羅文標(biāo) LUO Wen-biao

（中國(guó)水利水電第八工程局有限公司，長(zhǎng)沙 410000）

0 引言

GPS 是最早投入使用的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，是一種基于人造衛(wèi)星的無(wú)線電導(dǎo)航定位系統(tǒng)，主要由空間、地面監(jiān)控與用戶(hù)設(shè)備三大部分組成，可為全球各區(qū)域提供準(zhǔn)確的地理位置及時(shí)間信息。相比于傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)手段，如水準(zhǔn)測(cè)量等，GPS 具有全天候工作、監(jiān)測(cè)點(diǎn)間無(wú)需通視、自動(dòng)高效等優(yōu)點(diǎn)。近年來(lái)，由于技術(shù)的提升和人們對(duì)于大壩使用壽命的要求，GPS 在大壩變形監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的使用越來(lái)越廣泛，加強(qiáng)相關(guān)研究具有重要意義。

1 大壩變形監(jiān)測(cè)發(fā)展概述

大壩變形監(jiān)測(cè)技術(shù)隨著大壩建造工藝的發(fā)展以及人們對(duì)大壩安全的需要變化而發(fā)展進(jìn)步，大致可以分成早期階段、發(fā)展階段和成熟階段這三個(gè)階段。

①19 世紀(jì)末之前是早期階段。建造大壩的材料大多為泥土和石料，由于缺乏必要的技術(shù)手段和科學(xué)指導(dǎo)，人們只能憑借肉眼對(duì)大壩的變形進(jìn)行觀察和感知。

②19 世紀(jì)末到20 世紀(jì)50 年代末是發(fā)展階段。壩工理論慢慢的形成了一個(gè)體系，世界上很多國(guó)家開(kāi)始使用混凝土來(lái)建造大壩，各個(gè)國(guó)家也相繼開(kāi)展大壩變形監(jiān)測(cè)。變形監(jiān)測(cè)得到了初步的重視，由此大多數(shù)混凝土壩都安裝上了測(cè)壓管用來(lái)監(jiān)測(cè)揚(yáng)壓力；三角測(cè)量法、精密水準(zhǔn)法和視準(zhǔn)線法被用于測(cè)定大壩的水平位移和徑向位移；之后又將垂線法用來(lái)觀測(cè)大壩撓曲和將靜力水準(zhǔn)法用來(lái)觀測(cè)大壩傾斜。1950 年后，大壩變形監(jiān)測(cè)已經(jīng)形成一套完整的體系，光學(xué)、電測(cè)和機(jī)械相關(guān)的方法被廣泛運(yùn)用到監(jiān)測(cè)儀器中，讓大壩的各種監(jiān)測(cè)項(xiàng)目都有了相對(duì)應(yīng)的儀器。工作人員獲得了大量的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并將實(shí)測(cè)值與設(shè)計(jì)值、實(shí)測(cè)值與模型試驗(yàn)進(jìn)行了對(duì)比。壩基揚(yáng)壓力、拱壩試驗(yàn)荷載法、計(jì)算方法等設(shè)計(jì)計(jì)算方法也已得到觀測(cè)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證和推廣。

③20 世紀(jì)60 年代后是成熟階段。新建的高壩和大型水庫(kù)的數(shù)量正在迅速增加，在復(fù)雜的地形和地質(zhì)條件下，許多大壩建筑出現(xiàn)了一些新的結(jié)構(gòu)形式和新的施工方法。大壩建設(shè)對(duì)大壩監(jiān)測(cè)提出了更高的要求。在這一階段，大壩的監(jiān)測(cè)對(duì)象由壩體和壩基的淺部擴(kuò)展到壩基的深部和壩區(qū)附近更寬的區(qū)域。對(duì)地基、橋臺(tái)、岸坡的監(jiān)測(cè)越來(lái)越受到重視，出現(xiàn)了多點(diǎn)位移儀、滑動(dòng)測(cè)斜儀等新型儀器對(duì)深部巖體變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，逐步取代人工觀測(cè)儀器，測(cè)量技術(shù)向半自動(dòng)儀器、更高水平和自動(dòng)化發(fā)展。

現(xiàn)如今，GPS 技術(shù)在我國(guó)的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣，主要在導(dǎo)航以及定位過(guò)程中得到了主要應(yīng)用，同時(shí)在開(kāi)展一些精密性較高的工作時(shí)，GPS 技術(shù)的使用可有效提高工程變形測(cè)量的工作效率以及工作質(zhì)量，本文著重圍繞GPS 在水電站壩體變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用展開(kāi)分析。

