谷幅(弦線)變形自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研制與應(yīng)用

周 綠，邱山鳴，李守雷，肖亞子，周靖鴻

(1.水能資源利用關(guān)鍵技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南長(zhǎng)沙410014；2.中國(guó)電建集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南長(zhǎng)沙410014)

1 谷幅(弦線)監(jiān)測(cè)的工程意義

隨著我國(guó)水電建設(shè)的高速發(fā)展，很多大型水電工程建設(shè)在地質(zhì)條件較差的高山峽谷之間。為了快速監(jiān)測(cè)兩岸山體的變形以及山體變形對(duì)高拱壩工作性態(tài)和長(zhǎng)期安全的影響，我國(guó)水電建設(shè)者提出了一種谷幅監(jiān)測(cè)方法，即在兩岸山體成對(duì)設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，并在兩岸平洞作為延長(zhǎng)線、對(duì)兩監(jiān)測(cè)點(diǎn)距離進(jìn)行測(cè)量、監(jiān)測(cè)兩監(jiān)測(cè)點(diǎn)之間的相對(duì)變形[1]，據(jù)此成果分析兩岸山體的變形情況并對(duì)兩岸邊坡穩(wěn)定進(jìn)行分析，從而指導(dǎo)施工、評(píng)價(jià)工程穩(wěn)定性。

與此同時(shí)，高山峽谷之間通常是拱壩壩型，拱壩壩后弦線同時(shí)是大壩變形監(jiān)測(cè)的重要手段，也是工程技術(shù)人員關(guān)注的重要指標(biāo)，由于弦線和谷幅采用的技術(shù)手段是一樣的，歸類為同一種監(jiān)測(cè)方法。

谷幅(弦線)監(jiān)測(cè)方法原理簡(jiǎn)單、成果直觀、實(shí)施簡(jiǎn)便，并可以通過(guò)監(jiān)測(cè)其中一監(jiān)測(cè)點(diǎn)絕對(duì)變形再利用谷幅成果推算對(duì)岸山體監(jiān)測(cè)點(diǎn)的絕對(duì)變形，為評(píng)價(jià)兩岸山體的穩(wěn)定性提供監(jiān)測(cè)成果。

我國(guó)龍羊峽、李家峽、拉西瓦、二灘、小灣、錦屏[2]、溪洛渡[3- 4]、白鶴灘[5]、烏東德等大型水電工程均布置谷幅和弦線，共同的特點(diǎn)是高山峽谷和拱壩，從公開文獻(xiàn)看，錦屏一級(jí)水電站的谷幅和溪洛渡水電站的弦線都有很高的關(guān)注度，說(shuō)明谷幅(弦線)監(jiān)測(cè)對(duì)于這類工程意義相當(dāng)重要。

2 谷幅(弦線)監(jiān)測(cè)技術(shù)簡(jiǎn)述

谷幅(弦線)監(jiān)測(cè)原理簡(jiǎn)單，從測(cè)量學(xué)原理上講就是距離測(cè)量，自提出之初至今基本都是采用全站儀進(jìn)行距離測(cè)量，即采用符合規(guī)范要求精度的全站儀進(jìn)行對(duì)向距離測(cè)量，并在測(cè)量過(guò)程中采集測(cè)站點(diǎn)和鏡站點(diǎn)的氣象元素。氣象元素包括干溫、濕溫和氣壓，數(shù)據(jù)處理時(shí)按規(guī)范要求進(jìn)行各種改正和歸化，得出兩監(jiān)測(cè)點(diǎn)間的水平距離。改正和歸化包括儀器誤差改正、地球曲率改正、高差改平、各種氣象元素改正等。周期監(jiān)測(cè)水平距離與首期水平距離之差即為周期監(jiān)測(cè)谷幅(弦線)的變形值。

谷幅(弦線)監(jiān)測(cè)是快速、準(zhǔn)確取得邊坡及拱壩變形監(jiān)測(cè)成果的重要手段，而現(xiàn)有技術(shù)條件下是采用人工觀測(cè)，實(shí)施存在著以下問(wèn)題：

(1)儀器設(shè)備投入大。一臺(tái)滿足規(guī)范的全站儀及配套設(shè)備需要投入數(shù)十萬(wàn)元。

(2)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)處理工作量大。要定期定時(shí)根據(jù)規(guī)范要求進(jìn)行對(duì)向觀測(cè)，并要進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理，需要耗費(fèi)大量的人力和物力。

