苗家壩水電站表面三維形變智能監(jiān)測探索與實踐

呂攀

（大唐甘肅發(fā)電有限公司碧口水力發(fā)電廠，甘肅 隴南，746412）

0 引言

變形監(jiān)測是監(jiān)測工程安全性態(tài)最直觀的手段。變形測點具有點多、面廣等特點，前期多依靠人工或半自動手段定期測量，存在人力資源投入大、安全風(fēng)險高、信息反饋慢、工作效率低等問題。尤其遇到有感地震、區(qū)域性暴雨、特大洪水等情況時，難以及時采集到合格數(shù)據(jù)以反映工程安全性態(tài)，給決策管理帶來盲區(qū)[1-2]。同時受監(jiān)測條件（如外界氣象、大氣折光等）制約，測量精度無法保證，甚至在降雨等極端天氣條件下無法采集到合格的數(shù)據(jù)，可能使管轄工程處于“失控”狀態(tài)。為全面提升大壩安全管理工作水平和效率，提高大壩應(yīng)急管理能力，保證大壩運行安全和社會公共安全，國家先后頒布了《水庫大壩安全管理條例》（國務(wù)院令第77號）、《水電站大壩安全監(jiān)測工作管理辦法》（國能發(fā)安全〔2017〕61號）、《水電站大壩運行安全監(jiān)督管理規(guī)定》（發(fā)改委令第23號）等制度，這些規(guī)定都對大壩安全監(jiān)測自動化提出了具體的要求[3]。

苗家壩水電站作為白龍江流域下游大型水電站，地質(zhì)條件復(fù)雜，為百米級趾板位于覆蓋層上的高面板堆石壩，其運行安全至關(guān)重要。尤其是近年來，白龍江流域洪水爆發(fā)、極端異常天氣頻發(fā)，亟需一種全新的監(jiān)測方法，將大壩外部水平位移和垂直位移測點整合，實現(xiàn)大壩外部變形自動化、實時化的連續(xù)監(jiān)測。

基于以上背景，針對苗家壩水電站實際情況，采用以測量機(jī)器人為主、GNSS 為輔的方案取代人工測量，配套研發(fā)了大壩變形監(jiān)測智能采集分析系統(tǒng)，從觀測方法、測量結(jié)果修正、平差處理、儀器保護(hù)等方面開展探索實踐，形成具有觀測時段自尋優(yōu)、應(yīng)急場景自識別、精密儀器自防護(hù)等典型特點，且具備全天候、全時段自動監(jiān)測能力的大壩外部變形智能監(jiān)測系統(tǒng)，將數(shù)據(jù)采集、結(jié)果輸出、異常報警等集成為一體，實現(xiàn)了外部變形智能監(jiān)測、實時處理和預(yù)警[4-5]。

1 工程概況

苗家壩水電站位于白龍江下游甘肅省文縣境內(nèi)，距下游已建成的碧口水電站31.5 km，電站尾水與碧口水電站水庫回水銜接。工程于2006年4月29日動工，2015年6月25日竣工。水庫正常蓄水位庫容2.68億m3，電站正常蓄水位800 m，死水位795 m，汛期臨時排沙水位795 m，總裝機(jī)容量240 MW（3×80 MW）。工程規(guī)模屬二等大（2）型，樞紐建筑物主要由混凝土面板堆石壩、溢洪洞、泄洪排沙洞、引水發(fā)電洞和岸邊廠房等組成。面板堆石壩壩頂高程805.00 m，壩頂長359 m，寬10 m，最大壩高111 m。主要建筑物擋水壩級別為1 級，其他主要建筑物級別為2 級，次要建筑物級別為3級。

苗家壩水電站監(jiān)測的主要范圍是主要建筑物及其開挖邊坡，包括混凝土面板堆石壩（含防滲墻）、溢洪洞、泄洪排沙洞、引水發(fā)電洞和岸邊廠房等。同時，苗家壩水電站有多處滑坡體，除對各建筑物及其開挖邊坡進(jìn)行監(jiān)測外，還需對滑坡體進(jìn)行監(jiān)測。原設(shè)計表面變形監(jiān)測主要包括面板堆石壩、機(jī)組進(jìn)水口平臺、尾水平臺及左岸F12 變形體等部位，共計76 個測點，采用人工觀測。

