谷幅(弦线)变形自动监测系统的研制与应用

周 绿，邱山鸣，李守雷，肖亚子，周靖鸿

(1.水能资源利用关键技术湖南省重点实验室，湖南长沙410014；2.中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，湖南长沙410014)

1 谷幅(弦线)监测的工程意义

随着我国水电建设的高速发展，很多大型水电工程建设在地质条件较差的高山峡谷之间。为了快速监测两岸山体的变形以及山体变形对高拱坝工作性态和长期安全的影响，我国水电建设者提出了一种谷幅监测方法，即在两岸山体成对设置监测点，并在两岸平洞作为延长线、对两监测点距离进行测量、监测两监测点之间的相对变形[1]，据此成果分析两岸山体的变形情况并对两岸边坡稳定进行分析，从而指导施工、评价工程稳定性。

与此同时，高山峡谷之间通常是拱坝坝型，拱坝坝后弦线同时是大坝变形监测的重要手段，也是工程技术人员关注的重要指标，由于弦线和谷幅采用的技术手段是一样的，归类为同一种监测方法。

谷幅(弦线)监测方法原理简单、成果直观、实施简便，并可以通过监测其中一监测点绝对变形再利用谷幅成果推算对岸山体监测点的绝对变形，为评价两岸山体的稳定性提供监测成果。

我国龙羊峡、李家峡、拉西瓦、二滩、小湾、锦屏[2]、溪洛渡[3- 4]、白鹤滩[5]、乌东德等大型水电工程均布置谷幅和弦线，共同的特点是高山峡谷和拱坝，从公开文献看，锦屏一级水电站的谷幅和溪洛渡水电站的弦线都有很高的关注度，说明谷幅(弦线)监测对于这类工程意义相当重要。

2 谷幅(弦线)监测技术简述

谷幅(弦线)监测原理简单，从测量学原理上讲就是距离测量，自提出之初至今基本都是采用全站仪进行距离测量，即采用符合规范要求精度的全站仪进行对向距离测量，并在测量过程中采集测站点和镜站点的气象元素。气象元素包括干温、湿温和气压，数据处理时按规范要求进行各种改正和归化，得出两监测点间的水平距离。改正和归化包括仪器误差改正、地球曲率改正、高差改平、各种气象元素改正等。周期监测水平距离与首期水平距离之差即为周期监测谷幅(弦线)的变形值。

谷幅(弦线)监测是快速、准确取得边坡及拱坝变形监测成果的重要手段，而现有技术条件下是采用人工观测，实施存在着以下问题：

(1)仪器设备投入大。一台满足规范的全站仪及配套设备需要投入数十万元。

(2)监测和数据处理工作量大。要定期定时根据规范要求进行对向观测，并要进行复杂的数据处理，需要耗费大量的人力和物力。

(3)安全影响因素多。山体边坡不稳定，且无安全的交通条件，对人员和仪器安全有巨大的隐患。

(4)低水平管理。人工谷幅(弦线)测量存在大量的管理工作，且监测成果不能实时取得。

目前已有个别工程采用基于测量机器人的谷幅(弦线)自动监测系统，测量精度和自动化程度不存在问题，但整体造价太高，浪费机器人大部分功能，是性价比极低的技术，很难广泛应用。

3 谷幅(弦线)自动监测系统

3.1 系统原理

谷幅(弦线)自动监测系统采用激光测距传感器、气象传感器通过采集模块进行各物理量采集并通过通讯技术(无线或有线)将数据传输到后台，系统软件进行数据处理并发布谷幅(弦线)监测成果，整个工作过程无需人工干预，全过程自动化，实时监测实时发布，如图1所示。

图1 谷幅自动监测系统原理

3.2 传感器选型

针对谷幅(弦线)自动监测系统所采用的传感器包括激光测距传感器和温湿压(温度、湿度和大气压力)传感器，与传统测量方法不同的是人工测量采用的是干湿温度计和空盒气压计，是通过干温和湿温计算环境温度和湿度，而自动监测系统是采用温湿压一体式传感器。其气压、温度满足GB/T 16818—2008《中、短程光电测距规范》的Ⅰ等测距精度要求。