2 GPS 在水電站壩體變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用價(jià)值

2.1 變形監(jiān)測(cè)要求

大壩變形監(jiān)測(cè)的主要項(xiàng)目有：大壩垂直位移，大壩平面位移，撓曲，傾斜，基巖變形和滑坡變形等。由于不同大壩之間存在著諸如材料、尺寸、結(jié)構(gòu)和所處地的地形地質(zhì)條件等多種不同，管理人員應(yīng)根據(jù)大壩的具體情況和觀測(cè)需求選擇需要進(jìn)行觀測(cè)的項(xiàng)目。對(duì)于不同的監(jiān)測(cè)目標(biāo)，變形監(jiān)測(cè)的精度要求有所區(qū)別，對(duì)于混凝土大壩的變形，《混凝土大壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》中的要求如表1 所示。

表1 混凝土大壩變形監(jiān)測(cè)精度要求

傳統(tǒng)變形監(jiān)測(cè)技術(shù)采用經(jīng)緯儀、水準(zhǔn)儀、測(cè)距儀、全站儀測(cè)定點(diǎn)的變形值，其優(yōu)點(diǎn)是能夠提供變形體整體的變形狀態(tài)，適用于不同的監(jiān)測(cè)精度要求、不同形式的變形體和不同的監(jiān)測(cè)環(huán)境，可以提供絕對(duì)變形信息；缺點(diǎn)是外業(yè)工作量大，布點(diǎn)受地形條件影響，不易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)。GPS（全球定位系統(tǒng)）自動(dòng)化監(jiān)測(cè)優(yōu)點(diǎn)是測(cè)站間無(wú)需保持通視，可同時(shí)測(cè)定點(diǎn)的三維位移，全天候觀測(cè)，易于實(shí)現(xiàn)全系統(tǒng)的自動(dòng)化，可以獲得mm 級(jí)精度；缺點(diǎn)是測(cè)站周?chē)沫h(huán)境要求高度角15°以上不允許存在成片的障礙物，無(wú)強(qiáng)信號(hào)干擾源，測(cè)站周?chē)膊辉试S有大的信號(hào)反射物，觀測(cè)墩和控制點(diǎn)要穩(wěn)定。

2.2 GPS 應(yīng)用價(jià)值

GPS 在水電站壩體變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用價(jià)值主要?dú)w納為以下兩點(diǎn)：

①應(yīng)用范圍廣，測(cè)量精確度高。在變形監(jiān)測(cè)過(guò)程中，GPS 技術(shù)的使用解決了傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方式中數(shù)據(jù)處理分析難度高以及觀測(cè)方法復(fù)雜的困難，由此得到了廣泛應(yīng)用，如：在滑坡工程中使用GPS 進(jìn)行全方位變形監(jiān)測(cè)，可全面掌握滑坡的整體活動(dòng)情況，明確滑坡的變形規(guī)律、變形程度以及發(fā)育情況；在大壩位移監(jiān)測(cè)過(guò)程中，GPS 技術(shù)的使用可有效提高監(jiān)測(cè)速度，受外界影響較小，同時(shí)其準(zhǔn)確度較高，同時(shí)可不間斷對(duì)大壩不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)位進(jìn)行移動(dòng)監(jiān)測(cè)，幫助工作人員快速、準(zhǔn)確地掌握對(duì)大壩三維位移規(guī)律；大壩變形監(jiān)測(cè)過(guò)程中，GPS 技術(shù)的使用可對(duì)海上、蓋層以及地面等部位進(jìn)行監(jiān)測(cè)，從而保證大壩的安全性。

②自動(dòng)化連續(xù)監(jiān)測(cè)，保障大壩安全運(yùn)行。利用GPS 技術(shù)進(jìn)行大壩變形測(cè)量時(shí)，相關(guān)工作人員只需要在基準(zhǔn)站以及監(jiān)測(cè)站中安裝GPS 接收機(jī)，GPS 便會(huì)開(kāi)展自動(dòng)化地連續(xù)性監(jiān)測(cè)，而通過(guò)GPS 變形監(jiān)控在線實(shí)時(shí)分析系統(tǒng)可對(duì)獲取到的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行及時(shí)分析并研究，從而判斷變形現(xiàn)狀的實(shí)際情況。對(duì)于大壩變形監(jiān)測(cè)工作來(lái)說(shuō)，采用GPS 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)可不受地域限制隨時(shí)掌握壩體的運(yùn)行情況、危險(xiǎn)源動(dòng)態(tài)、監(jiān)測(cè)預(yù)警信息，當(dāng)危險(xiǎn)源預(yù)警時(shí)，可通過(guò)手機(jī)接收預(yù)警信息。通過(guò)綜合監(jiān)管系統(tǒng)分析壩體實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，全面、及時(shí)、準(zhǔn)確了解各項(xiàng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)情況，在突發(fā)情況下，及時(shí)指揮應(yīng)急處置與救援。

