臥虎山水庫大壩變形監(jiān)測系統(tǒng)改造方案分析

張克峰 馬波

摘 要：臥虎山水庫位于濟南市南部山區(qū)，距市區(qū)10公里，在錦繡川、錦陽川、錦云川匯流處的玉符河上游，屬黃河水系。大壩變形監(jiān)測是水庫工程管理中的一項重要基礎(chǔ)工作。大壩的穩(wěn)定和安全是水庫發(fā)揮社會、經(jīng)濟效益的基礎(chǔ)，大壩變形監(jiān)測系統(tǒng)的正常運行，為大壩各項安全技術(shù)指標的運用和大壩安全運行提供了堅實基礎(chǔ)，為科學管理、信息化監(jiān)測提供了可靠的數(shù)據(jù)支撐。

關(guān)鍵詞：變形監(jiān)測;改造方案;全站儀;GNSS

中圖分類號：TV698.11 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）07-0109-02

1 基本情況

臥虎山水庫位于濟南市南部山區(qū)，距市區(qū)10公里，在錦繡川、錦陽川、錦云川匯流處的玉符河上游，屬黃河水系。水庫建于1958年，歷經(jīng)初建、改建、擴建、續(xù)建、除險加固和增容工程達到現(xiàn)狀規(guī)模。水庫流域面積557km，總庫容1.2億立米，死水位112.70m，相應庫容329萬m3;興利水位130.50m，相應庫容6697萬m3;校核洪水位137.61m，相應庫容12035萬m3，是濟南市唯一的大型水庫。水庫主要功能是防洪、生態(tài)補源、城市供水和農(nóng)業(yè)灌溉。水庫樞紐由大壩、溢洪道、放水洞三部分組成。

2009年9月，水庫除險加固工程開工，結(jié)合大壩北側(cè)山體2#滑坡監(jiān)測，以及施工期運行安全，建設(shè)了大壩變形監(jiān)測系統(tǒng)。包括垂直變形和水平變形。

在大壩樁號0+050、0+150、0+275、0+375、0+475、0+630、0+830后壩坡布設(shè)了7排監(jiān)測斷面，每個斷面3個監(jiān)測點（分別位于后壩肩、馬道、壩腳），共設(shè)有21個監(jiān)測點。系統(tǒng)采用瑞士徠卡高精度測量機器人（自動控制全站儀）實施大壩的變形監(jiān)測，觀測站設(shè)在大壩樁號0+450下游，距離大壩軸線約200米處。觀測站與水庫中控室采用光纖通訊，根據(jù)設(shè)定的觀測周期定時上傳數(shù)據(jù)，通過系統(tǒng)軟件對數(shù)據(jù)進行分析和處理，形成大壩壩體沉降變形變化趨勢圖表。

但因水庫確權(quán)劃界范圍有限、壩址區(qū)兩岸高山坡地形限制以及管理區(qū)范圍內(nèi)的違建、墾殖等影響，現(xiàn)變形監(jiān)測系統(tǒng)唯一的工作基點緊鄰居民建筑物，觀測視線受樹木遮擋嚴重且設(shè)置的監(jiān)測點棱鏡砼基座現(xiàn)狀破損嚴重，棱鏡或被搗毀破壞或被雜草遮擋，失去了監(jiān)測點功能。

2 改造方案

2.1 大壩變形監(jiān)測的精度指標

根據(jù)工程測量規(guī)范要求，大壩變形監(jiān)測網(wǎng)和監(jiān)測點的精度要求，應符合表1規(guī)定。其中水平變形相鄰中誤差取點位中誤差的1/倍。

2.2 大壩變形監(jiān)測設(shè)備選型

目前大壩的表面變形監(jiān)測主要有激光測距儀、變形監(jiān)測傳感器、全站儀和全球定位系統(tǒng)（GNSS）等四種方法。根據(jù)水庫的大壩變形監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與實施驗收資料，并結(jié)合臥虎山大壩的實際情況，全站儀和GNSS監(jiān)測方法是目前最適合的兩種方法。

2.2.1 全站儀表面變形監(jiān)測系統(tǒng)

全站儀是集電子經(jīng)緯儀、光電測距儀于一體，進行自動采集、處理和貯存監(jiān)測數(shù)據(jù)的儀器。采集基準點、變形測點的水平角、垂直角和距離數(shù)據(jù)，得到變形監(jiān)測點的三維坐標，兩次結(jié)果之差就是大壩的相對水平變形、垂直變形。

目前全站儀可實現(xiàn)自動化監(jiān)測，帶電動馬達驅(qū)動和程序控制的TPS全站儀結(jié)合激光、通信及CCD技術(shù)，可以實現(xiàn)測量的全自動化，集自動目標識別、自動照準、自動測角、自動測距、自動跟蹤目標、自動記錄于一體的測量系統(tǒng)，俗稱測量機器人。在大壩周圍通視條件好并且穩(wěn)定的地方設(shè)置基準站架設(shè)測量機器人，在大壩兩端穩(wěn)定的地方設(shè)置基準點和壩體上合理的布置變形監(jiān)測點架設(shè)反射棱鏡。測量機器人在計算機的控制下，自動照準目標棱鏡。目前大壩已建有萊卡的測量機器人，需根據(jù)實際情況對其修復，使其正常運行。

