溪源水庫大壩安全位移監(jiān)測自動化改造淺析

何時建

(福建潤閩工程顧問有限公司，福州 350001)

1 工程概況

福建省溪源水庫大壩位于溪源溪上游，水庫為下游福州地區(qū)大學(xué)新校區(qū)及福州高新區(qū)等 60多萬人提供防洪防澇的安全保護，水庫主要功能是防汛為主，兼后期的供水，地位和作用十分重要。溪源水庫大壩為砌石雙曲拱壩，最大壩高68.8m，壩頂長度237.4m，庫容2428萬m3，主汛期防洪庫容1323萬m3，正常水位97.0m，屬年調(diào)節(jié)、中型、山谷型水庫。水庫設(shè)計供水規(guī)模為7萬t/d。目前的大壩安全狀態(tài)良好，但也存在大壩左岸繞壩滲流明顯、地處多雷暴區(qū)面臨雷擊風(fēng)險危害大等問題，現(xiàn)有人工觀測的壩體表面位移、自動觀測的繞壩滲流監(jiān)測、壩肩滲漏量監(jiān)測等，基本滿足大壩安全監(jiān)測需要。

針對溪源水庫安全運行工作實際需要，溪源水庫大壩安全智能監(jiān)測項目對大壩安全位移監(jiān)測項目進行增補，對大壩安全的核心觀測項目位移監(jiān)測，采用測量機器人 與GNSS 結(jié)合的自動化監(jiān)測方式，達到自動采集和實時處理，并進行分析和實時預(yù)警。

2 原有大壩位移監(jiān)測概況

大壩長度237m，壩頂目前已布設(shè)水庫位移監(jiān)測點和沉降位移監(jiān)測點各4個。原大壩壩體位移監(jiān)測任務(wù)由管理處委托專業(yè)測繪單位，采用全站儀人工觀測，每個月觀測1次，觀測時間挑選天氣較好的時段。而對于臺風(fēng)、洪水、夜間等不良工況和不利天氣條件，往往無法得到及時的壩體表面位移監(jiān)測數(shù)據(jù)，影響對大壩安全狀態(tài)的及時掌握。因此對壩體表面位移監(jiān)測項目進行自動化改造十分必要。

綜合原觀測資料分析，壩體水平位移向左右岸變化的幅度較小，但受水位、溫度影響，向下游最大位移32.5mm，向上游最大位移變化4.6mm，呈現(xiàn)季節(jié)性的規(guī)律性，壩體垂直位移受溫度的影響較明顯，呈現(xiàn)夏季上浮，冬季下沉季節(jié)性的規(guī)律，變化幅度±7mm 以內(nèi)(大壩下沉最大6.7mm，上浮最大4.7mm)。

3 大壩位移監(jiān)測系統(tǒng)的自動化改造情況

大壩壩體位移的自動化改造方案采用 GNSS 和測量機器人兩種自動化監(jiān)測方案。GNSS 具有全天候工作優(yōu)勢，雖然其監(jiān)測精度(水平位移監(jiān)測精度2.5mm+0.5PPM)略顯不足(規(guī)范要求精度2.0mm)，但目前技術(shù)能夠很好識別相對位移， 對于溪源水庫大壩的最大32.5mm的位移量，GNSS 能夠監(jiān)測到其變化趨勢，特別是GNSS能夠在惡劣天氣、在夜間下進行監(jiān)測，監(jiān)測頻次可以很高，對不利天氣情況下的大壩安全判別以及在極端情況下的下游預(yù)警與人員疏散有著不可代替的作用。測量機器人監(jiān)測精度較高，可以彌補 GNSS 的監(jiān)測精度的不足，但其監(jiān)測易受天氣、晝夜影響。綜合兩種監(jiān)測方法的優(yōu)勢，采用 GNSS 和測量機器人兩種自動化監(jiān)測方案，兩種方法互補不足，相互驗證，可以滿足壩體表面位移自動化監(jiān)測需求，并為智能研判提供必要數(shù)據(jù)，為GNSS全天候觀測手段在日常監(jiān)測中是否能夠替換測量機器人做些探索性的研究。

