范明杰，李 卓

(1.揚(yáng)州大學(xué) 水利科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225009； 2.南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210029)

在靜動(dòng)力荷載作用下大壩將產(chǎn)生變形，過(guò)大的變形將危及大壩安全。有關(guān)規(guī)范[1-2]明確規(guī)定大壩變形監(jiān)測(cè)是水庫(kù)安全評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)和重要組成部分[3-4]，是水庫(kù)大壩必設(shè)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目。傳統(tǒng)大壩變形監(jiān)測(cè)主要依靠人工方式進(jìn)行，耗時(shí)費(fèi)力，亟需一種低成本、高效率的監(jiān)測(cè)方法來(lái)進(jìn)行高精度監(jiān)測(cè)。傳統(tǒng)的光學(xué)觀測(cè)方法，在水利工程的變形監(jiān)測(cè)中發(fā)揮了重要作用，但受地形、氣候、通視條件和觀測(cè)距離的影響[5]，存在較大的局限性。較先進(jìn)的測(cè)量機(jī)器人在一些水庫(kù)大壩已得到應(yīng)用，但測(cè)量機(jī)器人需安裝在觀測(cè)房?jī)?nèi)，通過(guò)鏡頭向外觀測(cè)，在冬季由于內(nèi)外溫差大，鏡頭易結(jié)露，也會(huì)導(dǎo)致無(wú)法正常觀測(cè)。隨著衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展，特別是我國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BeiDou Satellite Navigation System，以下簡(jiǎn)稱(chēng)BDS）的建設(shè)投運(yùn)，基于全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的自動(dòng)變形監(jiān)測(cè)技術(shù)越來(lái)越多地應(yīng)用于大壩等水利工程，在提高監(jiān)測(cè)精度和時(shí)效、減少人為誤差和勞動(dòng)強(qiáng)度方面體現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢(shì)。

1 導(dǎo)航衛(wèi)星技術(shù)研究進(jìn)展

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，簡(jiǎn)寫(xiě)GNSS），是用于定位、導(dǎo)航、授時(shí)體系的核心技術(shù)。目前GNSS包含了美國(guó)的全球定位系統(tǒng)（GPS）、俄羅斯格羅納斯（GLONASS）、中國(guó)北斗（BDS）和歐盟伽利略（GALILEO）導(dǎo)航系統(tǒng)。該技術(shù)用于水利工程表面變形監(jiān)測(cè)，在囯外已有近20年的研究和應(yīng)用歷史。Roque等采用干涉合成孔徑雷達(dá)（InSAR）和GNSS相結(jié)合的綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，克服了InSAR技術(shù)單獨(dú)用于大壩位移測(cè)量時(shí)，由于缺乏冗余觀測(cè)而無(wú)法確定InSAR測(cè)量的后驗(yàn)方差的限制，在大壩和庫(kù)岸變形監(jiān)測(cè)中取得了較好效果[6]。Kato等認(rèn)為GNSS滿(mǎn)足基礎(chǔ)設(shè)施位移監(jiān)測(cè)精度、連續(xù)性和速度3個(gè)要求，是傳統(tǒng)光學(xué)測(cè)量方法無(wú)法做到的，在安裝GNSS設(shè)備的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了沙門(mén)網(wǎng)（Shamen net）自動(dòng)位移測(cè)量系統(tǒng)，可取得準(zhǔn)確和連續(xù)的觀測(cè)數(shù)據(jù)；通過(guò)在長(zhǎng)井大壩（Nagai Dam）同時(shí)安裝3臺(tái)GNSS設(shè)備和壩頂鉛垂線(xiàn)監(jiān)測(cè)傳感器，發(fā)現(xiàn)上游和下游方向的位移對(duì)應(yīng)于水位的上升和下降，兩者監(jiān)測(cè)結(jié)果相符，得出GNSS監(jiān)測(cè)方法滿(mǎn)足大壩監(jiān)測(cè)所需精度要求的結(jié)論。Konakoglu 采用GNSS方法，開(kāi)展了大壩變形監(jiān)測(cè)研究，并基于GNSS變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)開(kāi)發(fā)了大壩變形預(yù)測(cè)模型，認(rèn)為大壩位移與水庫(kù)水位變化之間存在明顯的相關(guān)性；為比對(duì)常規(guī)觀測(cè)方法與GNSS觀測(cè)效果，利用在土耳其境內(nèi)幼發(fā)拉底河（Euphrates）上阿塔圖爾克水電站（Ataturk Hydropower Station）的變形網(wǎng)進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)2007年至2013年GNSS和常規(guī)觀測(cè)方法變形觀測(cè)結(jié)果分析比較，得出兩種方法的觀測(cè)結(jié)果較為一致[7]。

