激光/GNSS自動化變形沉降監測系統

該大壩安全監測自動化系統監測項目包括:壩體變形監測、邊坡監測以及環境監測等子系統，主要由監測儀器（傳感器）、監測數據采集系統（包括自動化數據采集監測子系統和電子化人工巡檢養護管理子系統）、監測數據管理系統、安全預警評估系統與用戶界面系統等五大部分組成。

系統采用相對測量與測量相結合的方式對大壩及近壩岸坡進行整體監測，利用了具有自主知識產權的環柵激光準直技術、激光自動安平補償技術、激光環柵光斑CCD圖像識別技術、高精度北斗/GPS雙頻接收機等多項新技術。

其中壩體監測又包括壩頂水平/垂直監測、壩頂北斗/GPS三維位移監測、壩體滲漏及環境量監測三個子系統，其他上下游水位、降雨量、氣溫等環境量監測資料可利用水情測報系統監測資料通過監測信息管理系統實現數據共享。

一、壩頂水平/垂直監測子系統
采用環柵激光準直和激光環柵光斑CCD圖像識別兩項技術，利用激光長弦弦測法實現對壩頂監測點水平和垂直位移的同時監測，具有精度高、監測速度快、故障率低、結構簡單、便于維護等特點。
1.測量原理
從激光發射端射出一條有明暗相間的同心環組成的高精度準直激光束，不同距離光斑圖像如下圖所示：

激光束依次穿過在各監測點處安裝的CCD數字接收靶，由數字接收靶對光斑圖像識別并計算光斑中心（x，y），并和初始值比較可得到水平位移垂直位移，水平位移計算方法如下：

2.系統組成
激光水準監測儀2臺
激光環柵準直光源1臺
監測點CCD數字接收靶3個
基準端CCD數字接收靶3個
3.主要技術指標
CCD數字接收靶分辨率0.01mm，精度±0.05mm。激光位移監測系統觀測精度0.6mm，自動觀測一次時間2min。*《大壩安全監測自動化技術規范》（DL/T 5211-2005）、《混凝土壩安全監測技術規范》（DL/T 5178-2003）及《土石壩安全監測技術規范》（SL 60-1994）的要求。
4.系統軟件

5.根據壩頂位移實測數據，繪制的位移過程曲線如下圖所示：

二、壩體GNSS三維位移監測子系統
隨著GPS系統的完善以及我國北斗二代系統組網完成，北斗/GPS/GLONASS三系統接收機已成功商用，目前北斗/GPS可用于精密變形監測，且將逐步取代常規的測量方法，這是精密變形監測領域的一次技術革命。采用我國自主知識產權的北斗/GPS接收機是國家重大基礎設施安全的保障。

北斗/GPS自動化監測方案原理是利用北斗/GPS載波相位高精度相對定位進行三維定位。利用精密星歷及與清華大學聯合研制的軟件采用二小時雙頻北斗/GPS接收機觀測數據解算精度可達毫米級。

