陽(yáng)述輝，韓春峰，麻澤龍，盧 鑫，李洪斌

(1.四川省都江堰水利發(fā)展中心人民渠第一管理處，四川 彭州，611900；2.中電科蓉威電子技術(shù)有限公司，成都，610000；3.四川省水利科學(xué)研究院，成都，610072；4.四川省都江堰水利發(fā)展中心人民渠第二管理處，四川 德陽(yáng)，618000)

0 引言

水庫(kù)大壩外部形變安全監(jiān)測(cè)是水庫(kù)安全監(jiān)測(cè)的主要組成部分，也是保障水庫(kù)正常運(yùn)行的基礎(chǔ)前提，在新時(shí)代的治水矛盾下，如何貫徹落實(shí)“水利工程補(bǔ)短板，水利行業(yè)強(qiáng)監(jiān)管”的水利改革發(fā)展總基調(diào)，優(yōu)先加強(qiáng)水庫(kù)工程的安全運(yùn)行監(jiān)管能力，構(gòu)建天地協(xié)同、點(diǎn)面全時(shí)空覆蓋的水庫(kù)大壩外部形變監(jiān)測(cè)體系尤為重要。

當(dāng)前國(guó)內(nèi)外學(xué)者圍繞水庫(kù)大壩形變監(jiān)測(cè)技術(shù)開(kāi)展了一系列的研究工作[1-2]，也取得了一些重要成果。如姜新元等[3]針對(duì)當(dāng)前大壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)及其應(yīng)用進(jìn)行了研究分析；崔鵬飛等[4]利用GNSS及測(cè)量機(jī)器人兩者間的優(yōu)點(diǎn)，構(gòu)建了枕頭壩一級(jí)水電站自動(dòng)化變形監(jiān)測(cè)通信系統(tǒng)；熊尋安等[5]提出基于北斗/GNSS與INSAR技術(shù)構(gòu)建城市書庫(kù)群壩體表面變形監(jiān)測(cè)體系概念。然而由于我國(guó)多數(shù)水庫(kù)修建年代較為久遠(yuǎn)，沒(méi)有及時(shí)配套水庫(kù)大壩安全監(jiān)測(cè)體系；另一方面水利工程建設(shè)資金相對(duì)匱乏，在規(guī)劃、建設(shè)階段針對(duì)工程安全監(jiān)測(cè)的投入相對(duì)較少，導(dǎo)致絕大多數(shù)水庫(kù)大壩變形歷史監(jiān)測(cè)信息缺失嚴(yán)重。此外，水庫(kù)大壩安全監(jiān)測(cè)采用的技術(shù)手段也較為落后，在新技術(shù)應(yīng)用研究和試驗(yàn)方面相對(duì)滯后。迫切需要在相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的要求下，借鑒其他行業(yè)工程安全監(jiān)測(cè)技術(shù)方法，突破傳統(tǒng)技術(shù)方法和壁壘，構(gòu)建適應(yīng)新時(shí)代水利工程運(yùn)行監(jiān)管的立體監(jiān)測(cè)體系[4-6]。

本文結(jié)合國(guó)內(nèi)外工程安全監(jiān)測(cè)技術(shù)研究及其應(yīng)用現(xiàn)狀，結(jié)合水庫(kù)大壩安全監(jiān)測(cè)要求及其需求，基于微波技術(shù)構(gòu)建了水庫(kù)大壩外部形變立體監(jiān)測(cè)方法，可初步填補(bǔ)水庫(kù)大壩歷史監(jiān)測(cè)資料空缺和天地協(xié)同監(jiān)測(cè)困難的問(wèn)題，為下一步水庫(kù)大壩安全監(jiān)測(cè)提供技術(shù)參考。

1 總體設(shè)計(jì)