2 監(jiān)測方案設(shè)計

2.1 測量機(jī)器人監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

苗家壩大壩外部變形監(jiān)測包括表面垂直位移和表面水平位移監(jiān)測。垂直位移測點與水平位移測點結(jié)合為綜合位移測點，共設(shè)置了42 個綜合位移測點（視準(zhǔn)線+水準(zhǔn)觀測）。垂直位移工作基點共設(shè)3 點，分別位于左岸帷幕灌漿洞內(nèi)、左岸下游低線公路處、右岸高線公路和中線公路交匯處；6條視準(zhǔn)線工作基點均位于視準(zhǔn)線延長線兩岸穩(wěn)定基巖處；進(jìn)水口平臺設(shè)置了6個水平、垂直綜合位移測點；F12變形體原設(shè)置有5個GPS測站，因測量精度低、故障頻發(fā)等，將其改造成了5個水平、垂直綜合位移測點；尾水平臺設(shè)置有4個垂直位移測點；排沙洞出口設(shè)置了3個水平、垂直綜合位移測點。

苗家壩水電站新建1號、2號測站點作為測量機(jī)器人的工作基點，也是GNSS 測點；將原控制網(wǎng)點TN08作為GNSS基準(zhǔn)點，同時也是測量機(jī)器人的測點。所有GNSS 基準(zhǔn)站點和GNSS 監(jiān)測點需保證GNSS主機(jī)、棱鏡、測量機(jī)器人（基準(zhǔn)站）同心安裝，通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換及投影可獲得同一點在不同測量手段下的變形量，實現(xiàn)兩套系統(tǒng)的融合互補，完成大壩視準(zhǔn)線、進(jìn)水口、尾水平臺及F12變形體等外部變形智能監(jiān)測。

通過現(xiàn)場校測，壩前所有測點俯仰角均在10°以內(nèi)，最遠(yuǎn)測點距離測量機(jī)器人390 m；壩后所有測點俯仰角均在10°以內(nèi)，僅尾水平臺最大俯角為12°，最遠(yuǎn)測點距離測量機(jī)器人580 m。所有測點水平角均在30°以內(nèi)，僅壩后測站測量F12變形體時，水平角為100°左右。測角范圍均在測量機(jī)器人最優(yōu)測量工況，測量精度較高。外部變形自動化系統(tǒng)組網(wǎng)見圖1。

圖1 外部變形自動化系統(tǒng)組網(wǎng)圖Fig.1 Automatic system for external deformation monitoring

表1 外部變形自動化接入測點統(tǒng)計表Table 1 Automatic measuring points for external deformation

2.2 觀測數(shù)據(jù)修正

2.2.1 基本原理

光電測距對氣象敏感，但由于水電站區(qū)域氣象復(fù)雜、分布不均，氣象因素采集代表性誤差大，因而采用基線校準(zhǔn)方法。假定觀測過程中，氣象條件穩(wěn)定，各個測點受到氣象因素的影響相似，利用基準(zhǔn)點對監(jiān)測點進(jìn)行修正。為盡可能滿足假設(shè)，需要對測點進(jìn)行分組，每個組包含若干測點及基準(zhǔn)點，使這些點在同一方位和高程段，這保證了空間相似性，增加了同一點組的共性。同時，分組可以有效減短觀測時間，保證時間相似性。校準(zhǔn)基點與監(jiān)測點分布見圖2，基線改正基本思想見圖3。

圖2 校準(zhǔn)基點與測點分布示意圖Fig.2 Distribution of calibration points and monitoring points

假設(shè)x1、x2、x3、x4為覆蓋監(jiān)測區(qū)域的 4 個校準(zhǔn)基點，其三維精密坐標(biāo)已知（高程為二等精密水準(zhǔn)高程），測站為A，則測站A 對監(jiān)測點p的距離觀測值可進(jìn)行如下修正：

對水平角、天頂距等也可按類似原理進(jìn)行修正。

2.2.2 測點分組的原則

（1）每個組內(nèi)包含若干監(jiān)測點和基準(zhǔn)點（至少兩個基準(zhǔn)點）；

（2）每個組內(nèi)測點數(shù)量不宜過多，以免延長觀測周期；

（3）每個組內(nèi)的測點大致處于同一方位及同一高程段。

2.2.3 測點分組觀測

苗家壩水電站外部變形智能化監(jiān)測的區(qū)域分為壩頂監(jiān)測區(qū)、壩后坡監(jiān)測區(qū)、引水排沙洞進(jìn)口監(jiān)測區(qū)、廠房后邊坡監(jiān)測區(qū)、排沙洞出口監(jiān)測區(qū)、尾水平臺監(jiān)測區(qū)和F12 變形體監(jiān)測區(qū)?？捎每刂凭W(wǎng)點10個（TN01～TN10），其中TN04、TN06、TN08、TN09、TN10可作為左岸1號測站（TB01）后視定向及穩(wěn)定性檢測使用，TN02、TN05、TN07、TN10可作為右岸2號測站（TB02）后視定向及穩(wěn)定性檢測使用。本次新建2 個智能測站分別位于大壩左岸上游和右岸下游，校準(zhǔn)基點利用4 個原視準(zhǔn)線基準(zhǔn)點及1 個新建（左壩腳）校準(zhǔn)基點，共計5個。

