基于北斗卫星导航系统的大坝静动力变形监测

范明杰，李 卓

(1.扬州大学 水利科学与工程学院，江苏 扬州 225009； 2.南京水利科学研究院，江苏 南京 210029)

在静动力荷载作用下大坝将产生变形，过大的变形将危及大坝安全。有关规范[1-2]明确规定大坝变形监测是水库安全评价的基础和重要组成部分[3-4]，是水库大坝必设监测项目。传统大坝变形监测主要依靠人工方式进行，耗时费力，亟需一种低成本、高效率的监测方法来进行高精度监测。传统的光学观测方法，在水利工程的变形监测中发挥了重要作用，但受地形、气候、通视条件和观测距离的影响[5]，存在较大的局限性。较先进的测量机器人在一些水库大坝已得到应用，但测量机器人需安装在观测房内，通过镜头向外观测，在冬季由于内外温差大，镜头易结露，也会导致无法正常观测。随着卫星导航技术的发展，特别是我国北斗卫星导航系统（BeiDou Satellite Navigation System，以下简称BDS）的建设投运，基于全球导航卫星系统的自动变形监测技术越来越多地应用于大坝等水利工程，在提高监测精度和时效、减少人为误差和劳动强度方面体现出明显的优势。

1 导航卫星技术研究进展

全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System，简写GNSS），是用于定位、导航、授时体系的核心技术。目前GNSS包含了美国的全球定位系统（GPS）、俄罗斯格罗纳斯（GLONASS）、中国北斗（BDS）和欧盟伽利略（GALILEO）导航系统。该技术用于水利工程表面变形监测，在囯外已有近20年的研究和应用历史。Roque等采用干涉合成孔径雷达（InSAR）和GNSS相结合的综合监测系统，克服了InSAR技术单独用于大坝位移测量时，由于缺乏冗余观测而无法确定InSAR测量的后验方差的限制，在大坝和库岸变形监测中取得了较好效果[6]。Kato等认为GNSS满足基础设施位移监测精度、连续性和速度3个要求，是传统光学测量方法无法做到的，在安装GNSS设备的基础上开发了沙门网（Shamen net）自动位移测量系统，可取得准确和连续的观测数据；通过在长井大坝（Nagai Dam）同时安装3台GNSS设备和坝顶铅垂线监测传感器，发现上游和下游方向的位移对应于水位的上升和下降，两者监测结果相符，得出GNSS监测方法满足大坝监测所需精度要求的结论。Konakoglu 采用GNSS方法，开展了大坝变形监测研究，并基于GNSS变形监测数据开发了大坝变形预测模型，认为大坝位移与水库水位变化之间存在明显的相关性；为比对常规观测方法与GNSS观测效果，利用在土耳其境内幼发拉底河（Euphrates）上阿塔图尔克水电站（Ataturk Hydropower Station）的变形网进行测量，通过2007年至2013年GNSS和常规观测方法变形观测结果分析比较，得出两种方法的观测结果较为一致[7]。

BDS是中国自行研制的全球卫星导航系统，定位精度高，提供国家大地坐标系时空基准，包含5颗IGSO卫星（倾斜地球同步轨道卫星），并在全国范围内建立了北斗地基增强系统[8]，克服了高纬度区卫星系统低仰角的问题。中国区域由于卫星数目多、信号强，特别是监测接收机可同时接收北斗BDS和GPS卫星信号，极大地提高了系统定位精度，可测定点的三维坐标，实现了水平位移和垂直位移的同步测量。大坝、水闸、堤防等水利工程岸线长、距离远，该技术正在被逐步推广应用至这些水利工程，优势明显[9]。实践证明，为获取任意时刻导航卫星的位置坐标，采用不同插值算法可达毫米或亚毫米级精度[10]。目前先进的BDS监测设备，每天一次解析水平精度和垂直精度已达±2 mm，一周解析精度达±1 mm，新型的BDS卫星接收机每台可同时接入4套卫星天线，且仅需设置1～2个工作基点即可满足精度解析需要，避免了传统方法需建造大量基点的做法。采用BDS定位技术开展大坝表面变形监测，是目前最为先进、实用的高科技监测手段，在监测点上安装无人值守观测设备，通过软件可实现变形测值的解算和分析。但目前基于BDS技术进行地震作用下水库大坝表面变形监测的可行性研究仍较少。

本文通过分析人工传统光学观测方法与BDS表面变形监测技术的差异，结合实际水库大坝工程，开展基于BDS的大坝静力变形监测，并和传统观测方法进行比较；同时研究应用BDS进行地震作用下大坝动力变形监测的可行性。

