GNSS变形监测预警系统在龙江水电站中的应用*

(1.云南龙江水利枢纽开发有限公司，云南 芒市 678400；2.南京水利科学研究院，江苏 南京 210029)

在强降雨、地震、地质条件等多种因素的共同作用下，边坡的坡体会产生形变，严重时会引发失稳，产生滑动。滑坡在水利水电工程中发生的频率很高，严重的滑坡灾害会造成交通、航运中断，人员伤亡和经济损失。直接威胁到大坝、厂房及河道下游的行洪安全，针对此种危害，二十世纪80年代以前主要采用经纬仪、水准仪、全站仪等测量仪器对变形体上代表性的点进行变形监测。随着科技信息技术的发展，对变形监测的精度和效率都提出更高的要求，能够在以往变形监测的基础上实现实时动态监测，并具备预测预警功能，对于边坡安全稳定运行具有重要的指导意义。通过对边坡安全的预测预警，运行管理人员可以及时采取应对措施以减缓灾害的发生，减小损失。

1 变形监测及预警系统现状

变形监测与预警是指依据监测到的前兆信息以及滑坡运行的灾害信息进行预警。随着信息化技术的发展，在高速公路、高速铁路、煤矿等领域，变形监测与预警已有所应用，并实现了成功的预测预警，如刘心庭[1]等以土质堆积体岸坡为研究对象，考虑库水位变化引起的岸坡岩土体的流固耦合作用，提出了反映库水位变化条件下的监测预警方法。张振华[2]指出单一的静态边坡监测预警指标无法表达边坡在施工过程中动态的变形规律，提出动态变形监测预警指标的研究思路，采用设计安全系数和破坏模式的边坡开挖过程动态监测预警指标的研究思路用于边坡的动态变形监测预警是可行和有效的。在监测与预警模型的建立与完善方面，魏学勇[3]结合三峡库区高边坡监测工程，建立了三级监测网分层布置的方式。王坚[4]在分析累积和检验统计量的前提下，构建了短期预警模型，并研究了影响模型预警效果的因素。总体来看，对边坡变形监测与预警研究已取得了一些进展，而目前主要的研究方向还是需要加强实时变形监测和动态预测预警方面研究，以实现及时有效地反馈施工及运行管理情况，确保边坡稳定和生产安全。

摄影测量、GPS(全球定位系统)也逐渐应用到变形监测中，GPS能够实现实时变形监测的功能，而近年来在GPS基础上发展起来的GNSS(全球导航卫星系统)监测技术因其技术先进性和高精度等优势逐渐在水利水电工程边坡变形监测中得到应用。本文以云南龙江水电站枢纽工程为例，介绍GNSS在大坝及边坡变形监测系统上的应用，并在此基础上开发预警系统软件，为工程的安全运行提供技术支撑。

2 GNSS变形监测系统构成

2.1 系统总体结构

GNSS变形监测系统是由GNSS监测单元、供电单元、通信单元和监控中心单元四个部分组成。监测单元主要由GNSS主机、天线等构成；供电单元由太阳能供电单元或市电电源及配套电缆构成；通信单元由成对的无线网桥构成；监控中心单元由服务器、T4D监测软件、监控与预警软件和网络机房设备组成。系统网络结构如图1所示。

图1 GNSS变形监测系统结构

2.2 系统组成

2.2.1 GNSS监测单元

GNSS监测单元是GNSS变形监测系统的核心部分，其安装于各变形监测点和观测基点，由观测墩和GNSS接收机(NetR9)组成。 GNSS接收机(NetR9)由主机、天线、天线馈线、电源适配器等组成。

GNSS接收机(NetR9)在支持GPS通道的基础上，还支持GLONASS、Galileo、北斗卫星，并且还具备扩展功能，主机具有440个通道，卫星跟踪能力极强。内置7800mAH锂电池，可供长时间连续工作使用，在外部电源断电情况下的可作为紧急备用电源，以确保数据安全不丢失。接收机具有蓝牙、串口、Mini USB、RJ45网口等多种接口，方便数据传输。