結(jié)合已建水庫(kù)大壩安全監(jiān)測(cè)需求，為有效獲取水庫(kù)大壩時(shí)空變形信息，基于微波遙感技術(shù)的水庫(kù)大壩安全監(jiān)測(cè)總體方案設(shè)計(jì)由“天基”和“地基”共同構(gòu)成，天基監(jiān)測(cè)采用干涉雷達(dá)測(cè)量技術(shù)進(jìn)行，可以通過(guò)遙感數(shù)據(jù)的收集與處理分析，獲取水庫(kù)大壩工程面域時(shí)空變形的監(jiān)測(cè)分析，動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)周期和范圍具體參照應(yīng)用數(shù)據(jù)而定；地基監(jiān)測(cè)方法當(dāng)前主要有全站儀、GNSS、TDR、超寬帶微波等，需要結(jié)合大壩結(jié)構(gòu)類型、監(jiān)測(cè)精度要求、資金投入、施工條件等綜合因素進(jìn)行考量，實(shí)現(xiàn)毫米級(jí)壩體微形變實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)能力。為保證監(jiān)測(cè)方法及其分析模型的可靠性，在構(gòu)建基于微波遙感的水庫(kù)大壩安全立體監(jiān)測(cè)體系時(shí)需要通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行模型率定和調(diào)優(yōu)處理，立體監(jiān)測(cè)方案總體思路如圖1所示。

圖1 水庫(kù)大壩壩體安全立體監(jiān)測(cè)方法

2 分項(xiàng)設(shè)計(jì)

2.1 遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)方案

InSAR(Interferometry Synthetic Aperture Radar)，中文翻譯是“合成孔徑干涉雷達(dá)”，它是利用微波合成孔徑雷達(dá)圖像(SAR)數(shù)據(jù)對(duì)地表重復(fù)觀測(cè)形成的微波相位差計(jì)算地表形變，精度可以達(dá)到毫米級(jí)。InSAR技術(shù)是公認(rèn)的進(jìn)行地表變形調(diào)查和監(jiān)測(cè)的高效手段，它可以大范圍、可回溯、非接觸地觀測(cè)地表變形，并且具有“距以千里、感知毫厘”“無(wú)論黑白、風(fēng)雨無(wú)阻”的優(yōu)勢(shì)[7]。InSAR技術(shù)可以克服云霧遮蔽、GPS點(diǎn)位稀疏、地面調(diào)查通達(dá)不易等困難，現(xiàn)今它已經(jīng)成為地表運(yùn)動(dòng)過(guò)程研究強(qiáng)有力的工具[8-12]。

基于水庫(kù)大壩結(jié)構(gòu)及其地理部分特征，結(jié)合水庫(kù)大壩全監(jiān)測(cè)技術(shù)要求，設(shè)計(jì)采用干涉雷達(dá)測(cè)量技術(shù)中的干涉疊加技術(shù)對(duì)水庫(kù)壩體進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間序列的安全監(jiān)測(cè)。從多時(shí)相的雷達(dá)圖像上獲取地表形變的信息，將InSAR技術(shù)擴(kuò)展到多時(shí)相的數(shù)據(jù)，可將測(cè)量精度從厘米級(jí)提高到毫米級(jí)。同時(shí)采用永久散射體(PermanentScatterers，PS)技術(shù)，在無(wú)法獲得干涉條紋的情況下，利用基于多時(shí)相SAR圖像和相位穩(wěn)定像元點(diǎn)集的PS技術(shù)，也能取得毫米級(jí)的地表形變運(yùn)動(dòng)測(cè)量精度，大大增強(qiáng)了干涉測(cè)量的環(huán)境適應(yīng)能力及其精度。其監(jiān)測(cè)技術(shù)流程如圖2所示。

圖2 水庫(kù)大壩安全遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)流程

2.2 自動(dòng)觀測(cè)技術(shù)方案

目前自動(dòng)監(jiān)測(cè)方案主要有全自動(dòng)全站儀、GNSS和TDR光纖內(nèi)裝傳感器等設(shè)備進(jìn)行定點(diǎn)監(jiān)測(cè)，但多數(shù)監(jiān)測(cè)方式受氣候、地形、衛(wèi)星過(guò)境狀態(tài)等的影響不能進(jìn)行實(shí)時(shí)、高效、穩(wěn)定的監(jiān)測(cè)，且部分監(jiān)測(cè)方式成本投入較大、不易維護(hù)，對(duì)比常用大壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)[13-17]，其優(yōu)劣性對(duì)比結(jié)果如表1。