3 實(shí)例探析GPS 在水電站壩體變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

3.1 項(xiàng)目背景

某水庫(kù)為供水、攔沙兼顧灌溉等綜合利用的大（2）型水庫(kù)，水庫(kù)樞紐主要建筑物由攔河壩、導(dǎo)流泄洪洞、溢洪道、引水發(fā)電洞、壩后電站等五部分組成。利用現(xiàn)代信息采集、自動(dòng)控制、GPS 監(jiān)測(cè)等技術(shù)，建成了先進(jìn)實(shí)用、高效可靠、覆蓋庫(kù)區(qū)大壩及基礎(chǔ)、引水發(fā)電洞和導(dǎo)流泄洪洞、電站基礎(chǔ)、溢洪道等建筑物及各樞紐建筑物邊坡的水利樞紐工程安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（圖1），實(shí)現(xiàn)了各樞紐建筑物施工期和運(yùn)行期的表面變形、沉降、內(nèi)部變形、滲流、應(yīng)力應(yīng)變、庫(kù)區(qū)泥沙淤積等工情信息采集存儲(chǔ)自動(dòng)化、信息傳輸處理網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)據(jù)處理分析智能化，為水庫(kù)各樞紐工程的安全運(yùn)行提供了可靠的保障。

圖1 水利樞紐工程安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

3.2 GPS 在壩體變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

3.2.1 變形監(jiān)測(cè)過(guò)程

壩體變形監(jiān)測(cè)過(guò)程要可以分為5 步：

①監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)：設(shè)計(jì)人員在清楚了解了壩區(qū)自然地理情況和地質(zhì)情況、大壩主要功能及結(jié)構(gòu)等信息的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出完整、可靠、先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)的監(jiān)測(cè)方案；

②設(shè)備的選購(gòu)：根據(jù)設(shè)計(jì)的要求選擇精度可靠、穩(wěn)定耐久、防潮性能強(qiáng)的的儀器設(shè)備；

③設(shè)備埋設(shè)安裝：對(duì)設(shè)備進(jìn)行檢驗(yàn)、率定和配套驗(yàn)收后嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)進(jìn)行施工；

④現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)與檢查；

⑤資料整編與分析。

3.2.2 變形監(jiān)測(cè)應(yīng)用

本項(xiàng)目壩體壩變形監(jiān)測(cè)GPS 系統(tǒng)由監(jiān)測(cè)單元、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)、輔助裝置組成，具體應(yīng)用如下：

①監(jiān)測(cè)單元設(shè)置。本項(xiàng)目GPS 傳感器系統(tǒng)由樞紐區(qū)監(jiān)測(cè)控制網(wǎng)、大壩壩體、溢洪道、導(dǎo)流泄洪洞進(jìn)口高邊坡、導(dǎo)流泄洪洞出口高邊坡、電站高邊坡等監(jiān)測(cè)單元組成，負(fù)責(zé)大壩位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集，選用上海華測(cè)公司的X60MGPS 設(shè)備共計(jì)101 個(gè)位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)和1 個(gè)GPS 參考站。GPS 參考站是大壩表面位移監(jiān)測(cè)的基準(zhǔn)框架，長(zhǎng)期連續(xù)跟蹤觀測(cè)衛(wèi)星信號(hào)，通過(guò)數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳輸GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)到控制中心，并實(shí)時(shí)為各監(jiān)測(cè)站提供高精度的載波相位差分?jǐn)?shù)據(jù)及起算坐標(biāo)。

在大壩監(jiān)測(cè)部位合理布設(shè)GPS 監(jiān)測(cè)點(diǎn)，具體如下：

1）內(nèi)部變形監(jiān)測(cè)：壩0+091.00、壩0+168.00、壩0+240.00、壩0+302.00、壩0+370.00 的壩下6m 分別布設(shè)5個(gè)壩體內(nèi)部沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)，壩0+096.00、壩0+171.00、壩0+237.00、壩0+297.00、壩0+366.00 的壩下6m 分別布設(shè)5個(gè)壩體內(nèi)部水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，在大壩填筑到壩頂高程，鉆孔埋設(shè)測(cè)斜管，測(cè)斜管內(nèi)安裝固定式測(cè)斜儀，共計(jì)60 支，監(jiān)測(cè)大壩壩體內(nèi)部垂直于壩軸線方向不同高程的水平位移量。