2.2.2 GNSS表面變形監(jiān)測系統(tǒng)

GNSS（全球定位系統(tǒng)）監(jiān)測系統(tǒng)主要由空間部分（人造地球衛(wèi)星）、地面監(jiān)控部分（分布在地球赤道上的若干個衛(wèi)星監(jiān)控站、注入站和主控站）和用戶部分（用于接收衛(wèi)星信號的設(shè)備）三部分組成。GNSS監(jiān)測系統(tǒng)主要包括天線、接收機、通訊系統(tǒng)及相關(guān)解算、坐標轉(zhuǎn)換及分析處理軟件等組成部分。

GNSS具有迅速、精確、全時等優(yōu)點，除在飛行器導航成功應用外，廣泛應用于大地測量、精密工程測量和地殼形變監(jiān)測等領(lǐng)域。GNSS用于變形監(jiān)測，局限于有限的區(qū)域，但監(jiān)測點布設(shè)密集。當GNSS用于大壩變形監(jiān)測時，可在遠方距離監(jiān)測點合適的位置（如穩(wěn)固的基巖上）建立基準點。在基準點架設(shè)GNSS接收機，根據(jù)其精確的三維坐標，經(jīng)過反復觀測從而得到變形點坐標（或者基線）的數(shù)據(jù)變化。根據(jù)監(jiān)測點的數(shù)據(jù)，建立安全監(jiān)測模型，從而分析滑坡、大壩等的變形規(guī)律并實現(xiàn)及時的反饋。

GNSS技術(shù)的全時特點不但可以自動化采集數(shù)據(jù)，而且可以將衛(wèi)星信號傳輸?shù)娇刂浦行?，實現(xiàn)數(shù)據(jù)自動化傳輸，通過整體的微小監(jiān)測數(shù)據(jù)變化，構(gòu)造統(tǒng)計分析模型，預測變形體長期的變化趨勢，為水庫安全運行提供數(shù)據(jù)支撐。

總體來說GNSS的主要體現(xiàn)在以下三個方面：

（1）精確。GNSS相對定位精度在50km以內(nèi)可達10-6，100-500km可達10-7，1000km可達10-9。在300-1500m工程精密定位中，1小時以上監(jiān)測的解其平面其平面位置誤差小于1mm，與ME-5000電磁波測距儀測定得邊長比較，其邊長較差最大為0.5mm，校差中誤差為0.3mm。（2）迅速。隨著GNSS系統(tǒng)的不斷完善，軟件的不斷更新，目前20km以內(nèi)相對靜態(tài)定位，僅需15-20分鐘;快速靜態(tài)相對定位測量時，當每個流動站與基準站相距在15km以內(nèi)時，流動站監(jiān)測時間只需1-2分鐘，且可隨時定位，每站監(jiān)測只需幾秒鐘。（3）全時。目前的GNSS監(jiān)測系統(tǒng)可以通過設(shè)置進行自動化數(shù)據(jù)采集，進行24小時全天候作業(yè)。

由上表可見全站儀和GNSS在精度上均可滿足大壩監(jiān)測的要求。

3 大壩變形監(jiān)測網(wǎng)布置

變形監(jiān)測網(wǎng)的網(wǎng)點分為基準點、工作基點和變形監(jiān)測點：

（1）基準點，應選在變形影像區(qū)域之外穩(wěn)固可靠的位置，每個工程至少應有3個基準點，其水平變形基準點應采用帶有強制歸心裝置的監(jiān)測墩，垂直變形基準點宜采用雙金屬標或鋼管表。（2）工作基點，應選在比較穩(wěn)定且方便使用的位置。（3）變形監(jiān)測點，應設(shè)立在能反映監(jiān)測體變形特征的位置或者斷面上。（4）監(jiān)測基準網(wǎng)，應由基準點和部分工作基點構(gòu)成。監(jiān)測基準網(wǎng)應每半年復測一次，當對變形成果發(fā)生懷疑時，應隨時監(jiān)測檢核基準網(wǎng)。

按照實際測試觀測情況，在大壩背水坡面0+050、0+150、0+275、0+375、0+475、0+630、0+730、0+830處共布設(shè)8個監(jiān)測斷面，每個斷面根據(jù)實際情況布設(shè)監(jiān)測點。

4 方案的選定

大壩變形監(jiān)測是水庫工程管理中的一項重要基礎(chǔ)工作。大壩的穩(wěn)定和安全是水庫發(fā)揮社會、經(jīng)濟效益的基礎(chǔ)，大壩變形監(jiān)測系統(tǒng)的正常運行，為大壩各項安全技術(shù)指標的運用和大壩安全運行提供了堅實基礎(chǔ)，為科學管理、信息化監(jiān)測提供了可靠的數(shù)據(jù)支撐。

經(jīng)對水庫現(xiàn)有監(jiān)測設(shè)備和往期監(jiān)測數(shù)據(jù)的詳細查看，結(jié)合實際情況，通過設(shè)備選型，確定水庫監(jiān)測系統(tǒng)今后觀測以GNSS監(jiān)測系統(tǒng)為主，實施自動化觀測。為滿足工程管理要求，在建立GNSS監(jiān)測系統(tǒng)的同時，恢復全站儀測量機器人的監(jiān)測，通過對兩種監(jiān)測方式采集的數(shù)據(jù)的后處理，綜合分析計算，提高大壩變形的監(jiān)測精度。

參考文獻

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