BDS是中國(guó)自行研制的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，定位精度高，提供國(guó)家大地坐標(biāo)系時(shí)空基準(zhǔn)，包含5顆IGSO衛(wèi)星（傾斜地球同步軌道衛(wèi)星），并在全國(guó)范圍內(nèi)建立了北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)[8]，克服了高緯度區(qū)衛(wèi)星系統(tǒng)低仰角的問(wèn)題。中國(guó)區(qū)域由于衛(wèi)星數(shù)目多、信號(hào)強(qiáng)，特別是監(jiān)測(cè)接收機(jī)可同時(shí)接收北斗BDS和GPS衛(wèi)星信號(hào)，極大地提高了系統(tǒng)定位精度，可測(cè)定點(diǎn)的三維坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了水平位移和垂直位移的同步測(cè)量。大壩、水閘、堤防等水利工程岸線(xiàn)長(zhǎng)、距離遠(yuǎn)，該技術(shù)正在被逐步推廣應(yīng)用至這些水利工程，優(yōu)勢(shì)明顯[9]。實(shí)踐證明，為獲取任意時(shí)刻導(dǎo)航衛(wèi)星的位置坐標(biāo)，采用不同插值算法可達(dá)毫米或亞毫米級(jí)精度[10]。目前先進(jìn)的BDS監(jiān)測(cè)設(shè)備，每天一次解析水平精度和垂直精度已達(dá)±2 mm，一周解析精度達(dá)±1 mm，新型的BDS衛(wèi)星接收機(jī)每臺(tái)可同時(shí)接入4套衛(wèi)星天線(xiàn)，且僅需設(shè)置1～2個(gè)工作基點(diǎn)即可滿(mǎn)足精度解析需要，避免了傳統(tǒng)方法需建造大量基點(diǎn)的做法。采用BDS定位技術(shù)開(kāi)展大壩表面變形監(jiān)測(cè)，是目前最為先進(jìn)、實(shí)用的高科技監(jiān)測(cè)手段，在監(jiān)測(cè)點(diǎn)上安裝無(wú)人值守觀測(cè)設(shè)備，通過(guò)軟件可實(shí)現(xiàn)變形測(cè)值的解算和分析。但目前基于BDS技術(shù)進(jìn)行地震作用下水庫(kù)大壩表面變形監(jiān)測(cè)的可行性研究仍較少。

本文通過(guò)分析人工傳統(tǒng)光學(xué)觀測(cè)方法與BDS表面變形監(jiān)測(cè)技術(shù)的差異，結(jié)合實(shí)際水庫(kù)大壩工程，開(kāi)展基于BDS的大壩靜力變形監(jiān)測(cè)，并和傳統(tǒng)觀測(cè)方法進(jìn)行比較；同時(shí)研究應(yīng)用BDS進(jìn)行地震作用下大壩動(dòng)力變形監(jiān)測(cè)的可行性。

