臥虎山水庫大壩變形監測系統改造方案分析

張克峰 馬波

摘 要：臥虎山水庫位于濟南市南部山區，距市區10公里，在錦繡川、錦陽川、錦云川匯流處的玉符河上游，屬黃河水系。大壩變形監測是水庫工程管理中的一項重要基礎工作。大壩的穩定和安全是水庫發揮社會、經濟效益的基礎，大壩變形監測系統的正常運行，為大壩各項安全技術指標的運用和大壩安全運行提供了堅實基礎，為科學管理、信息化監測提供了可靠的數據支撐。

關鍵詞：變形監測;改造方案;全站儀;GNSS

中圖分類號：TV698.11 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）07-0109-02

1 基本情況

臥虎山水庫位于濟南市南部山區，距市區10公里，在錦繡川、錦陽川、錦云川匯流處的玉符河上游，屬黃河水系。水庫建于1958年，歷經初建、改建、擴建、續建、除險加固和增容工程達到現狀規模。水庫流域面積557km，總庫容1.2億立米，死水位112.70m，相應庫容329萬m3;興利水位130.50m，相應庫容6697萬m3;校核洪水位137.61m，相應庫容12035萬m3，是濟南市唯一的大型水庫。水庫主要功能是防洪、生態補源、城市供水和農業灌溉。水庫樞紐由大壩、溢洪道、放水洞三部分組成。

2009年9月，水庫除險加固工程開工，結合大壩北側山體2#滑坡監測，以及施工期運行安全，建設了大壩變形監測系統。包括垂直變形和水平變形。

在大壩樁號0+050、0+150、0+275、0+375、0+475、0+630、0+830后壩坡布設了7排監測斷面，每個斷面3個監測點（分別位于后壩肩、馬道、壩腳），共設有21個監測點。系統采用瑞士徠卡高精度測量機器人（自動控制全站儀）實施大壩的變形監測，觀測站設在大壩樁號0+450下游，距離大壩軸線約200米處。觀測站與水庫中控室采用光纖通訊，根據設定的觀測周期定時上傳數據，通過系統軟件對數據進行分析和處理，形成大壩壩體沉降變形變化趨勢圖表。

但因水庫確權劃界范圍有限、壩址區兩岸高山坡地形限制以及管理區范圍內的違建、墾殖等影響，現變形監測系統唯一的工作基點緊鄰居民建筑物，觀測視線受樹木遮擋嚴重且設置的監測點棱鏡砼基座現狀破損嚴重，棱鏡或被搗毀破壞或被雜草遮擋，失去了監測點功能。

2 改造方案

2.1 大壩變形監測的精度指標

根據工程測量規范要求，大壩變形監測網和監測點的精度要求，應符合表1規定。其中水平變形相鄰中誤差取點位中誤差的1/倍。

2.2 大壩變形監測設備選型

目前大壩的表面變形監測主要有激光測距儀、變形監測傳感器、全站儀和全球定位系統（GNSS）等四種方法。根據水庫的大壩變形監測系統設計與實施驗收資料，并結合臥虎山大壩的實際情況，全站儀和GNSS監測方法是目前最適合的兩種方法。

2.2.1 全站儀表面變形監測系統

全站儀是集電子經緯儀、光電測距儀于一體，進行自動采集、處理和貯存監測數據的儀器。采集基準點、變形測點的水平角、垂直角和距離數據，得到變形監測點的三維坐標，兩次結果之差就是大壩的相對水平變形、垂直變形。

目前全站儀可實現自動化監測，帶電動馬達驅動和程序控制的TPS全站儀結合激光、通信及CCD技術，可以實現測量的全自動化，集自動目標識別、自動照準、自動測角、自動測距、自動跟蹤目標、自動記錄于一體的測量系統，俗稱測量機器人。在大壩周圍通視條件好并且穩定的地方設置基準站架設測量機器人，在大壩兩端穩定的地方設置基準點和壩體上合理的布置變形監測點架設反射棱鏡。測量機器人在計算機的控制下，自動照準目標棱鏡。目前大壩已建有萊卡的測量機器人，需根據實際情況對其修復，使其正常運行。

