激光/GNSS自動(dòng)化變形沉降監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

該大壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目包括:壩體變形監(jiān)測(cè)、邊坡監(jiān)測(cè)以及環(huán)境監(jiān)測(cè)等子系統(tǒng)，主要由監(jiān)測(cè)儀器（傳感器）、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（包括自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)和電子化人工巡檢養(yǎng)護(hù)管理子系統(tǒng)）、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、安全預(yù)警評(píng)估系統(tǒng)與用戶界面系統(tǒng)等五大部分組成。

系統(tǒng)采用相對(duì)測(cè)量與測(cè)量相結(jié)合的方式對(duì)大壩及近壩岸坡進(jìn)行整體監(jiān)測(cè)，利用了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的環(huán)柵激光準(zhǔn)直技術(shù)、激光自動(dòng)安平補(bǔ)償技術(shù)、激光環(huán)柵光斑CCD圖像識(shí)別技術(shù)、高精度北斗/GPS雙頻接收機(jī)等多項(xiàng)新技術(shù)。

其中壩體監(jiān)測(cè)又包括壩頂水平/垂直監(jiān)測(cè)、壩頂北斗/GPS三維位移監(jiān)測(cè)、壩體滲漏及環(huán)境量監(jiān)測(cè)三個(gè)子系統(tǒng)，其他上下游水位、降雨量、氣溫等環(huán)境量監(jiān)測(cè)資料可利用水情測(cè)報(bào)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)資料通過(guò)監(jiān)測(cè)信息管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。

一、壩頂水平/垂直監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)
采用環(huán)柵激光準(zhǔn)直和激光環(huán)柵光斑CCD圖像識(shí)別兩項(xiàng)技術(shù)，利用激光長(zhǎng)弦弦測(cè)法實(shí)現(xiàn)對(duì)壩頂監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平和垂直位移的同時(shí)監(jiān)測(cè)，具有精度高、監(jiān)測(cè)速度快、故障率低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于維護(hù)等特點(diǎn)。
1.測(cè)量原理
從激光發(fā)射端射出一條有明暗相間的同心環(huán)組成的高精度準(zhǔn)直激光束，不同距離光斑圖像如下圖所示：

激光束依次穿過(guò)在各監(jiān)測(cè)點(diǎn)處安裝的CCD數(shù)字接收靶，由數(shù)字接收靶對(duì)光斑圖像識(shí)別并計(jì)算光斑中心（x，y），并和初始值比較可得到水平位移垂直位移，水平位移計(jì)算方法如下：

2.系統(tǒng)組成
激光水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)儀2臺(tái)
激光環(huán)柵準(zhǔn)直光源1臺(tái)
監(jiān)測(cè)點(diǎn)CCD數(shù)字接收靶3個(gè)
基準(zhǔn)端CCD數(shù)字接收靶3個(gè)
3.主要技術(shù)指標(biāo)
CCD數(shù)字接收靶分辨率0.01mm，精度±0.05mm。激光位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)觀測(cè)精度0.6mm，自動(dòng)觀測(cè)一次時(shí)間2min。*《大壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化技術(shù)規(guī)范》（DL/T 5211-2005）、《混凝土壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》（DL/T 5178-2003）及《土石壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》（SL 60-1994）的要求。
4.系統(tǒng)軟件

5.根據(jù)壩頂位移實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，繪制的位移過(guò)程曲線如下圖所示：

二、壩體GNSS三維位移監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)
隨著GPS系統(tǒng)的完善以及我國(guó)北斗二代系統(tǒng)組網(wǎng)完成，北斗/GPS/GLONASS三系統(tǒng)接收機(jī)已成功商用，目前北斗/GPS可用于精密變形監(jiān)測(cè)，且將逐步取代常規(guī)的測(cè)量方法，這是精密變形監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的一次技術(shù)革命。采用我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的北斗/GPS接收機(jī)是國(guó)家重大基礎(chǔ)設(shè)施安全的保障。

北斗/GPS自動(dòng)化監(jiān)測(cè)方案原理是利用北斗/GPS載波相位高精度相對(duì)定位進(jìn)行三維定位。利用精密星歷及與清華大學(xué)聯(lián)合研制的軟件采用二小時(shí)雙頻北斗/GPS接收機(jī)觀測(cè)數(shù)據(jù)解算精度可達(dá)毫米級(jí)。