2 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與傳統(tǒng)變形觀測(cè)方法差異

2.1 測(cè)點(diǎn)布置

根據(jù)相關(guān)規(guī)范[1-2]規(guī)定，大壩表面變形需設(shè)置垂直和水平位移觀測(cè)項(xiàng)目，監(jiān)測(cè)橫斷面一般不少于3個(gè)，監(jiān)測(cè)縱斷面一般不少于4個(gè)，在縱、橫監(jiān)測(cè)斷面交叉部位設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，位移觀測(cè)時(shí)需設(shè)置校核基點(diǎn)、工作基點(diǎn)及其他網(wǎng)點(diǎn)組成的監(jiān)測(cè)網(wǎng)。傳統(tǒng)方法采用光學(xué)觀測(cè)方式，通常采用視準(zhǔn)線(xiàn)法進(jìn)行水平位移測(cè)量，需在大壩每一條監(jiān)測(cè)縱斷面延長(zhǎng)線(xiàn)左、右岸坡穩(wěn)定區(qū)域且兼顧通視處各設(shè)置1個(gè)工作基點(diǎn)和校核基點(diǎn)，校核基點(diǎn)用于定期對(duì)工作基點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行校正。通常情況下，為節(jié)約建設(shè)資金，垂直位移和水平位移共用一個(gè)觀測(cè)墩，在觀測(cè)墩上安裝水準(zhǔn)測(cè)頭（用于垂直位移觀測(cè)）和強(qiáng)制對(duì)中基座（用于水平位移觀測(cè)時(shí)與儀器連接）。以土石壩設(shè)置3條監(jiān)測(cè)橫斷面、4條監(jiān)測(cè)縱斷面為例，壩面需設(shè)置12個(gè)變形測(cè)點(diǎn)，縱斷面左右延長(zhǎng)線(xiàn)岸坡設(shè)置8個(gè)工作基點(diǎn)、8個(gè)校核基點(diǎn)，共需設(shè)置28個(gè)觀測(cè)墩；為取得垂直位移高程基準(zhǔn)值，還需從國(guó)家水準(zhǔn)點(diǎn)引測(cè)水準(zhǔn)點(diǎn)若干個(gè)。傳統(tǒng)方法測(cè)點(diǎn)數(shù)量多且測(cè)點(diǎn)設(shè)置需考慮通視條件，存在較大的局限性。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航變形觀測(cè)方法能取得測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)，垂直和水平位移同時(shí)測(cè)量，并按國(guó)家大地坐標(biāo)系（CGCS2000）測(cè)值輸出，僅需在水庫(kù)大壩樞紐附近地質(zhì)穩(wěn)定處設(shè)置1～2個(gè)工作基點(diǎn)即可滿(mǎn)足變形測(cè)量需要，以上述土石壩為例，僅需設(shè)置12個(gè)測(cè)點(diǎn)和1～2個(gè)工作基點(diǎn)，即能實(shí)現(xiàn)對(duì)該大壩的表面變形自動(dòng)觀測(cè)。

2.2 觀測(cè)精度

規(guī)范[1-2]對(duì)大壩表面變形監(jiān)測(cè)精度規(guī)定，土石壩和混凝土壩常用的視準(zhǔn)線(xiàn)法測(cè)量誤差為2 mm，測(cè)回觀測(cè)值之差為1.5 mm。人工觀測(cè)方法受儀器精度、操作方法、測(cè)量距離和測(cè)回等影響，以及資料整編人員計(jì)算平差時(shí)存在一定的主觀隨意性，變形測(cè)量整編成果存在較大誤差。BDS技術(shù)依托在全國(guó)范圍建立的地基增強(qiáng)系統(tǒng)和相應(yīng)基站，當(dāng)前技術(shù)每日一次解析精度達(dá)±2 mm，一周解析精度±1 mm，可以滿(mǎn)足大壩安全監(jiān)測(cè)精度要求，杜絕了人為誤差。隨著導(dǎo)航芯片技術(shù)和解析算法軟件的進(jìn)一步改進(jìn)，觀測(cè)精度將進(jìn)一步提高。

2.3 觀測(cè)時(shí)效

人工觀測(cè)方法水平和垂直位移需分開(kāi)觀測(cè)，并需定期對(duì)工作基點(diǎn)進(jìn)行校正。受通視和氣候條件影響，傳統(tǒng)方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)全天候觀測(cè)，特別是暴雨等極端氣候條件下，往往是工程形變最有可能發(fā)生的時(shí)候，傳統(tǒng)觀測(cè)方法無(wú)法施測(cè)。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)則不受氣候條件限制，可全天候在線(xiàn)觀測(cè)并取得連續(xù)的觀測(cè)數(shù)據(jù)。

按照規(guī)范表面變形觀測(cè)要求，土石壩運(yùn)行期每2～6個(gè)月觀測(cè)1次，混凝土壩1～2次/月。這樣的規(guī)定是基于傳統(tǒng)觀測(cè)方法制定的，觀測(cè)頻次低很難實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)預(yù)警。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)因可在線(xiàn)測(cè)量，在整編分析軟件上設(shè)置累積變形量或變形速率等監(jiān)控指標(biāo)[11-12]，對(duì)建筑物水平位移、沉降，以及不均勻沉降引起的傾斜等均可實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)預(yù)警，對(duì)確保水庫(kù)工程安全意義重大。

