水庫大壩GNSS監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)和應(yīng)用分析

桑 蕊

(遼寧省河庫管理服務(wù)中心(遼寧省水文局)，遼寧 沈陽 110003)

1 工程概況

該水庫屬于小(1)型水庫，其中核心工程為一座黏土心墻砂殼壩，最大壩高31.1 m，壩體長度168 m，上游壩坡為1∶2.5，下游壩坡1∶2.0。在2022年，相關(guān)部門對大壩進(jìn)行了一次除險(xiǎn)加固處理，為了實(shí)時(shí)監(jiān)控大壩的安全穩(wěn)定性，決定采取GNSS系統(tǒng)對其進(jìn)行位移監(jiān)測。

2 GSNN變形監(jiān)測系統(tǒng)組成和功能

2.1 系統(tǒng)組成及原理

該項(xiàng)目大壩變形觀測站主要由GNSS接收機(jī)、天線、太陽能板、蓄電池、充電保護(hù)器、通訊模塊等設(shè)備構(gòu)成(見圖1)。其中太陽能浮充蓄電池負(fù)責(zé)對設(shè)備供電，通訊模塊負(fù)責(zé)將每日采集數(shù)據(jù)定時(shí)傳輸至監(jiān)控中心[1]。

圖1 GSNN變形監(jiān)測系統(tǒng)組成示意圖

該系統(tǒng)工作原理如下：運(yùn)用高精度衛(wèi)星定位系統(tǒng)GNSS監(jiān)測壩體的表面位移和沉降情況→監(jiān)測數(shù)據(jù)通過4G/5G網(wǎng)絡(luò)傳輸至水庫大壩安全綜合監(jiān)管云服務(wù)平臺(tái)。

2.2 系統(tǒng)功能

(1)該系統(tǒng)能夠自動(dòng)監(jiān)測水庫大壩表面變形的水平位移和豎向位移。

(2)全天24 h在線監(jiān)測，還能夠通過觀測微小變形量，構(gòu)造統(tǒng)計(jì)分析模型，預(yù)測壩體長期的變化趨勢，為以后的分析決策提供依據(jù)[2]。

(3)可實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)監(jiān)測，根據(jù)被測隱患點(diǎn)變化速度自動(dòng)調(diào)整工作模式，進(jìn)行形變分析，獲得監(jiān)測點(diǎn)高精度三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，長期觀測數(shù)據(jù)可達(dá)到毫米級精度。

(4)設(shè)置變量預(yù)警閾值，根據(jù)水庫特征進(jìn)行在線分析和預(yù)警響應(yīng)。

(5)海量測值采樣，專業(yè)解算平差處理軟件，平面精度可達(dá)到1～2 mm，高程精度可達(dá)到2 mm，大大提高了測量精度[3]。

(6)具有超低功耗特點(diǎn)，整機(jī)正常不間斷運(yùn)行時(shí)功耗不超過2 W，平均無故障時(shí)間超過35 000 h。

(7)可實(shí)現(xiàn)云端監(jiān)控，實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，包括電壓、電量等狀態(tài)信息。

(8)不受氣候影響，不受測點(diǎn)通視條件限制，觀測速度快。

3 GSNN變形監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

變形觀測位移測點(diǎn)布設(shè)應(yīng)根據(jù)工程規(guī)模、壩型特點(diǎn)、壩高壩長及下游影響確定。考慮到該水庫大壩規(guī)模不大，因此設(shè)計(jì)3個(gè)位移測點(diǎn)，均在壩頂縱斷面，工作基點(diǎn)1個(gè)。具體施工要求如下：

3.1 基點(diǎn)施工

基點(diǎn)要求穩(wěn)定牢固，要求基坑開挖到凍土層以下，本項(xiàng)目開挖深度2.0 m。基點(diǎn)觀測墩采用現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度等級C30。選用P·O42.5普通硅酸鹽水泥，5～40 mm級配良好石子，中砂，水質(zhì)達(dá)到飲用水標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)施工情況混凝土需加拌外加劑：早強(qiáng)劑、防凍劑、引氣劑等。考慮到耐久性要求，在此推薦配合比見表1所示[4]。

表1 每立方米混凝土材料用量參考

底座鋼筋框架尺寸0.8 m×0.8 m×0.5 m，為兩層結(jié)構(gòu)，間距為30 cm，鋼筋尺寸為國標(biāo)16#螺紋鋼。立柱結(jié)構(gòu)為四根16#螺紋鋼豎筋，利用8#圓鋼進(jìn)行捆綁，捆綁箍間距為30 cm[5]。

立柱澆筑結(jié)束時(shí)要安裝強(qiáng)制對中器，并嚴(yán)格整平，立柱外表要保持清潔。拆模時(shí)間可根據(jù)氣溫和外加劑性能決定，一般條件下，平均氣溫在0 ℃以上時(shí)，拆模時(shí)間不得少于12 h。