左岸1號智能測站（TB01）對壩頂監(jiān)測區(qū)、引水排沙洞進(jìn)口監(jiān)測區(qū)測點進(jìn)行極坐標(biāo)觀測，利用左右壩肩的兩條基線（TB01-XZ01、TB01-XY01）替代氣象數(shù)據(jù)對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行基線校準(zhǔn)改正。由于改正方式及校準(zhǔn)基線一致，故把上述兩個測區(qū)的測點分為一個組進(jìn)行觀測。

右岸2號智能測站（TB02）對壩后坡監(jiān)測區(qū)、尾水平臺監(jiān)測區(qū)、排沙洞出口監(jiān)測區(qū)、廠房后邊坡監(jiān)測區(qū)和F12 變形體監(jiān)測區(qū)測點進(jìn)行極坐標(biāo)觀測。一部分使用氣象數(shù)據(jù)對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行改正，一部分利用左右壩肩和壩腳的4 條基線（TB02-XZ01-1、TB02-XY02、TB02-TB6-1、TB02-XZ02）替代氣象數(shù)據(jù)對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行基線校準(zhǔn)改正。由于壩后坡監(jiān)測區(qū)、尾水平臺監(jiān)測區(qū)、排沙洞出口監(jiān)測區(qū)和廠房后邊坡監(jiān)測區(qū)的改正方式及校準(zhǔn)基線一致，故把這4 個測區(qū)的測點分為一個組進(jìn)行觀測；F12 變形體監(jiān)測區(qū)由于地質(zhì)地貌原因，不能設(shè)置校準(zhǔn)基點，只能做氣象改正，故單獨分為一個組進(jìn)行觀測。

2.2.4 采集流程及限差設(shè)置

采集過程中，對正倒鏡差異過大、測回間差異過大的情況進(jìn)行實時判斷，必要時觸發(fā)重測流程。具體包括正倒鏡水平角度檢驗、正倒鏡天頂距檢驗、斜距檢驗及各個測回對同名點的觀測值一致性檢驗等。每次觀測進(jìn)行4個測回，按照二等精度設(shè)置限差。

2.3 GNSS監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

GNSS 監(jiān)測系統(tǒng)共有 3 個測點。1 號測站、2 號測站、TN08通過專用棱鏡支架和棱鏡GNSS同軸裝置設(shè)置圓棱鏡。選擇1號測站、2號測站作為GNSS監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測點，TN08作為GNSS的基準(zhǔn)站?；鶞?zhǔn)站需定期復(fù)核，以減小測量誤差。通過GNSS 系統(tǒng)實時校準(zhǔn)兩個測站的穩(wěn)定性，可根據(jù)用戶自定義時長，依據(jù)長時間數(shù)據(jù)序列進(jìn)行穩(wěn)定性分析，及時了解測站穩(wěn)定性。

2.4 系統(tǒng)特點及功能

苗家壩水電站大壩外部變形智能監(jiān)測系統(tǒng)是集機(jī)械、電子、傳感、通訊、自控、精密測量、基線自校準(zhǔn)測量、變形監(jiān)測數(shù)據(jù)智能化處理等于一體的大型綜合系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由智能測站、控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集、后處理、成果發(fā)布與應(yīng)用等子系統(tǒng)構(gòu)成。

2.4.1 智能測站系統(tǒng)