綜上，BDS精度滿(mǎn)足規(guī)范要求，在測(cè)點(diǎn)布置和時(shí)效性方面相較于人工方法具有明顯的優(yōu)勢(shì)，可替代傳統(tǒng)大壩變形監(jiān)測(cè)方法。目前單點(diǎn)造價(jià)雖高于傳統(tǒng)方法，但因無(wú)需考慮通視條件和省略大量基點(diǎn)，給測(cè)點(diǎn)布置帶來(lái)了極大的便利。若考慮光學(xué)儀器的購(gòu)置和人工費(fèi)用，兩種方法總體造價(jià)上已基本持平。因BDS觀測(cè)頻次高可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)監(jiān)測(cè)和預(yù)警，其優(yōu)勢(shì)不言而喻。

3 BDS監(jiān)測(cè)某水庫(kù)大壩表面靜動(dòng)力變形

西南某水庫(kù)位于瀾滄江-湄公河流域，壩址以上控制流域面積186.6 km2，總庫(kù)容2 280萬(wàn) m3。水庫(kù)由大壩、溢洪道、壩后電站及輸水洞等組成。大壩為均質(zhì)土壩，最大壩高45 m，壩長(zhǎng)205 m，壩頂寬6 m，該水庫(kù)除表面變形外其他監(jiān)測(cè)項(xiàng)目已實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。根據(jù)規(guī)范規(guī)定的觀測(cè)頻次要求[1]，人工觀測(cè)方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)水庫(kù)變形監(jiān)測(cè)預(yù)警，為提高大壩及邊坡變形監(jiān)測(cè)效率，建立自動(dòng)變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)勢(shì)在必行。

根據(jù)工程特點(diǎn)，在水庫(kù)共設(shè)立13個(gè)BDS監(jiān)測(cè)站和2個(gè)基準(zhǔn)站。在樁號(hào)0+40、0+100和0+160設(shè)3個(gè)監(jiān)測(cè)橫斷面，壩頂下游側(cè)、一級(jí)馬道和二級(jí)馬道設(shè) 3個(gè)縱斷面，共安裝 9個(gè)測(cè)點(diǎn)（B1-1～B3-3），其中0+100斷面屬主河槽最大壩高處；左岸溢洪道設(shè)2個(gè)變形測(cè)點(diǎn)（Y01、Y02）；兩岸潛在滑坡體設(shè)2個(gè)測(cè)點(diǎn)（H01、H02）；在右壩端水庫(kù)管理所區(qū)域選擇穩(wěn)定基巖處（左岸巖體不穩(wěn)定無(wú)布置條件）設(shè)2個(gè)工作基點(diǎn)（J01、J02），工作基點(diǎn)為不動(dòng)點(diǎn)，用于變形數(shù)據(jù)解算時(shí)自動(dòng)剔除系統(tǒng)測(cè)量誤差。水庫(kù)自動(dòng)變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖1。

圖1 水庫(kù)自動(dòng)變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置Fig.1 Layout of automatic deformation monitoring of reservoir

3.1 BDS自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成

本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)選用內(nèi)置北斗衛(wèi)星導(dǎo)航芯片的HXS2000型衛(wèi)星接收機(jī)。該接收機(jī)是業(yè)內(nèi)首款支持4套衛(wèi)星天線(xiàn)板卡設(shè)備，載波相位精度分別為：GPS， 波段 L1（載波信號(hào)頻點(diǎn) 1 575.42±1.023 MHz）0.5 mm，L2（載波信號(hào)頻點(diǎn) 1 227.60±1.023 MHz）1.0 mm；BDS，頻段 B1（載波信號(hào)頻點(diǎn) 1 561.098±2.046 MHz）0.5 mm，B2（載波信號(hào)頻點(diǎn) 1 207.14±2.046 MHz）0.5 mm。接收機(jī)定位更新頻率可按 1、2、5、10、20和 50 Hz設(shè)置，配備常規(guī)通訊接口并內(nèi)置華為ME909S-821全網(wǎng)通無(wú)線(xiàn)通信模塊。本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)使用高精度3D扼流圈衛(wèi)星天線(xiàn)，可接收所在區(qū)域全部在軌導(dǎo)航系統(tǒng)衛(wèi)星信號(hào)，增益≥7 dBi。同時(shí)接收機(jī)采用獨(dú)有的高精度算法和多天線(xiàn)多頻點(diǎn)信號(hào)解析處理技術(shù)，進(jìn)一步提高了監(jiān)測(cè)精度。

