黃院生，黃若迪

（1.福建省水利管理中心，350001，福州；2.中化明達(dá)（福建）地質(zhì)勘測(cè)有限公司，350001，福州）

對(duì)水工建筑物的監(jiān)測(cè)，既包括對(duì)水工建筑物固定測(cè)點(diǎn)按一定頻次進(jìn)行的儀器觀測(cè)，也包括對(duì)水工建筑物外表及內(nèi)部定期或不定期的直觀檢查和儀器探查。 根據(jù)國(guó)務(wù)院《水庫(kù)大壩安全管理?xiàng)l例》， 以及水利水電工程安全監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范等要求， 水庫(kù)大壩必須開(kāi)展安全監(jiān)測(cè)。 大壩監(jiān)測(cè)是通過(guò)儀器觀測(cè)和巡視檢查等手段， 對(duì)大壩工程主要結(jié)構(gòu)及相關(guān)設(shè)施等進(jìn)行測(cè)量及觀察， 及時(shí)取得反映大壩變化以及環(huán)境對(duì)大壩作用的各種數(shù)據(jù)， 并進(jìn)行相應(yīng)資料處理等的工作， 其目的是分析估計(jì)大壩的安全程度，以便及時(shí)采取措施，確保大壩安全運(yùn)行。 大壩監(jiān)測(cè)通常采用人工觀測(cè)的較多， 隨著各類(lèi)監(jiān)測(cè)儀器、傳感技術(shù)的升級(jí)以及計(jì)算機(jī)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的普及， 大壩監(jiān)測(cè)正在向自動(dòng)化、智能化發(fā)展。 智能監(jiān)測(cè)是大壩監(jiān)測(cè)的發(fā)展方向。

一、北斗云智能監(jiān)測(cè)技術(shù)

北斗云智能監(jiān)測(cè)技術(shù)可通過(guò)衛(wèi)星、水位傳感器、雨量傳感器等采集數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)經(jīng)通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)桨⒗镌品?wù)器， 并搭建由地圖服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、文件服務(wù)器等組成的各類(lèi)數(shù)據(jù)交互的北斗監(jiān)測(cè)云平臺(tái)，數(shù)據(jù)經(jīng)后臺(tái)專(zhuān)業(yè)軟件解算、 數(shù)值分析，所得結(jié)果在網(wǎng)站、手機(jī)、電腦等終端及時(shí)發(fā)布，達(dá)到“觀測(cè)智能、預(yù)報(bào)精確”的效果。 目前北斗云智能監(jiān)測(cè)的項(xiàng)目有變形監(jiān)測(cè)、雨量監(jiān)測(cè)、水位監(jiān)測(cè)、裂縫監(jiān)測(cè)、視頻監(jiān)視，以及軟基監(jiān)測(cè)、山坡監(jiān)測(cè)、水質(zhì)監(jiān)測(cè)等。

二、建新水庫(kù)概況

福建省建新水庫(kù)是一座以灌溉為主，兼具防洪、發(fā)電、養(yǎng)魚(yú)等功能的中型水庫(kù)。 該水庫(kù)于1970 年12 月動(dòng)工興建，1974 年 5 月樞紐工程基本建成，1977—1980 年完成保壩加固；水庫(kù)集雨面積為44.8 km2，相應(yīng)總庫(kù)容3 892 萬(wàn) m3。

建新水庫(kù)樞紐工程由大壩、溢洪道、輸水涵洞、壩后電站等組成。 大壩壩型為黏土心墻土石混合壩，壩頂高程77.79 m，防浪墻頂高程78.60 m，心墻頂高程75.26 m，最大壩高50.79 m，壩頂長(zhǎng)度335.00 m，壩頂寬度5.00 m。水庫(kù)下游保護(hù)人口4 萬(wàn)多人， 農(nóng)田3萬(wàn)多畝（1 畝=1/15 hm2），以及福廈高速公路、福廈鐵路等重要基礎(chǔ)設(shè)施。

目前建新水庫(kù)的大壩監(jiān)測(cè)為人工觀測(cè)， 水平位移觀測(cè)采用視準(zhǔn)線(xiàn)法，垂直位移觀測(cè)采用水準(zhǔn)法。 壩頂下游側(cè)設(shè)觀測(cè)點(diǎn)一排5 個(gè)，在迎水坡74.7 m 高程和背水坡 67.0 m、57.0 m高程各布置一排觀測(cè)點(diǎn)， 每排5 點(diǎn)，共20 點(diǎn)。 水庫(kù)雨情觀測(cè)采用雨量斗，數(shù)據(jù)通過(guò)模擬無(wú)線(xiàn)信號(hào)傳輸，在大壩及水庫(kù)流域共設(shè)3 套雨情觀測(cè)設(shè)備。由于水庫(kù)管理單位缺乏技術(shù)人員，無(wú)法根據(jù)規(guī)范要求進(jìn)行大壩水平位移、垂直位移觀測(cè)， 變形觀測(cè)數(shù)據(jù)缺乏，相應(yīng)的變形觀測(cè)分析不足；3 套雨量觀測(cè)設(shè)備經(jīng)過(guò)9 年運(yùn)行出現(xiàn)各種問(wèn)題，不能正常地發(fā)報(bào)數(shù)據(jù)。2018 年，針對(duì)水庫(kù)觀測(cè)設(shè)施存在的問(wèn)題，建新水庫(kù)工程引進(jìn)北斗云智能監(jiān)測(cè)技術(shù)開(kāi)展大壩監(jiān)測(cè)。

