GPS 在水电站坝体变形监测中的应用探析

罗文标 LUO Wen-biao

（中国水利水电第八工程局有限公司，长沙 410000）

0 引言

GPS 是最早投入使用的全球卫星导航系统，是一种基于人造卫星的无线电导航定位系统，主要由空间、地面监控与用户设备三大部分组成，可为全球各区域提供准确的地理位置及时间信息。相比于传统的监测手段，如水准测量等，GPS 具有全天候工作、监测点间无需通视、自动高效等优点。近年来，由于技术的提升和人们对于大坝使用寿命的要求，GPS 在大坝变形监测领域的使用越来越广泛，加强相关研究具有重要意义。

1 大坝变形监测发展概述

大坝变形监测技术随着大坝建造工艺的发展以及人们对大坝安全的需要变化而发展进步，大致可以分成早期阶段、发展阶段和成熟阶段这三个阶段。

①19 世纪末之前是早期阶段。建造大坝的材料大多为泥土和石料，由于缺乏必要的技术手段和科学指导，人们只能凭借肉眼对大坝的变形进行观察和感知。

②19 世纪末到20 世纪50 年代末是发展阶段。坝工理论慢慢的形成了一个体系，世界上很多国家开始使用混凝土来建造大坝，各个国家也相继开展大坝变形监测。变形监测得到了初步的重视，由此大多数混凝土坝都安装上了测压管用来监测扬压力；三角测量法、精密水准法和视准线法被用于测定大坝的水平位移和径向位移；之后又将垂线法用来观测大坝挠曲和将静力水准法用来观测大坝倾斜。1950 年后，大坝变形监测已经形成一套完整的体系，光学、电测和机械相关的方法被广泛运用到监测仪器中，让大坝的各种监测项目都有了相对应的仪器。工作人员获得了大量的监测数据，并将实测值与设计值、实测值与模型试验进行了对比。坝基扬压力、拱坝试验荷载法、计算方法等设计计算方法也已得到观测数据的验证和推广。

③20 世纪60 年代后是成熟阶段。新建的高坝和大型水库的数量正在迅速增加，在复杂的地形和地质条件下，许多大坝建筑出现了一些新的结构形式和新的施工方法。大坝建设对大坝监测提出了更高的要求。在这一阶段，大坝的监测对象由坝体和坝基的浅部扩展到坝基的深部和坝区附近更宽的区域。对地基、桥台、岸坡的监测越来越受到重视，出现了多点位移仪、滑动测斜仪等新型仪器对深部岩体变形进行监测，逐步取代人工观测仪器，测量技术向半自动仪器、更高水平和自动化发展。

现如今，GPS 技术在我国的应用范围越来越广，主要在导航以及定位过程中得到了主要应用，同时在开展一些精密性较高的工作时，GPS 技术的使用可有效提高工程变形测量的工作效率以及工作质量，本文着重围绕GPS 在水电站坝体变形监测中的应用展开分析。

2 GPS 在水电站坝体变形监测中的应用价值

2.1 变形监测要求

大坝变形监测的主要项目有：大坝垂直位移，大坝平面位移，挠曲，倾斜，基岩变形和滑坡变形等。由于不同大坝之间存在着诸如材料、尺寸、结构和所处地的地形地质条件等多种不同，管理人员应根据大坝的具体情况和观测需求选择需要进行观测的项目。对于不同的监测目标，变形监测的精度要求有所区别，对于混凝土大坝的变形，《混凝土大坝安全监测技术规范》中的要求如表1 所示。

表1 混凝土大坝变形监测精度要求

传统变形监测技术采用经纬仪、水准仪、测距仪、全站仪测定点的变形值，其优点是能够提供变形体整体的变形状态，适用于不同的监测精度要求、不同形式的变形体和不同的监测环境，可以提供绝对变形信息；缺点是外业工作量大，布点受地形条件影响，不易实现自动化监测。GPS（全球定位系统）自动化监测优点是测站间无需保持通视，可同时测定点的三维位移，全天候观测，易于实现全系统的自动化，可以获得mm 级精度；缺点是测站周围的环境要求高度角15°以上不允许存在成片的障碍物，无强信号干扰源，测站周围也不允许有大的信号反射物，观测墩和控制点要稳定。

2.2 GPS 应用价值

GPS 在水电站坝体变形监测中的应用价值主要归纳为以下两点：

①应用范围广，测量精确度高。在变形监测过程中，GPS 技术的使用解决了传统监测方式中数据处理分析难度高以及观测方法复杂的困难，由此得到了广泛应用，如：在滑坡工程中使用GPS 进行全方位变形监测，可全面掌握滑坡的整体活动情况，明确滑坡的变形规律、变形程度以及发育情况；在大坝位移监测过程中，GPS 技术的使用可有效提高监测速度，受外界影响较小，同时其准确度较高，同时可不间断对大坝不同监测点位进行移动监测，帮助工作人员快速、准确地掌握对大坝三维位移规律；大坝变形监测过程中，GPS 技术的使用可对海上、盖层以及地面等部位进行监测，从而保证大坝的安全性。