自動(dòng)變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由BDS監(jiān)測(cè)單元、供電單元、通信單元和監(jiān)控中心組成。監(jiān)測(cè)單元主要由BDS接收機(jī)、衛(wèi)星天線(xiàn)構(gòu)成，測(cè)點(diǎn)和基準(zhǔn)點(diǎn)設(shè)備相同；供電單元主要由光伏電池+蓄電池或市電構(gòu)成，不方便取用市電時(shí)采用光伏供電；通信單元一般采用無(wú)線(xiàn)網(wǎng)橋或GPRS物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)通訊方式；監(jiān)控中心由計(jì)算機(jī)、服務(wù)器、數(shù)據(jù)處理及分析軟件等組成。本工程因監(jiān)控中心設(shè)在水庫(kù)管理所，與大壩距離較近，采用無(wú)線(xiàn)網(wǎng)橋通信方式，既保證了數(shù)據(jù)傳輸效果，也節(jié)省了后期數(shù)據(jù)通信費(fèi)用。

本工程監(jiān)測(cè)使用的BDS接收機(jī)具備多種通訊方式接口，當(dāng)采用物聯(lián)網(wǎng)4G/5G通訊時(shí)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可由測(cè)站上傳至云監(jiān)控平臺(tái)，云平臺(tái)建有變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)和相應(yīng)的整編解析軟件，同時(shí)開(kāi)發(fā)了手機(jī)APP客戶(hù)端，可不在水庫(kù)設(shè)立監(jiān)測(cè)中心站，利用系統(tǒng)分配的用戶(hù)名和密碼即可通過(guò)聯(lián)網(wǎng)電腦或手機(jī)APP客戶(hù)端訪(fǎng)問(wèn)和下載監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)了解工程變形情況。

3.2 傳統(tǒng)方法與BDS監(jiān)測(cè)精度比較

該水庫(kù)的BDS自動(dòng)變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)于2021年9月初安裝調(diào)試完成并投入試運(yùn)行，獲取初始值，10月起正式運(yùn)行。該水庫(kù)原建有9個(gè)人工觀測(cè)標(biāo)點(diǎn)，水平和垂直位移共用；BDS測(cè)點(diǎn)建設(shè)時(shí)位置與之相鄰。

水平位移人工觀測(cè)采用Trimble5600S型全站儀觀測(cè)，垂直位移觀測(cè)采用DZS3-1型水準(zhǔn)儀。BDS監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建成后，為比對(duì)兩種方法的監(jiān)測(cè)精度，人工觀測(cè)仍繼續(xù)，并采用增加測(cè)回平差的方式以提高人工觀測(cè)精度。人工觀測(cè)以2021年9月的觀測(cè)值作為基準(zhǔn)值，對(duì)相同觀測(cè)日期下BDS自動(dòng)觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行了整編，因BDS監(jiān)測(cè)系統(tǒng)輸出結(jié)果為國(guó)家大地坐標(biāo)系（CGCS2000），采用的是地心空間直角坐標(biāo)系，為方便數(shù)據(jù)比較，結(jié)合大壩軸線(xiàn)方向經(jīng)換算得出的每一個(gè)BDS測(cè)點(diǎn)與水庫(kù)人工測(cè)點(diǎn)水平（X、Y）、垂直（Z）同方向位移值。人工和BDS變形觀測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1，表中W1-1為人工觀測(cè)點(diǎn)，B1-1為BDS觀測(cè)點(diǎn)，以此類(lèi)推。BDS觀測(cè)值有效數(shù)字取小數(shù)點(diǎn)后兩位。

從人工和BDS觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)看，相鄰位置測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)差值在0.4 mm以?xún)?nèi)，測(cè)點(diǎn)的變形趨勢(shì)一致。大壩經(jīng)50余年運(yùn)行，土體已基本固結(jié)穩(wěn)定，各測(cè)點(diǎn)水平和垂直位移變化平穩(wěn)，無(wú)趨勢(shì)性變化，大壩表面變形性態(tài)正常。表1中B1-3、B2-2與W1-3、W2-2測(cè)值一致但較其他測(cè)點(diǎn)變形量偏大，經(jīng)對(duì)水庫(kù)運(yùn)行情況進(jìn)行了解，分析其原因主要是受滲流影響。B1-3測(cè)點(diǎn)位于左岸壩腳，受地下溶洞影響高水位時(shí)該部位存在繞滲，同時(shí)排水棱體局部失效浸潤(rùn)線(xiàn)抬高。B2-2測(cè)點(diǎn)位于主河槽段下游半壩高處，因建壩時(shí)清基不徹底，高水位時(shí)存在壩基滲流，水庫(kù)2021年汛期經(jīng)歷過(guò)數(shù)日高水位，壩腳排水棱體淤堵抬高了滲流出逸點(diǎn)。從水庫(kù)以往滲流和變形觀測(cè)資料來(lái)看，個(gè)別變形測(cè)點(diǎn)受高水位作用汛后存在一定時(shí)段的后影響。

