王敏吉，張 松，毛海東

（1.中國(guó)電建集團(tuán)貴陽(yáng)勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州貴陽(yáng) 550081；2.貴州北盤(pán)江電力股份有限公司，貴州貴陽(yáng) 550081）

水庫(kù)大壩是我國(guó)防洪工程體系的重要組成部分，為國(guó)家?guī)?lái)巨大經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益的同時(shí)，也在防洪、供水、灌溉及改造生態(tài)環(huán)境等方面發(fā)揮了重大作用。大壩安全責(zé)任重大，大壩安全監(jiān)測(cè)作為掌握大壩安全重要途徑的意義顯得尤為突出。大壩變形監(jiān)測(cè)作為大壩安全監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，是反映大壩結(jié)構(gòu)安全性態(tài)的重要指標(biāo)之一。大壩變形監(jiān)測(cè)是對(duì)大壩壩體的幾何變形量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，分兩種監(jiān)測(cè)方法：①人工監(jiān)測(cè)，主要通過(guò)全站儀、水準(zhǔn)儀等測(cè)量設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)。②通過(guò)真空激光準(zhǔn)直系統(tǒng)、GNSS 系統(tǒng)（全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)）、測(cè)量機(jī)器人自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等自動(dòng)化測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

真空激光準(zhǔn)直系統(tǒng)采用管道對(duì)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行保護(hù)，使用真空泵抽取管道內(nèi)空氣，使管道內(nèi)為真空環(huán)境，減低空氣等因素對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，因此其測(cè)量精度高，抗干擾能力強(qiáng)，但對(duì)施工質(zhì)量要求高，投資成本高，特別是后期故障率較高，運(yùn)行維護(hù)要求高。GNSS 系統(tǒng)利用衛(wèi)星進(jìn)行實(shí)時(shí)定位，實(shí)現(xiàn)全天候自動(dòng)連續(xù)監(jiān)測(cè)，但受地形條件、多路徑、衛(wèi)星等影響，其測(cè)量精度偏低。測(cè)量機(jī)器人自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)計(jì)算機(jī)控制智能型的全站儀自動(dòng)進(jìn)行搜索、跟蹤、識(shí)別及精準(zhǔn)照準(zhǔn)目標(biāo)，并獲取目標(biāo)的角度、距離、三維坐標(biāo)等信息。測(cè)量機(jī)器人自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通常在監(jiān)測(cè)區(qū)域布置若干固定測(cè)站，對(duì)安裝于變形體的目標(biāo)棱鏡進(jìn)行周期性、自動(dòng)化觀(guān)測(cè)，進(jìn)而采用極坐標(biāo)法或邊角交會(huì)法等計(jì)算目標(biāo)點(diǎn)的三維坐標(biāo)及變形量。測(cè)量機(jī)器人自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在大壩變形監(jiān)測(cè)相比于GNSS 系統(tǒng)，其精度和成本方面更具優(yōu)勢(shì)。

1 工程概況

馬馬崖水電站工程樞紐主要由碾壓混凝土重力壩、壩身開(kāi)敞式溢流表孔、壩身放空底孔、左岸引水系統(tǒng)、左岸地下廠(chǎng)房及右岸預(yù)留通航建筑物等組成。碾壓混凝土重力壩壩頂高程592.00 m，最大壩高109 m，壩區(qū)河谷較平直，兩岸河谷為不對(duì)稱(chēng)的“V”型，左岸為逆向坡，右岸為順向坡。左岸地形640 m 高程以下為45°左右的陡坡，局部夾10 m 左右高的小懸坡，640～880 m 為75°左右的懸坡；右岸600 m 高程以下為100 m 左右的懸坡，600～765 m 高程為25°～35°斜坡或陡坡地形。

馬馬崖水電站的碾壓混凝土重力壩采用折線(xiàn)形布置，壩頂寬12 m，上游放浪墻、人行道、門(mén)庫(kù)等壩頂結(jié)構(gòu)占據(jù)近10 m 空間，壩頂能夠布置監(jiān)測(cè)設(shè)備的空間小。同時(shí)折線(xiàn)形使需要直線(xiàn)布置的真空激光準(zhǔn)直系統(tǒng)使用受限制。根據(jù)監(jiān)測(cè)儀器設(shè)備的耐久性及穩(wěn)定性，為滿(mǎn)足量程和精度要求，壩頂布置了多種監(jiān)測(cè)設(shè)備，包括水準(zhǔn)點(diǎn)、垂線(xiàn)系統(tǒng)、靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)、真空激光準(zhǔn)直系統(tǒng)、表面觀(guān)測(cè)墩等。大壩壩頂變形監(jiān)測(cè)共布置7個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，分別布置了7個(gè)表面觀(guān)測(cè)墩，采用視準(zhǔn)線(xiàn)法進(jìn)行人工觀(guān)測(cè)，同時(shí)布置1套真空激光準(zhǔn)直系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)化觀(guān)測(cè)，系統(tǒng)發(fā)射端和接收端的變形由倒垂線(xiàn)和靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)進(jìn)行校核，兩種監(jiān)測(cè)成果相互補(bǔ)充、驗(yàn)證。