2.2.2 通信单元

通信单元是实现GNSS监测单元与监控中心单元的双向数据传输，即观测数据的上传和监控中心服务器指令的下发。

通信方式采用无线方式，5.8G无线网桥搭建项目地局部无线网络，在2～3km范围内带宽可达5Mbps以上。在通视无遮挡的情况下，无线网桥的通信稳定可靠，成熟技术，是系统较为理想的通信手段。

2.2.3 监控中心单元

监控中心单元由主服务器、T4D软件和网络机房设备(交换机、路由器、UPS、防雷接地装置等)组成。

无线网桥安装在监控中心房顶或侧墙，保持与野外通信设备的通视，中心网桥通信设备通过网线与监控中心交换机连接。

3 精度校验

为检验GNSS接收机的主要技术指标，开展精度校验工作。其校验的主要指标要求如下：在实时观测12h后，系统可以实时持续稳定地监测水平1mm、垂直2mm的位移变化量。

3.1 校验仪器

用于校验的主要设备有GNSS接收机2台，移动基座平台1个。GNSS接收机采用本项目现场安装的设备，在安装前进行检验。移动基座平台是安装有千分尺的可控制水平和垂直位移的设备，该移动基座的位移精度可达0.01mm，能够满足对GNSS接收机精度的校验要求。

3.2 校验方法和要求

为较好地接收卫星信号，选择四周较为开阔场地制作2个40cm×40cm混凝土观测墩。并在观测墩中预埋强制对中基座，以便于安装和校验GNSS接收机，其中1个观测墩作为固定点，另一个观测墩放置安装有千分尺的移动平台实现可量测的水平和垂直位移，如图2所示。

图2 校验方法示意

观测墩制作完毕后，将2台GNSS接收机分别安置于固定点和移动点观测墩(其中A点安装于固定点观测墩，B点安装于移动点观测墩，后移动至C点)，设备安装完成后将接收机开机6～12h进行初始数据定位，以实现初始坐标的稳定。待获得初始数据后，移动B测点至C测点(分三次进行，首先沿AB方向水平移动10mm，然后垂直AB方向水平移动10mm，最后向竖直方向移动10mm)，通过移动平台可准确量出水平和垂直方向移动的距离，并通过计算获得水平方向位移和垂直方向的位移。再经过观测获得C点坐标，至此可以通过测量获取A、B、C三点坐标，然后计算得出BC间距离，与实测值水平方向位移值相比较以校验观测准确性。

3.3 校验结果

通过现场精度指标校验测试，从图3校验精度趋势图中可以看出，GNSS监测系统在12h或更长时间的数据处理，可以实时持续稳定地监测水平1mm，垂直2mm的位移变化量。

从实际测试结果来看，本次测试过程中水平中误差随着数据的积累，其趋势逐渐减小，当测试进行到24h后中误差在1mm以内，且仍有继续减小的趋势。垂直中误差由于受环境影响因素较多，在测试超过6h后中误差急剧降低，在24h解算后，垂直中误差略有提高，但仍在2mm以内，能够满足变形监测要求。值得注意的一点是，垂直中误差在6h后急剧下降，表明在现场实际监测应用时，只要积累一定的数据后，通过6h以上的数据解算就可以大幅提高垂直位移的监测精度，这对常规仅采用水平位移监测的手段是极大的补充，可以满足边坡高精度三维变形全天候实时监测要求。在更长的时间内进行持续监测，将显著提高变形实时监测精度，并为进行边坡安全预测预警持续提供数据，满足高边坡长期稳定变形监测需求。

图3 校验精度趋势图

4 GNSS变形监测系统安装

4.1 变形监测测点布置

结合云南龙江水利枢纽工程的特点，为满足水库大坝安全运行管理及日常变形监测需求，变形实时监测系统共布置2个基点，6个观测点，如图4所示。基点布置于水电站厂房和变电站两个基岩较为稳定部位，观测点分别位于大坝坝顶和两岸边坡，其中3个布置于坝顶左、右岸和最大坝高处，3个布置于两岸边坡。边坡测点编号如下，左岸为厂房边坡测点(Za)和缆机边坡测点(Zg)，右岸为大坝右岸边坡测点(Ya)，大坝最大坝高处及两岸重力墩分别布置1个测点。