3.1 GNSS監(jiān)測方案情況

GNSS作為當(dāng)今最先進的定位手段之一，采用GNSS自動化監(jiān)測方式對壩體表面位移進行實時自動化監(jiān)測，其工作原理為：各GNSS監(jiān)測點與參考點接收機實時接收GNSS信號，并通過數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)絡(luò)實時發(fā)送到控制中心，控制中心服務(wù)器GNSS數(shù)據(jù)處理軟件實時差分解算出各監(jiān)測點三維坐標，數(shù)據(jù)分析軟件獲取各監(jiān)測點實時三維坐標，并與初始坐標進行對比而獲得該監(jiān)測點變化量，同時分析軟件根據(jù)事先設(shè)定的預(yù)警值而進行報警。GNSS表面位移點均可以和當(dāng)?shù)氐淖鴺讼颠M行聯(lián)測，所有監(jiān)測點的坐標均可以轉(zhuǎn)換為當(dāng)?shù)刈鴺恕?/p>

1)監(jiān)測布置：

GNSS設(shè)備共布置6套，GNSS基準站選擇在四周開闊，無信號干擾的基巖處，為控制精度和整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性，設(shè)計2個基準站，主基準站G1，布置在管理房附近的基巖上，副基準站G2，布置在大壩左岸下游路邊的基巖上，在大壩壩頂原有的溢洪道左右邊墩上的人工監(jiān)測點附近布設(shè)2個GNSS監(jiān)測點，監(jiān)測點編號分別為G4、G5，用來監(jiān)測沉降和位移變化，點位布設(shè)的原則是能跟人工進行校核，又能最大特征的監(jiān)測變化。壩頂2個GNSS監(jiān)測點G3、G6，分別布置在左右兩拱中部。

圖1 壩體位移設(shè)備布置圖

2)監(jiān)測設(shè)備：

主要監(jiān)測設(shè)備為高精度GNSS+扼流圈天線以及配套的解析軟件。

圖2 GNSS安裝示意圖

3)通訊方式：

采用無線(4G)和光纖通信的兩種互為備用的形式，將壩體表面位移監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸至調(diào)度中心,從而實現(xiàn)系統(tǒng)遠程實時在線監(jiān)測目的。采用4G無線通信在滿足大壩安全監(jiān)測需求的情況下，GNSS系統(tǒng)的采樣頻率可以設(shè)定。

4)系統(tǒng)軟件：

該系統(tǒng)采用GNSS自動化監(jiān)測方式對壩頂表面位移進行實時自動化監(jiān)測，其工作原理為：各GNSS監(jiān)測點與參考點接收機實時接收GNSS信號，并通過數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)絡(luò)實時發(fā)送到控制中心，控制中心服務(wù)器GNSS數(shù)據(jù)處理軟件實時差分解算出各監(jiān)測點三維坐標，數(shù)據(jù)分析軟件獲取各監(jiān)測點實時三維坐標，并與初始坐標進行對比而獲得該監(jiān)測點變化量，同時分析軟件根據(jù)事先設(shè)定的預(yù)警值而進行報警并把實時三維坐標推送到系統(tǒng)總平臺。

3.2 測量機器人監(jiān)測方案情況

1)設(shè)備：

設(shè)備選用測量機器人，自動全站儀系統(tǒng)，由監(jiān)測機器人全站儀、精密棱鏡組、溫度氣壓傳感器、通訊設(shè)備等組成。而軟件主要由專業(yè)監(jiān)測軟件組成，上述硬件和軟件再配上現(xiàn)場安裝的監(jiān)測棱鏡，構(gòu)成了一套外業(yè)和內(nèi)業(yè)結(jié)合、測量與通訊配套的自動化實時監(jiān)測體系。