3.3 系统组成

谷幅(弦线)自动监测系统是电源系统、监测仪器、采集设备、通讯设备以及系统软件组成的集成系统。电源系统采用有线电源，为采集设备和通讯设备提供电源。监测仪器设备包括测距传感器、反射设备、气象传感器等，反射设备采用常规测量棱镜，由于需要长期置于野外，除保证棱镜的品质之外，还采用保护罩进行保护；采集设备包括测距传感器、反射设备、气象传感器等各类传感器，进行监测物理量数据采集并转换成数字信号。

3.4 软件系统

系统软件安装在后台中心(或监测管理中心)，系统软件具有对采集的控制、数据处理(含精密改正模型)、存储、分析、发布、预警预报和输出等功能，同时也具有对整个监测系统进行设置的功能。谷幅(弦线)自动监测系统距离历时曲线示意见图2。

含钛高炉渣100 g，液固比5，浸出温度140℃，盐酸浓度18%，搅拌转速400 r/min的条件下，考察了不同反应时间2 h、4 h、6 h、8 h对CaO、MgO、Fe、Al2O3脱除率及TiO2损失率的影响，结果见图4。

图2 谷幅(弦线)自动监测系统距离历时曲线示意

3.5 精密改正模型

对于电磁波测距工作来说，电磁波测距精度除受到仪器安置、目标设置、测量时间、地球曲率、波束发散等因素影响外，气象条件是又一项更为严重影响测距测程、精度和仪器使用的外在因素，因此，往往需要考虑如何有效地进行测边气象改正的问题[6]。

全站仪测距的气象改正是采用测量测站两端点(全站仪和棱镜位置)的干温、湿温和大气气压和湿度测量成果，并假定以上参数是线性变化的，即平均值表示全测线的气象条件，在峡谷地区左右岸气象差异大、对流强的特殊条件下，传统的改正方法存在气象影响因子考虑不全面、气象观测值代表性不高、大气折射系数计算方法不严密等问题。

根据前期研究发现，水电站等复杂微气象条件下，传统气象修正模型中要求的平稳气象条件在全天候24 h观测时难以时时满足，致使传统模型修正结束后残差(即观测值与该天距离观测中位数之差)存在明显的非线性趋势。考虑到该非线性变化趋势存在差异性，为了提高模型的适应度，新模型利用非参数时间序列建模方法拟合并去除该残差趋势。并对去除参数趋势后的数据进行自适应Kalman滤波，进而减小观测噪声对谷幅(弦线)变形监测结果的影响。最后，基于每天的谷幅(弦线)观测值，利用加权最小二乘方法求解天均谷幅(弦线)变形值，并进行精度评定。

4 谷幅(弦线)自动监测系统的优势

研制基于激光测距传感器的谷幅(弦线)自动监测系统的优势在于：

(1)观测精度高。无仪器安置和人工观测误差，同时全时段观测并采用精密气象改正模型，有效消除大气因素影响，监测精度会显著提高。

(2)提高工作效率。全自动观测和数据处理，除日常巡查外，不再需要人力物力，提高了人工、仪器设备效率。

(3)提升管理水平。集中到现有数据管理系统进行统一管理，达到实时采集、处理、发布的目的，具有更加完整的全过程资料成果。

(4)保障人员和仪器设备安全。边坡不安全因素多，实现自动化，能有效保证人员与仪器设备安全。

5 应用案例

5.1 工程概况

由于锦屏坝址区两岸边坡高、陡且地质条件复杂，为了解两岸高边坡相对变形情况，及时掌握边坡的稳定性及两岸坡体变形收敛情况，设计在坝址区布设12条谷幅观测线及84条洞内测距，观测河谷及两岸坡体变形情况[8]。

5.2 选线及设备选型

5.2.1 选线

谷幅测线的选择需充分考虑工程代表性、设备安装及维护的便利性、通讯、供电及光照等因素。通过现场勘查分析，最终选择大坝坝后左岸1 778 m高程马道的PD16平洞、右岸1 785 m高程马道分别修建两个固定观测墩进行观测，为验证谷幅变形自动监测系统的可靠性，并在PD16平洞内在激光测距仪旁修建一个人工观测墩进行同步对比观测。谷幅监测自动化系统测距端布置见图3。

