三座店水库堆石坝测量机器人变形监测设计方案

郝淑荣

（辽宁省水利水电勘测设计研究院，辽宁沈阳110003）

1 水库大坝概况

三座店水库工程位于内蒙古赤峰市境内西辽河支流阴河的下游，拦河主坝采用沥青混凝土心墙堆石坝型，坝顶高程为731.9 m，最大坝高为53.50 m。

三座店水库主坝在5个断面共布设20个综合位移标点（兼测水平位移和垂直位移），共布设6个水平位移工作基点，原设计采用控制网人工现场进行观测。由于下游坝坡较陡，人工变形观测困难，因此，引入机器人自动化变形监测系统。

2 测量机器人特点

1）自动化程度高，可靠性强。

2）可实现实时监测、快速监测。

3）运行维护方便、节省成本。

4）测量范围大，可以对大坝上处于通视条件下的任意点进行测量，并可同时获得每个变形测点的水平位移和垂直位移的信息。

5）测量机器人测角精度0.5”，测距精度0.6 mm+1 ppm。

6）其系统不足主要表现在测量精度受大气折射的影响。在大坝监测控制网的基础上，可以采取在不受大气折射影响时段进行观测，可以消除和减弱各种误差对测量结果的影响，大幅度地提高测量精度。

3 系统组成及结构

系统设施主要有测量机器人、棱镜支架目标组、通讯设备、供电设备、视频监控设备、远程安防设备、计算机和服务器等设备以及基点站房组成。

4 设计方案

4.1 基点站房

在主坝坝顶附近建设测量机器人观测基点及基站站房。观测基点用于安装测量机器人，观测基点布设在基点站房内。为实现真正的自动化观测，在基点站房配备全自动电动玻璃窗，玻璃窗在测量机器人观测前后可自动开闭，避免玻璃折射引起的观测误差，同时保证基点站房内外温度等环境因素一致性，满足测量机器人观测精度要求。

4.2 位移标点及基点改造

为实现自动化观测，需对综合位移标点进行自动化改造，并增设观测棱镜及保护装置。保护装置在满足观测精度的前提下，满足了防盗、防雾的要求。保护装置避免了在每次观测前，人工安装棱镜的工作，解决了三座店水库坝坡坡度大，人工现场测量困难的问题，实现了无现场工作人员完全的自动观测。表面变形采用控制网观测方案，利用主坝已经建立的控制网，并实现自动观测。

4.3 机器人辅助系统

为保证主坝监测设备的安全，同时可实时监测测量机器人的工作状态，需配置视频监控系统，布设视频监控设备和基点站房门禁设备，实现在中控室远程监控。

在基点站房内布设1台摄像机、基点站房外布设2台摄像机，摄像机采用红外一体摄像机。室外摄像机主要监视大坝安全监测等设施，及时发现人为破坏情况。室内摄像机主要监视基点站房和中控室内部的情况，能及时发现或阻止外人闯入。在基站站房设置门禁系统，完善的解决正常工作和非法入侵的区分。

5 系统功能

5.1 测量机器人

测量机器人系统具有数据采集、储存和传输、数据处理、分析及报警等功能，可在无人值守情况下完成对大坝表面位移全自动化观测，实现自动和高精度测量、无人值守，充分发挥变形监测系统的作用，特别是在汛期等紧急状态下，及时和连续采集监测数据，为工程安全监控和评估提供依据。

系统实现从测量照准、数据采集记录、数据预处理到测量手簿生成、常用平差软件所需格式文件的输出全部过程自动化，可在无人值守的情况下不间断定时观测。

软件操作简洁，流程清晰，便于操作，可以依据国家现行规范设置各种测量限差，软件设定各项检查指标，可以自动进行三角形闭合差计算。

监测系统在短时间内完成变形点的三维坐标测量，可同时获得每变形点的平面位移和垂直位移信息。系统自动生成EXCEL文档格式表格的外业观测手簿，根据要求，提供各变形点位移信息的日、月、年等报表。系统具有图形显示和输出功能，可以通过图形查看每站观测量和整个控制网网图。

系统采用远离全站仪监测站的计算机中心控制机房监控方式，值班人员在控制机房可全面了解监测系统的运行情况。控制机房和监测站的全站仪之间采用双向有线通讯方式，实现控制计算机对全站仪的远距离在线控制。

5.2 辅助系统

目前，随着信息化产业的高速发展，由远程视频监控系统和防盗报警系统构成的安全防范系统，已经成为涉及多媒体技术、软件工程、网络技术、办公自动化技术等多学科的综合技术，并以其独特的功能需求和先进的技术集成广泛应用于国内外各行各业，成为综合管理系统不可缺少的重要组成部分。尤其在水利建设方面，通过对水利设施的视频集中监控和管理，能及时掌握设备的运行状态，以避免可能发生的意外事件，并做到只要在监控中心，就能够对在监控范围内的各种状况了如指掌，增加了对突发事件的反映速度，有效地提高工作效率。

5.2.1 远程安防系统

1）系统区分正常工作和非法入侵，符合安全防范系统要求的设防和撤防，刷卡进入自动解除报警设防，开关（刷卡）外出自动设防。方便合法出入基站人员进行维护管理。

2）系统提供感应卡、备用钥匙、远程管理中心遥控开门、开窗等多种开关控制方式。

3）系统提供远程设防，状态查询功能,中心管理平台具有设防、布防和撤防等功能。

4）系统报警功能齐全并且能够显示报警类型、报警地点等，实时监控并进行处理，发生警情时，管理人员或管理中心可远程开启或者锁死基站防盗门。

5.2.2 视频监控系统

1）系统实现远程24 h监控。

2）系统图像视频窗口可放大缩小，调整画面的显示清晰度。

3）系统可实现控制前端设备接入的报警主机和报警盒设备的控制，并且能够收到报警设备中的所有数据及处理。

5.2.3 远程电力拖动系统

系统远程自动控制基点站房电动观测窗，与测量机器人联动，在每次测量机器人观测前提前开启观测窗。

5.2.4 供电系统

系统的供电电源采用220 V，50 Hz的单相交流电，该单相电源专线敷设至系统所用的配电柜，其电源波动范围为：+5%～-10%之内，并配有UPS分别给基点站房和中控室提供不中断电源。

5.2.5 防雷系统

系统的接地采用一点接地方式，以避免由于接地电位差而混入交流波干扰等，防雷接地系统需覆盖整个自动化监测系统，其接地电阻应小于4 Ω。

6 结 语

采用传统的人工方式进行表面变形监测，监测工作量大，在需要增加测次等特殊情况下，难以满足准确及时了解大坝的运行状态的需要。如果将表面变形监测纳入大坝安全监测自动化系统，不仅测读快、及时，而且能够做到相关量同步测读，胜任多测点、密测次的要求，提供在时间上和空间上更为连续的信息，而且测读准确性和可靠性高，能够快速、准确地进行大坝安全参数测量、数据采集和传输，并能自动进行资料整编和分析，监测资料的同步性强，能大大减少人为因素的不确定性。