GNSS 自动监测系统在某暗涵段边坡的应用与分析

谢群勇，赵元忆，张少林

（中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，长沙 410000）

1 引言

传统的监测方法多使用全站仪等监测设备， 但是有诸多缺点， 如无法实时监测、 人力成本大等， 随着GNSS（Global Navigation Satellite System，全球导航卫星系统）技术的不断发展，由于其具有实时监测、高精度、节省人力的优点，越来越多的公路、露天矿场、库岸等边坡工程中使用GNSS 自动化监测技术来进行边坡的监测与灾害预测。 屈战辉等[1]将GNSS 监测技术应用于G312 国道边坡，监测位移变化情况，并通过数值模拟进行拟合验算；姜泉泉等[2]监测新疆冻土区滑坡体，通过分析提出了该地区基于GNSS 监测的优化方案； 张利朋和胡世士等[3-4]将GNSS 自动化监测技术应用于露天矿场边坡，分析监测数据，并对矿场边坡稳定性进行了评价。

本文主要研究某抽水蓄能电站暗涵段边坡GNSS 自动化监测技术的应用情况，并通过监测结果，对该边坡的稳定性情况进行分析，及时进行边坡的治理，为该地区今后的施工安全提供保障。

2 工程概况

某抽水蓄能电站位于湖南省某县福寿山镇境内， 装机容量为1 400 MW，上水库正常蓄水位1 062 m、下水库正常蓄水位415.5 m，具备日调节性能。 上水库集雨面积为5.03 km2，大坝采用沥青混凝土心墙堆石坝，最大坝高为52.50 m，坝顶高程为1 067.00 m；下水库集雨面积为12.06 km2，主坝采用沥青混凝土心墙堆石坝，副坝采用混凝土心墙堆石坝。

3 GNSS 自动化监测技术

3.1 GNSS 自动化监测的必要性

传统的边坡监测手段通常以全站仪为主， 获得监测点数据，再将采集的数据进行后期处理，分析边坡变形情况。 这种边坡监测方式存在一些问题：（1）易受环境影响。 全站仪受环境因素影响较大，在雾天、雨天、大风及工程扬尘等环境下，其工作状态较差，监测效果不理想。（2）无法实时监测。 由于边坡灾害的发生具有瞬时性的特点， 全站仪数据的处理过程在时间维度上具有滞后性，不能对边坡进行实时监测。 （3）人力成本大。 边坡数据的获取及处理均需人员手动进行，而且在边坡树林密集等区域，通常要人工调整全站仪才能达到观测目的，另外，边坡作业具有一定的危险性，无法保障人员安全。

随着GNSS 技术、 数据远程传输技术和互联网技术的不断发展，形成了以GNSS 技术为基础，以数据远程传输技术和互联网技术为辅助，用于边坡自动化的一种监测方法。

3.2 GNSS 自动化监测原理

GNSS 是全球卫星定位导航系统，其工作原理是使用内置接收机得到空中的卫星信号， 同时通过基准站接收到的数据进行校准， 专用软件解析后可得到监测站精确的三维坐标数据，还可进一步计算监测地点的变形、位移等，及时进行预测，为工程的安全提供保障。

GNSS 的结构组成主要包括5 部分：测量系统、通信系统、供电系统、软件系统以及防雷系统。 测量系统通常使用内置接收机实时采集数据；通信系统可以进行数据的无线传输；供电系统主要使用太阳能电池板保障系统能够正常工作； 软件系统则具有数据的后期处理、灾害预警预报等功能，防雷系统可以保障GNSS 设备的安全。

3.3 某暗涵段边坡GNSS 监测方式

该边坡2022 年3 月下旬存在一定滑坡，公路中间部位存在裂缝，进行实地勘察后确定GNSS 设备安装的可行性后，于2022 年4 月18 日在某抽水蓄能电站暗涵段边坡设计安装了5 台GNSS 设备。设计布点原则为滑坡体最大坡高处和下游靠近轴线空旷区域。 4 台基准点GNSS 接收机分别为G01、G02、G03 和G04， 其中G01 和G02 布置在山坡段，G03 和G04 布置在公路段，基准站的1 台GNSS 接收机远离边坡变形区域。另外，设备安装前，保证仪器的供电和通信系统正常，配备对应的IP 地址，安装软件并对测点准确性进行测试，确保获得的三维坐标信息精度可达到3 mm 内，满足规范要求，保证监测结果准确、可靠，为该边坡的灾害预报提供依据。

