別是GNSS能夠在惡劣天氣、在夜間下進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)頻次可以很高，對(duì)不利天氣情況下的大壩安全判別以及在極端情況下的下游預(yù)警與人員疏散有著不可代替的作用。測(cè)量機(jī)器人監(jiān)測(cè)精度較高，可以彌補(bǔ) GNSS 的監(jiān)測(cè)精度的不足，但其監(jiān)測(cè)易受天氣、晝夜影響。綜合兩種監(jiān)測(cè)方法的優(yōu)勢(shì)，采用 GNSS 和測(cè)量機(jī)器人兩種自動(dòng)化監(jiān)測(cè)方案，兩種方法互補(bǔ)不足，相互驗(yàn)證，可以滿足壩體表面位移自動(dòng)化監(jiān)測(cè)需求，并為智能研判提供必要數(shù)據(jù)，為GNSS全天候觀測(cè)手段在日常監(jiān)測(cè)中是否能夠替換測(cè)量機(jī)器人做些探索性的研究。

3.1 GNSS監(jiān)測(cè)方案情況

GNSS作為當(dāng)今最先進(jìn)的定位手段之一，采用GNSS自動(dòng)化監(jiān)測(cè)方式對(duì)壩體表面位移進(jìn)行實(shí)時(shí)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，其工作原理為：各GNSS監(jiān)測(cè)點(diǎn)與參考點(diǎn)接收機(jī)實(shí)時(shí)接收GNSS信號(hào)，并通過數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)發(fā)送到控制中心，控制中心服務(wù)器GNSS數(shù)據(jù)處理軟件實(shí)時(shí)差分解算出各監(jiān)測(cè)點(diǎn)三維坐標(biāo)，數(shù)據(jù)分析軟件獲取各監(jiān)測(cè)點(diǎn)實(shí)時(shí)三維坐標(biāo)，并與初始坐標(biāo)進(jìn)行對(duì)比而獲得該監(jiān)測(cè)點(diǎn)變化量，同時(shí)分析軟件根據(jù)事先設(shè)定的預(yù)警值而進(jìn)行報(bào)警。GNSS表面位移點(diǎn)均可以和當(dāng)?shù)氐淖鴺?biāo)系進(jìn)行聯(lián)測(cè)，所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)均可以轉(zhuǎn)換為當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)。

1)監(jiān)測(cè)布置：

GNSS設(shè)備共布置6套，GNSS基準(zhǔn)站選擇在四周開闊，無信號(hào)干擾的基巖處，為控制精度和整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)2個(gè)基準(zhǔn)站，主基準(zhǔn)站G1，布置在管理房附近的基巖上，副基準(zhǔn)站G2，布置在大壩左岸下游路邊的基巖上，在大壩壩頂原有的溢洪道左右邊墩上的人工監(jiān)測(cè)點(diǎn)附近布設(shè)2個(gè)GNSS監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)編號(hào)分別為G4、G5，用來監(jiān)測(cè)沉降和位移變化，點(diǎn)位布設(shè)的原則是能跟人工進(jìn)行校核，又能最大特征的監(jiān)測(cè)變化。壩頂2個(gè)GNSS監(jiān)測(cè)點(diǎn)G3、G6，分別布置在左右兩拱中部。

圖1 壩體位移設(shè)備布置圖

2)監(jiān)測(cè)設(shè)備：

主要監(jiān)測(cè)設(shè)備為高精度GNSS+扼流圈天線以及配套的解析軟件。

圖2 GNSS安裝示意圖

3)通訊方式：

采用無線(4G)和光纖通信的兩種互為備用的形式，將壩體表面位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸至調(diào)度中心,從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)目的。采用4G無線通信在滿足大壩安全監(jiān)測(cè)需求的情況下，GNSS系統(tǒng)的采樣頻率可以設(shè)定。

4)系統(tǒng)軟件：

該系統(tǒng)采用GNSS自動(dòng)化監(jiān)測(cè)方式對(duì)壩頂表面位移進(jìn)行實(shí)時(shí)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，其工作原理為：各GNSS監(jiān)測(cè)點(diǎn)與參考點(diǎn)接收機(jī)實(shí)時(shí)接收GNSS信號(hào)，并通過數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)發(fā)送到控制中心，控制中心服務(wù)器GNSS數(shù)據(jù)處理軟件實(shí)時(shí)差分解算出各監(jiān)測(cè)點(diǎn)三維坐標(biāo)，數(shù)據(jù)分析軟件獲取各監(jiān)測(cè)點(diǎn)實(shí)時(shí)三維坐標(biāo)，并與初始坐標(biāo)進(jìn)行對(duì)比而獲得該監(jiān)測(cè)點(diǎn)變化量，同時(shí)分析軟件根據(jù)事先設(shè)定的預(yù)警值而進(jìn)行報(bào)警并把實(shí)時(shí)三維坐標(biāo)推送到系統(tǒng)總平臺(tái)。