圖2為B2-2自動(dòng)變形測(cè)點(diǎn)測(cè)值過(guò)程線(xiàn)。由觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)看，在相同觀測(cè)時(shí)段，測(cè)值與該部位人工測(cè)值點(diǎn)W2-2保持一致，但人工觀測(cè)無(wú)法取得觀測(cè)日以外時(shí)段的變形資料，而B(niǎo)DS自動(dòng)變形觀測(cè)系統(tǒng)則能每天取得變形測(cè)量成果，數(shù)據(jù)連續(xù)。

圖2 BDS位移監(jiān)測(cè)過(guò)程線(xiàn)Fig.2 BDS displacement monitoring process line

3.3 BDS監(jiān)測(cè)地震工況下大壩表面變形的可行性

為實(shí)現(xiàn)對(duì)水庫(kù)大壩變形狀態(tài)的監(jiān)測(cè)預(yù)警，根據(jù)水庫(kù)工程的自身特點(diǎn)，結(jié)合壩型、壩高和壩長(zhǎng)，以及水庫(kù)運(yùn)行水位和設(shè)計(jì)參數(shù)，BDS監(jiān)測(cè)系統(tǒng)擬定了變形量及變化速率監(jiān)控指標(biāo)，當(dāng)變形測(cè)值達(dá)到此閥值時(shí)啟動(dòng)預(yù)警程序。

北京時(shí)間2021-12-24 T21:43，老撾（東經(jīng)101.69°、北緯22.33°）發(fā)生6.0級(jí)地震，震源深度為15 km，震中距案例水庫(kù)約440 km。水庫(kù)無(wú)地震監(jiān)測(cè)設(shè)施，未能取得壩址區(qū)的地震加速度。因BDS監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集頻率為1 Hz，地震對(duì)大壩產(chǎn)生的變形情況被監(jiān)測(cè)系統(tǒng)成功捕獲，取得了動(dòng)力作用下大壩的變形過(guò)程。圖3～5為地震對(duì)大壩影響較大的典型測(cè)點(diǎn)地震時(shí)段的變形監(jiān)測(cè)過(guò)程線(xiàn)。

從圖3～5可見(jiàn)，雖然震中離水庫(kù)較遠(yuǎn)，但地震的動(dòng)力作用還是對(duì)大壩產(chǎn)生了短歷時(shí)影響。圖3為最大壩高斷面壩頂?shù)腂2-1測(cè)點(diǎn)，在21:43:19沉降9.2 mm，水平位移9.1 mm，在21:44:28后逐漸衰減回落至正常，在21:45:46后受地震次波影響出現(xiàn)短暫小幅增大，本次地震對(duì)該測(cè)點(diǎn)影響最大。圖4為主河槽斷面二級(jí)馬道B2-3測(cè)點(diǎn)，地震影響時(shí)段為21:42:15—21:44:20，在21:43:13沉降5.96 mm，水平位移2.88 mm，在21:44:20后水平位移趨于穩(wěn)定，出現(xiàn)小幅波動(dòng)；圖5為溢洪道Y02號(hào)測(cè)點(diǎn)，在21:43:12沉降5.93 mm，水平位移6.14 mm，在21:43:38后趨于穩(wěn)定，垂直位移出現(xiàn)小幅上揚(yáng)后逐漸回落，該部位緊臨左岸山體，受巖體剛性影響，變形存在一定的慣性作用。

圖3 主河槽段壩頂測(cè)點(diǎn)變形Fig.3 Deformation of dam crest measuring points in main channel section

圖4 大壩中段下部測(cè)點(diǎn)變形Fig.4 Deformation of measuring points at the lower part of the middle section of the dam

