飲用水源水庫大壩外觀形變自動監(jiān)測技術

褚凌超

摘要：外觀形變監(jiān)測是水庫大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)的重要組成部分，是水庫日常管理工作中的一項重要內(nèi)容。文章以高精度差分全球定位系統(tǒng)（GPS）位置測量為基礎，GPS多天線陣列接收技術為核心，設計了一種飲用水源水庫大壩外觀形變自動監(jiān)測系統(tǒng)，并探討了該系統(tǒng)的設計、組成、工作原理等。實踐測試結果表明該系統(tǒng)滿足大壩外觀形變監(jiān)測要求。

關鍵詞：飲用水源；水庫大壩；外觀形變；精密測量；差分GPS；自動監(jiān)測

中圖分類號：TV698文獻標識碼：A文章編號：1009-2374（2014）21-0080-02

城市中一般都是以水庫蓄水的形式為城市居民提供飲用水，水庫蓄水能力的大小與城市發(fā)展息息相關，一般大型城市周圍都配備幾個大型水庫，以滿足人民生活基本需要。當雨量豐沛時正是水庫蓄水的最佳時機，同時也對水庫的安全防御能力提出了新的要求，尤其是實時監(jiān)測水庫大壩外觀形變，當外觀形變達到警戒范圍時，必須開閘放水以減輕對水壩的壓力，從而保證安全。水壩外觀形變需要定期、定時進行監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測結果制定保養(yǎng)和維護措施，以提高水壩抗洪澇、地震、其他自然災害的能力，對保護人民生命、財產(chǎn)等起到至關重要作用。

1外觀形變監(jiān)測技術

精密工程測量和變形監(jiān)測，是以毫米級乃至亞毫米級精度為目標的工程測量，水利大壩變形是正好適合此領域，通過對大壩上特定位置點位移隨時間的變化情況，而得到外觀形變。早期的監(jiān)測儀器可以完成水平位移檢測、垂直位移監(jiān)測、三維位移監(jiān)測。水平和垂直位移監(jiān)測時采用的儀器主要有側垂線坐標儀、引張線儀、遙測靜力水準儀、激光準直測量儀、自動化全站儀等。三維位移監(jiān)測主要采用經(jīng)緯儀、全站儀等行測量。上述測量儀器各有優(yōu)缺點，對水壩變形監(jiān)測手段有限，費事費力，而且效率不高，尤其對于某些特殊位置點，由于環(huán)境特點不適合架設檢測儀器，從而形成檢測盲區(qū)而帶來隱患。上述監(jiān)測儀器的另一個顯著弊端是檢測數(shù)據(jù)不能實時處理，必須對數(shù)據(jù)進行事后分析，有可能錯失最佳保養(yǎng)、維護、處理時機。

GPS是一種新型的外觀形變監(jiān)測儀器，實踐已經(jīng)證明可以在各種精密工程測量和變形檢測中應用，借助其精密位置測量技術實現(xiàn)水庫大壩外觀三維形變監(jiān)測是其應用的一個主要領域，與其他監(jiān)測儀器比較，GPS具有精度高、速度快、全天候、實時性好、測量數(shù)據(jù)全面、便于聯(lián)網(wǎng)、不需要通視等諸多優(yōu)點，是實現(xiàn)全自動化檢測的必備條件之一。應用GPS實現(xiàn)測量主要兩種模式：一是使用GPS進行定期、定點人工采集數(shù)據(jù)，這種模式雖然簡單，但是實時性不好；二是在每一個監(jiān)測點上都安置一個GPS接收系統(tǒng)，此種方式具有實時性，最高可1秒鐘更新一次數(shù)據(jù)，但是這種模式成本較高，制約了監(jiān)測點的個數(shù)，上述兩種模式都有具體應用實例?？紤]數(shù)據(jù)處理實時性與監(jiān)測點個數(shù)之間的關系，本文設計了一種單接收機，多GPS天線陣列的水壩外觀形變監(jiān)測系統(tǒng)，以犧牲數(shù)據(jù)處理實時性為代價，增加監(jiān)測點個數(shù)，從而降低系統(tǒng)成本。該系統(tǒng)兼顧上述兩種模式的優(yōu)點，克服缺點，使用一個接收與5個GPS天線相組合分時處理數(shù)據(jù)，可以達到10分鐘的數(shù)據(jù)更新率，完全滿足水壩外觀形變監(jiān)測要求。

2自動監(jiān)測系統(tǒng)設計原理

設計的自動監(jiān)測系統(tǒng)適合應用在壩長在200m以內(nèi)，壩高在20m以內(nèi)的中小型水壩外觀形變檢測。系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理、形變顯示四個主要部分構成。