2）表面變形監(jiān)測(cè)：樞紐區(qū)監(jiān)測(cè)控制網(wǎng)建設(shè)水平位移監(jiān)測(cè)控制點(diǎn)20 個(gè)，垂直位移監(jiān)測(cè)控制點(diǎn)12 個(gè)（其中3 個(gè)為雙金屬管標(biāo)）；大壩表面變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)33 個(gè)，溢洪道、溢洪道高邊坡變形觀測(cè)點(diǎn)16 個(gè)，導(dǎo)流泄洪洞進(jìn)口高邊坡變形觀測(cè)點(diǎn)10 個(gè)，導(dǎo)流泄洪洞出口邊坡變形觀測(cè)點(diǎn)6 個(gè)，電站高邊坡變形觀測(cè)點(diǎn)4 個(gè)。

②傳輸網(wǎng)絡(luò)。

利用大壩布設(shè)的光纖通信鏈路，將GPS 及其他監(jiān)測(cè)傳感器數(shù)據(jù)傳輸至控制中心。各級(jí)遠(yuǎn)程監(jiān)控終端實(shí)時(shí)接收從現(xiàn)地監(jiān)測(cè)/監(jiān)控站采集到的各類(lèi)實(shí)時(shí)信息，應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)視、分析、處理，及時(shí)做出相應(yīng)決策；有權(quán)限用戶(hù)可以在大壩安全監(jiān)控管理中心及上級(jí)管理單位監(jiān)控終端進(jìn)行控制；工作人員可在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置各種自動(dòng)安全監(jiān)測(cè)儀器采集信息量、采集次數(shù)。

③輔助裝置。

控制中心UPS 供電；GPS 監(jiān)測(cè)站、參考站供電方式選用太陽(yáng)能供電和交流供電兩種方式相互結(jié)合，提高系統(tǒng)可靠性；防雷系統(tǒng)，距觀測(cè)墩3m~3.5m 處安裝避雷針，建設(shè)地網(wǎng)，接地電阻小于10Ω；室外設(shè)備必須統(tǒng)一放在機(jī)柜。監(jiān)測(cè)整個(gè)系統(tǒng)的軟件和硬件運(yùn)行狀況，一旦某個(gè)監(jiān)測(cè)站出現(xiàn)死機(jī)現(xiàn)象，系統(tǒng)馬上通過(guò)數(shù)據(jù)信號(hào)觸發(fā)方式實(shí)現(xiàn)接收機(jī)自動(dòng)重啟；監(jiān)控站的監(jiān)控精度范圍可設(shè)置1mm~1cm；記錄原始數(shù)據(jù)，可任意截取其中部分?jǐn)?shù)據(jù)并對(duì)原始數(shù)據(jù)解算回放，實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)采集的延遲不大于1s；通過(guò)短信、電子郵件等方式進(jìn)行報(bào)警，可對(duì)監(jiān)控點(diǎn)進(jìn)行頻域和時(shí)域分析，7×24h 持續(xù)可靠工作。

3.2.3 變形監(jiān)測(cè)情況

本系統(tǒng)在正常觀測(cè)期內(nèi)獲得的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)連續(xù)、可靠，水庫(kù)開(kāi)始蓄水以來(lái),各類(lèi)監(jiān)測(cè)儀器的穩(wěn)定運(yùn)行,為工程的安全管理與決策提供了重要的數(shù)據(jù)資料。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，隨著GPS 技術(shù)的逐漸成熟，GPS 測(cè)量技術(shù)已經(jīng)在各種變形監(jiān)測(cè)中得到廣泛應(yīng)用。水電站壩體變形監(jiān)測(cè)工作中，主要采取固定連續(xù)GPS 測(cè)站陣列的方式，構(gòu)建永久性GPS 觀測(cè)站實(shí)現(xiàn)連續(xù)觀測(cè)，并將觀測(cè)到的數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理中心對(duì)其進(jìn)行處理，由此實(shí)現(xiàn)對(duì)大壩形變的準(zhǔn)確識(shí)別，為施工及維護(hù)提供有效意見(jiàn)，保證大壩安全可靠運(yùn)行。