2 測(cè)量機(jī)器人自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)組成

測(cè)量機(jī)器人自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由測(cè)量機(jī)器人、通訊及供電3個(gè)子系統(tǒng)組成。測(cè)量機(jī)器人子系統(tǒng)由基準(zhǔn)站（含工作基點(diǎn)、后視基點(diǎn)）和監(jiān)測(cè)點(diǎn)（含棱鏡）構(gòu)成，其中基準(zhǔn)站布設(shè)在大壩變形區(qū)外的穩(wěn)定山體上，布設(shè)有監(jiān)測(cè)站和測(cè)量機(jī)器人子系統(tǒng)，受外部環(huán)境影響小，通視條件良好，同時(shí)后視基點(diǎn)應(yīng)選擇觀(guān)測(cè)角度和距離適中的站點(diǎn)。通訊子系統(tǒng)通常采用有線(xiàn)、無(wú)線(xiàn)兩種方式。供電子系統(tǒng)采用電站電源直接供電。

2.2 系統(tǒng)建設(shè)方案

大壩壩頂變形監(jiān)測(cè)共布置7個(gè)表面觀(guān)測(cè)墩測(cè)點(diǎn)，改造前采用極坐標(biāo)法進(jìn)行人工觀(guān)測(cè)，測(cè)量機(jī)器人自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建成后可實(shí)現(xiàn)對(duì)大壩壩頂變形的自動(dòng)監(jiān)測(cè)。

測(cè)量機(jī)器人自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作基點(diǎn)應(yīng)建設(shè)在大壩變形區(qū)外的穩(wěn)固山體上，保證其視野開(kāi)闊，能夠與各監(jiān)測(cè)點(diǎn)及后視基點(diǎn)視通。根據(jù)工程實(shí)際情況，馬馬崖測(cè)量機(jī)器人自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作基點(diǎn)設(shè)在大壩右岸的邊坡上，大壩右岸邊坡進(jìn)行過(guò)噴錨處理，穩(wěn)定性較好，該處可以與大壩壩頂7個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)和2個(gè)后視基準(zhǔn)點(diǎn)通視，工作基點(diǎn)與監(jiān)測(cè)點(diǎn)、后視點(diǎn)的通視距離在400 m范圍內(nèi)，角度都在30°以?xún)?nèi)，能有效保證測(cè)量精度。

測(cè)量機(jī)器人自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的全站儀選用瑞士徠卡公司生產(chǎn)的TM50，該設(shè)備集成了高精度的測(cè)角和測(cè)距系統(tǒng)，自動(dòng)照準(zhǔn)距離達(dá)3 000 m，角度精度達(dá)0.5″，監(jiān)測(cè)精度很高。TM50還具備IP65高防塵防水等級(jí)、高分辨率的圖像測(cè)量技術(shù)、智能電源管理系統(tǒng)及高效便捷的WLAN 傳輸模塊等，保障了儀器在惡劣環(huán)境下的高精度、高效率，全天候智能完成監(jiān)測(cè)工作。

為了系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，在工作基點(diǎn)的位置修建監(jiān)測(cè)站保護(hù)測(cè)量機(jī)器人自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，避免露天環(huán)境對(duì)系統(tǒng)設(shè)備的損害。玻璃式監(jiān)測(cè)站存在玻璃窗的反射干擾，影響觀(guān)測(cè)精度，因此監(jiān)測(cè)站采用自動(dòng)門(mén)窗式，觀(guān)測(cè)過(guò)程中通過(guò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)控制電機(jī)啟、閉門(mén)窗。同時(shí)監(jiān)測(cè)站內(nèi)配備了1套環(huán)境量監(jiān)測(cè)儀器，在識(shí)別觀(guān)測(cè)前的天氣情況，避免極端天氣時(shí)打開(kāi)門(mén)窗對(duì)設(shè)備造成損壞的同時(shí)，監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的氣象數(shù)據(jù)，對(duì)觀(guān)測(cè)成果進(jìn)行修正。同時(shí)監(jiān)測(cè)站配有防雷設(shè)施及視頻監(jiān)控系統(tǒng)，能夠有效保障整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的精度和可靠性，測(cè)量機(jī)器人自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 測(cè)量機(jī)器人自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成