2.2.2 GNSS表面變形監測系統

GNSS（全球定位系統）監測系統主要由空間部分（人造地球衛星）、地面監控部分（分布在地球赤道上的若干個衛星監控站、注入站和主控站）和用戶部分（用于接收衛星信號的設備）三部分組成。GNSS監測系統主要包括天線、接收機、通訊系統及相關解算、坐標轉換及分析處理軟件等組成部分。

GNSS具有迅速、精確、全時等優點，除在飛行器導航成功應用外，廣泛應用于大地測量、精密工程測量和地殼形變監測等領域。GNSS用于變形監測，局限于有限的區域，但監測點布設密集。當GNSS用于大壩變形監測時，可在遠方距離監測點合適的位置（如穩固的基巖上）建立基準點。在基準點架設GNSS接收機，根據其精確的三維坐標，經過反復觀測從而得到變形點坐標（或者基線）的數據變化。根據監測點的數據，建立安全監測模型，從而分析滑坡、大壩等的變形規律并實現及時的反饋。

GNSS技術的全時特點不但可以自動化采集數據，而且可以將衛星信號傳輸到控制中心，實現數據自動化傳輸，通過整體的微小監測數據變化，構造統計分析模型，預測變形體長期的變化趨勢，為水庫安全運行提供數據支撐。

總體來說GNSS的主要體現在以下三個方面：

（1）精確。GNSS相對定位精度在50km以內可達10-6，100-500km可達10-7，1000km可達10-9。在300-1500m工程精密定位中，1小時以上監測的解其平面其平面位置誤差小于1mm，與ME-5000電磁波測距儀測定得邊長比較，其邊長較差最大為0.5mm，校差中誤差為0.3mm。（2）迅速。隨著GNSS系統的不斷完善，軟件的不斷更新，目前20km以內相對靜態定位，僅需15-20分鐘;快速靜態相對定位測量時，當每個流動站與基準站相距在15km以內時，流動站監測時間只需1-2分鐘，且可隨時定位，每站監測只需幾秒鐘。（3）全時。目前的GNSS監測系統可以通過設置進行自動化數據采集，進行24小時全天候作業。

由上表可見全站儀和GNSS在精度上均可滿足大壩監測的要求。

3 大壩變形監測網布置

變形監測網的網點分為基準點、工作基點和變形監測點：

（1）基準點，應選在變形影像區域之外穩固可靠的位置，每個工程至少應有3個基準點，其水平變形基準點應采用帶有強制歸心裝置的監測墩，垂直變形基準點宜采用雙金屬標或鋼管表。（2）工作基點，應選在比較穩定且方便使用的位置。（3）變形監測點，應設立在能反映監測體變形特征的位置或者斷面上。（4）監測基準網，應由基準點和部分工作基點構成。監測基準網應每半年復測一次，當對變形成果發生懷疑時，應隨時監測檢核基準網。

按照實際測試觀測情況，在大壩背水坡面0+050、0+150、0+275、0+375、0+475、0+630、0+730、0+830處共布設8個監測斷面，每個斷面根據實際情況布設監測點。

4 方案的選定

大壩變形監測是水庫工程管理中的一項重要基礎工作。大壩的穩定和安全是水庫發揮社會、經濟效益的基礎，大壩變形監測系統的正常運行，為大壩各項安全技術指標的運用和大壩安全運行提供了堅實基礎，為科學管理、信息化監測提供了可靠的數據支撐。

經對水庫現有監測設備和往期監測數據的詳細查看，結合實際情況，通過設備選型，確定水庫監測系統今后觀測以GNSS監測系統為主，實施自動化觀測。為滿足工程管理要求，在建立GNSS監測系統的同時，恢復全站儀測量機器人的監測，通過對兩種監測方式采集的數據的后處理，綜合分析計算，提高大壩變形的監測精度。

參考文獻

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