水库大坝变形沉降监测系统方案

激光/GNSS自动化变形沉降监测系统

该大坝安全监测自动化系统监测项目包括:坝体变形监测、边坡监测以及环境监测等子系统，主要由监测仪器（传感器）、监测数据采集系统（包括自动化数据采集监测子系统和电子化人工巡检养护管理子系统）、监测数据管理系统、安全预警评估系统与用户界面系统等五大部分组成。

系统采用相对测量与绝对测量相结合的方式对大坝及近坝岸坡进行整体监测，利用了具有自主知识产权的环栅激光准直技术、激光自动安平补偿技术、激光环栅光斑CCD图像识别技术、高精度北斗/GPS双频接收机等多项新技术。

其中坝体监测又包括坝顶水平/垂直监测、坝顶北斗/GPS三维位移监测、坝体渗漏及环境量监测三个子系统，其他上下游水位、降雨量、气温等环境量监测资料可利用水情测报系统监测资料通过监测信息管理系统实现数据共享。

一、坝顶水平/垂直监测子系统
采用环栅激光准直和激光环栅光斑CCD图像识别两项专利技术，利用激光长弦弦测法实现对坝顶监测点水平和垂直位移的同时监测，具有精度高、监测速度快、故障率低、结构简单、便于维护等特点。
1.测量原理
从激光发射端射出一条有明暗相间的同心环组成的高精度准直激光束，不同距离光斑图像如下图所示：

激光束依次穿过在各监测点处安装的CCD数字接收靶，由数字接收靶对光斑图像识别并计算光斑中心（x，y），并和初始值比较可得到水平位移垂直位移，水平位移计算方法如下：

2.系统组成
激光水准监测仪2台
激光环栅准直光源1台
监测点CCD数字接收靶3个
基准端CCD数字接收靶3个
3.主要技术指标
CCD数字接收靶分辨率0.01mm，精度±0.05mm。激光位移监测系统观测精度0.6mm，自动观测一次时间2min。完全满足《大坝安全监测自动化技术规范》（DL/T 5211-2005）、《混凝土坝安全监测技术规范》（DL/T 5178-2003）及《土石坝安全监测技术规范》（SL 60-1994）的要求。
4.系统软件

5.根据坝顶位移实测数据，绘制的位移过程曲线如下图所示：

二、坝体GNSS三维位移监测子系统
随着GPS系统的完善以及我国北斗二代系统组网完成，北斗/GPS/GLONASS三系统接收机已成功商用，目前北斗/GPS可用于精密变形监测，且将逐步取代常规的测量方法，这是精密变形监测领域的一次技术革命。采用我国自主知识产权的北斗/GPS接收机是国家重大基础设施安全的保障。

北斗/GPS自动化监测方案原理是利用北斗/GPS载波相位高精度相对定位进行三维定位。利用精密星历及与清华大学联合研制的软件采用二小时双频北斗/GPS接收机观测数据解算精度可达毫米级。

