徐蘭玉，翟潔，周楷

（1.水利部南京水利水文自動(dòng)化研究所，江蘇 南京，210012；2.水利部水文水資源監(jiān)控工程技術(shù)研究中心，江蘇 南京，210012；3.國網(wǎng)新源控股有限公司北京十三陵蓄能電廠，北京，102200）

0 引言

邊坡工程的安全監(jiān)測在水利、巖土、建筑行業(yè)一直是研究重點(diǎn)[1-3]，按照監(jiān)測內(nèi)容可分為位移監(jiān)測、物理場監(jiān)測和外部環(huán)境監(jiān)測。其中位移監(jiān)測是最基本的常規(guī)監(jiān)測方法，因?yàn)槲灰剖欠从尺吰路€(wěn)定性最直觀的表現(xiàn)形式，主要包括內(nèi)部變形和表面變形。常用的表面變形監(jiān)測設(shè)備及技術(shù)包括經(jīng)緯儀、全站儀、水準(zhǔn)儀、測量機(jī)器人[4]、GNSS[5-6]、合成孔徑雷達(dá)InSAR 測量技術(shù)[7-8]和三維激光掃描技術(shù)[9]等，表面變形測值通常為絕對(duì)值。但地表測點(diǎn)變形和滑坡變形不一致，僅基于地表變形預(yù)測滑坡的準(zhǔn)確性十分有限。內(nèi)部變形則具有更多隱蔽性和突然性，對(duì)邊坡工程安全運(yùn)行的影響極其嚴(yán)重，可通過鉆孔測斜儀、多點(diǎn)位移計(jì)、光纖傳感技術(shù)[10]、TDR技術(shù)[11]和陣列式位移計(jì)[12-14]獲得，其值為相對(duì)于深部假設(shè)不動(dòng)點(diǎn)的相對(duì)位移。但在很多實(shí)際工程中該假設(shè)可能不成立，南水北調(diào)工程許多測點(diǎn)數(shù)據(jù)表明，內(nèi)部變形甚至比表面變形更大。此外，以上監(jiān)測技術(shù)都只能單一測量內(nèi)部變形或表面變形，沒有將內(nèi)部變形和表面變形有機(jī)結(jié)合，同時(shí)還存在測量過程復(fù)雜、累積誤差大、數(shù)據(jù)修正需依靠人工等不足。為此，研究一種能準(zhǔn)確感知、體現(xiàn)邊坡表面及內(nèi)部變形的儀器設(shè)備，避免大量的人力勞動(dòng)和數(shù)據(jù)計(jì)算，減少偶然誤差和計(jì)算誤差十分必要。

近年來，GNSS 在民用技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的開放為邊坡表面變形監(jiān)測提供了一種新的測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有精度高（毫米級(jí)），全自動(dòng)遠(yuǎn)距離監(jiān)測，全天候、快速、三維變形測定，不受地形通視條件和氣候條件限制，可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，適用于較大區(qū)域內(nèi)滑坡不同變形階段地表三維位移變形和速度的連續(xù)監(jiān)測。MEMS傳感技術(shù)具有精度較測斜儀高，量程大、抗干擾、耐腐蝕性強(qiáng)，自動(dòng)化實(shí)時(shí)監(jiān)測等特點(diǎn)，適用于較大范圍的滑坡各變形階段滑面位移確定及深部位移監(jiān)測。MEMS技術(shù)和GNSS技術(shù)發(fā)展迅猛，在我國的兩河口、苗尾、南水北調(diào)等工程得到了成功應(yīng)用。

因此，通過GNSS獲取邊坡高精度表面變形，采用與GNSS 連接的MEMS 傳感器獲取內(nèi)部變形，通過表面向內(nèi)部逐步位移累加修正獲得深部變形，結(jié)合新型嵌入式系統(tǒng)，開發(fā)了一款表面-內(nèi)部變形一體化三維自動(dòng)監(jiān)測裝置。

1 表面-內(nèi)部一體化變形監(jiān)測裝置

1.1 結(jié)構(gòu)組成

表面-內(nèi)部變形一體化三維自動(dòng)監(jiān)測裝置包括地面變形監(jiān)測組件和地下變形監(jiān)測鏈，裝置結(jié)構(gòu)見圖1。地面變形監(jiān)測組件包括GNSS 天線、儀器測量單元模塊、供電模塊和無線通訊組網(wǎng)模塊，地面組件下部緊連地下變形監(jiān)測鏈，確保地面測點(diǎn)內(nèi)外變形協(xié)同變化。地下變形監(jiān)測鏈包括多個(gè)埋設(shè)于地下的變形監(jiān)測單元，變形監(jiān)測單元包括柔性連接、基于MEMS 的姿態(tài)感知傳感器、通訊模塊和錨固部件。姿態(tài)感知傳感器固定在軸向?qū)U上，導(dǎo)桿一端為柔性連接，另一端與錨固體連接，姿態(tài)感知傳感器與通訊模塊通信連接。在兩個(gè)變形監(jiān)測單元之間，一個(gè)變形監(jiān)測單元的柔性連接與另一個(gè)變形監(jiān)測單元的錨固體連接。

