水庫大壩GNSS監測系統設計和應用分析

桑 蕊

(遼寧省河庫管理服務中心(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，相關部門對大壩進行了一次除險加固處理，為了實時監控大壩的安全穩定性，決定采取GNSS系統對其進行位移監測。

2 GSNN變形監測系統組成和功能

2.1 系統組成及原理

該項目大壩變形觀測站主要由GNSS接收機、天線、太陽能板、蓄電池、充電保護器、通訊模塊等設備構成(見圖1)。其中太陽能浮充蓄電池負責對設備供電，通訊模塊負責將每日采集數據定時傳輸至監控中心[1]。

圖1 GSNN變形監測系統組成示意圖

該系統工作原理如下：運用高精度衛星定位系統GNSS監測壩體的表面位移和沉降情況→監測數據通過4G/5G網絡傳輸至水庫大壩安全綜合監管云服務平臺。

2.2 系統功能

(1)該系統能夠自動監測水庫大壩表面變形的水平位移和豎向位移。

(2)全天24 h在線監測，還能夠通過觀測微小變形量，構造統計分析模型，預測壩體長期的變化趨勢，為以后的分析決策提供依據[2]。

(3)可實現自適應監測，根據被測隱患點變化速度自動調整工作模式，進行形變分析，獲得監測點高精度三維坐標數據，長期觀測數據可達到毫米級精度。

(4)設置變量預警閾值，根據水庫特征進行在線分析和預警響應。

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

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

(7)可實現云端監控，實時監控設備運行狀態，包括電壓、電量等狀態信息。

(8)不受氣候影響，不受測點通視條件限制，觀測速度快。

3 GSNN變形監測系統設計

變形觀測位移測點布設應根據工程規模、壩型特點、壩高壩長及下游影響確定?？紤]到該水庫大壩規模不大，因此設計3個位移測點，均在壩頂縱斷面，工作基點1個。具體施工要求如下：

3.1 基點施工

基點要求穩定牢固，要求基坑開挖到凍土層以下，本項目開挖深度2.0 m?；c觀測墩采用現澆混凝土結構，強度等級C30。選用P·O42.5普通硅酸鹽水泥，5～40 mm級配良好石子，中砂，水質達到飲用水標準。根據施工情況混凝土需加拌外加劑：早強劑、防凍劑、引氣劑等?？紤]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，為兩層結構，間距為30 cm，鋼筋尺寸為國標16#螺紋鋼。立柱結構為四根16#螺紋鋼豎筋，利用8#圓鋼進行捆綁，捆綁箍間距為30 cm[5]。

立柱澆筑結束時要安裝強制對中器，并嚴格整平，立柱外表要保持清潔。拆模時間可根據氣溫和外加劑性能決定，一般條件下，平均氣溫在0 ℃以上時，拆模時間不得少于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 位移點施工

位移測點采用0.5 m×0.5 m×1.2 m混凝土基礎，強度等級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)進行支撐連接，GNSS主機安裝到柱頂，設備箱及太陽能板固定鋼管柱側面[6]。

3.3 GNSS主機選擇

本項目所選取的GNSS主機型號為：LZT-JC850B，基本技術指標如表2所示[7]。而且該設備已經被應用到多處場景，質量得到了驗證。

表2 GNSS主機基本參數情況

3.4 系統工作制式要求

(1)采用GNSS接收機現地采集數據頻次為15 s/次。

(2)定時發送：采集到坐標后每小時上傳一次數據，按照如發送不成功，存入主機，待發送成功后補發至中心平臺。

(3)解算時長12 h，可通過云平臺軟件進行遠程設置[8]。

4 應用監測分析

4.1 結果誤差率分析

為了驗證該水庫大壩GNSS系統監測精度，以全站儀作為對比標準，對3個位移測點測量的值和誤差率進行了統計，具體如表3所示。

表3 水庫大壩歷次觀測位移量統計

由表3數據可知：(1)2#和3#位移測點的水平位移量較大，尤其是3#，究其原因是該測點位于壩體中段迎水面，承受水壓和沖擊力最大，一般經過半年時間就會穩定。(2)GNSS系統和全站儀相比，最大誤差率為10%，這足以說明該系統的可靠性很好，完全滿足實際應用。

4.2 GNSS系統監測結果分析

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

圖2 1#位移測點水平位移監測曲線

(2)2#位移測點水平位移監測曲線見圖3所示。從4月1—15日，監測到壩體水平位移量有一個明顯升高的過程，累計達到15 mm。之后截止到4月29日，趨于穩定狀態，最后直到5月6日，基本穩定在18 mm左右。

圖3 2#位移測點水平位移監測曲線

(3)3#位移測點水平位移監測曲線見圖4所示。從4月1—15日，監測到壩體水平位移量是三個測點中最大的，達到25 mm，之后便直到5月6日，基本都趨于穩定狀態，累計位移量也在25 mm左右。

圖4 3#位移測點水平位移監測曲線

5 結 語

利用現代GNSS系統自動化監測技術代替傳統全站儀監測手段，已經成為水利工程行業的發展趨勢之一，監測成本不僅可以顯著下降，而且監測精度和效果均有明顯提升。截止目前，水庫大壩已經被連續監測13個月時間，壩體水平位移不再增加，說明了除險加固取得了較好效果，壩體安全穩定性得到了保證。