1.测量原理
在坝坡上坚固的地点建立1个基准站，安放高精度北斗/GPS双频接收机，接收机信号通过光纤或专用数字通信网定时传送到监测中心。在坝顶位移待测监测点上安放北斗/GPS高精度双频接收机。监测接收机信号通过光纤或专用数字通信网定时送到监测中心。监测中心收到基准站和监测站信息利用北斗/GPS高精度基线处理软件进行解算，求出基准站与监测站之间的坐标差。该结果是WGS-84地心坐标系统下的坐标差。不同时间测出的坐标差变化，反映了监测点的三维形变。
2.系统组成
1)北斗/GPS基准站、监测站
北斗/GPS基准站接收北斗/GPS卫星信号用于基线解算基准。监测站放在位移点上，接收北斗/GPS卫星信号，通过与基准站相对定位可测定位移点的变形。
本系统共用4台高精度北斗/GPS接收机，其中1台基准站，3台监测站。主坝上安装2台监测站，副坝上安装1台监测站，水库管理处安装1台基准站。
2)无线通信网
无线通信网作用：将基准站、监测站接收的北斗/GPS卫星信号实时传到中心站。中心站通过通信网监测基准站、监测站的工作状况；并向基准站、监测站发出监控命令。
中心站功能：
A、负责整个系统管理，监测基准站、监测站北斗/GPS接收机工作状况；对基准站、监测站接收机发出控制指令及设置工作参数。
B、实时采集基准站和监测站北斗/GPS接收机观测原始数据，
C、按设定时间从数据库中自动提取相应基准站和监测站数据，数据处理中心自动解算监测点三维坐标。
D、对数据处理中心解算结果实时进行分折，绘制各监测点位移变化时程曲线及沉降变化曲线。对监测点变形进行分析，对变形大的超限点进行报警。
3.系统精度
系统输出的变形量精度：24小时解小于1mm，4小时解小于3mm。
4.数据分析
分析监测资料的准确性、可靠性和精度
分析监测量随时间或空间而变化的规律
判别监测量的异常值
分析监测量变化规律的稳定性
应用数学模型进行分析，必要时提出或调整监控指标
分析坝体结构的整体性、稳定性以及防渗排水设施的效能
评估大坝的工作状态
根据监测数据绘制位移过程曲线如下图：

运行期，数学模型中一般包括水压分量、温度分量和时效分量三个部分。时效分量的变化形态是评价效应量正常与否的重要依据。下图为时效分量的三种形态，代表三种工作状态。

5.系统特点
北斗/GPS技术用于大坝外观变形监测和滑坡监测是完全可行的，与常规监测方法相比，具有以下优点：
可实现全天候监测，监测时间同步。
监测精度高，精度可达1毫米，可满足大坝位移监测要求。
可以连续长期观测使用，使用寿命长。
观测结果是数字成果，可使监测全过程实现自动化。
可同时测定三维位移。
可极大地提高生产效率，降低人力、物力、财力的消耗。
三、坝体渗漏及环境量监测子系统
1.渗漏监测子系统布置位置及其仪器工作原理
监测数据自动采集：渗压计、雨量计、水温计、上下游水位计、等各种传感器采取自动监测（自报式）和强制监测（应答式）的方式进行巡测、选测和人工测量。
数据通讯：测控单元与工作站之间具有双向通讯功能。
数据分析和管理：对监测数据进行显示、存贮和打印，建立工程档案，并实现在线处理和离线处理，及时制成图表，对工程性态进行分析和安全评估。
2.渗漏量的观测：渗漏量反映坝身整体性，坝缝止水结构及防渗帷幕的工作状态，对了解大坝的运行状态有重要的意义，结合水库的实际渗流情况布设两个测点，采用量水堰对坝后集水井进行测量，即在主坝后集水井各设一量水堰，采用超声波水位计测量堰上水头，从而得出渗漏量。本系统安装1个渗漏量观测仪。
3.雨量计：设置在大坝管理中房顶设置一个翻斗式雨量计，工作原理是：当下雨时就翻斗转一次，关闭磁性开关给MCU一个脉冲的信号，那么MCU计下每次脉冲的信号变成雨量。本系统安装1个雨量计。
4.坝体渗漏压力的监测：渗漏压力观测采用振弦式渗压计观测，渗压计的传感元件是一根附在膜上的钢琴弦，它由绕组磁铁激励作用在膜上的压力来改变弦的压力，张力与钢弦共振或自然频率成比例，通过频率信号测量再转换成水压力数据量。本系统共布置20个渗压计，具体见CAD平面图。
5.布置2个水温计。
6.布置2个水位计。
四、视频监测子系统
分别在主坝和副坝上各安装两个视频摄像机，可以24小时对闸门、溢流道、坝体做视频监测，同时起到对坝体监测设备的安全监测功能。