图4 GNSS监测点布置

4.2 通讯系统网络配置

该系统采用无线网桥通信，有效提高了系统通信的稳定性。通过5.8G无线网桥搭建局部无线网络，在2～3km范围内带宽可达5Mbps以上。每一个测点固定一个IP地址，每一个接收机也有固定的IP地址。

5 变形监控指标的建立

为实现边坡变形预测预警，首先需要建立相应的变形监控指标。而根据实测资料建立的监控指标更具有代表性和可操作性。对2013年1月—2015年7月云南龙江水电站左岸缆机边坡、厂房边坡和右岸坝肩边坡变形量和变形速率进行分析，左岸缆机边坡月最大位移12.6mm，月平均变形速率0.28mm/d，厂房边坡月最大位移9.7mm，月平均变形速率0.33mm/d，右岸坝肩边坡月最大位移12.5mm，月平均变形速率0.44mm/d，以上边坡均为稳定状态。

2013年8月近坝库岸边坡出现滑坡，在6—7月份有降雨期间，未发现边坡变形出现异常。而8月初突降暴雨，8月6日变形量为1.5cm，自8月6日开始边坡变形加速增大，8月16日变形量达到7.0cm，自8月16日后变形量有增速进一步加快，呈现突变趋势，8月23日早8点变形量达到20cm，平均变形速率15mm/d，根据历史变形监测及边坡滑坡发生过程监测资料边坡分析，确定以变形速率为指标的等级划分见下表。

边坡安全等级划分标准表

该指标是根据已发生滑坡拟定，对本工程及类似工程边坡稳定指标具有一定的参考价值。但边坡的滑坡与其他的众多因素有关，如降雨、岩体岩性、温度等，只有在累积大量数据，并全面分析影响边坡位移的各个因素，才能得出更优的监控指标以供预测预警使用。

6 预警系统的构建

6.1 系统结构

高精度三维变形实时监测与预警系统包括高精度三维变形实时监测、水库大坝安全实时监测、实时监控与预警三大子系统。其中，高精度三维变形实时监测子系统应用现代GNSS技术，能够实时采集水库大坝和边坡的三维变形信息。水库大坝安全实时监测子系统用于水库大坝环境量及变形、渗流、应力应变等项目的监测。实时监控与预警子系统在收集高精度三维变形实时监测子系统、水库大坝安全实时监测子系统监测数据的基础上，通过监控模型建立预警指标，对水库大坝及库岸边坡的实时运行性态进行监控和预警。

6.2 监控与预警子系统功能

该系统在对三维变形等监测资料进行科学管理的基础上，实现监控预警的目的。在采集系统的基础上，构建监测信息分析与评价系统。以实现用户登录、数据库连接、监测系统管理、监测数据管理、监测数据分析与评价、监控及预警等功能，系统功能菜单如图5所示。

图5 系统功能菜单

7 结 语

为保障云南龙江水电站枢纽工程的安全运行，引进GNSS系统对大坝及边坡进行变形监测，同时开发预测预警软件，为云南龙江水电站的安全运行提供技术支撑，通过该GNSS系统的应用主要得到以下结论：

ⓐ通过对GNSS接收机进行变形监测精度的校验，校验结果显示GNSS系统可以达到中误差水平1mm，垂直2mm的监测精度，表明该系统具备高精度位移监测的能力，是对常规变形监测手段有力的补充，能够满足云南龙江水电站边坡高精度三维变形全天候实时监测要求。

ⓑ对云南龙江水电站多个边坡的变形和变形速率的历史数据进行分析，提出了以变形速率为依据的边坡预警等级，并开发相关软件，为水库大坝及库岸边坡的运行和预警提供依据。