智能測站集成了雨量、溫度、濕度、氣壓、風(fēng)速、紅外遙感、行程感知等傳感器，以及遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控與自動化控制啟閉罩、智能測站一體化控制主機(jī)等設(shè)備。智能測站中的風(fēng)速、雨量傳感器能夠智能識別外界環(huán)境是否滿足監(jiān)測時的氣象條件要求，識別獲取數(shù)據(jù)質(zhì)量，智能決策啟閉罩的開閉。這種智能決策既保證了監(jiān)測數(shù)據(jù)最大可能的連續(xù)完整性和質(zhì)量，又保證了智能測站和測量設(shè)備的安全性，真正實現(xiàn)了機(jī)器判斷取代人為判斷。同時，該系統(tǒng)實現(xiàn)了與可控硬件設(shè)備的聯(lián)動，根據(jù)氣象條件實施任務(wù)，同時在任務(wù)啟動時自動將啟閉罩、電動窗打開，進(jìn)行監(jiān)測任務(wù)。在監(jiān)測任務(wù)中出現(xiàn)下雨或風(fēng)速超限及非法入侵的情況時，自動結(jié)束任務(wù)并完成啟閉罩、電動窗的關(guān)閉，智能判別環(huán)境量是否超限，非法入侵警報結(jié)束后自動補測中斷的測量任務(wù)，從而真正實現(xiàn)了無人值守[6-7]。

2.4.2 數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)

控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)按照事先決定的觀測任務(wù)和時間表，根據(jù)外部氣象條件智能啟動或延遲觀測任務(wù)，實施野外數(shù)據(jù)自動限差判斷與重測。當(dāng)采得合格監(jiān)測數(shù)據(jù)后，實時進(jìn)行本地備份并發(fā)往數(shù)據(jù)庫存檔。后處理系統(tǒng)讀取采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫合格監(jiān)測數(shù)據(jù)，完成原始數(shù)據(jù)的預(yù)處理、修正、平差、生成報表、報告等。監(jiān)測分析結(jié)果形成后，經(jīng)人工審核后根據(jù)設(shè)置權(quán)限進(jìn)行結(jié)果發(fā)布與應(yīng)用。

在測量機(jī)器人自動監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集方面實現(xiàn)了以下功能：

（1）觀測方式的自由定義。系統(tǒng)將測量機(jī)器人觀測動作細(xì)化到單一動作，用戶可根據(jù)需求任意組合。

（2）觀測任務(wù)的任意定義。根據(jù)點的分組、采集模式、不同限差等進(jìn)行觀測任務(wù)的制定。

（3）按需求制定觀測計劃。觀測計劃分為常規(guī)計劃和特殊計劃，可根據(jù)具體需求任意制定觀測的時間計劃。如果當(dāng)天出現(xiàn)常規(guī)和特殊兩種計劃，則系統(tǒng)自動放棄常規(guī)計劃，執(zhí)行特殊計劃。

在后處理分析方面實現(xiàn)了以下功能：

（1）提供了手動與自動兩種方式的平差分析處理，自動生成平差報告，并同時管理和自動處理分析來自多個觀測站的采集數(shù)據(jù)，通過日志詳細(xì)記錄處理分析過程，并提供查詢和手動分析功能。

（2）多種方式的平差改正（極坐標(biāo)、后方交會、前方交會）、氣象改正、基線改正、氣象+基線改正方式，滿足多種需求。

3 系統(tǒng)運行情況

3.1 系統(tǒng)可靠性及精度分析

該自動化監(jiān)測系統(tǒng)自2021年1月運行以來，通過現(xiàn)場測試及試運行，系統(tǒng)運行良好，數(shù)據(jù)質(zhì)量較高。從數(shù)據(jù)結(jié)果看，一天（24 h）中不同時段采集的數(shù)據(jù)在通過基線自校準(zhǔn)改正處理后，隨著氣象條件（溫、濕、氣）的變化，結(jié)果數(shù)據(jù)沒有明顯差異波動，能夠?qū)崟r準(zhǔn)確掌握大壩變形性態(tài)，極大改善了人工觀測環(huán)境，提高了工作效率，達(dá)到了建設(shè)目的。

圖5～6為苗家壩水電站壩后坡典型測點TP2-3和 TP4-3 自2021年1月16日運行以來X向和Y向位移過程線。截至2021年2月18日，共采集獲得160 期數(shù)據(jù)，按照試運行期5 次/d 的監(jiān)測頻次，數(shù)據(jù)完整率達(dá)99%以上。從圖5～6 可以看出，數(shù)據(jù)連續(xù)性較好，數(shù)據(jù)波動基本在2 mm 以內(nèi)，其中左右岸方向由于兩岸山體約束，未表現(xiàn)出明顯的變形趨勢；上下游方向受庫水位及溫度等因素影響，表現(xiàn)為緩慢向下游變形趨勢，符合土石壩一般變形規(guī)律。

圖6 苗家壩水電站大壩典型測點Y向（上下游）位移過程線Fig.6 Y directional displacement by typical measuring points