2 北斗卫星导航系统与传统变形观测方法差异

2.1 测点布置

根据相关规范[1-2]规定，大坝表面变形需设置垂直和水平位移观测项目，监测横断面一般不少于3个，监测纵断面一般不少于4个，在纵、横监测断面交叉部位设置监测点，位移观测时需设置校核基点、工作基点及其他网点组成的监测网。传统方法采用光学观测方式，通常采用视准线法进行水平位移测量，需在大坝每一条监测纵断面延长线左、右岸坡稳定区域且兼顾通视处各设置1个工作基点和校核基点，校核基点用于定期对工作基点坐标进行校正。通常情况下，为节约建设资金，垂直位移和水平位移共用一个观测墩，在观测墩上安装水准测头（用于垂直位移观测）和强制对中基座（用于水平位移观测时与仪器连接）。以土石坝设置3条监测横断面、4条监测纵断面为例，坝面需设置12个变形测点，纵断面左右延长线岸坡设置8个工作基点、8个校核基点，共需设置28个观测墩；为取得垂直位移高程基准值，还需从国家水准点引测水准点若干个。传统方法测点数量多且测点设置需考虑通视条件，存在较大的局限性。

北斗卫星导航变形观测方法能取得测点的三维坐标，垂直和水平位移同时测量，并按国家大地坐标系（CGCS2000）测值输出，仅需在水库大坝枢纽附近地质稳定处设置1～2个工作基点即可满足变形测量需要，以上述土石坝为例，仅需设置12个测点和1～2个工作基点，即能实现对该大坝的表面变形自动观测。

2.2 观测精度

规范[1-2]对大坝表面变形监测精度规定，土石坝和混凝土坝常用的视准线法测量误差为2 mm，测回观测值之差为1.5 mm。人工观测方法受仪器精度、操作方法、测量距离和测回等影响，以及资料整编人员计算平差时存在一定的主观随意性，变形测量整编成果存在较大误差。BDS技术依托在全国范围建立的地基增强系统和相应基站，当前技术每日一次解析精度达±2 mm，一周解析精度±1 mm，可以满足大坝安全监测精度要求，杜绝了人为误差。随着导航芯片技术和解析算法软件的进一步改进，观测精度将进一步提高。

2.3 观测时效

人工观测方法水平和垂直位移需分开观测，并需定期对工作基点进行校正。受通视和气候条件影响，传统方法无法实现全天候观测，特别是暴雨等极端气候条件下，往往是工程形变最有可能发生的时候，传统观测方法无法施测。卫星导航系统则不受气候条件限制，可全天候在线观测并取得连续的观测数据。

按照规范表面变形观测要求，土石坝运行期每2～6个月观测1次，混凝土坝1～2次/月。这样的规定是基于传统观测方法制定的，观测频次低很难实现监测预警。卫星导航系统因可在线测量，在整编分析软件上设置累积变形量或变形速率等监控指标[11-12]，对建筑物水平位移、沉降，以及不均匀沉降引起的倾斜等均可实现监测预警，对确保水库工程安全意义重大。

综上，BDS精度满足规范要求，在测点布置和时效性方面相较于人工方法具有明显的优势，可替代传统大坝变形监测方法。目前单点造价虽高于传统方法，但因无需考虑通视条件和省略大量基点，给测点布置带来了极大的便利。若考虑光学仪器的购置和人工费用，两种方法总体造价上已基本持平。因BDS观测频次高可实现自动监测和预警，其优势不言而喻。

3 BDS监测某水库大坝表面静动力变形

西南某水库位于澜沧江-湄公河流域，坝址以上控制流域面积186.6 km2，总库容2 280万 m3。水库由大坝、溢洪道、坝后电站及输水洞等组成。大坝为均质土坝，最大坝高45 m，坝长205 m，坝顶宽6 m，该水库除表面变形外其他监测项目已实现自动化。根据规范规定的观测频次要求[1]，人工观测方法无法实现水库变形监测预警，为提高大坝及边坡变形监测效率，建立自动变形监测系统势在必行。

根据工程特点，在水库共设立13个BDS监测站和2个基准站。在桩号0+40、0+100和0+160设3个监测横断面，坝顶下游侧、一级马道和二级马道设 3个纵断面，共安装 9个测点（B1-1～B3-3），其中0+100断面属主河槽最大坝高处；左岸溢洪道设2个变形测点（Y01、Y02）；两岸潜在滑坡体设2个测点（H01、H02）；在右坝端水库管理所区域选择稳定基岩处（左岸岩体不稳定无布置条件）设2个工作基点（J01、J02），工作基点为不动点，用于变形数据解算时自动剔除系统测量误差。水库自动变形监测点布置见图1。