(3)安全影響因素多。山體邊坡不穩(wěn)定，且無(wú)安全的交通條件，對(duì)人員和儀器安全有巨大的隱患。

(4)低水平管理。人工谷幅(弦線)測(cè)量存在大量的管理工作，且監(jiān)測(cè)成果不能實(shí)時(shí)取得。

目前已有個(gè)別工程采用基于測(cè)量機(jī)器人的谷幅(弦線)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，測(cè)量精度和自動(dòng)化程度不存在問(wèn)題，但整體造價(jià)太高，浪費(fèi)機(jī)器人大部分功能，是性價(jià)比極低的技術(shù)，很難廣泛應(yīng)用。

3 谷幅(弦線)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)原理

谷幅(弦線)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用激光測(cè)距傳感器、氣象傳感器通過(guò)采集模塊進(jìn)行各物理量采集并通過(guò)通訊技術(shù)(無(wú)線或有線)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)胶笈_(tái)，系統(tǒng)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并發(fā)布谷幅(弦線)監(jiān)測(cè)成果，整個(gè)工作過(guò)程無(wú)需人工干預(yù)，全過(guò)程自動(dòng)化，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)發(fā)布，如圖1所示。

圖1 谷幅自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)原理

3.2 傳感器選型

針對(duì)谷幅(弦線)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所采用的傳感器包括激光測(cè)距傳感器和溫濕壓(溫度、濕度和大氣壓力)傳感器，與傳統(tǒng)測(cè)量方法不同的是人工測(cè)量采用的是干濕溫度計(jì)和空盒氣壓計(jì)，是通過(guò)干溫和濕溫計(jì)算環(huán)境溫度和濕度，而自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是采用溫濕壓一體式傳感器。其氣壓、溫度滿足GB/T 16818—2008《中、短程光電測(cè)距規(guī)范》的Ⅰ等測(cè)距精度要求。

3.3 系統(tǒng)組成

谷幅(弦線)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是電源系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)儀器、采集設(shè)備、通訊設(shè)備以及系統(tǒng)軟件組成的集成系統(tǒng)。電源系統(tǒng)采用有線電源，為采集設(shè)備和通訊設(shè)備提供電源。監(jiān)測(cè)儀器設(shè)備包括測(cè)距傳感器、反射設(shè)備、氣象傳感器等，反射設(shè)備采用常規(guī)測(cè)量棱鏡，由于需要長(zhǎng)期置于野外，除保證棱鏡的品質(zhì)之外，還采用保護(hù)罩進(jìn)行保護(hù)；采集設(shè)備包括測(cè)距傳感器、反射設(shè)備、氣象傳感器等各類傳感器，進(jìn)行監(jiān)測(cè)物理量數(shù)據(jù)采集并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。

3.4 軟件系統(tǒng)

系統(tǒng)軟件安裝在后臺(tái)中心(或監(jiān)測(cè)管理中心)，系統(tǒng)軟件具有對(duì)采集的控制、數(shù)據(jù)處理(含精密改正模型)、存儲(chǔ)、分析、發(fā)布、預(yù)警預(yù)報(bào)和輸出等功能，同時(shí)也具有對(duì)整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)置的功能。谷幅(弦線)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)距離歷時(shí)曲線示意見圖2。

含鈦高爐渣100 g，液固比5，浸出溫度140℃，鹽酸濃度18%，攪拌轉(zhuǎn)速400 r/min的條件下，考察了不同反應(yīng)時(shí)間2 h、4 h、6 h、8 h對(duì)CaO、MgO、Fe、Al2O3脫除率及TiO2損失率的影響，結(jié)果見圖4。

圖2 谷幅(弦線)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)距離歷時(shí)曲線示意

3.5 精密改正模型

對(duì)于電磁波測(cè)距工作來(lái)說(shuō)，電磁波測(cè)距精度除受到儀器安置、目標(biāo)設(shè)置、測(cè)量時(shí)間、地球曲率、波束發(fā)散等因素影響外，氣象條件是又一項(xiàng)更為嚴(yán)重影響測(cè)距測(cè)程、精度和儀器使用的外在因素，因此，往往需要考慮如何有效地進(jìn)行測(cè)邊氣象改正的問(wèn)題[6]。

全站儀測(cè)距的氣象改正是采用測(cè)量測(cè)站兩端點(diǎn)(全站儀和棱鏡位置)的干溫、濕溫和大氣氣壓和濕度測(cè)量成果，并假定以上參數(shù)是線性變化的，即平均值表示全測(cè)線的氣象條件，在峽谷地區(qū)左右岸氣象差異大、對(duì)流強(qiáng)的特殊條件下，傳統(tǒng)的改正方法存在氣象影響因子考慮不全面、氣象觀測(cè)值代表性不高、大氣折射系數(shù)計(jì)算方法不嚴(yán)密等問(wèn)題。