圖3 測量機器人

2)測量機器人全站儀的工作原理：

測量機器人全站儀的工作原理，見圖4。

圖4 測量機器人全站儀的工作原理圖

3)監(jiān)測布置：

測量機器人TR1布置在原右岸測量工作基點，加蓋右岸觀測房1座。左岸控制點TR2利用原左岸測量工作基點。壩頂布置7個觀測墩TR3-TR9(其中4個利用原人工觀測墩，新增3個觀測墩)；壩后人行橋上游側(cè)新增3個觀測墩TR10-TR12 ，具體布置情況詳見圖1 。

4)通訊設(shè)備：

結(jié)合大壩的現(xiàn)場條件和監(jiān)測需求，選擇采用光纖的有線通訊方式，最大程度地保障了數(shù)據(jù)的安全性和可靠性。

5)軟件：

測量機器人采用專業(yè)的監(jiān)測軟件，支持數(shù)據(jù)分析和處理，主要包含控制和分析兩個基本模塊，控制模塊可以遠程控制全站儀的測量動作，同時，對于監(jiān)測機器人實時測量的點位數(shù)據(jù)，可以進行及時的傳輸和處理，并分析出監(jiān)測點的坐標變化，據(jù)此得到這些監(jiān)測點的位移趨勢，并且可以圖形化的展示。如果某個監(jiān)測點的位移變化超過了事先設(shè)定的安全閥值，就會發(fā)出預(yù)警信息并推送實時測量的點位數(shù)據(jù)到系統(tǒng)總平臺。

4 大壩位移觀測自動化試運行情況

2021年8月， 經(jīng)有相關(guān)資質(zhì)單位對福建省溪源水庫大壩安全智能監(jiān)測系統(tǒng)進行系統(tǒng)功能性和性能效率測試，經(jīng)測試本系統(tǒng)符合GB/T 系統(tǒng)與軟件工程系統(tǒng)與軟件質(zhì)量要求和評價的要求，開始投入試運行。大壩壩頂特征觀測點測量機器人測點TR6和GNSS測點G4位移數(shù)據(jù)和相對誤差值匯總見表1。

表1 大壩壩頂特征觀測點測量機器人測點TR6和GNSS測點G4位移數(shù)據(jù)和相對誤差值匯總表

續(xù)表1

特征觀測點測量機器人測點TR6和GNSS測點G4在壩頂同一位置，根據(jù)2021年9月至2022年3月近7個月在同一時間段的位移觀測數(shù)據(jù)和相對誤差值可以看出：測量機器人和GNSS的大壩位移觀測數(shù)據(jù)基本吻合，其趨勢、變幅、變化規(guī)律和周期接近，兩組數(shù)據(jù)最大誤差值：Ex=mm ； Ey =mm；EZ=mm，最小誤差值：Ex =mm；Ey= mm E= mm，誤差平均值 Ex=0.mm ；Ey=0.mm；E=0.mm，滿足溪源水庫大壩安全監(jiān)測和自動化改造要求。

5 結(jié) 語

經(jīng)改造后溪源水庫大壩位移監(jiān)測系統(tǒng)，GNSS、測量機器人自動化兩個系統(tǒng)同時運行，相輔相成。運行期間各設(shè)備運行正常，智能監(jiān)測系統(tǒng)相對穩(wěn)定，GNSS、測量機器人自動化監(jiān)測大大提升大壩安全管理自動化水平，系統(tǒng)取長補短、相互驗證，提高了監(jiān)測數(shù)據(jù)的可靠性。溪源水庫大壩是省防洪重點中型水庫，做好溪源水庫大壩的智慧安全監(jiān)測系統(tǒng)，既有保證福州地區(qū)大學(xué)新校區(qū)防洪安全的巨大現(xiàn)實效益，也有引領(lǐng)示范全省水庫大壩加強安全管理的社會效益和行業(yè)效益。