横泉水库大坝表面位移变形自动化监测系统应用与分析

（山西省水利水电勘测设计研究院有限公司 山西太原030024）

1 监测对象及必要性

横泉水库是山西省基础设施建设的一项重点工程，是一座以城市生活和工业供水、农业灌溉为主，兼顾防洪、发电等综合利用的中型水库。大坝为碾压式均质土坝。最大坝高36.70 m，坝顶宽6 m，坝顶长962 m。

横泉水库饮用水水源环境信息系统工程是借助计算机监控系统手段，实现水量科学调配，达到水资源优化调度的目的。该系统工程主要包括大坝安全监测、水质监测、闸门自动监控等内容。

其中大坝安全监测的建设尤为重要，为了实时了解大坝表面变形的情况，需建立大坝表面变形自动监测系统，这对于合理开发利用横泉水库的水资源，监测水库工程运行状况，保护饮用水水源地是十分必要的。现就大坝表面位移变形自动监测系统展开叙述。

2 大坝表面位移变形自动监测系统

2.1 系统现状

目前大坝表面位移变形观测主要采用人工观测，工作量繁重且可靠性低。大坝外观变形监测对观测人员的要求较高，需要具备一定的专业知识，而目前水库运行人员中缺乏专业人员，观测数据质量较低。这样不论是巡检的次数、覆盖面，还是准确性，都不能完全满足工程运行的严格要求。

2.2 建设内容与要求

1）拟在调度中心对大坝内外部安全监测数据进行采集并分析，监测数据同时同步至调度中心。

2）建立完善大坝外部自动监测系统。

2.3 大坝表面位移变形监测方法可行性分析比选

目前，适合土石坝表面形变的自动化监测方法主要有GNSS 自动化监测系统、高精度智能全站仪自动化监测系统，下面分析两种系统对于横泉水库大坝自动化监测的可行性。

1）GNSS 自动化监测系统

该系统是基于GNSS 动态测量技术建立而成的一种自动化监测系统[1]，主要由基准站、监测站、通讯系统、供电系统、计算机、数据管理处理分析软件组成。由于GNSS 测量技术可进行全天时、实时、连续的观测，因而被广泛用于桥梁、滑坡、边坡、水利大坝等监测中。

系统监测时，在基准站和监测点上安装GNSS 接收机和天线，在监控中心安装计算机，所有测站均可由220V 直接供电，也可由太阳能供电，通讯系统可选择电台、无线、移动通讯、通讯电缆等方式。监测时，可在监测软件上设置观测周期、观测频率、质量控制参数等观测设置，然后系统按照设置通过通讯电缆控制GNSS 接收机进行自动化监测，最终所有监测数据信息再由通讯电缆实时传回计算机，由监测软件进行数据处理分析后形成监测成果存储发布，监测全过程可实现全天时全天候无人值守连续实时监测。相对全站仪自动化监测系统而言，虽然该系统具有无需监测网点之间通视的突出优点，但是由于该系统的基础平台GNSS 技术对卫星可见性和几何位置有着较高要求，而水利大坝往往建于高山峡谷中，卫星遮挡较为严重，同时由于所有监测网点上都需安装1 台GNSS 设备，费用高昂，这些对该技术的应用都构成了较为不利因素。

横泉水库监测点较多，若用GNSS 自动化监测系统，费用是全站仪自动化监测系统的数倍。因此，GNSS 自动化监测系统对于横泉水库大坝监测而言，适用性相对较低。

2）高精度智能全站仪自动化监测系统

高精度智能全站仪是一种集自动目标识别、自动照准、自动测角与测距、自动目标跟踪、自动记录于一体的测角精度不低于0.5’’、测距精度不低于1 mm+1 ppm 的全站仪，又称测量机器人[2]。该类全站仪既可按照内设程序自动观测，也可通过通讯电缆与计算机连接，由计算机软件远程控制观测，为远程自动化监测提供了必要的基础平台。从高精度智能全站仪出现开始至今，已经在桥梁、地铁隧道、基坑、滑坡、边坡、水利大坝等众多领域得到了广泛应用。