圖1 一體化裝置整體結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of the integrated device

地面變形監(jiān)測組件與地下變形監(jiān)測鏈通過鋼筋混凝土測點(diǎn)墩連接，GNSS 通過變形監(jiān)測單元的柔性連接與地下變形監(jiān)測鏈連接，由此保證地面變形監(jiān)測組件和地下變形監(jiān)測鏈的上部端點(diǎn)坐標(biāo)一致，以更好地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)整合。導(dǎo)桿則可以任意轉(zhuǎn)動(dòng)，以適應(yīng)巖土體的變形。

MEMS傳感器采樣頻率與GNSS測點(diǎn)采樣頻率同步，每5 min完成一次采樣，GNSS解算頻率為4 h一次（即當(dāng)前顯示的變化量結(jié)果為4 h 之前的測值），深部位移結(jié)果結(jié)合GNSS解算結(jié)果進(jìn)行同步聯(lián)合運(yùn)算，用戶根據(jù)實(shí)際需求選擇對(duì)應(yīng)時(shí)段進(jìn)行查看。

1.2 原理及算法

根據(jù)變形傳遞原理，對(duì)地下三維變形采用逐段逼近的方法進(jìn)行監(jiān)測，通過各段測斜桿長來調(diào)整逼近精度。在逼近過程中，假設(shè)各段變形能由測斜桿傾斜度度量，將各段變形累加即可得到地下各點(diǎn)的三維變形。計(jì)算步驟如下：

（1）采用地面變形監(jiān)測GNSS測量t時(shí)刻地面變形量。根據(jù)現(xiàn)場情況設(shè)置X、Y、Z軸方向，兩兩正交，一般X、Y向?yàn)樗较?，Z為垂直向。以各變形監(jiān)測單元的柔性連接為坐標(biāo)原點(diǎn)定義坐標(biāo)系組為X0-Y0-Z0、X1-Y1-Z1、X2-Y2-Z2、…、Xn-Yn-Zn，各坐標(biāo)系組之間相互平行。采用地面變形監(jiān)測組件獲得t時(shí)刻的地面變形量，記為x0(t)、y0(t)、z0(t)。

（2）t時(shí)刻第i個(gè)變形監(jiān)測單元桿式位移計(jì)軸線方向的整體長度為Li(t)，根據(jù)各變形單元的扭轉(zhuǎn)角度按式（1）～（3）計(jì)算第k個(gè)地下變形監(jiān)測單元對(duì)應(yīng)點(diǎn)A(k)的三維坐標(biāo)。

式中，k=1,2,…,n+1；Li(t)為t時(shí)刻第i個(gè)變形監(jiān)測單元內(nèi)單節(jié)測斜儀測得導(dǎo)桿長度；θi(t)為第i個(gè)變形監(jiān)測單元內(nèi)對(duì)應(yīng)導(dǎo)桿軸線與Zi-1軸的夾角；αi(t)為第i個(gè)變形監(jiān)測單元在Xi-1Oi-1Yi-1面上的投影與Xi-1軸的夾角；xk(t)、yk(t)、zk(t)為t時(shí)刻地面下第A(k)點(diǎn)的X、Y、Z軸坐標(biāo)，其中n=1,2,…,i。變形監(jiān)測單元三維坐標(biāo)系見圖2。

圖2 變形監(jiān)測單元三維坐標(biāo)系Fig.2 Three dimensional coordinate system of the deformation monitoring unit

（3）根據(jù)A（k）點(diǎn)t時(shí)刻與初始時(shí)刻的三維坐標(biāo)差，得到A（k）點(diǎn)的三維變形值。

1.3 組網(wǎng)設(shè)計(jì)

針對(duì)邊坡監(jiān)測使用環(huán)境通常無手機(jī)信號(hào)或信號(hào)很差的問題，可采用專用無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋方案，該方案可適配變形、環(huán)境量等監(jiān)測項(xiàng)目的各類傳感器快速搭建施工，組網(wǎng)方式簡便可靠。

除采用無線自組網(wǎng)方式組網(wǎng)，該裝置還可采用NB-IoT、Mesh、Zigbee、LoRa、5G 等方式輕松進(jìn)行自組網(wǎng)或融入公網(wǎng)，并與后臺(tái)計(jì)算機(jī)或移動(dòng)終端實(shí)現(xiàn)雙向通訊。

1.4 應(yīng)用平臺(tái)

