測量機器人自動監測系統在水電站安全監測中的應用

王敏吉，張 松，毛海東

（1.中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司，貴州貴陽 550081；2.貴州北盤江電力股份有限公司，貴州貴陽 550081）

水庫大壩是我國防洪工程體系的重要組成部分，為國家帶來巨大經濟和社會效益的同時，也在防洪、供水、灌溉及改造生態環境等方面發揮了重大作用。大壩安全責任重大，大壩安全監測作為掌握大壩安全重要途徑的意義顯得尤為突出。大壩變形監測作為大壩安全監測的重點監測項目，是反映大壩結構安全性態的重要指標之一。大壩變形監測是對大壩壩體的幾何變形量進行監測，分兩種監測方法：①人工監測，主要通過全站儀、水準儀等測量設備來實現。②通過真空激光準直系統、GNSS 系統（全球導航衛星系統）、測量機器人自動監測系統等自動化測量系統進行監測。

真空激光準直系統采用管道對測點進行保護，使用真空泵抽取管道內空氣，使管道內為真空環境，減低空氣等因素對測量結果的影響，因此其測量精度高，抗干擾能力強，但對施工質量要求高，投資成本高，特別是后期故障率較高，運行維護要求高。GNSS 系統利用衛星進行實時定位，實現全天候自動連續監測，但受地形條件、多路徑、衛星等影響，其測量精度偏低。測量機器人自動監測系統通過計算機控制智能型的全站儀自動進行搜索、跟蹤、識別及精準照準目標，并獲取目標的角度、距離、三維坐標等信息。測量機器人自動監測系統通常在監測區域布置若干固定測站，對安裝于變形體的目標棱鏡進行周期性、自動化觀測，進而采用極坐標法或邊角交會法等計算目標點的三維坐標及變形量。測量機器人自動監測系統在大壩變形監測相比于GNSS 系統，其精度和成本方面更具優勢。

1 工程概況

馬馬崖水電站工程樞紐主要由碾壓混凝土重力壩、壩身開敞式溢流表孔、壩身放空底孔、左岸引水系統、左岸地下廠房及右岸預留通航建筑物等組成。碾壓混凝土重力壩壩頂高程592.00 m，最大壩高109 m，壩區河谷較平直，兩岸河谷為不對稱的“V”型，左岸為逆向坡，右岸為順向坡。左岸地形640 m 高程以下為45°左右的陡坡，局部夾10 m 左右高的小懸坡，640～880 m 為75°左右的懸坡；右岸600 m 高程以下為100 m 左右的懸坡，600～765 m 高程為25°～35°斜坡或陡坡地形。

馬馬崖水電站的碾壓混凝土重力壩采用折線形布置，壩頂寬12 m，上游放浪墻、人行道、門庫等壩頂結構占據近10 m 空間，壩頂能夠布置監測設備的空間小。同時折線形使需要直線布置的真空激光準直系統使用受限制。根據監測儀器設備的耐久性及穩定性，為滿足量程和精度要求，壩頂布置了多種監測設備，包括水準點、垂線系統、靜力水準系統、真空激光準直系統、表面觀測墩等。大壩壩頂變形監測共布置7個監測點，分別布置了7個表面觀測墩，采用視準線法進行人工觀測，同時布置1套真空激光準直系統進行自動化觀測，系統發射端和接收端的變形由倒垂線和靜力水準系統進行校核，兩種監測成果相互補充、驗證。

2 測量機器人自動監測系統

2.1 系統組成

測量機器人自動監測系統由測量機器人、通訊及供電3個子系統組成。測量機器人子系統由基準站（含工作基點、后視基點）和監測點（含棱鏡）構成，其中基準站布設在大壩變形區外的穩定山體上，布設有監測站和測量機器人子系統，受外部環境影響小，通視條件良好，同時后視基點應選擇觀測角度和距離適中的站點。通訊子系統通常采用有線、無線兩種方式。供電子系統采用電站電源直接供電。