高精度智能全站仪自动化监测系统主要由高精度智能全站仪、通讯系统、棱镜、气象传感器、供电系统、计算机、数据管理处理分析软件组成，系统观测以及数据处理分析以极坐标法监测为基本原理。应用于大坝监测时，将全站仪安装在带有观测墩的观测房内，观测房附近安装气象传感器，基准点和监测点上安装棱镜，在监控中心安装计算机，观测房内全站仪可由220 V 直接供电，也可由太阳能供电，通讯系统可选择电台、无线、移动通讯、通讯电缆等方式。监测时，可在监测软件上设置观测周期、观测频率、质量控制参数等观测设置，然后系统按照设置通过通讯电缆控制全站仪进行自动化监测，并同时通过气象传感器采集气象参数，最终所有监测数据信息再由通讯电缆实时传回计算机，由监测软件进行数据处理分析后形成监测成果存储，并可实现web 发布，监测全过程可实现全天时无人值守连续实时监测。该系统只需全站仪与基准点及监测点之间能够通视即可，具有费用低、高精度、高可靠性、实时、连续性强等优点，在大坝变形监测中取得了较好的效果。监测系统组成如图1所示。

图1 自动化监测系统组成图

对于横泉水库大坝，坝区视野开阔，电力、通讯均较为方便，虽然坝体相对较长，但是可通过合理布设测站，便可得到较好监测效果，因而，该系统具有更好的适用性。

综合上述两种自动化监测方法的分析，结合横泉水库大坝监测现状和需求以及前述对现有自动化监测系统在横泉大坝监测中的适用性分析，显而易见，高精度智能全站仪自动化监测系统有着较强的适用性，是横泉水库大坝自动化监测的最佳选择。

2.4 变形监测内容

建立基于8 个工作基点和1 台全站仪为基准的大坝监测局部坐标系，根据现场情况，坝体长960 m，如将全站仪安置在左岸或右岸，观测距离较长，最远的测点接近1 000 m，大多数测点的距离超过500 m，将严重影响实际的观测效果，因此拟在0+505 断面1 126.9 m 高程马道处于建立全站仪观测墩，该位置到各点的距离适中，较为适合。

在坝体表面原有基准点和监测点上安装带有精密基座的棱镜，这样监测软件可以通过光纤等手段远程控制全站仪（精密测量机器人）进行连续自动监测、实时采集、分析、处理监测数据并直接形成数据报表等功能，实现大坝变形位移监测的无人值守、同时还可以远程控制的24 h 连续自动监测（以大坝水平位移监测为主，并兼顾坝体沉降监测）。

主要包括：坝体变形监测点，坝左、右岸基准点，监测房及观测墩，测量机器人和供电及数据传输系统、远程控制中心（安装自动监测软件）。

2.5 变形监测测点设置

横泉水库大坝表面位移变形观测包括坝面沉降观测和坝面水平观测。外部变形观测横断面共布置9个，断面桩号分别为0+250、0+300、0+350 等。观测纵断面共设3 个，均位于坝轴线下游侧。大坝两岸每排测点的延长线各布置一个起测基点，在下游3 km 范围内布设3 个水准基点。总计共设测点36 个，这些测点均可以作为水平位移和沉降位移观测测点。竖向位移采用精密水准法测量，横向位移采用视准线法测量，纵向水平位移采用钢尺测量。

3 小结

结合水库大坝现状和需求，为了实时了解大坝表面位移变形情况，需建立大坝表面变形自动监测系统。通过电子测量技术和网络通信及软件技术的集成化作业实现信息自动化管理，更好地提高监测的实时性和可靠性，同时与人工巡视检查互为补充，通过通信通道将监测数据传和人工巡检结果传至工程监测中心，进行综合分析并定期提交工程安检报告，为工程安全运行提供更好的决策和依据。