图1 水库自动变形监测点布置Fig.1 Layout of automatic deformation monitoring of reservoir

3.1 BDS自动化监测系统组成

本监测系统选用内置北斗卫星导航芯片的HXS2000型卫星接收机。该接收机是业内首款支持4套卫星天线板卡设备，载波相位精度分别为：GPS， 波段 L1（载波信号频点 1 575.42±1.023 MHz）0.5 mm，L2（载波信号频点 1 227.60±1.023 MHz）1.0 mm；BDS，频段 B1（载波信号频点 1 561.098±2.046 MHz）0.5 mm，B2（载波信号频点 1 207.14±2.046 MHz）0.5 mm。接收机定位更新频率可按 1、2、5、10、20和 50 Hz设置，配备常规通讯接口并内置华为ME909S-821全网通无线通信模块。本监测系统使用高精度3D扼流圈卫星天线，可接收所在区域全部在轨导航系统卫星信号，增益≥7 dBi。同时接收机采用独有的高精度算法和多天线多频点信号解析处理技术，进一步提高了监测精度。

自动变形监测系统由BDS监测单元、供电单元、通信单元和监控中心组成。监测单元主要由BDS接收机、卫星天线构成，测点和基准点设备相同；供电单元主要由光伏电池+蓄电池或市电构成，不方便取用市电时采用光伏供电；通信单元一般采用无线网桥或GPRS物联网数据通讯方式；监控中心由计算机、服务器、数据处理及分析软件等组成。本工程因监控中心设在水库管理所，与大坝距离较近，采用无线网桥通信方式，既保证了数据传输效果，也节省了后期数据通信费用。

本工程监测使用的BDS接收机具备多种通讯方式接口，当采用物联网4G/5G通讯时，监测数据可由测站上传至云监控平台，云平台建有变形监测数据库和相应的整编解析软件，同时开发了手机APP客户端，可不在水库设立监测中心站，利用系统分配的用户名和密码即可通过联网电脑或手机APP客户端访问和下载监测数据，实时了解工程变形情况。

3.2 传统方法与BDS监测精度比较

该水库的BDS自动变形监测系统于2021年9月初安装调试完成并投入试运行，获取初始值，10月起正式运行。该水库原建有9个人工观测标点，水平和垂直位移共用；BDS测点建设时位置与之相邻。

水平位移人工观测采用Trimble5600S型全站仪观测，垂直位移观测采用DZS3-1型水准仪。BDS监测系统建成后，为比对两种方法的监测精度，人工观测仍继续，并采用增加测回平差的方式以提高人工观测精度。人工观测以2021年9月的观测值作为基准值，对相同观测日期下BDS自动观测结果进行了整编，因BDS监测系统输出结果为国家大地坐标系（CGCS2000），采用的是地心空间直角坐标系，为方便数据比较，结合大坝轴线方向经换算得出的每一个BDS测点与水库人工测点水平（X、Y）、垂直（Z）同方向位移值。人工和BDS变形观测结果见表1，表中W1-1为人工观测点，B1-1为BDS观测点，以此类推。BDS观测值有效数字取小数点后两位。

从人工和BDS观测数据来看，相邻位置测点数据差值在0.4 mm以内，测点的变形趋势一致。大坝经50余年运行，土体已基本固结稳定，各测点水平和垂直位移变化平稳，无趋势性变化，大坝表面变形性态正常。表1中B1-3、B2-2与W1-3、W2-2测值一致但较其他测点变形量偏大，经对水库运行情况进行了解，分析其原因主要是受渗流影响。B1-3测点位于左岸坝脚，受地下溶洞影响高水位时该部位存在绕渗，同时排水棱体局部失效浸润线抬高。B2-2测点位于主河槽段下游半坝高处，因建坝时清基不彻底，高水位时存在坝基渗流，水库2021年汛期经历过数日高水位，坝脚排水棱体淤堵抬高了渗流出逸点。从水库以往渗流和变形观测资料来看，个别变形测点受高水位作用汛后存在一定时段的后影响。

图2为B2-2自动变形测点测值过程线。由观测数据来看，在相同观测时段，测值与该部位人工测值点W2-2保持一致，但人工观测无法取得观测日以外时段的变形资料，而BDS自动变形观测系统则能每天取得变形测量成果，数据连续。

