卧虎山水库大坝变形监测系统改造方案分析

张克峰 马波

摘 要：卧虎山水库位于济南市南部山区，距市区10公里，在锦绣川、锦阳川、锦云川汇流处的玉符河上游，属黄河水系。大坝变形监测是水库工程管理中的一项重要基础工作。大坝的稳定和安全是水库发挥社会、经济效益的基础，大坝变形监测系统的正常运行，为大坝各项安全技术指标的运用和大坝安全运行提供了坚实基础，为科学管理、信息化监测提供了可靠的数据支撑。

关键词：变形监测;改造方案;全站仪;GNSS

中图分类号：TV698.11 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）07-0109-02

1 基本情况

卧虎山水库位于济南市南部山区，距市区10公里，在锦绣川、锦阳川、锦云川汇流处的玉符河上游，属黄河水系。水库建于1958年，历经初建、改建、扩建、续建、除险加固和增容工程达到现状规模。水库流域面积557km，总库容1.2亿立米，死水位112.70m，相应库容329万m3;兴利水位130.50m，相应库容6697万m3;校核洪水位137.61m，相应库容12035万m3，是济南市唯一的大型水库。水库主要功能是防洪、生态补源、城市供水和农业灌溉。水库枢纽由大坝、溢洪道、放水洞三部分组成。

2009年9月，水库除险加固工程开工，结合大坝北侧山体2#滑坡监测，以及施工期运行安全，建设了大坝变形监测系统。包括垂直变形和水平变形。

在大坝桩号0+050、0+150、0+275、0+375、0+475、0+630、0+830后坝坡布设了7排监测断面，每个断面3个监测点（分别位于后坝肩、马道、坝脚），共设有21个监测点。系统采用瑞士徕卡高精度测量机器人（自动控制全站仪）实施大坝的变形监测，观测站设在大坝桩号0+450下游，距离大坝轴线约200米处。观测站与水库中控室采用光纤通讯，根据设定的观测周期定时上传数据，通过系统软件对数据进行分析和处理，形成大坝坝体沉降变形变化趋势图表。

但因水库确权划界范围有限、坝址区两岸高山坡地形限制以及管理区范围内的违建、垦殖等影响，现变形监测系统唯一的工作基点紧邻居民建筑物，观测视线受树木遮挡严重且设置的监测点棱镜砼基座现状破损严重，棱镜或被捣毁破坏或被杂草遮挡，失去了监测点功能。

2 改造方案

2.1 大坝变形监测的精度指标

根据工程测量规范要求，大坝变形监测网和监测点的精度要求，应符合表1规定。其中水平变形相邻中误差取点位中误差的1/倍。

2.2 大坝变形监测设备选型

目前大坝的表面变形监测主要有激光测距仪、变形监测传感器、全站仪和全球定位系统（GNSS）等四种方法。根据水库的大坝变形监测系统设计与实施验收资料，并结合卧虎山大坝的实际情况，全站仪和GNSS监测方法是目前最适合的两种方法。

2.2.1 全站仪表面变形监测系统

全站仪是集电子经纬仪、光电测距仪于一体，进行自动采集、处理和贮存监测数据的仪器。采集基准点、变形测点的水平角、垂直角和距离数据，得到变形监测点的三维坐标，两次结果之差就是大坝的相对水平变形、垂直变形。

目前全站仪可实现自动化监测，带电动马达驱动和程序控制的TPS全站仪结合激光、通信及CCD技术，可以实现测量的全自动化，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、自动记录于一体的测量系统，俗称测量机器人。在大坝周围通视条件好并且稳定的地方设置基准站架设测量机器人，在大坝两端稳定的地方设置基准点和坝体上合理的布置变形监测点架设反射棱镜。测量机器人在计算机的控制下，自动照准目标棱镜。目前大坝已建有莱卡的测量机器人，需根据实际情况对其修复，使其正常运行。

2.2.2 GNSS表面变形监测系统

GNSS（全球定位系统）监测系统主要由空间部分（人造地球卫星）、地面监控部分（分布在地球赤道上的若干个卫星监控站、注入站和主控站）和用户部分（用于接收卫星信号的设备）三部分组成。GNSS监测系统主要包括天线、接收机、通讯系统及相关解算、坐标转换及分析处理软件等组成部分。

GNSS具有迅速、精确、全时等优点，除在飞行器导航成功应用外，广泛应用于大地测量、精密工程测量和地壳形变监测等领域。GNSS用于变形监测，局限于有限的区域，但监测点布设密集。当GNSS用于大坝变形监测时，可在远方距离监测点合适的位置（如稳固的基岩上）建立基准点。在基准点架设GNSS接收机，根据其精确的三维坐标，经过反复观测从而得到变形点坐标（或者基线）的数据变化。根据监测点的数据，建立安全监测模型，从而分析滑坡、大坝等的变形规律并实现及时的反馈。

GNSS技术的全时特点不但可以自动化采集数据，而且可以将卫星信号传输到控制中心，实现数据自动化传输，通过整体的微小监测数据变化，构造统计分析模型，预测变形体长期的变化趋势，为水库安全运行提供数据支撑。

总体来说GNSS的主要体现在以下三个方面：

（1）精确。GNSS相对定位精度在50km以内可达10-6，100-500km可达10-7，1000km可达10-9。在300-1500m工程精密定位中，1小时以上监测的解其平面其平面位置误差小于1mm，与ME-5000电磁波测距仪测定得边长比较，其边长较差最大为0.5mm，校差中误差为0.3mm。（2）迅速。随着GNSS系统的不断完善，软件的不断更新，目前20km以内相对静态定位，仅需15-20分钟;快速静态相对定位测量时，当每个流动站与基准站相距在15km以内时，流动站监测时间只需1-2分钟，且可随时定位，每站监测只需几秒钟。（3）全时。目前的GNSS监测系统可以通过设置进行自动化数据采集，进行24小时全天候作业。

由上表可见全站仪和GNSS在精度上均可满足大坝监测的要求。

3 大坝变形监测网布置

变形监测网的网点分为基准点、工作基点和变形监测点：

（1）基准点，应选在变形影像区域之外稳固可靠的位置，每个工程至少应有3个基准点，其水平变形基准点应采用带有强制归心装置的监测墩，垂直变形基准点宜采用双金属标或钢管表。（2）工作基点，应选在比较稳定且方便使用的位置。（3）变形监测点，应设立在能反映监测体变形特征的位置或者斷面上。（4）监测基准网，应由基准点和部分工作基点构成。监测基准网应每半年复测一次，当对变形成果发生怀疑时，应随时监测检核基准网。

按照实际测试观测情况，在大坝背水坡面0+050、0+150、0+275、0+375、0+475、0+630、0+730、0+830处共布设8个监测断面，每个断面根据实际情况布设监测点。

4 方案的选定

大坝变形监测是水库工程管理中的一项重要基础工作。大坝的稳定和安全是水库发挥社会、经济效益的基础，大坝变形监测系统的正常运行，为大坝各项安全技术指标的运用和大坝安全运行提供了坚实基础，为科学管理、信息化监测提供了可靠的数据支撑。

经对水库现有监测设备和往期监测数据的详细查看，结合实际情况，通过设备选型，确定水库监测系统今后观测以GNSS监测系统为主，实施自动化观测。为满足工程管理要求，在建立GNSS监测系统的同时，恢复全站仪测量机器人的监测，通过对两种监测方式采集的数据的后处理，综合分析计算，提高大坝变形的监测精度。

参考文献

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