三、北斗云智能監(jiān)測(cè)技術(shù)在建新水庫(kù)的應(yīng)用

1.平臺(tái)架構(gòu)

北斗云智能監(jiān)測(cè)平臺(tái)采用應(yīng)用服務(wù)器為T(mén)omcat，與之交互的數(shù)據(jù)庫(kù)為 MySQL，平臺(tái)強(qiáng)大、穩(wěn)定、安全。 平臺(tái)將所監(jiān)測(cè)點(diǎn)位變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和雨量、 水位等水雨情監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳并加以分析處理， 然后以對(duì)應(yīng)的文字圖表、 成果判讀展示在手機(jī)或電腦終端上， 若是有任何異常則可以采取應(yīng)急措施， 同時(shí)也可以根據(jù)時(shí)間段來(lái)查詢(xún)歷史數(shù)據(jù)， 以分析大壩運(yùn)行是否正常。 監(jiān)測(cè)平臺(tái)架構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 監(jiān)測(cè)平臺(tái)架構(gòu)示意圖

2.測(cè)點(diǎn)布置

2010 年建新水庫(kù)大壩采用低彈模混凝土防滲墻進(jìn)行防滲加固，并在防滲墻上設(shè)置混凝土防浪墻，防浪墻與低彈模混凝土連為一體。 為監(jiān)測(cè)大壩，尤其監(jiān)測(cè)低彈?；炷练罎B墻的變形情況，在防浪墻上布置北斗云智能變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。 共布置5 個(gè)觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行大壩水平位移、垂直位移變形觀測(cè)，樁號(hào)分別為 0+060、0+120、0+180、0+240、0+300； 另在大壩左側(cè)山體布置1 個(gè)變形觀測(cè)基點(diǎn)。 以上6 個(gè)觀測(cè)點(diǎn)采用6 個(gè)北斗云GNSS 監(jiān)測(cè)一體機(jī)進(jìn)行監(jiān)測(cè)； 同時(shí)結(jié)合水雨情改造，水庫(kù)設(shè)3 套雨量觀測(cè)點(diǎn)、1 套水位觀測(cè)點(diǎn)、1 套水位雨量觀測(cè)點(diǎn)。大壩水平位移、垂直位移監(jiān)測(cè)設(shè)備選用市電降壓后供電，水雨情觀測(cè)設(shè)備由太陽(yáng)能電池板供電。 各監(jiān)測(cè)設(shè)施均安裝防雷裝置，由接閃器、引下線(xiàn)和接地裝置組成，用以防御雷電攻擊。

3.功能與參數(shù)

（1）變形監(jiān)測(cè)

北斗云GNSS 監(jiān)測(cè)一體機(jī)是一種高定位精度的GNSS 設(shè)備， 具有RTK動(dòng)態(tài)測(cè)量和靜態(tài)測(cè)量?jī)煞N觀測(cè)模式，功耗低， 支持芯片級(jí)多路徑抑制，可為用戶(hù)提供毫米級(jí)載波相位觀測(cè)值。監(jiān)測(cè)一體機(jī)在原生搭載分布式大數(shù)據(jù)處理算法基礎(chǔ)上進(jìn)行北斗云GNSS高精度變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、現(xiàn)場(chǎng)分布式計(jì)算與遠(yuǎn)程傳輸，實(shí)時(shí)掌握被監(jiān)測(cè)體的瞬時(shí)形變情況， 達(dá)到對(duì)壩體瞬時(shí)形變監(jiān)測(cè)的需求。 靜態(tài)測(cè)量數(shù)據(jù)采用北斗云GNSS算法處理后可達(dá)到亞毫米級(jí)精度。 有關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 GNSS 監(jiān)測(cè)一體機(jī)設(shè)備參數(shù)表

（2）水雨情觀測(cè)

雨量傳感器為機(jī)械雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)，工作原理類(lèi)似于蹺蹺板：當(dāng)一斗室接水時(shí)，另一斗室處于等待狀態(tài)，當(dāng)所接雨水容積達(dá)到預(yù)定值時(shí)，由于重力作用自行翻倒，進(jìn)入等待狀態(tài)，如此反復(fù)交替接水，有關(guān)參數(shù)見(jiàn)表2；水位監(jiān)測(cè)傳感器為壓力式， 精度達(dá)到0.1%、0.3%、0.5%F.S 級(jí)。 雨量、水位監(jiān)測(cè)傳感器所采集的數(shù)據(jù)通過(guò)有線(xiàn)傳輸至北斗云數(shù)據(jù)采集儀，再通過(guò)LoRa物聯(lián)網(wǎng)傳輸模塊無(wú)線(xiàn)傳輸至北斗云路由器，統(tǒng)一上傳至服務(wù)器端。