图2 BDS位移监测过程线Fig.2 BDS displacement monitoring process line

3.3 BDS监测地震工况下大坝表面变形的可行性

为实现对水库大坝变形状态的监测预警，根据水库工程的自身特点，结合坝型、坝高和坝长，以及水库运行水位和设计参数，BDS监测系统拟定了变形量及变化速率监控指标，当变形测值达到此阀值时启动预警程序。

北京时间2021-12-24 T21:43，老挝（东经101.69°、北纬22.33°）发生6.0级地震，震源深度为15 km，震中距案例水库约440 km。水库无地震监测设施，未能取得坝址区的地震加速度。因BDS监测系统采集频率为1 Hz，地震对大坝产生的变形情况被监测系统成功捕获，取得了动力作用下大坝的变形过程。图3～5为地震对大坝影响较大的典型测点地震时段的变形监测过程线。

从图3～5可见，虽然震中离水库较远，但地震的动力作用还是对大坝产生了短历时影响。图3为最大坝高断面坝顶的B2-1测点，在21:43:19沉降9.2 mm，水平位移9.1 mm，在21:44:28后逐渐衰减回落至正常，在21:45:46后受地震次波影响出现短暂小幅增大，本次地震对该测点影响最大。图4为主河槽断面二级马道B2-3测点，地震影响时段为21:42:15—21:44:20，在21:43:13沉降5.96 mm，水平位移2.88 mm，在21:44:20后水平位移趋于稳定，出现小幅波动；图5为溢洪道Y02号测点，在21:43:12沉降5.93 mm，水平位移6.14 mm，在21:43:38后趋于稳定，垂直位移出现小幅上扬后逐渐回落，该部位紧临左岸山体，受岩体刚性影响，变形存在一定的惯性作用。

图3 主河槽段坝顶测点变形Fig.3 Deformation of dam crest measuring points in main channel section

图4 大坝中段下部测点变形Fig.4 Deformation of measuring points at the lower part of the middle section of the dam

图5 溢洪道测点变形Fig.5 Deformation of measuring points of spillway

从本次地震选取的3个测点测值来看，地震对大坝的影响历时约3 min。因大坝其他监测仪器通过测控单元每日8:00定时采集一次，未能监测到本次地震发生时大坝渗流和内部位移状态，BDS监测数据显得尤为珍贵。从震后大坝监测数据来看，本次地震对大坝未产生异常监测数据，震后有关变形测点测值恢复正常，巡视检查中也未发现坝体和相关建筑物损毁现象，大坝运行正常。

对土石坝而言变形通常是不可逆的，而地震作用产生的动力变形是坝体与坝址区地壳整体变形，属瞬时整体变形，各测点受地震波传递方向和坝体结构的自身影响，存在变形量值上的差异。通常大坝在承受抗震等级以下的地震作用力不会造成实质性的损害，但地震易引发饱和砂土地基的液化现象，导致地基丧失承载力，严重威胁大坝安全[13]，特别是早期建设的水库。限于当时的技术水平和认知，通常未对坝基进行防液化处理，仍应引起足够的重视。

4 结 语

通过人工表面变形观测方法与基于北斗卫星导航监测技术的比较，开展了水库大坝表面静动力变形BDS监测的研究，分析了此技术应用于大坝变形监测的可行性和优越性。工程应用案例表明，该技术数据采样频次高，能够取得短暂地震工况下大坝的变形过程，充分表明北斗导航BDS系统适用于大坝静动力变形监测。我国西南地区水力资源丰富，但邻近欧亚地震带，地震活动较为频繁。如何保证在雅砻江、金沙江、澜沧江等江河上已建和在建的一批高坝大库水电工程的安全，成为公众关注的焦点。近年来随着地震和GNSS监测技术的发展，一些学者[14]针对GNSS用于区域板块静动力变形监测开展了探索研究，汶川地震后通过对龙门山断裂带两侧分布的109个GNSS监测站和区域站变形观测资料开展了数据处理与分析，经过模型反演获得了震前、震后时间序列地壳形变情况，这对预测未来工程周边区域地壳变形量，推断再次发生地震的可能时段意义重大。由于地震仪测量的是地震加速度，GNSS测量的是表面位移，通过地震加速度和表面位移监测数据的融合处理研究，便能获得包含地震变形和速率的波形数据，可快速高精度地对工程所在区域震级进行估算，为水库震损评估和震后大坝专项安全鉴定提供重要的计算参数。

当前BDS技术用于大坝静力变形监测正在普及，用于动力变形监测的工程案例还较少。该技术在水库大坝工程中的推广应用，对水库大坝静动力变形监测技术的提升，水库工程的安全管理，以及构建新的大坝变形监测理念，具有深远意义。