图3 谷幅监测自动化系统测距端布置

5.2.2 设备选型

设备的选型首先应考虑各种各类传感器主要技术指标应满足相关规程规范的要求，其次应满足设备的供电及信号传输的技术指标要求。本次现场安装设备型号及参数信息见表1。

表1 现场安装设备型号及参数

5.3 应用效果

(1)原始数据采集情况。距离及气象数据的采集频次可通过后台或采集模块进行调整设置，现场安装调试完成后，左右岸观测站的采集频次为1次/h，运行稳定后，改为6次/h。

(2)精密改正模型修正。考虑到该非线性变化趋势存在差异性，为了提高模型的适应度，新模型利用非参数时间序列建模方法拟合并去除该残差趋势。并对去除参数趋势后的数据进行自适应Kalman滤波，进而减小观测噪声对谷幅(弦线)变形监测结果的影响。最后，基于每天的谷幅(弦线)观测值，利用加权最小二乘方法求解天均谷幅(弦线)变形值，并进行精度评定。

(3)与人工对比。为验证谷幅变形自动监测系统的可靠性，在激光测距仪旁修建一个人工观测墩进行同步对比观测，人工观测的频次为2次/月，如图3所示。与谷幅自动化监测同步的人工观测频次为2次/月，现场观测仪器采用TM50全站仪，精度指标为测角精度0.5″，测距精度0.6 mm+1 mm/km；对于受气像影响较大的所有跨江测段的观测每期都选在上午进行。观测实施过程中往返观测两点之间的天顶距、斜距，观测始末读取测点与镜站的温度、气压。边长观测按一等边长观测技术要求实施。谷幅自动化监测系统通过精密气象改正模型改正后测距精度达±1 mm(见图4)，相对于平差前的1.4 mm，精度提高了28.7%，基本可达到人工观测的精度，能够满足谷幅观测的精度要求。

图4 谷幅(弦线)自动监测系统精密改正模型改正效果

6 结论与展望

6.1 结论

本文通过研制谷幅(弦线)自动监测系统，并在大型水电站工程进行运用，研究成果表明，谷幅(弦线)自动监测系统经济可靠、其观测精度基本可达到人工观测的精度。全自动观测和数据处理提高了人工、仪器设备效率，能有效保证人员与仪器设备安全，提升了工程的安全监测的管理水平，并验证了谷幅自动化监测系统的可行性、经济效益性。精密气象改正模型不仅适用于谷幅(弦线)的监测数据改正，同时也适合于外观自动化系统的距离改正，具有非常广泛的市场推广应用价值，对整个外观监测自动化具有积极的推动作用。

6.2 展望

谷幅(弦线)自动监测系统是一个设计硬件、通讯、算法模型改正、采集软件、管理软件及成果应用的监测综合系统，因此，在谷幅(弦线)自动监测系统整个研发过程中，监测系统的各个方面难免有些不足，有待于进一步的深入研究和完善，今后谷幅(弦线)自动监测系统主要研究和完善的方向如下：

(1)照准、反射设备及信号传输系统等硬件设备的升级改造。照准及微调系统不够方便，与全站仪照准存在差距；反射装置仅用固定棱镜，后续考虑用反光板进行实验，并评定其精度；数据传输系统适应性，适用4G/5G网络、光纤、无线网桥、LoRa等。

(2)超大型水电工程的应用研究。谷幅(弦线)自动监测系统在超大型水电工程的应用研究，例如：白鹤滩水电站、乌东德水电站等。

(3)精密气象改正模型精度的验证。进行大型工程试验，并与人工观测精度进行对比；与其他监测手段(石墨杆、多点位移计等)的相互验证研究等。

(4)精密气象改正模型算法实现及应用。与现有数据采集软件、监测信息管理软件集成的问题；适应谷幅自动化系统产品化应用的需要，同时，为外观监测自动化的应用研究提供支撑。