表2 雨量傳感器參數(shù)表

4.設(shè)備安裝

根據(jù)觀測(cè)需求布置測(cè)點(diǎn)，檢查儀器及配件是否完備。 安裝變形監(jiān)測(cè)設(shè)備時(shí)現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖一個(gè)長(zhǎng)110 cm、 寬80 cm、深70 cm 的基坑作為基礎(chǔ)，用于安裝立柱支架和放置蓄電瓶等設(shè)備；固定立柱并在立柱支架上安裝北斗云GNSS 監(jiān)測(cè)一體機(jī)、 太陽(yáng)能板及其他設(shè)備； 連接各種線(xiàn)路并安裝好4G天線(xiàn)以及LoRa 天線(xiàn)。

安裝雨量、 水位監(jiān)測(cè)設(shè)備時(shí)可參照變形監(jiān)測(cè)設(shè)備安裝工藝，其中水位傳感器布置在水庫(kù)水位觀測(cè)位置即可。

根據(jù)北斗云智能監(jiān)測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)，建新水庫(kù)管理單位于 2018 年 10 月開(kāi)始采購(gòu)及定制設(shè)備，11—12 月安裝調(diào)試維護(hù)設(shè)備，并構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)、軟件平臺(tái)，2019 年 1 月設(shè)備試運(yùn)行。 主要安裝設(shè)備包括GNSS 變形監(jiān)測(cè)一體機(jī)6臺(tái)、單雨量觀測(cè)站3 套、壩頭水位雨量站1 套、渠道水位站1 套以及防雷設(shè)備 11 批。

5.監(jiān)測(cè)成果分析

北斗云所有監(jiān)測(cè)成果在線(xiàn)自動(dòng)提供，無(wú)須人工干預(yù)，任何安卓手機(jī)、電腦都可以作為操作終端。 建新水庫(kù)的觀測(cè)成果包括實(shí)時(shí)水平位移、垂直位移變形、實(shí)時(shí)雨量、實(shí)時(shí)水位等，軟件平臺(tái)可自動(dòng)繪制位移量與時(shí)間關(guān)系曲線(xiàn)、 沉陷量與時(shí)間關(guān)系曲線(xiàn)，計(jì)算流域內(nèi)雨量加權(quán)平均值，以及分析實(shí)時(shí)水位與庫(kù)容關(guān)系、水位與流量關(guān)系等，自動(dòng)生成監(jiān)測(cè)月報(bào)成果、監(jiān)測(cè)年報(bào)成果，并根據(jù)變形監(jiān)測(cè)成果判讀工程是否正常運(yùn)行或進(jìn)一步分析，達(dá)到智能監(jiān)測(cè)的目的。

根據(jù)2019 年監(jiān)測(cè)成果可知，2019年建新水庫(kù)壩頭雨量站累計(jì)年降雨量 1 465.00 mm， 年最大日降雨量81.40 mm， 年最高庫(kù)水位 68.35 m，相應(yīng)庫(kù)容2 286.37 萬(wàn)m3；年最大累計(jì)位移量出現(xiàn)在#2 變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)，累計(jì)位移7.115 mm； 年最大累計(jì)沉陷量出現(xiàn)在#2 變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)， 累計(jì)沉陷2.701 mm。通過(guò)累計(jì)沉陷量與時(shí)間關(guān)系圖分析，沉陷曲線(xiàn)趨于平穩(wěn)， 且沉陷速度減緩，變形符合土石壩變形規(guī)律，綜合判讀水庫(kù)大壩運(yùn)行正常。

6.應(yīng)用展望

未來(lái)將以單個(gè)壩體為監(jiān)測(cè)及分析單元，通過(guò)對(duì)降雨量、庫(kù)水位、壩體表面變形、 內(nèi)部變形、 滲漏量等各類(lèi)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和曲線(xiàn)進(jìn)行分析判定， 將同一監(jiān)測(cè)點(diǎn)或多個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變形速率—時(shí)間曲線(xiàn)和累計(jì)變形—時(shí)間曲線(xiàn)進(jìn)行對(duì)比分析， 結(jié)合衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)、 無(wú)人機(jī)影像等監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)， 探索壩體變形演化過(guò)程的不同因素，尤其是壩體變形、降水量、滲漏量影響和產(chǎn)生不利變化的臨界條件，確定多尺度的預(yù)警閾值，進(jìn)一步研究水庫(kù)大壩北斗云監(jiān)測(cè)預(yù)警預(yù)報(bào)模型。