表1 不同監(jiān)測(cè)技術(shù)方法對(duì)比

綜合對(duì)比現(xiàn)行監(jiān)測(cè)精度相對(duì)較高的幾種監(jiān)測(cè)方式，作為新興的技術(shù)，窄脈沖微波測(cè)量技術(shù)通過(guò)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)測(cè)距實(shí)現(xiàn)高精度形變監(jiān)測(cè)，進(jìn)而獲得監(jiān)測(cè)位置的毫米級(jí)的形變信息，并可通過(guò)多種通信手段將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)上傳至數(shù)據(jù)中心，實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)形變的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與險(xiǎn)情預(yù)警。微波監(jiān)測(cè)技術(shù)是一種無(wú)載波微波技術(shù)，利用時(shí)間間隔極短(小于1ns)的非正弦波窄脈沖測(cè)量點(diǎn)與點(diǎn)之間的距離，具有以下技術(shù)特點(diǎn)[18]：

(1)抗干擾能力強(qiáng)，脈沖極窄、抗多徑效應(yīng)；

(2)對(duì)信道衰落不敏感、發(fā)射信號(hào)功率譜密度低，對(duì)其他設(shè)備的影響微乎其微，具有很強(qiáng)的穿透障礙物的能力，通過(guò)高精度晶振測(cè)量微波從一個(gè)設(shè)備到另一個(gè)設(shè)備的飛行時(shí)間來(lái)精確計(jì)算兩設(shè)備之間的距離；

(3)高速數(shù)據(jù)傳輸，速率可達(dá)10Gbit/s；

(4)功耗低，是傳統(tǒng)移動(dòng)電話所需功率的1/100左右，是藍(lán)牙設(shè)備所需功率的1/20左右；

(5)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，微波發(fā)射器直接使用脈沖小型微帶天線；

(6)定位精確，窄脈沖微波技術(shù)具有極強(qiáng)的穿透能力，可在室內(nèi)和地下進(jìn)行精確定位，而GPS定位系統(tǒng)只能工作在GPS定位衛(wèi)星的可視范圍之內(nèi)。

基于窄脈沖微波測(cè)量技術(shù)的工程安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖3所示。

圖3 基于窄脈沖微波測(cè)量技術(shù)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)

該系統(tǒng)由設(shè)備端(傳感器)和服務(wù)端(后臺(tái)處理軟件及硬件)組成。系統(tǒng)設(shè)備端(傳感器)，分為中控點(diǎn)(CS)、基準(zhǔn)點(diǎn)(BS)和監(jiān)測(cè)點(diǎn)(MS)。中控點(diǎn)是傳感器設(shè)備的控制中心，負(fù)責(zé)工作狀態(tài)控制和數(shù)據(jù)傳輸；基準(zhǔn)點(diǎn)作為監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的參考點(diǎn)，部署位置相對(duì)穩(wěn)定不動(dòng)；而監(jiān)測(cè)點(diǎn)部署在隱患點(diǎn)的監(jiān)測(cè)參考點(diǎn)上。設(shè)備端由傳感器和太陽(yáng)能供電系統(tǒng)組成[18]。

服務(wù)端(后臺(tái)處理軟件及硬件)是高精度形變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)信息處理中心，承擔(dān)著數(shù)據(jù)接收處理和數(shù)據(jù)管理的功能，同時(shí)還承擔(dān)著監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可視化顯示、危機(jī)告警等功能，為用戶對(duì)隱患點(diǎn)的安全健康狀況提供分析支持?jǐn)?shù)據(jù)，可以部署在管理方機(jī)房?jī)?nèi)或云端[18]。系統(tǒng)總體按照B/S架構(gòu)設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)工程形變的全天候監(jiān)測(cè)、分析與預(yù)警，通過(guò)可視化方式進(jìn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的綜合分析與展現(xiàn)，直觀展現(xiàn)監(jiān)控點(diǎn)形變歷史曲線、實(shí)時(shí)變化數(shù)據(jù)等，對(duì)于超出安全閾值的形變數(shù)據(jù)進(jìn)行主動(dòng)告警，并提供Web端跨平臺(tái)數(shù)據(jù)查詢服務(wù)[18]。

