察尔森水库大坝安全监测技术初探

宋玉波，巩维屏，李 帅

（松辽委察尔森水库管理局，内蒙古 乌兰浩特 137400）

1 工程概况

察尔森水库位于嫩江支流洮儿河中游、内蒙古自治区科右前旗境内，坝址距察尔森镇北1.7 km，是一座以防洪、灌溉为主，结合发电、养鱼综合利用的大型水库，为洮儿河干流上唯一的控制性骨干工程。水库枢纽由土坝、溢洪道、输水洞、电站组成。水库总库容为12.53×108m3，500年一遇设计洪水位为366.50 m，万年一遇校核洪水位为367.61 m，正常蓄水位为365.40 m，相应库容为10.67×108m3。土坝为壤土心墙砂砾壳坝，坝顶高程371.50 m，坝顶宽6 m，坝顶长1712 m，最大坝高40 m。1973年始建，1989年蓄水，水库自建成至今，运行和管理过程中十分重视大坝安全监测工作，积累了20多年的观测资料，为水库防洪、养护维修及兴利调度提供了决策依据，确保大坝安全运行，保障了下游人民的生命和财产安全。

2 大坝安全监测技术现状

察尔森水库大坝建成后大坝安全监测主要设置了变形观测和渗流观测两大类。采用原始观测方法，即表面竖向位移采用水准测量方法，利用水准仪进行观测；表面横向水平位移采用视准线法（活动觇牌法），利用经纬仪进行观测，巡视检查是由人工进行的对大坝外部表面检查，但很难发现坝体及坝基内部没有观测仪器部位存在的安全隐患及问题。为掌握大坝安全运行性态，1991年初，察尔森水库大坝布设了全面的渗流和变形监测项目，在技术思路和方法上进行创新，于2000年引进分布式大坝渗流监测自动化系统，2005年建设了大坝安全实时分析与评价系统，实现了大坝渗流安全监测的自动化，对渗流监测成果、表面变形监测成果、巡视检查情况进行实时分析与评价，为察尔森水库大坝的运行管理提供了科学、方便的管理手段。2010年5月察尔森水库引进新技术、新设备对原有的监测设备进行更新改造，通过合理设计、科学管理，选择可靠性高、稳定性好、自动化程度高、抗雷击能力强的无线智能监测采集系统，以满足大坝渗流安全监测的需要。

但察尔森水库大坝表面变形一直采用人工观测，大坝表面垂直和水平位移共用工作点共设置4排29个观测标点，其中坝顶心墙上17个为A线，上游在367.00 m高程坝坡上布置了4个为D线，下游在马道上354.50 m高程及马道以下341.10 m高程坝坡上各布设4个分别为B线和C线。人工变形观测不仅费时、费力，易造成人为误差，也不利于观测资料的自动整编和实时分析。于是C线4个观测点在2009年末做为水利部“948”项目建成目前国内外比较先进的“察尔森水库双星卫星定位大坝安全自动监测系统”，用来监测大坝C线表面变形，精度达到毫米级乃至亚毫米级，为水库大坝安全监测提供了新的技术手段。

3 表面变形监测仪器现状

表面竖向位移观测使用的是普通水准仪，采用水准法测量,野外携带的是手持小型绘图精灵，绘图精灵输入数据为笔触式，输入难度很大，再加之屏幕小，界面菜单字小，输入更加困难。采取最原始的手工输入平差。

坝体表面横向水平位移观测采用的视准线法（活动觇牌法），使用的是匈牙利生产的T3经纬仪，虽然满足规范使用J1级仪器，由于后视准线过长（大于1800 m），造成视线不清，观测精度不高。

4 水库大坝安全监测发展的几点构想

4.1 监测设计优化布置

在水库进行除险加固设计时加强对自动化监测仪器设备种类和数量优化布置，以最小的监测工作量解决大坝安全监测中需解决的技术问题，在保证安全的前提下，以最小的投入获得最大效果，发挥安全监测的作用。在坝体表面竖向位移观测上，为了提高观测质量与精度，从仪器和方法上可以考虑使用电子水准仪，不仅可以提高测量的精度，减少人为误差的发生，也解决了野外电子记录和内业资料整理的需要，更满足了规程和规范的要求。

4.2 加强监测资料管理及分析自动化

大坝安全监测技术已发展成为一门新兴的技术学科和工程专业，《大坝安全管理条例》、《土石坝安全监测技术规范》《大坝安全监测系统技术规范》相继出台，全方位引进先进的监测技术及监测资料分析技术，加强大坝安全监测队伍建设，引进自动化监测技术人才，提高监测自动化管理程度，加强对管理人员进行大坝安全监测的培训，为水库大坝的安全运行提供可靠保障。