圖7為苗家壩水電站壩后坡典型測點TP2-3和TP4-3 自2016年1月5日—2019年10月12日的人工觀測數(shù)據(jù)。前期人工觀測采用視準(zhǔn)線法，從圖7可以看出，大壩整體向下游位移，但整體變形趨緩，變形量約為1～2 mm/年，且2019年后基本趨于穩(wěn)定，無明顯變形趨勢。與自動化改造后的觀測結(jié)果對比，兩者變形趨勢、變形速率和方向等基本吻合，表明自動化結(jié)果可靠。

圖7 苗家壩水電站大壩典型測點自動化改造前Y 向（上下游）位移過程線Fig. 7 Y directional displacement by typical measuring points at Miaojiaba dam before automation renovation

圖8 為壩后典型測點沉降位移過程線。從圖8 可以看出，測點豎直方向測值波動相對水平方向偏大，但總體在±2 mm 范圍內(nèi)波動。苗家壩水電站于2014年投運，目前沉降變形趨緩。從短期過程線看，大壩無明顯沉降變形，與前期人工觀測結(jié)果一致。

圖8 苗家壩水電站大壩典型測點H向（沉降）位移過程線Fig.8 H directional displacement by typical measuring points

3.2 測值穩(wěn)定性分析

取TP2-3、TP4-3、TP5-4和TPPS01四個典型測點2021年1月16日—2021年1月20日的23期測值進(jìn)行短期穩(wěn)定分析。根據(jù)大壩結(jié)構(gòu)及運行特點，假定在較短時間內(nèi)庫水位、氣溫、水溫等環(huán)境量基本不變，則相應(yīng)的監(jiān)測值也應(yīng)基本不變[8]。自動化系統(tǒng)在短期內(nèi)連續(xù)測試n次，讀數(shù)分別為x1、x2，…，xn，計算n次測值誤差，根據(jù)中誤差評價測量精度及測值穩(wěn)定性。n次實測數(shù)據(jù)算數(shù)平均值計算如下：

從表2可以看出，該自動化系統(tǒng)短期測值穩(wěn)定性較好，平面中誤差最大值為0.63 mm，高程方向測值穩(wěn)定性相對較差，中誤差最大為4.47 mm。根據(jù)現(xiàn)場情況，高程方向部分測點中誤差較大的主要原因為大壩壩后坡原設(shè)計采用視準(zhǔn)線人工觀測，觀測墩位置偏低。采用自動化觀測后，測站位置發(fā)生變化，安裝固定棱鏡及保護(hù)罩后，測點與測站間觀測視線距防護(hù)欄桿、壩后馬道地面等遮擋物較近，對觀測造成了一定影響。從未被遮擋物影響的TP5-4測點來看，豎直方向精度滿足土石壩監(jiān)測的要求，后期將及時通過加高觀測墩的方式解決上述問題。

表2 苗家壩水電站大壩典型測點短期測值中誤差Table 2 Mean square error of short-term measured values by typical measuring points at Miaojiaba dam

4 結(jié)語

苗家壩水電站大壩外部變形智能監(jiān)測系統(tǒng)在大型水電站、高邊坡等外部變形自動化監(jiān)測方面進(jìn)行了智能化監(jiān)測探索實踐。通過智能測站建設(shè)，實現(xiàn)了與可控硬件設(shè)備的聯(lián)動，可根據(jù)氣象條件實施監(jiān)測任務(wù)，同時在任務(wù)啟動時自動打開啟閉罩，進(jìn)行監(jiān)測任務(wù)。監(jiān)測任務(wù)中出現(xiàn)下雨或風(fēng)速超限及非法入侵的情況時，自動結(jié)束任務(wù)并關(guān)閉啟閉罩。該系統(tǒng)可智能判別環(huán)境量是否超限，實現(xiàn)非法入侵報警，自動補測中斷的測量任務(wù)，真正實現(xiàn)了無人值守、智能監(jiān)測。同時，通過基線自校準(zhǔn)與氣象融合模型的應(yīng)用，大幅度提升監(jiān)測數(shù)據(jù)質(zhì)量，具備自動化監(jiān)測快速預(yù)警和應(yīng)急處置決策能力，滿足水電工程及高邊坡監(jiān)測需要。該系統(tǒng)可為其他水電站、高邊坡及地表外部監(jiān)測工作提供參考和指導(dǎo)，對外部變形監(jiān)測管理具有十分重要的現(xiàn)實意義。