立柱澆筑凝固后，在頂端加工英制螺旋來固定GNSS天線，天線柱下端通過螺栓與GNSS天線底座牢固連接。

3.2 位移點(diǎn)施工

位移測點(diǎn)采用0.5 m×0.5 m×1.2 m混凝土基礎(chǔ)，強(qiáng)度等級C30。地籠底座鋼板尺寸0.3 m×0.3 m(厚度15 mm)，采用16#螺紋鋼。利用2 m高的鍍鋅鋼管柱(DN125，壁厚4.5 mm)進(jìn)行支撐連接，GNSS主機(jī)安裝到柱頂，設(shè)備箱及太陽能板固定鋼管柱側(cè)面[6]。

3.3 GNSS主機(jī)選擇

本項(xiàng)目所選取的GNSS主機(jī)型號(hào)為：LZT-JC850B，基本技術(shù)指標(biāo)如表2所示[7]。而且該設(shè)備已經(jīng)被應(yīng)用到多處場景，質(zhì)量得到了驗(yàn)證。

表2 GNSS主機(jī)基本參數(shù)情況

3.4 系統(tǒng)工作制式要求

(1)采用GNSS接收機(jī)現(xiàn)地采集數(shù)據(jù)頻次為15 s/次。

(2)定時(shí)發(fā)送：采集到坐標(biāo)后每小時(shí)上傳一次數(shù)據(jù)，按照如發(fā)送不成功，存入主機(jī)，待發(fā)送成功后補(bǔ)發(fā)至中心平臺(tái)。

(3)解算時(shí)長12 h，可通過云平臺(tái)軟件進(jìn)行遠(yuǎn)程設(shè)置[8]。

4 應(yīng)用監(jiān)測分析

4.1 結(jié)果誤差率分析

為了驗(yàn)證該水庫大壩GNSS系統(tǒng)監(jiān)測精度，以全站儀作為對比標(biāo)準(zhǔn)，對3個(gè)位移測點(diǎn)測量的值和誤差率進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，具體如表3所示。

表3 水庫大壩歷次觀測位移量統(tǒng)計(jì)

由表3數(shù)據(jù)可知：(1)2#和3#位移測點(diǎn)的水平位移量較大，尤其是3#，究其原因是該測點(diǎn)位于壩體中段迎水面，承受水壓和沖擊力最大，一般經(jīng)過半年時(shí)間就會(huì)穩(wěn)定。(2)GNSS系統(tǒng)和全站儀相比，最大誤差率為10%，這足以說明該系統(tǒng)的可靠性很好，完全滿足實(shí)際應(yīng)用。

4.2 GNSS系統(tǒng)監(jiān)測結(jié)果分析

(1)1#位移測點(diǎn)水平位移監(jiān)測曲線如圖2所示。經(jīng)過持續(xù)35 d位移監(jiān)測后，該水庫大壩水平位移從4月1—29日，處于一個(gè)緩慢上升階段，之后基本穩(wěn)定在4～5 mm左右不再明顯增加，說明壩體基礎(chǔ)已經(jīng)牢固。

圖2 1#位移測點(diǎn)水平位移監(jiān)測曲線

(2)2#位移測點(diǎn)水平位移監(jiān)測曲線見圖3所示。從4月1—15日，監(jiān)測到壩體水平位移量有一個(gè)明顯升高的過程，累計(jì)達(dá)到15 mm。之后截止到4月29日，趨于穩(wěn)定狀態(tài)，最后直到5月6日，基本穩(wěn)定在18 mm左右。

圖3 2#位移測點(diǎn)水平位移監(jiān)測曲線

(3)3#位移測點(diǎn)水平位移監(jiān)測曲線見圖4所示。從4月1—15日，監(jiān)測到壩體水平位移量是三個(gè)測點(diǎn)中最大的，達(dá)到25 mm，之后便直到5月6日，基本都趨于穩(wěn)定狀態(tài)，累計(jì)位移量也在25 mm左右。

圖4 3#位移測點(diǎn)水平位移監(jiān)測曲線

5 結(jié) 語

利用現(xiàn)代GNSS系統(tǒng)自動(dòng)化監(jiān)測技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)全站儀監(jiān)測手段，已經(jīng)成為水利工程行業(yè)的發(fā)展趨勢之一，監(jiān)測成本不僅可以顯著下降，而且監(jiān)測精度和效果均有明顯提升。截止目前，水庫大壩已經(jīng)被連續(xù)監(jiān)測13個(gè)月時(shí)間，壩體水平位移不再增加，說明了除險(xiǎn)加固取得了較好效果，壩體安全穩(wěn)定性得到了保證。