②自动化连续监测，保障大坝安全运行。利用GPS 技术进行大坝变形测量时，相关工作人员只需要在基准站以及监测站中安装GPS 接收机，GPS 便会开展自动化地连续性监测，而通过GPS 变形监控在线实时分析系统可对获取到的监测数据信息进行及时分析并研究，从而判断变形现状的实际情况。对于大坝变形监测工作来说，采用GPS 自动化监测可不受地域限制随时掌握坝体的运行情况、危险源动态、监测预警信息，当危险源预警时，可通过手机接收预警信息。通过综合监管系统分析坝体实时数据，全面、及时、准确了解各项监测点情况，在突发情况下，及时指挥应急处置与救援。

3 实例探析GPS 在水电站坝体变形监测中的应用

3.1 项目背景

某水库为供水、拦沙兼顾灌溉等综合利用的大（2）型水库，水库枢纽主要建筑物由拦河坝、导流泄洪洞、溢洪道、引水发电洞、坝后电站等五部分组成。利用现代信息采集、自动控制、GPS 监测等技术，建成了先进实用、高效可靠、覆盖库区大坝及基础、引水发电洞和导流泄洪洞、电站基础、溢洪道等建筑物及各枢纽建筑物边坡的水利枢纽工程安全监测系统（图1），实现了各枢纽建筑物施工期和运行期的表面变形、沉降、内部变形、渗流、应力应变、库区泥沙淤积等工情信息采集存储自动化、信息传输处理网络化、数据处理分析智能化，为水库各枢纽工程的安全运行提供了可靠的保障。

图1 水利枢纽工程安全监测系统

3.2 GPS 在坝体变形监测中的应用

3.2.1 变形监测过程

坝体变形监测过程要可以分为5 步：

①监测设计：设计人员在清楚了解了坝区自然地理情况和地质情况、大坝主要功能及结构等信息的基础上，设计出完整、可靠、先进、经济的监测方案；

②设备的选购：根据设计的要求选择精度可靠、稳定耐久、防潮性能强的的仪器设备；

③设备埋设安装：对设备进行检验、率定和配套验收后严格按照设计进行施工；

④现场观测与检查；

⑤资料整编与分析。

3.2.2 变形监测应用

本项目坝体坝变形监测GPS 系统由监测单元、数据网络、辅助装置组成，具体应用如下：

①监测单元设置。本项目GPS 传感器系统由枢纽区监测控制网、大坝坝体、溢洪道、导流泄洪洞进口高边坡、导流泄洪洞出口高边坡、电站高边坡等监测单元组成，负责大坝位移监测点数据采集，选用上海华测公司的X60MGPS 设备共计101 个位移监测点和1 个GPS 参考站。GPS 参考站是大坝表面位移监测的基准框架，长期连续跟踪观测卫星信号，通过数据通讯网络实时传输GPS观测数据到控制中心，并实时为各监测站提供高精度的载波相位差分数据及起算坐标。

在大坝监测部位合理布设GPS 监测点，具体如下：

1）内部变形监测：坝0+091.00、坝0+168.00、坝0+240.00、坝0+302.00、坝0+370.00 的坝下6m 分别布设5个坝体内部沉降监测点，坝0+096.00、坝0+171.00、坝0+237.00、坝0+297.00、坝0+366.00 的坝下6m 分别布设5个坝体内部水平位移监测点，在大坝填筑到坝顶高程，钻孔埋设测斜管，测斜管内安装固定式测斜仪，共计60 支，监测大坝坝体内部垂直于坝轴线方向不同高程的水平位移量。

2）表面变形监测：枢纽区监测控制网建设水平位移监测控制点20 个，垂直位移监测控制点12 个（其中3 个为双金属管标）；大坝表面变形监测点33 个，溢洪道、溢洪道高边坡变形观测点16 个，导流泄洪洞进口高边坡变形观测点10 个，导流泄洪洞出口边坡变形观测点6 个，电站高边坡变形观测点4 个。

②传输网络。

利用大坝布设的光纤通信链路，将GPS 及其他监测传感器数据传输至控制中心。各级远程监控终端实时接收从现地监测/监控站采集到的各类实时信息，应用系统进行监视、分析、处理，及时做出相应决策；有权限用户可以在大坝安全监控管理中心及上级管理单位监控终端进行控制；工作人员可在现场设置各种自动安全监测仪器采集信息量、采集次数。

③辅助装置。

控制中心UPS 供电；GPS 监测站、参考站供电方式选用太阳能供电和交流供电两种方式相互结合，提高系统可靠性；防雷系统，距观测墩3m~3.5m 处安装避雷针，建设地网，接地电阻小于10Ω；室外设备必须统一放在机柜。监测整个系统的软件和硬件运行状况，一旦某个监测站出现死机现象，系统马上通过数据信号触发方式实现接收机自动重启；监控站的监控精度范围可设置1mm~1cm；记录原始数据，可任意截取其中部分数据并对原始数据解算回放，实时的数据采集的延迟不大于1s；通过短信、电子邮件等方式进行报警，可对监控点进行频域和时域分析，7×24h 持续可靠工作。

3.2.3 变形监测情况

本系统在正常观测期内获得的监测数据连续、可靠，水库开始蓄水以来,各类监测仪器的稳定运行,为工程的安全管理与决策提供了重要的数据资料。

4 结语

综上所述，随着GPS 技术的逐渐成熟，GPS 测量技术已经在各种变形监测中得到广泛应用。水电站坝体变形监测工作中，主要采取固定连续GPS 测站阵列的方式，构建永久性GPS 观测站实现连续观测，并将观测到的数据信息传输到数据处理中心对其进行处理，由此实现对大坝形变的准确识别，为施工及维护提供有效意见，保证大坝安全可靠运行。