2.2 系統建設方案

大壩壩頂變形監測共布置7個表面觀測墩測點，改造前采用極坐標法進行人工觀測，測量機器人自動監測系統建成后可實現對大壩壩頂變形的自動監測。

測量機器人自動監測系統工作基點應建設在大壩變形區外的穩固山體上，保證其視野開闊，能夠與各監測點及后視基點視通。根據工程實際情況，馬馬崖測量機器人自動監測系統工作基點設在大壩右岸的邊坡上，大壩右岸邊坡進行過噴錨處理，穩定性較好，該處可以與大壩壩頂7個監測點和2個后視基準點通視，工作基點與監測點、后視點的通視距離在400 m范圍內，角度都在30°以內，能有效保證測量精度。

測量機器人自動監測系統的全站儀選用瑞士徠卡公司生產的TM50，該設備集成了高精度的測角和測距系統，自動照準距離達3 000 m，角度精度達0.5″，監測精度很高。TM50還具備IP65高防塵防水等級、高分辨率的圖像測量技術、智能電源管理系統及高效便捷的WLAN 傳輸模塊等，保障了儀器在惡劣環境下的高精度、高效率，全天候智能完成監測工作。

為了系統的穩定運行，在工作基點的位置修建監測站保護測量機器人自動監測系統，避免露天環境對系統設備的損害。玻璃式監測站存在玻璃窗的反射干擾，影響觀測精度，因此監測站采用自動門窗式，觀測過程中通過計算機系統控制電機啟、閉門窗。同時監測站內配備了1套環境量監測儀器，在識別觀測前的天氣情況，避免極端天氣時打開門窗對設備造成損壞的同時，監測區域內的氣象數據，對觀測成果進行修正。同時監測站配有防雷設施及視頻監控系統，能夠有效保障整個監測系統的精度和可靠性，測量機器人自動監測系統組成如圖1所示。

圖1 測量機器人自動監測系統組成

測量機器人自動監測系統的通訊采用8芯單模光纖通訊，穿管埋地的方式從監測站鋪設到監測中心機房，監測中心機房布置監測服務器及配套測量管理軟件接收原始數據，原始數據進行結算分析后，得到大壩變形最終成果。

測量機器人自動監測系統采用220 V 交流供電，從真空激光觀測房取電，電纜敷設走向和方式與光纜相同。同時在監測站房屋頂安裝1根避雷針，修1個混凝土墩，在里面提前預埋1根鍍鋅鋼管，在鋼管頂部焊上避雷針，底部焊接1個30 mm 的扁鐵接入地網。配電箱內部的導軌插座上安裝電源防浪涌保護。

3 成果分析

3.1 監測布置

大壩壩頂變形測點監測布置如圖2所示。

圖2 大壩壩頂變形測點監測布置

3.2 監測成果分析

選取2021年7月至2023年6月兩年的監測成果，典型測點水平位移過程線如圖3和圖4所示。

圖4 TP-BD6測點測量機器人自動監測系統實測水平位移過程線及擬合曲線

從TP-BD5和TP-BD6實測水平位移過程線及擬合曲線可以得出：測量機器人自動監測系統實測水平位移過程線平順，周期性變化規律明顯，測值連續沒有較大波動，能較好地反映壩頂水平位移的實際情況。

為了驗證測量機器人自動監測系統的成果準確度，將測量機器人自動監測系統的測量與真空激光準直系統測量成果進行對比分析，如圖5所示。

圖5 TP-BD5測點測量機器人自動監測系統和真空激光準直系統實測水平位移過程線對比

由圖5可知，測量機器人自動監測系統與真空激光準直系統實測水平位移吻合情況很好，變化規律具有同步性；量值上兩者相差不太，均處于同一級別。壩頂水平位移變化呈明顯年周期性，溫度升高壩頂水平向上游變形，溫度降低壩頂水平向下游變形，符合混凝土重力壩變形的規律。

測量機器人自動監測和真空激光實測位移的一致性，驗證了測量機器人自動監測系統監測成果的準確性，實測數據的連續性也驗證系統的可靠性及穩定性。

4 結束語

通過測量機器人自動監測系統對馬馬崖水電站大壩壩頂變形進行自動化監測，不但可提升工作效率，節約成本，滿足大壩安全自動化的發展要求，也為后續的在線監控系統建設提供了有效保障。結合實測成果和真空激光準直系統的成果對比分析，成果在量級和吻合趨勢的一致性，表明測量機器人自動監測系統的精度及可靠性較高，其經驗可供類似工程參考，推廣測量機器人自動監測系統在安全監測中的應用研究。