測(cè)量機(jī)器人自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的通訊采用8芯單模光纖通訊，穿管埋地的方式從監(jiān)測(cè)站鋪設(shè)到監(jiān)測(cè)中心機(jī)房，監(jiān)測(cè)中心機(jī)房布置監(jiān)測(cè)服務(wù)器及配套測(cè)量管理軟件接收原始數(shù)據(jù)，原始數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)算分析后，得到大壩變形最終成果。

測(cè)量機(jī)器人自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用220 V 交流供電，從真空激光觀(guān)測(cè)房取電，電纜敷設(shè)走向和方式與光纜相同。同時(shí)在監(jiān)測(cè)站房屋頂安裝1根避雷針，修1個(gè)混凝土墩，在里面提前預(yù)埋1根鍍鋅鋼管，在鋼管頂部焊上避雷針，底部焊接1個(gè)30 mm 的扁鐵接入地網(wǎng)。配電箱內(nèi)部的導(dǎo)軌插座上安裝電源防浪涌保護(hù)。

3 成果分析

3.1 監(jiān)測(cè)布置

大壩壩頂變形測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)布置如圖2所示。

圖2 大壩壩頂變形測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)布置

3.2 監(jiān)測(cè)成果分析

選取2021年7月至2023年6月兩年的監(jiān)測(cè)成果，典型測(cè)點(diǎn)水平位移過(guò)程線(xiàn)如圖3和圖4所示。

圖4 TP-BD6測(cè)點(diǎn)測(cè)量機(jī)器人自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)測(cè)水平位移過(guò)程線(xiàn)及擬合曲線(xiàn)

從TP-BD5和TP-BD6實(shí)測(cè)水平位移過(guò)程線(xiàn)及擬合曲線(xiàn)可以得出：測(cè)量機(jī)器人自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)測(cè)水平位移過(guò)程線(xiàn)平順，周期性變化規(guī)律明顯，測(cè)值連續(xù)沒(méi)有較大波動(dòng)，能較好地反映壩頂水平位移的實(shí)際情況。

為了驗(yàn)證測(cè)量機(jī)器人自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的成果準(zhǔn)確度，將測(cè)量機(jī)器人自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的測(cè)量與真空激光準(zhǔn)直系統(tǒng)測(cè)量成果進(jìn)行對(duì)比分析，如圖5所示。

圖5 TP-BD5測(cè)點(diǎn)測(cè)量機(jī)器人自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和真空激光準(zhǔn)直系統(tǒng)實(shí)測(cè)水平位移過(guò)程線(xiàn)對(duì)比

由圖5可知，測(cè)量機(jī)器人自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與真空激光準(zhǔn)直系統(tǒng)實(shí)測(cè)水平位移吻合情況很好，變化規(guī)律具有同步性；量值上兩者相差不太，均處于同一級(jí)別。壩頂水平位移變化呈明顯年周期性，溫度升高壩頂水平向上游變形，溫度降低壩頂水平向下游變形，符合混凝土重力壩變形的規(guī)律。

測(cè)量機(jī)器人自動(dòng)監(jiān)測(cè)和真空激光實(shí)測(cè)位移的一致性，驗(yàn)證了測(cè)量機(jī)器人自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)成果的準(zhǔn)確性，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的連續(xù)性也驗(yàn)證系統(tǒng)的可靠性及穩(wěn)定性。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)測(cè)量機(jī)器人自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)馬馬崖水電站大壩壩頂變形進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，不但可提升工作效率，節(jié)約成本，滿(mǎn)足大壩安全自動(dòng)化的發(fā)展要求，也為后續(xù)的在線(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)提供了有效保障。結(jié)合實(shí)測(cè)成果和真空激光準(zhǔn)直系統(tǒng)的成果對(duì)比分析，成果在量級(jí)和吻合趨勢(shì)的一致性，表明測(cè)量機(jī)器人自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的精度及可靠性較高，其經(jīng)驗(yàn)可供類(lèi)似工程參考，推廣測(cè)量機(jī)器人自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在安全監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究。