1.測(cè)量原理
在壩坡上堅(jiān)固的地點(diǎn)建立1個(gè)基準(zhǔn)站，安放高精度北斗/GPS雙頻接收機(jī)，接收機(jī)信號(hào)通過(guò)光纖或?qū)Ｓ脭?shù)字通信網(wǎng)定時(shí)傳送到監(jiān)測(cè)中心。在壩頂位移待測(cè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)上安放北斗/GPS高精度雙頻接收機(jī)。監(jiān)測(cè)接收機(jī)信號(hào)通過(guò)光纖或?qū)Ｓ脭?shù)字通信網(wǎng)定時(shí)送到監(jiān)測(cè)中心。監(jiān)測(cè)中心收到基準(zhǔn)站和監(jiān)測(cè)站信息利用北斗/GPS高精度基線處理軟件進(jìn)行解算，求出基準(zhǔn)站與監(jiān)測(cè)站之間的坐標(biāo)差。該結(jié)果是WGS-84地心坐標(biāo)系統(tǒng)下的坐標(biāo)差。不同時(shí)間測(cè)出的坐標(biāo)差變化，反映了監(jiān)測(cè)點(diǎn)的三維形變。
2.系統(tǒng)組成
1)北斗/GPS基準(zhǔn)站、監(jiān)測(cè)站
北斗/GPS基準(zhǔn)站接收北斗/GPS衛(wèi)星信號(hào)用于基線解算基準(zhǔn)。監(jiān)測(cè)站放在位移點(diǎn)上，接收北斗/GPS衛(wèi)星信號(hào)，通過(guò)與基準(zhǔn)站相對(duì)定位可測(cè)定位移點(diǎn)的變形。
本系統(tǒng)共用4臺(tái)高精度北斗/GPS接收機(jī)，其中1臺(tái)基準(zhǔn)站，3臺(tái)監(jiān)測(cè)站。主壩上安裝2臺(tái)監(jiān)測(cè)站，副壩上安裝1臺(tái)監(jiān)測(cè)站，水庫(kù)管理處安裝1臺(tái)基準(zhǔn)站。
2)無(wú)線通信網(wǎng)
無(wú)線通信網(wǎng)作用：將基準(zhǔn)站、監(jiān)測(cè)站接收的北斗/GPS衛(wèi)星信號(hào)實(shí)時(shí)傳到中心站。中心站通過(guò)通信網(wǎng)監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)站、監(jiān)測(cè)站的工作狀況；并向基準(zhǔn)站、監(jiān)測(cè)站發(fā)出監(jiān)控命令。
中心站功能：
A、負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)管理，監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)站、監(jiān)測(cè)站北斗/GPS接收機(jī)工作狀況；對(duì)基準(zhǔn)站、監(jiān)測(cè)站接收機(jī)發(fā)出控制指令及設(shè)置工作參數(shù)。
B、實(shí)時(shí)采集基準(zhǔn)站和監(jiān)測(cè)站北斗/GPS接收機(jī)觀測(cè)原始數(shù)據(jù)，
C、按設(shè)定時(shí)間從數(shù)據(jù)庫(kù)中自動(dòng)提取相應(yīng)基準(zhǔn)站和監(jiān)測(cè)站數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理中心自動(dòng)解算監(jiān)測(cè)點(diǎn)三維坐標(biāo)。
D、對(duì)數(shù)據(jù)處理中心解算結(jié)果實(shí)時(shí)進(jìn)行分折，繪制各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移變化時(shí)程曲線及沉降變化曲線。對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)變形進(jìn)行分析，對(duì)變形大的超限點(diǎn)進(jìn)行報(bào)警。
3.系統(tǒng)精度
系統(tǒng)輸出的變形量精度：24小時(shí)解小于1mm，4小時(shí)解小于3mm。
4.數(shù)據(jù)分析
分析監(jiān)測(cè)資料的準(zhǔn)確性、可靠性和精度
分析監(jiān)測(cè)量隨時(shí)間或空間而變化的規(guī)律
判別監(jiān)測(cè)量的異常值
分析監(jiān)測(cè)量變化規(guī)律的穩(wěn)定性
應(yīng)用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析，必要時(shí)提出或調(diào)整監(jiān)控指標(biāo)
分析壩體結(jié)構(gòu)的整體性、穩(wěn)定性以及防滲排水設(shè)施的效能
評(píng)估大壩的工作狀態(tài)
根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)繪制位移過(guò)程曲線如下圖：