3.2 測(cè)量機(jī)器人監(jiān)測(cè)方案情況

1)設(shè)備：

設(shè)備選用測(cè)量機(jī)器人，自動(dòng)全站儀系統(tǒng)，由監(jiān)測(cè)機(jī)器人全站儀、精密棱鏡組、溫度氣壓傳感器、通訊設(shè)備等組成。而軟件主要由專業(yè)監(jiān)測(cè)軟件組成，上述硬件和軟件再配上現(xiàn)場(chǎng)安裝的監(jiān)測(cè)棱鏡，構(gòu)成了一套外業(yè)和內(nèi)業(yè)結(jié)合、測(cè)量與通訊配套的自動(dòng)化實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)體系。

圖3 測(cè)量機(jī)器人

2)測(cè)量機(jī)器人全站儀的工作原理：

測(cè)量機(jī)器人全站儀的工作原理，見圖4。

圖4 測(cè)量機(jī)器人全站儀的工作原理圖

3)監(jiān)測(cè)布置：

測(cè)量機(jī)器人TR1布置在原右岸測(cè)量工作基點(diǎn)，加蓋右岸觀測(cè)房1座。左岸控制點(diǎn)TR2利用原左岸測(cè)量工作基點(diǎn)。壩頂布置7個(gè)觀測(cè)墩TR3-TR9(其中4個(gè)利用原人工觀測(cè)墩，新增3個(gè)觀測(cè)墩)；壩后人行橋上游側(cè)新增3個(gè)觀測(cè)墩TR10-TR12 ，具體布置情況詳見圖1 。

4)通訊設(shè)備：

結(jié)合大壩的現(xiàn)場(chǎng)條件和監(jiān)測(cè)需求，選擇采用光纖的有線通訊方式，最大程度地保障了數(shù)據(jù)的安全性和可靠性。

5)軟件：

測(cè)量機(jī)器人采用專業(yè)的監(jiān)測(cè)軟件，支持?jǐn)?shù)據(jù)分析和處理，主要包含控制和分析兩個(gè)基本模塊，控制模塊可以遠(yuǎn)程控制全站儀的測(cè)量動(dòng)作，同時(shí)，對(duì)于監(jiān)測(cè)機(jī)器人實(shí)時(shí)測(cè)量的點(diǎn)位數(shù)據(jù)，可以進(jìn)行及時(shí)的傳輸和處理，并分析出監(jiān)測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)變化，據(jù)此得到這些監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移趨勢(shì)，并且可以圖形化的展示。如果某個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移變化超過了事先設(shè)定的安全閥值，就會(huì)發(fā)出預(yù)警信息并推送實(shí)時(shí)測(cè)量的點(diǎn)位數(shù)據(jù)到系統(tǒng)總平臺(tái)。

4 大壩位移觀測(cè)自動(dòng)化試運(yùn)行情況

2021年8月， 經(jīng)有相關(guān)資質(zhì)單位對(duì)福建省溪源水庫大壩安全智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)功能性和性能效率測(cè)試，經(jīng)測(cè)試本系統(tǒng)符合GB/T 系統(tǒng)與軟件工程系統(tǒng)與軟件質(zhì)量要求和評(píng)價(jià)的要求，開始投入試運(yùn)行。大壩壩頂特征觀測(cè)點(diǎn)測(cè)量機(jī)器人測(cè)點(diǎn)TR6和GNSS測(cè)點(diǎn)G4位移數(shù)據(jù)和相對(duì)誤差值匯總見表1。

表1 大壩壩頂特征觀測(cè)點(diǎn)測(cè)量機(jī)器人測(cè)點(diǎn)TR6和GNSS測(cè)點(diǎn)G4位移數(shù)據(jù)和相對(duì)誤差值匯總表

續(xù)表1

特征觀測(cè)點(diǎn)測(cè)量機(jī)器人測(cè)點(diǎn)TR6和GNSS測(cè)點(diǎn)G4在壩頂同一位置，根據(jù)2021年9月至2022年3月近7個(gè)月在同一時(shí)間段的位移觀測(cè)數(shù)據(jù)和相對(duì)誤差值可以看出：測(cè)量機(jī)器人和GNSS的大壩位移觀測(cè)數(shù)據(jù)基本吻合，其趨勢(shì)、變幅、變化規(guī)律和周期接近，兩組數(shù)據(jù)最大誤差值：Ex=mm ； Ey =mm；EZ=mm，最小誤差值：Ex =mm；Ey= mm E= mm，誤差平均值 Ex=0.mm ；Ey=0.mm；E=0.mm，滿足溪源水庫大壩安全監(jiān)測(cè)和自動(dòng)化改造要求。

5 結(jié) 語

經(jīng)改造后溪源水庫大壩位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，GNSS、測(cè)量機(jī)器人自動(dòng)化兩個(gè)系統(tǒng)同時(shí)運(yùn)行，相輔相成。運(yùn)行期間各設(shè)備運(yùn)行正常，智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相對(duì)穩(wěn)定，GNSS、測(cè)量機(jī)器人自動(dòng)化監(jiān)測(cè)大大提升大壩安全管理自動(dòng)化水平，系統(tǒng)取長補(bǔ)短、相互驗(yàn)證，提高了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性。溪源水庫大壩是省防洪重點(diǎn)中型水庫，做好溪源水庫大壩的智慧安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，既有保證福州地區(qū)大學(xué)新校區(qū)防洪安全的巨大現(xiàn)實(shí)效益，也有引領(lǐng)示范全省水庫大壩加強(qiáng)安全管理的社會(huì)效益和行業(yè)效益。