GPS數(shù)據(jù)采集分為基準點和監(jiān)測點兩個部分。為提高大壩監(jiān)測的精度和可靠性，大壩監(jiān)測基準點宜選兩個，并分別位于大壩兩岸，點位地質條件要好，點位要穩(wěn)定且能滿足GPS觀測條件?；鶞庶c采用差分GPS技術，2臺GPS接收機安置在基準點上進行觀測，根據(jù)基準點已知精密坐標，計算出基準點到衛(wèi)星的距離改正數(shù)，并由基準站實時地將這一改正數(shù)發(fā)送出去，監(jiān)測點的接收機在進行GPS觀測的同時，也接收到基準點的改正數(shù)，并對其定位結果進行改正，從而提高定位精度，應用此種方式可使檢測點的定位精度達到毫米級別。檢測點能反映大壩變形，并能滿足GPS觀測條件。根據(jù)以上原則，本系統(tǒng)大壩外觀變形GPS監(jiān)測系統(tǒng)基準點為2個，監(jiān)測點5個（每隔50m設置一個GPS監(jiān)測點）可以滿足觀測

要求。

數(shù)據(jù)傳輸：GPS數(shù)據(jù)傳輸采用有線方式（壩面監(jiān)測點觀測數(shù)據(jù)）和無線（基準點觀測數(shù)據(jù)）相結合的方法。

GPS數(shù)據(jù)處理、分析和管理：整個系統(tǒng)由3臺GPS接收機組成，7個GPS天線組成，其中基準點位置必須當接收機與天線組合使用，監(jiān)測點使用一機多天線技術，這里的核心技術是各個天線之間分時工作機理。在整個觀測時間內(nèi)，需連續(xù)觀測，并實時將觀測資料傳輸至控制中心，進行處理、分析、存儲。系統(tǒng)反應時間小于10分鐘，即從每臺GPS接收傳輸數(shù)據(jù)開始，到處理、分析、變形顯示為止，所需總的時間小于10分鐘。

形變顯示：將處理后的數(shù)據(jù)實時以“組態(tài)”的形式顯示在監(jiān)視屏幕上，監(jiān)視人員可以直接從屏幕上判斷變形的狀態(tài)及變形大小，也可以通過網(wǎng)絡形式將監(jiān)測結果及“組態(tài)”圖像傳輸至遠程控制室內(nèi)，可真正實現(xiàn)遠程無人值守監(jiān)視工作。為實現(xiàn)上述功能必須建立一個完善的軟件管理、監(jiān)測系統(tǒng)。

對設計系統(tǒng)進行實際測試，整個系統(tǒng)全自動工作。測試結果表明，使用一個基準點進行變形監(jiān)測，應用衛(wèi)星廣播經(jīng)歷1～2個小時GPS觀測資料解算的監(jiān)測點位水平精度優(yōu)于2cm，垂直精度優(yōu)于2cm；6小時GPS觀測資料解算水平精度優(yōu)于1.5mm，垂直精度優(yōu)于1.5mm。利用兩個基準點，1～2個小時GPS觀測資料解算的監(jiān)測點位水平精度優(yōu)于1.5cm，垂直精度優(yōu)于1.5cm；6小時GPS觀測資料解算水平精度優(yōu)于1mm，垂直精度優(yōu)于1mm。

3結論

從飲用水源水庫大壩外觀形變監(jiān)測的角度出發(fā)，以高精度差分GPS位置點位測量為基礎，一機多天線陣列接收技術為核心，設計了一種外觀形變自動監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有測量精度高、監(jiān)測無盲區(qū)、省事省力、具有全天候工作能力、可實現(xiàn)無人值守等諸多優(yōu)點。當外觀水庫大壩外觀形變達到警戒要求時，可以自動發(fā)出報警信號，以指示工作人員開閘放水。同時，此系統(tǒng)經(jīng)過升級改造后也可自動控制閘門打開放水，從而實現(xiàn)真正的實時性，提高安全防護級別。實踐表明本系統(tǒng)6小時監(jiān)測水平與垂直精度均優(yōu)于1mm，達到了水壩外觀形變監(jiān)測要求。

參考文獻

[1]徐紹銓，張華海，楊志強，等．GPS測量原理及應用[M]．武漢：武漢大學出版社，2002．

[2]劉基于，李征航，王躍虎，等．全球定位系統(tǒng)原理及其應用[M]．北京：測繪出版社，1993．

[3]馬洪濱，賀黎明，何群．基于GPS的超長水壩垂向變形監(jiān)測方法[J]．沈陽建筑大學學報，2009，25（1）．

[4]倪志華，王慶勇．GPS技術在某水庫大壩形變監(jiān)測中的應用[J]．新疆水利，2011，（5）．

作者簡介：禇凌超（1977-），男，吉林柳河人，吉林省柳河縣自來水公司工程師，研究方向：自動供水、水質監(jiān)測。

endprint