4 监测结果与处治措施

某抽水蓄能电站暗涵段边坡GNSS 自动化监测系统通过调试后， 于2022 年4 月19 日得到测点的初始位置三维坐标数据， 并在2022 年4 月20 日~2022 年12 月31 日的监测期间，得到了暗涵段边坡4 个测点的2976 个有效数据，其中，X方向以向东变化为位移的正方向，向西变化为位移的负方向；Y 方向以向北变化为位移的正方向， 向南变化为位移的负方向； 竖向则以向上的位移为正方向， 向下变化的位移为负方向。 以下对边坡位移变化最大量、日均变化速率、累计位移量等边坡位移变化规律进行分析，并在边坡变形量较大时，及时制定边坡处治措施，预防滑坡灾害的发生。

4.1 暗涵段边坡累计位移值与变形速率

4 个监测点从2022 年4 月20 日~2022 年12 月31 日累计位移最大值和变形速率见表1，方位标示见图1。 X 方向最大累计位移量发生在G01，为-104.88 mm；Y 方向最大累计位移量发生在G01， 为-198.6 mm；H 向位移最大累计位移量发生在G02，为-117.2 mm。从表1 中可以发现，测点G01 和G02三个方向的累计位移比较大， 其他两个测点位移变化相对较小，需要对G01 和G02 两个测点进行重点关注。

图1 方位标示

表1 监测点累计最大位移值与变形速率

4.2 暗涵段边坡位移变化曲线

4 个监测点的累计变化如图2 所示，可以看出，边坡的位移变化量主要集中在4 月20 日~6 月20 日，后几个月的位移变化量很小，G01（图2a）和G04（图2d）两个测点的X 向和竖向位移变化曲线非常接近，G02（图2b）和G03（图2c）两个测点的X 向和竖向位移变化曲线相对较大，4 个测点Y 方向变化量均为最大，整体往西方向位移（临空面方向）。

图2 监测点年累计位移变化曲线

从12 月份监测数据来看，Y 向变形速率2 mm/d 以下，其他测点位移也相对较小。 表明该暗涵段边坡逐渐趋于稳定。

4.3 暗涵段边坡变形处治措施

工作人员及时监测到前两个月边坡变形量大， 并于2022年6 月21 日制订了边坡加固方案，采用在边坡增设钢筋桩的方法。 于6 月30 日完成钢筋桩的施工，分析加固后GNSS 的监测结果可知，钢筋桩的加固减少了边坡的滑动，可预防滑坡灾害的发生。

5 结语

GNSS 自动化监测技术具有实时监测、高精度、自动化程度高、节省人力等优点，本文通过将其应用于某抽水蓄能电站暗涵段边坡，得出以下结论：

1）使用GNSS 自动化监测技术应用于某抽水蓄能电站暗涵段边坡， 在2022 年4 月19 日进行了4 个监测点的首次记录，进行了长达8 个多月的持续监测，并于2022 年6 月21 日制定边坡增设钢筋桩的加固措施。 期间设备状态良好，无故障现象，具有实时监测、准确性高、节省人力、经济环保等优点。

2）暗涵段边坡Y 方向位移量比较大，X 方向和H 向位移相对较小，整体往西方向位移，G01 和G04 的X 方向和竖向位移变化趋势接近，G02 和G03 的X 方向和竖向位移变化趋势接近。

3）暗涵段边坡前位移变形主要发生在前3 个月，增设钢筋桩后，边坡变形逐渐趋于稳定。另外，9 月份出现的边坡喷混凝土表面发生竖向裂缝，后期持续关注此处变形，至今未发现裂缝进一步扩展发育。