4.3 自动全站仪监测大坝变形的可行性

随着电子技术的发展，各种精密测量仪器不断出现，工程测量所使用的光学经纬仪和电磁波测距仪已逐渐被电子全站仪所取代。结合国内外先进的监测技术，采用可行的监测仪器进行监测，从而保证大坝的安全运行。

4.3.1 采用自动全站仪监测大坝水平位移的优点

全站仪可进行大坝表面变形的三维位移监测，它能够自动整平、自动调焦、自动正倒镜观测、自动进行误差改正、自动记录观测数据，并能进行自动目标识别，操作人员不再需要精确瞄准和调焦，一旦粗略瞄准棱镜后，全站仪就可搜寻目标，并自动瞄准，大大提高工作效率。

全站仪配以专用软件，使整个测量过程在计算机的控制下实现全自动。在大坝表面变形监测中，目前使用极坐标法进行测量。整个系统配置包括：全站仪，棱镜，通信电缆及供电电缆，计算机与专用软件。

影响三维极坐标测量精度的主要因素有仪器的测量精度，观测点的斜距既垂直角。后两者涉及到大气的气象改正、水平折光、垂直折光等许多复杂的因素，故很难精确求出，从而降低了点位的测量精度。然而根据变形监测的特点，需要测量的只是相对变化量，若采用建立基准点进行差分的方法，极坐标法测量点位的位移精度可达到亚毫米精度甚至更高。

4.3.2 自动极坐标实时差分

自动极坐标实时差分主要采用差分技术，它实际上是在一个测站上对两个观测目标进行观测，将观测值求差；或在两个观测站上对同一目标进行观测，将观测值求差；或在一个测站上对一个目标进行两次观测求差；求差的目的在于消除已知的或未知的公共误差，以提高测量结果的精度，在大坝变形监测过程中，受到了许多误差因素的干扰，如大气垂直折光、水平折光、气温、气压变化，仪器的内部误差等等，直接求出这些误差的大小是极其困难的，故可采用差分的方法以减弱或消除这些误差来提高测量的精度。

4.3.3 全站仪变形监测系统构成

全站仪变形监测系统由全站仪、仪器墩、通信及供电设备，控制计算机，监测点及专门软件组成。

在该系统中，控制机房内部的控制计算机通过电缆与监测站上的自动化全站仪相连，全站仪在计算机的控制下，对基岩上的基准点及被监测物上的观测点自动进行测量，观测数据通过通信电缆实时输入计算机，用软件实时处理，结果按用户的要求以报表的形式输出，故监测人员在控制机房就能实时地了解全站仪的运行情况。

由于察尔森水库大坝设计时在桩号0+203 m处出现折点，所以采用引张线观测大坝水平位移已是非常困难的。在坝顶设计双星卫星定位自动监测系统，由于受监测仪器的固定性、监测数据的连续性和卫星信号的影响，为了不影响坝顶交通要求，在坝顶采用双星系统也是不可能实施。为了提高观测精度及观测自动化，所以可以考虑采用智能型全站仪观测大坝水平位移。既能提高观测精度，也能避免人为造成观测误差，也避免了在观测时间上的局限性。

经过考察，目前由徕卡公司研制的TCA系列全站仪，是采用马达驱动和软件控制的TPS系统，它是智能型全站仪结合激光、通讯及CCD技术，集自动目标识别、自动照准、自动测角、自动测距、自动跟踪目标、遥控、自动记录数据于一体的测量系统，能够把测量数据自动传输到中心机房计算机内。TCA系列智能型全站仪以其独特的智能化、自动化性能应用于变形监测中，配合变形自动整编与实时分析评价系统，使用户轻松自如地获取变形观测数据，并通过相应软件的结算，及时进行监测预报。

察尔森水库是土坝，坝高40 m，坝顶高程371.5 m，坝两侧山体高程都在400 m以上，坝周围无高建筑物，视线通畅，坝两侧山体设置观测基点比较稳固，整个坝体都在视线范围内，水平角和垂直角满足全站仪测量三维坐标的要求，所以经过分析研究认为察尔森水库大坝采用自动全站仪测量大坝表面变形理论上是能够实现的。既解决了人工观测视线过长对中模糊的弊端，也避免测量当中人为误差的参与，能够提高观测精度。

5 结语

察尔森水库从设计、建设、投入运行到现在已经三十多年，设备相对陈旧，随着计算机与监测技术的快速发展，采用新技术、新设备对水库大坝的监测设备与管理进行现代化改造，进行水库自动化建设，可以进一步挖掘水库的潜力，加强水库运行的可靠性。建立水库大坝自动化监测系统，将大大提高雨情、水情、工情信息采集的准确性及传输的时效性，做出及时、准确的预测和预报，制定防洪抗旱调度方案，为上级部门的决策提供科学依据。

[1]DL/T 5211-2005，大坝安全监测自动化技术规范[S].

[2]何勇军，刘成栋，等.大坝安全监测与自动化[M].北京：水利水电出版社，2008.

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