根據(jù)前期研究發(fā)現(xiàn)，水電站等復(fù)雜微氣象條件下，傳統(tǒng)氣象修正模型中要求的平穩(wěn)氣象條件在全天候24 h觀測(cè)時(shí)難以時(shí)時(shí)滿足，致使傳統(tǒng)模型修正結(jié)束后殘差(即觀測(cè)值與該天距離觀測(cè)中位數(shù)之差)存在明顯的非線性趨勢(shì)。考慮到該非線性變化趨勢(shì)存在差異性，為了提高模型的適應(yīng)度，新模型利用非參數(shù)時(shí)間序列建模方法擬合并去除該殘差趨勢(shì)。并對(duì)去除參數(shù)趨勢(shì)后的數(shù)據(jù)進(jìn)行自適應(yīng)Kalman濾波，進(jìn)而減小觀測(cè)噪聲對(duì)谷幅(弦線)變形監(jiān)測(cè)結(jié)果的影響。最后，基于每天的谷幅(弦線)觀測(cè)值，利用加權(quán)最小二乘方法求解天均谷幅(弦線)變形值，并進(jìn)行精度評(píng)定。

4 谷幅(弦線)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)

研制基于激光測(cè)距傳感器的谷幅(弦線)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)在于：

(1)觀測(cè)精度高。無(wú)儀器安置和人工觀測(cè)誤差，同時(shí)全時(shí)段觀測(cè)并采用精密氣象改正模型，有效消除大氣因素影響，監(jiān)測(cè)精度會(huì)顯著提高。

(2)提高工作效率。全自動(dòng)觀測(cè)和數(shù)據(jù)處理，除日常巡查外，不再需要人力物力，提高了人工、儀器設(shè)備效率。

(3)提升管理水平。集中到現(xiàn)有數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一管理，達(dá)到實(shí)時(shí)采集、處理、發(fā)布的目的，具有更加完整的全過(guò)程資料成果。

(4)保障人員和儀器設(shè)備安全。邊坡不安全因素多，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，能有效保證人員與儀器設(shè)備安全。

5 應(yīng)用案例

5.1 工程概況

由于錦屏壩址區(qū)兩岸邊坡高、陡且地質(zhì)條件復(fù)雜，為了解兩岸高邊坡相對(duì)變形情況，及時(shí)掌握邊坡的穩(wěn)定性及兩岸坡體變形收斂情況，設(shè)計(jì)在壩址區(qū)布設(shè)12條谷幅觀測(cè)線及84條洞內(nèi)測(cè)距，觀測(cè)河谷及兩岸坡體變形情況[8]。

5.2 選線及設(shè)備選型

5.2.1 選線

谷幅測(cè)線的選擇需充分考慮工程代表性、設(shè)備安裝及維護(hù)的便利性、通訊、供電及光照等因素。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘查分析，最終選擇大壩壩后左岸1 778 m高程馬道的PD16平洞、右岸1 785 m高程馬道分別修建兩個(gè)固定觀測(cè)墩進(jìn)行觀測(cè)，為驗(yàn)證谷幅變形自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可靠性，并在PD16平洞內(nèi)在激光測(cè)距儀旁修建一個(gè)人工觀測(cè)墩進(jìn)行同步對(duì)比觀測(cè)。谷幅監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)測(cè)距端布置見圖3。

圖3 谷幅監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)測(cè)距端布置

5.2.2 設(shè)備選型

設(shè)備的選型首先應(yīng)考慮各種各類傳感器主要技術(shù)指標(biāo)應(yīng)滿足相關(guān)規(guī)程規(guī)范的要求，其次應(yīng)滿足設(shè)備的供電及信號(hào)傳輸?shù)募夹g(shù)指標(biāo)要求。本次現(xiàn)場(chǎng)安裝設(shè)備型號(hào)及參數(shù)信息見表1。

表1 現(xiàn)場(chǎng)安裝設(shè)備型號(hào)及參數(shù)

5.3 應(yīng)用效果

(1)原始數(shù)據(jù)采集情況。距離及氣象數(shù)據(jù)的采集頻次可通過(guò)后臺(tái)或采集模塊進(jìn)行調(diào)整設(shè)置，現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試完成后，左右岸觀測(cè)站的采集頻次為1次/h，運(yùn)行穩(wěn)定后，改為6次/h。

(2)精密改正模型修正。考慮到該非線性變化趨勢(shì)存在差異性，為了提高模型的適應(yīng)度，新模型利用非參數(shù)時(shí)間序列建模方法擬合并去除該殘差趨勢(shì)。并對(duì)去除參數(shù)趨勢(shì)后的數(shù)據(jù)進(jìn)行自適應(yīng)Kalman濾波，進(jìn)而減小觀測(cè)噪聲對(duì)谷幅(弦線)變形監(jiān)測(cè)結(jié)果的影響。最后，基于每天的谷幅(弦線)觀測(cè)值，利用加權(quán)最小二乘方法求解天均谷幅(弦線)變形值，并進(jìn)行精度評(píng)定。