系統(tǒng)布設(shè)后，可通過云平臺(tái)實(shí)時(shí)獲取內(nèi)、外變形監(jiān)測數(shù)據(jù)，平臺(tái)還具有云端綜合處理、多樣化圖表展示、專業(yè)相關(guān)性分析、預(yù)警報(bào)警和報(bào)表統(tǒng)計(jì)上報(bào)等功能，提供安全可靠、實(shí)時(shí)全面、及時(shí)有效的信息服務(wù)，確保電站人員及時(shí)掌握測點(diǎn)安全狀態(tài)信息。系統(tǒng)應(yīng)用界面見圖3。

圖3 系統(tǒng)應(yīng)用界面Fig.3 System application interfaces

2 應(yīng)用實(shí)例

2.1 工程概況

以某大型抽水蓄能電站為例，該電站水工建筑物安裝了多種監(jiān)測儀器和監(jiān)測設(shè)施，其中包括邊坡深層位移監(jiān)測設(shè)施。目前，邊坡深層位移監(jiān)測采用人工方式采集數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性差，由于難以獲得基準(zhǔn)點(diǎn)位移且中間環(huán)節(jié)過多，當(dāng)基礎(chǔ)存在較大變形時(shí)，測量結(jié)果誤差較大。鑒于該電站西外坡存在傾向坡外的f207、f212斷層，影響邊坡穩(wěn)定性，因此該位置深層位移監(jiān)測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性對(duì)于電站安全運(yùn)行尤為重要。

西外坡測點(diǎn)IN5 歷史觀測資料顯示其變形特征較明顯，經(jīng)現(xiàn)場踏勘，選擇該點(diǎn)進(jìn)行內(nèi)外一體化變形自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)。

2.2 現(xiàn)場應(yīng)用

IN5 處深部位移監(jiān)測與表面位移監(jiān)測實(shí)施地下-地表一體化監(jiān)測方案，在地表修建觀測墩，原深部位移監(jiān)測測斜管管口預(yù)埋在觀測墩內(nèi)，表面位移監(jiān)測GNSS 測站底部固定于觀測墩，通過表面位移與深部位移之間的相互校核，實(shí)現(xiàn)地下-地表一體化自動(dòng)監(jiān)測。

深部位移監(jiān)測傳感器選用ADM系列微機(jī)電加速度式傳感器替代原有的活動(dòng)式測斜儀，精度可達(dá)0.1 mm，通過高度集成消除軸系間的誤差，采用溫區(qū)補(bǔ)償模型消除溫漂，保證數(shù)據(jù)采集的穩(wěn)定性。GNSS北斗表面變形測站選擇DT100型GNSS設(shè)備，水平精度±2.5 mm，垂直精度±5 mm。

為保證該一體化監(jiān)測裝置適應(yīng)地下惡劣環(huán)境，地下部分采用密封防水結(jié)構(gòu)，耐水壓5 MPa。同時(shí)為提高系統(tǒng)的防雷能力，在儀器設(shè)備的電氣特性上進(jìn)行優(yōu)化，從元器件選擇、電路設(shè)計(jì)上充分考慮雷電電磁脈沖的作用，綜合采用高性能芯片、電磁兼容設(shè)計(jì)和隔離光電耦合技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)防雷電脈沖能力2 000 V。單節(jié)儀器采用304 不銹鋼材料，儀器接頭部位采用尼龍防水柔性結(jié)構(gòu)，根據(jù)該材料特征，可實(shí)現(xiàn)抗拉強(qiáng)度1 000 kN?，F(xiàn)場測站布置如圖4所示。

圖4 現(xiàn)場測站Fig.4 The field station

為驗(yàn)證邊坡變形一體化自動(dòng)監(jiān)測裝置采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性，選取該點(diǎn)活動(dòng)式測斜儀采集的歷史數(shù)據(jù)和改造后的一體化監(jiān)測裝置采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，結(jié)果見圖5。從圖5可看出，沿深度方向的曲線分布特征較為相似，具有較好的一致性。另外，邊坡內(nèi)部三維變形曲線波動(dòng)符合一般規(guī)律，可認(rèn)為一體化監(jiān)測裝置深部位移監(jiān)測結(jié)果可靠。

圖5 孔內(nèi)測值變化情況比較Fig.5 Comparison of changes of measured values in holes

3 結(jié)語

采用表面GNSS 技術(shù)和MEMS 傳感監(jiān)測技術(shù)，結(jié)合新型嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的表面-內(nèi)部變形一體化自動(dòng)監(jiān)測裝置，可達(dá)到全方位的有效監(jiān)測，內(nèi)外變形數(shù)據(jù)相互校核，能更加準(zhǔn)確可靠掌握邊坡的實(shí)際運(yùn)行狀況。

表面-內(nèi)部一體化自動(dòng)監(jiān)測裝置的研究與應(yīng)用對(duì)提高邊坡安全監(jiān)測技術(shù)水平、數(shù)據(jù)融合能力和軟硬件一體化水平，確保工程安全運(yùn)行具有重要意義。同時(shí)，還可推廣應(yīng)用到大型地下洞室、采空區(qū)、深埋地下隧道等環(huán)境?！?/p>