水电站大坝外部变形自动化监测技术应用现状分析

韩荣荣，柳 翔，吴 伟

（国家能源局大坝安全监察中心，浙江杭州，311122）

1 概述

变形监测是了解掌握水电站大坝及边坡运行安全性态最有效、最直接的手段之一。通过分析变形监测数据的规律性和趋势性，对大坝及边坡潜在的安全异常状况进行预报预警，可为除险措施的制定和实施提供及时可靠的参考信息[1]。

传统的外部变形监测方法主要是以光电技术为主体的人工大地测量法，其普遍存在工作量大、对实施人员技术水平要求较高、受气象条件限制、无法脱离人为干预以实现全天候自动观测等弊端。目前，人工大地测量法在水电站大坝外部变形测量中仍使用最广泛[2]。

目前我国水电站大坝及边坡外部变形自动化监测手段主要为基于全站仪智能化全程控制的测量机器人和基于GNSS（全球导航卫星系统，由美国GPS系统、俄罗斯GLONASS系统、中国BDS北斗系统和欧洲Galileo卫星导航系统等共同组成）的卫星测量技术。这两种测量技术的监测结果普遍达到了毫米级的位移精度。

笔者对这两种自动化监测技术在水电站大坝监测中的应用效果进行了调研分析。

2 水电站大坝外部变形自动化监测实施现状

统计在国家能源局注册备案的163座土石坝的外部变形监测情况，结果表明：

（1）外部变形监测项目主要布置在坝体表面、工程边坡及库区滑坡体等，监测所在部位的表面水平位移和垂直位移。

（2）在163座土石坝中，仅有17座局部实现了外部变形自动化监测，即仅约10%的土石坝实现了外部变形自动化监测。

（3）外部变形自动化监测实现方式基本为测量机器人或测量机器人+GNSS结合的方式，17座水电站的外部变形自动化监测系统基本都包括测量机器人系统，同时约1/3的水电站（共6座）配套有GNSS监测系统。测量机器人主要用于大坝坝体及工作基点与测点视线较短、通视条件较好的近坝工程边坡；GNSS监测技术主要用于周围环境开阔、少遮挡的坝顶、高边坡及库区滑坡体。

（4）除糯扎渡等少数水电站在2012年已实现外部变形自动化监测外，多数水电站都是在2016年之后陆续实现外部变形自动化监测的。

（5）从设备厂家来看，电力行业水电站的测量机器人均采用进口的瑞士徕卡测量机器人监测系统，GNSS监测也大多采用徕卡GNSS监测系统。

3 测量机器人外部变形自动化监测

3.1 系统简介

测量机器人是一种能替代人进行自动搜索、跟踪、辨识、精确照准目标并获取角度、距离、三维坐标、影像等信息的电子全站仪，也叫自动全站仪，其在全站仪基础上集成了马达、影像传感器构成的视频成像系统，并配置智能化的控制及应用软件。在监测点安装固定棱镜（见图1），在基准点修筑一体化观测房（见图2）、安装测量机器人（见图3），通过监测软件实现全自动化监测。监测方法多样，如前方交会法、全圆观测法、极坐标法等，监测精度高（可达毫米级），自动化程度高。

图1 观测棱镜Fig.1 Observation prism

图2 一体化观测房Fig.2 Integrated observation room

图3 测量机器人Fig.3 Measuring robot

测量机器人相对人工全站仪观测的优势主要体现在可实现完全无人值守监测，但无法克服类似人工测量的弊端，如测量仪器与监测点必须通视，无法实现全天候自动监测，恶劣气候如雨、雪、雾和强日照等条件下其精度会受影响，甚至无法监测。