(3)與人工對(duì)比。為驗(yàn)證谷幅變形自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可靠性，在激光測(cè)距儀旁修建一個(gè)人工觀測(cè)墩進(jìn)行同步對(duì)比觀測(cè)，人工觀測(cè)的頻次為2次/月，如圖3所示。與谷幅自動(dòng)化監(jiān)測(cè)同步的人工觀測(cè)頻次為2次/月，現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)儀器采用TM50全站儀，精度指標(biāo)為測(cè)角精度0.5″，測(cè)距精度0.6 mm+1 mm/km；對(duì)于受氣像影響較大的所有跨江測(cè)段的觀測(cè)每期都選在上午進(jìn)行。觀測(cè)實(shí)施過(guò)程中往返觀測(cè)兩點(diǎn)之間的天頂距、斜距，觀測(cè)始末讀取測(cè)點(diǎn)與鏡站的溫度、氣壓。邊長(zhǎng)觀測(cè)按一等邊長(zhǎng)觀測(cè)技術(shù)要求實(shí)施。谷幅自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)精密氣象改正模型改正后測(cè)距精度達(dá)±1 mm(見圖4)，相對(duì)于平差前的1.4 mm，精度提高了28.7%，基本可達(dá)到人工觀測(cè)的精度，能夠滿足谷幅觀測(cè)的精度要求。

圖4 谷幅(弦線)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)精密改正模型改正效果

6 結(jié)論與展望

6.1 結(jié)論

本文通過(guò)研制谷幅(弦線)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并在大型水電站工程進(jìn)行運(yùn)用，研究成果表明，谷幅(弦線)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)可靠、其觀測(cè)精度基本可達(dá)到人工觀測(cè)的精度。全自動(dòng)觀測(cè)和數(shù)據(jù)處理提高了人工、儀器設(shè)備效率，能有效保證人員與儀器設(shè)備安全，提升了工程的安全監(jiān)測(cè)的管理水平，并驗(yàn)證了谷幅自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可行性、經(jīng)濟(jì)效益性。精密氣象改正模型不僅適用于谷幅(弦線)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)改正，同時(shí)也適合于外觀自動(dòng)化系統(tǒng)的距離改正，具有非常廣泛的市場(chǎng)推廣應(yīng)用價(jià)值，對(duì)整個(gè)外觀監(jiān)測(cè)自動(dòng)化具有積極的推動(dòng)作用。

6.2 展望

谷幅(弦線)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是一個(gè)設(shè)計(jì)硬件、通訊、算法模型改正、采集軟件、管理軟件及成果應(yīng)用的監(jiān)測(cè)綜合系統(tǒng)，因此，在谷幅(弦線)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整個(gè)研發(fā)過(guò)程中，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的各個(gè)方面難免有些不足，有待于進(jìn)一步的深入研究和完善，今后谷幅(弦線)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要研究和完善的方向如下：

(1)照準(zhǔn)、反射設(shè)備及信號(hào)傳輸系統(tǒng)等硬件設(shè)備的升級(jí)改造。照準(zhǔn)及微調(diào)系統(tǒng)不夠方便，與全站儀照準(zhǔn)存在差距；反射裝置僅用固定棱鏡，后續(xù)考慮用反光板進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并評(píng)定其精度；數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)適應(yīng)性，適用4G/5G網(wǎng)絡(luò)、光纖、無(wú)線網(wǎng)橋、LoRa等。

(2)超大型水電工程的應(yīng)用研究。谷幅(弦線)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在超大型水電工程的應(yīng)用研究，例如：白鶴灘水電站、烏東德水電站等。

(3)精密氣象改正模型精度的驗(yàn)證。進(jìn)行大型工程試驗(yàn)，并與人工觀測(cè)精度進(jìn)行對(duì)比；與其他監(jiān)測(cè)手段(石墨桿、多點(diǎn)位移計(jì)等)的相互驗(yàn)證研究等。

(4)精密氣象改正模型算法實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用。與現(xiàn)有數(shù)據(jù)采集軟件、監(jiān)測(cè)信息管理軟件集成的問(wèn)題；適應(yīng)谷幅自動(dòng)化系統(tǒng)產(chǎn)品化應(yīng)用的需要，同時(shí)，為外觀監(jiān)測(cè)自動(dòng)化的應(yīng)用研究提供支撐。