2.3 人工觀測(cè)技術(shù)方案

人工觀測(cè)變形點(diǎn)采用水平位移和垂直位移標(biāo)點(diǎn)二合一的埋設(shè)方式，觀測(cè)墩基礎(chǔ)與壩體緊密連接，保證變形量能夠正確反映壩體真實(shí)變形；在其基礎(chǔ)部分埋設(shè)垂直位移的沉陷標(biāo)志，將沉陷點(diǎn)直接與壩體相連，保證沉陷點(diǎn)的位移量能夠正確反映壩坡點(diǎn)的垂直位移[19]。借助高精度儀器定期觀測(cè)其水平及垂直位移量，并進(jìn)行整理分析形成大壩變形位移監(jiān)測(cè)成果。

人工變形觀測(cè)作業(yè)前，應(yīng)收集相關(guān)水文地質(zhì)、巖土工程資料和設(shè)計(jì)圖紙，并根據(jù)巖土工程地質(zhì)條件、工程類型、工程規(guī)模、基礎(chǔ)埋深、建筑結(jié)構(gòu)和施工方法等因素，進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)[20]。對(duì)觀測(cè)資料應(yīng)進(jìn)行整理分析，繪制變化過(guò)程曲線，編寫分析報(bào)告。

水庫(kù)大壩外部形變?nèi)斯び^測(cè)的主要流程包括觀測(cè)儀器檢驗(yàn)、外業(yè)觀測(cè)作業(yè)、觀測(cè)資料檢查、平差計(jì)算、編制成果表和觀測(cè)資料整理分析等。外業(yè)觀測(cè)具體參照《工程測(cè)量規(guī)范》(GB 50026-2007)、《水利工程安全監(jiān)測(cè)導(dǎo)則》(SL 725-2016)、《混凝土壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》(SL 601-2013)等執(zhí)行。

3 總結(jié)與展望

隨著水利工程精細(xì)化運(yùn)行管理需求的發(fā)展，針對(duì)水庫(kù)工程主體大壩安全的監(jiān)測(cè)也越來(lái)越被重視，基于現(xiàn)有先進(jìn)技術(shù)方法，構(gòu)建經(jīng)濟(jì)合理的水庫(kù)大壩外部形變監(jiān)測(cè)體系，以適應(yīng)現(xiàn)代水管理的發(fā)展要求越來(lái)越重要。針對(duì)我國(guó)絕大多數(shù)水庫(kù)修建年代較為久遠(yuǎn)的特征，基于遙感技術(shù)的水庫(kù)大壩形變監(jiān)測(cè)可填補(bǔ)歷史監(jiān)測(cè)資料缺失的問(wèn)題，加上基于地面微波技術(shù)的水庫(kù)大壩安全實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)具備精度高、易于實(shí)施和經(jīng)濟(jì)實(shí)用的特征，可解決水庫(kù)大壩外部形變地面實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的難題。

基于微波遙感技術(shù)的水庫(kù)大壩外部形變立體監(jiān)測(cè)技術(shù)方法，可以將微波遙感技術(shù)應(yīng)用于水庫(kù)大壩安全監(jiān)測(cè)過(guò)程，推進(jìn)遙感技術(shù)在水利行業(yè)工程管理方面的應(yīng)用。基于微波遙感的立體監(jiān)測(cè)方法充分發(fā)揮了天基和地基的監(jiān)測(cè)優(yōu)勢(shì)，形成互補(bǔ)的監(jiān)測(cè)格局，形成點(diǎn)與面、詳查與普查、天基與地基相結(jié)合的監(jiān)測(cè)方法，可更好地為壩體的微形變監(jiān)測(cè)預(yù)警提供及時(shí)有效的輔助決策數(shù)據(jù)，為不同類型的水庫(kù)大壩安全監(jiān)測(cè)提供技術(shù)參考。