饮用水源水库大坝外观形变自动监测技术

褚凌超

摘要：外观形变监测是水库大坝安全监测系统的重要组成部分，是水库日常管理工作中的一项重要内容。文章以高精度差分全球定位系统（GPS）位置测量为基础，GPS多天线阵列接收技术为核心，设计了一种饮用水源水库大坝外观形变自动监测系统，并探讨了该系统的设计、组成、工作原理等。实践测试结果表明该系统满足大坝外观形变监测要求。

关键词：饮用水源；水库大坝；外观形变；精密测量；差分GPS；自动监测

中图分类号：TV698文献标识码：A文章编号：1009-2374（2014）21-0080-02

城市中一般都是以水库蓄水的形式为城市居民提供饮用水，水库蓄水能力的大小与城市发展息息相关，一般大型城市周围都配备几个大型水库，以满足人民生活基本需要。当雨量丰沛时正是水库蓄水的最佳时机，同时也对水库的安全防御能力提出了新的要求，尤其是实时监测水库大坝外观形变，当外观形变达到警戒范围时，必须开闸放水以减轻对水坝的压力，从而保证安全。水坝外观形变需要定期、定时进行监测，根据监测结果制定保养和维护措施，以提高水坝抗洪涝、地震、其他自然灾害的能力，对保护人民生命、财产等起到至关重要作用。

1外观形变监测技术

精密工程测量和变形监测，是以毫米级乃至亚毫米级精度为目标的工程测量，水利大坝变形是正好适合此领域，通过对大坝上特定位置点位移随时间的变化情况，而得到外观形变。早期的监测仪器可以完成水平位移检测、垂直位移监测、三维位移监测。水平和垂直位移监测时采用的仪器主要有侧垂线坐标仪、引张线仪、遥测静力水准仪、激光准直测量仪、自动化全站仪等。三维位移监测主要采用经纬仪、全站仪等行测量。上述测量仪器各有优缺点，对水坝变形监测手段有限，费事费力，而且效率不高，尤其对于某些特殊位置点，由于环境特点不适合架设检测仪器，从而形成检测盲区而带来隐患。上述监测仪器的另一个显著弊端是检测数据不能实时处理，必须对数据进行事后分析，有可能错失最佳保养、维护、处理时机。

GPS是一种新型的外观形变监测仪器，实践已经证明可以在各种精密工程测量和变形检测中应用，借助其精密位置测量技术实现水库大坝外观三维形变监测是其应用的一个主要领域，与其他监测仪器比较，GPS具有精度高、速度快、全天候、实时性好、测量数据全面、便于联网、不需要通视等诸多优点，是实现全自动化检测的必备条件之一。应用GPS实现测量主要两种模式：一是使用GPS进行定期、定点人工采集数据，这种模式虽然简单，但是实时性不好；二是在每一个监测点上都安置一个GPS接收系统，此种方式具有实时性，最高可1秒钟更新一次数据，但是这种模式成本较高，制约了监测点的个数，上述两种模式都有具体应用实例。考虑数据处理实时性与监测点个数之间的关系，本文设计了一种单接收机，多GPS天线阵列的水坝外观形变监测系统，以牺牲数据处理实时性为代价，增加监测点个数，从而降低系统成本。该系统兼顾上述两种模式的优点，克服缺点，使用一个接收与5个GPS天线相组合分时处理数据，可以达到10分钟的数据更新率，完全满足水坝外观形变监测要求。

2自动监测系统设计原理

设计的自动监测系统适合应用在坝长在200m以内，坝高在20m以内的中小型水坝外观形变检测。系统由数据采集、数据传输、数据处理、形变显示四个主要部分构成。

GPS数据采集分为基准点和监测点两个部分。为提高大坝监测的精度和可靠性，大坝监测基准点宜选两个，并分别位于大坝两岸，点位地质条件要好，点位要稳定且能满足GPS观测条件。基准点采用差分GPS技术，2台GPS接收机安置在基准点上进行观测，根据基准点已知精密坐标，计算出基准点到卫星的距离改正数，并由基准站实时地将这一改正数发送出去，监测点的接收机在进行GPS观测的同时，也接收到基准点的改正数，并对其定位结果进行改正，从而提高定位精度，应用此种方式可使检测点的定位精度达到毫米级别。检测点能反映大坝变形，并能满足GPS观测条件。根据以上原则，本系统大坝外观变形GPS监测系统基准点为2个，监测点5个（每隔50m设置一个GPS监测点）可以满足观测

要求。

数据传输：GPS数据传输采用有线方式（坝面监测点观测数据）和无线（基准点观测数据）相结合的方法。

GPS数据处理、分析和管理：整个系统由3台GPS接收机组成，7个GPS天线组成，其中基准点位置必须当接收机与天线组合使用，监测点使用一机多天线技术，这里的核心技术是各个天线之间分时工作机理。在整个观测时间内，需连续观测，并实时将观测资料传输至控制中心，进行处理、分析、存储。系统反应时间小于10分钟，即从每台GPS接收传输数据开始，到处理、分析、变形显示为止，所需总的时间小于10分钟。

形变显示：将处理后的数据实时以“组态”的形式显示在监视屏幕上，监视人员可以直接从屏幕上判断变形的状态及变形大小，也可以通过网络形式将监测结果及“组态”图像传输至远程控制室内，可真正实现远程无人值守监视工作。为实现上述功能必须建立一个完善的软件管理、监测系统。

对设计系统进行实际测试，整个系统全自动工作。测试结果表明，使用一个基准点进行变形监测，应用卫星广播经历1～2个小时GPS观测资料解算的监测点位水平精度优于2cm，垂直精度优于2cm；6小时GPS观测资料解算水平精度优于1.5mm，垂直精度优于1.5mm。利用两个基准点，1～2个小时GPS观测资料解算的监测点位水平精度优于1.5cm，垂直精度优于1.5cm；6小时GPS观测资料解算水平精度优于1mm，垂直精度优于1mm。

3结论

从饮用水源水库大坝外观形变监测的角度出发，以高精度差分GPS位置点位测量为基础，一机多天线阵列接收技术为核心，设计了一种外观形变自动监测系统，该系统具有测量精度高、监测无盲区、省事省力、具有全天候工作能力、可实现无人值守等诸多优点。当外观水库大坝外观形变达到警戒要求时，可以自动发出报警信号，以指示工作人员开闸放水。同时，此系统经过升级改造后也可自动控制闸门打开放水，从而实现真正的实时性，提高安全防护级别。实践表明本系统6小时监测水平与垂直精度均优于1mm，达到了水坝外观形变监测要求。

参考文献

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作者简介：禇凌超（1977-），男，吉林柳河人，吉林省柳河县自来水公司工程师，研究方向：自动供水、水质监测。

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