1.測量原理
在壩坡上堅固的地點建立1個基準站，安放高精度北斗/GPS雙頻接收機，接收機信號通過光纖或專用數字通信網定時傳送到監測中心。在壩頂位移待測監測點上安放北斗/GPS高精度雙頻接收機。監測接收機信號通過光纖或專用數字通信網定時送到監測中心。監測中心收到基準站和監測站信息利用北斗/GPS高精度基線處理軟件進行解算，求出基準站與監測站之間的坐標差。該結果是WGS-84地心坐標系統下的坐標差。不同時間測出的坐標差變化，反映了監測點的三維形變。
2.系統組成
1)北斗/GPS基準站、監測站
北斗/GPS基準站接收北斗/GPS衛星信號用于基線解算基準。監測站放在位移點上，接收北斗/GPS衛星信號，通過與基準站相對定位可測定位移點的變形。
本系統共用4臺高精度北斗/GPS接收機，其中1臺基準站，3臺監測站。主壩上安裝2臺監測站，副壩上安裝1臺監測站，水庫管理處安裝1臺基準站。
2)無線通信網
無線通信網作用：將基準站、監測站接收的北斗/GPS衛星信號實時傳到中心站。中心站通過通信網監測基準站、監測站的工作狀況；并向基準站、監測站發出監控命令。
中心站功能：
A、負責整個系統管理，監測基準站、監測站北斗/GPS接收機工作狀況；對基準站、監測站接收機發出控制指令及設置工作參數。
B、實時采集基準站和監測站北斗/GPS接收機觀測原始數據，
C、按設定時間從數據庫中自動提取相應基準站和監測站數據，數據處理中心自動解算監測點三維坐標。
D、對數據處理中心解算結果實時進行分折，繪制各監測點位移變化時程曲線及沉降變化曲線。對監測點變形進行分析，對變形大的超限點進行報警。
3.系統精度
系統輸出的變形量精度：24小時解小于1mm，4小時解小于3mm。
4.數據分析
分析監測資料的準確性、可靠性和精度
分析監測量隨時間或空間而變化的規律
判別監測量的異常值
分析監測量變化規律的穩定性
應用數學模型進行分析，必要時提出或調整監控指標
分析壩體結構的整體性、穩定性以及防滲排水設施的效能
評估大壩的工作狀態
根據監測數據繪制位移過程曲線如下圖：

運行期，數學模型中一般包括水壓分量、溫度分量和時效分量三個部分。時效分量的變化形態是評價效應量正常與否的重要依據。下圖為時效分量的三種形態，代表三種工作狀態。

5.系統特點
北斗/GPS技術用于大壩外觀變形監測和滑坡監測是*可行的，與常規監測方法相比，具有以下優點：
可實現全天候監測，監測時間同步。
監測精度高，精度可達1毫米，可滿足大壩位移監測要求。
可以連續長期觀測使用，使用壽命長。
觀測結果是數字成果，可使監測全過程實現自動化。
可同時測定三維位移。
可極大地提高生產效率，降低人力、物力、財力的消耗。
三、壩體滲漏及環境量監測子系統
1.滲漏監測子系統布置位置及其儀器工作原理
監測數據自動采集：滲壓計、雨量計、水溫計、上下游水位計、等各種傳感器采取自動監測（自報式）和強制監測（應答式）的方式進行巡測、選測和人工測量。
數據通訊：測控單元與工作站之間具有雙向通訊功能。
數據分析和管理：對監測數據進行顯示、存貯和打印，建立工程檔案，并實現在線處理和離線處理，及時制成圖表，對工程性態進行分析和安全評估。
2.滲漏量的觀測：滲漏量反映壩身整體性，壩縫止水結構及防滲帷幕的工作狀態，對了解大壩的運行狀態有重要的意義，結合水庫的實際滲流情況布設兩個測點，采用量水堰對壩后集水井進行測量，即在主壩后集水井各設一量水堰，采用超聲波水位計測量堰上水頭，從而得出滲漏量。本系統安裝1個滲漏量觀測儀。
3.雨量計：設置在大壩管理中房頂設置一個翻斗式雨量計，工作原理是：當下雨時就翻斗轉一次，關閉磁性開關給MCU一個脈沖的信號，那么MCU計下每次脈沖的信號變成雨量。本系統安裝1個雨量計。
4.壩體滲漏壓力的監測：滲漏壓力觀測采用振弦式滲壓計觀測，滲壓計的傳感元件是一根附在膜上的鋼琴弦，它由繞組磁鐵激勵作用在膜上的壓力來改變弦的壓力，張力與鋼弦共振或自然頻率成比例，通過頻率信號測量再轉換成水壓力數據量。本系統共布置20個滲壓計，具體見CAD平面圖。
5.布置2個水溫計。
6.布置2個水位計。
四、視頻監測子系統
分別在主壩和副壩上各安裝兩個視頻攝像機，可以24小時對閘門、溢流道、壩體做視頻監測，同時起到對壩體監測設備的安全監測功能。