圖5 溢洪道測(cè)點(diǎn)變形Fig.5 Deformation of measuring points of spillway

從本次地震選取的3個(gè)測(cè)點(diǎn)測(cè)值來(lái)看，地震對(duì)大壩的影響歷時(shí)約3 min。因大壩其他監(jiān)測(cè)儀器通過(guò)測(cè)控單元每日8:00定時(shí)采集一次，未能監(jiān)測(cè)到本次地震發(fā)生時(shí)大壩滲流和內(nèi)部位移狀態(tài)，BDS監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯得尤為珍貴。從震后大壩監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)看，本次地震對(duì)大壩未產(chǎn)生異常監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，震后有關(guān)變形測(cè)點(diǎn)測(cè)值恢復(fù)正常，巡視檢查中也未發(fā)現(xiàn)壩體和相關(guān)建筑物損毀現(xiàn)象，大壩運(yùn)行正常。

對(duì)土石壩而言變形通常是不可逆的，而地震作用產(chǎn)生的動(dòng)力變形是壩體與壩址區(qū)地殼整體變形，屬瞬時(shí)整體變形，各測(cè)點(diǎn)受地震波傳遞方向和壩體結(jié)構(gòu)的自身影響，存在變形量值上的差異。通常大壩在承受抗震等級(jí)以下的地震作用力不會(huì)造成實(shí)質(zhì)性的損害，但地震易引發(fā)飽和砂土地基的液化現(xiàn)象，導(dǎo)致地基喪失承載力，嚴(yán)重威脅大壩安全[13]，特別是早期建設(shè)的水庫(kù)。限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平和認(rèn)知，通常未對(duì)壩基進(jìn)行防液化處理，仍應(yīng)引起足夠的重視。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)人工表面變形觀測(cè)方法與基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航監(jiān)測(cè)技術(shù)的比較，開(kāi)展了水庫(kù)大壩表面靜動(dòng)力變形BDS監(jiān)測(cè)的研究，分析了此技術(shù)應(yīng)用于大壩變形監(jiān)測(cè)的可行性和優(yōu)越性。工程應(yīng)用案例表明，該技術(shù)數(shù)據(jù)采樣頻次高，能夠取得短暫地震工況下大壩的變形過(guò)程，充分表明北斗導(dǎo)航BDS系統(tǒng)適用于大壩靜動(dòng)力變形監(jiān)測(cè)。我國(guó)西南地區(qū)水力資源豐富，但鄰近歐亞地震帶，地震活動(dòng)較為頻繁。如何保證在雅礱江、金沙江、瀾滄江等江河上已建和在建的一批高壩大庫(kù)水電工程的安全，成為公眾關(guān)注的焦點(diǎn)。近年來(lái)隨著地震和GNSS監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展，一些學(xué)者[14]針對(duì)GNSS用于區(qū)域板塊靜動(dòng)力變形監(jiān)測(cè)開(kāi)展了探索研究，汶川地震后通過(guò)對(duì)龍門(mén)山斷裂帶兩側(cè)分布的109個(gè)GNSS監(jiān)測(cè)站和區(qū)域站變形觀測(cè)資料開(kāi)展了數(shù)據(jù)處理與分析，經(jīng)過(guò)模型反演獲得了震前、震后時(shí)間序列地殼形變情況，這對(duì)預(yù)測(cè)未來(lái)工程周邊區(qū)域地殼變形量，推斷再次發(fā)生地震的可能時(shí)段意義重大。由于地震儀測(cè)量的是地震加速度，GNSS測(cè)量的是表面位移，通過(guò)地震加速度和表面位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的融合處理研究，便能獲得包含地震變形和速率的波形數(shù)據(jù)，可快速高精度地對(duì)工程所在區(qū)域震級(jí)進(jìn)行估算，為水庫(kù)震損評(píng)估和震后大壩專(zhuān)項(xiàng)安全鑒定提供重要的計(jì)算參數(shù)。

當(dāng)前BDS技術(shù)用于大壩靜力變形監(jiān)測(cè)正在普及，用于動(dòng)力變形監(jiān)測(cè)的工程案例還較少。該技術(shù)在水庫(kù)大壩工程中的推廣應(yīng)用，對(duì)水庫(kù)大壩靜動(dòng)力變形監(jiān)測(cè)技術(shù)的提升，水庫(kù)工程的安全管理，以及構(gòu)建新的大壩變形監(jiān)測(cè)理念，具有深遠(yuǎn)意義。