運(yùn)行期，數(shù)學(xué)模型中一般包括水壓分量、溫度分量和時(shí)效分量三個(gè)部分。時(shí)效分量的變化形態(tài)是評(píng)價(jià)效應(yīng)量正常與否的重要依據(jù)。下圖為時(shí)效分量的三種形態(tài)，代表三種工作狀態(tài)。

5.系統(tǒng)特點(diǎn)
北斗/GPS技術(shù)用于大壩外觀變形監(jiān)測(cè)和滑坡監(jiān)測(cè)是*可行的，與常規(guī)監(jiān)測(cè)方法相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：
可實(shí)現(xiàn)全天候監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)時(shí)間同步。
監(jiān)測(cè)精度高，精度可達(dá)1毫米，可滿足大壩位移監(jiān)測(cè)要求。
可以連續(xù)長(zhǎng)期觀測(cè)使用，使用壽命長(zhǎng)。
觀測(cè)結(jié)果是數(shù)字成果，可使監(jiān)測(cè)全過(guò)程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。
可同時(shí)測(cè)定三維位移。
可極大地提高生產(chǎn)效率，降低人力、物力、財(cái)力的消耗。
三、壩體滲漏及環(huán)境量監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)
1.滲漏監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)布置位置及其儀器工作原理
監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集：滲壓計(jì)、雨量計(jì)、水溫計(jì)、上下游水位計(jì)、等各種傳感器采取自動(dòng)監(jiān)測(cè)（自報(bào)式）和強(qiáng)制監(jiān)測(cè)（應(yīng)答式）的方式進(jìn)行巡測(cè)、選測(cè)和人工測(cè)量。
數(shù)據(jù)通訊：測(cè)控單元與工作站之間具有雙向通訊功能。
數(shù)據(jù)分析和管理：對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示、存貯和打印，建立工程檔案，并實(shí)現(xiàn)在線處理和離線處理，及時(shí)制成圖表，對(duì)工程性態(tài)進(jìn)行分析和安全評(píng)估。
2.滲漏量的觀測(cè)：滲漏量反映壩身整體性，壩縫止水結(jié)構(gòu)及防滲帷幕的工作狀態(tài)，對(duì)了解大壩的運(yùn)行狀態(tài)有重要的意義，結(jié)合水庫(kù)的實(shí)際滲流情況布設(shè)兩個(gè)測(cè)點(diǎn)，采用量水堰對(duì)壩后集水井進(jìn)行測(cè)量，即在主壩后集水井各設(shè)一量水堰，采用超聲波水位計(jì)測(cè)量堰上水頭，從而得出滲漏量。本系統(tǒng)安裝1個(gè)滲漏量觀測(cè)儀。
3.雨量計(jì)：設(shè)置在大壩管理中房頂設(shè)置一個(gè)翻斗式雨量計(jì)，工作原理是：當(dāng)下雨時(shí)就翻斗轉(zhuǎn)一次，關(guān)閉磁性開(kāi)關(guān)給MCU一個(gè)脈沖的信號(hào)，那么MCU計(jì)下每次脈沖的信號(hào)變成雨量。本系統(tǒng)安裝1個(gè)雨量計(jì)。
4.壩體滲漏壓力的監(jiān)測(cè)：滲漏壓力觀測(cè)采用振弦式滲壓計(jì)觀測(cè)，滲壓計(jì)的傳感元件是一根附在膜上的鋼琴弦，它由繞組磁鐵激勵(lì)作用在膜上的壓力來(lái)改變弦的壓力，張力與鋼弦共振或自然頻率成比例，通過(guò)頻率信號(hào)測(cè)量再轉(zhuǎn)換成水壓力數(shù)據(jù)量。本系統(tǒng)共布置20個(gè)滲壓計(jì)，具體見(jiàn)CAD平面圖。
5.布置2個(gè)水溫計(jì)。
6.布置2個(gè)水位計(jì)。
四、視頻監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)
分別在主壩和副壩上各安裝兩個(gè)視頻攝像機(jī)，可以24小時(shí)對(duì)閘門(mén)、溢流道、壩體做視頻監(jiān)測(cè)，同時(shí)起到對(duì)壩體監(jiān)測(cè)設(shè)備的安全監(jiān)測(cè)功能。