3.2 应用情况

目前，国内主流的进口自动全站仪主要包括瑞士徕卡、美国天宝和日本拓普康。欧洲的产品一般以质量高和精度高为首要追求目标，价格较昂贵，已占据我国水电站安全监测绝大部分市场；日本的观测设备精度较高且价格相对较低，在国外市场占据了较大份额，在我国水电站大坝安全监测行业占有率低于欧洲设备。从我国水电站监测行业调研结果来看，国内接受度最高的全站仪产品为徕卡公司的设备系统。近些年，国内厂家也推出了国产测量机器人系统，设备生产商主要为南方测绘、苏州一光等，如南方测绘公司在2020年首次推出国产智能化高精度测量机器人NTS-591/592，测角精度1″，测距精度1 mm+1 ppm，但目前在水电站大坝安全监测行业高精度测量方面使用案例较少。

目前进口和国产的几款常用测量机器人的技术指标比较见表1。从官方公布参数看，进口设备在测量精度上占据绝对优势，国产设备在测量精度方面与进口设备存在较大差距。其中徕卡设备在测角和测距方面精度最高，且由于历经多年使用实践，系统稳定性经多方验证，在国内水电站观测中应用地位稳固；国产设备造价较低，价格约为进口设备的1/4～1/3，但由于观测精度难以满足水电站高精度监测的需要，且系统可靠性等方面缺少论证，在运行期水电站外部变形测量中实际使用较少。

表1 国产和进口测量机器人设备技术指标比较Table 1 Comparison of technicalindicators of domestic and imported measuring robots

3.3 存在问题及发展趋势

从现状来看，约80%以上的水电站的内观监测仪器都已实现自动化观测，外部变形监测自动化成为近些年水电站大坝安全管理的迫切需求。测量机器人被越来越多地使用到水电站大坝安全监测领域，在使用过程中也暴露出一些问题，主要表现在多数电站改用测量机器人进行外部变形观测后，相比人工观测结果，测值精度反而变差，原因主要在以下几方面：

（1）改造前后观测方法的改变：为了提高观测精度，外部变形人工测量一般采用两个工作基点交会法，通过增加约束条件进行测量误差的检验，控制测量精度。由于测量机器人造价较高（一般每个测量机器人及工作基点配套设施造价约100万元），为了节省投资，电站多采用单机器人观测模式，因此采用传统的测量控制参数较少的单后视点极坐标法。有时现场条件受限，极坐标法的后视点距离较近，短边作为后视点，增大了测点对中及目标偏心误差对水平角观测的影响，导致观测精度较低。与人工大地测量法一样，测量机器人属于高精度测量设备，其误差来源主要是气象改正、观测条件等。其中气象改正要求测定电磁波所经路径上各点的温度、气压和湿度，但在实际工作中同步实现气象自动改正代价较高，因此一般未做气象改正，直接影响了观测精度。

（2）测量机器人位移解算软件中的参数设置不符合现行水电站大坝安全监测规范的要求。调查发现，目前水电站场景中的测量机器人采用的位移解算软件多为原厂自带软件，由于原厂软件为各行业通用的位移计算软件，观测测回和限差参数等的设置未根据水电站大坝安全行业规范进行设计，虽然可控制测量机器人对测点进行实时监测和计算，但从现场检查情况来看，其缺少工作基点稳定性校核与检验，以及测量作业质量、边角交会闭合差计算与检验等功能。同时在监测数据管理方面有诸多不足，如原始观测记录和结果无法方便地提取、查看和备份，不能方便地更换工作基点及其后视点的坐标和点位，无法快速获取计算选取的投影面高程、气象改正等基本参数。受技术壁垒的限制，负责设备销售和售后服务的厂家也未能对进口解算软件中的“黑匣子”进行破解。

针对上述问题，有关单位开展了对精度提高方法的研究。如受大气折光等影响，机器人的测边精度高于测角精度，观测中尽量采用边边交会法，同时观测时段尽量安排在干扰较少的夜晚；在节省成本的前提下，考虑采用极坐标差分法，多后视点增加约束条件，提高观测精度；有单位专门针对水电站场景重新开发解算软件，根据行业规范要求进行观测程序设计和限差参数设置，观测时选用经鉴定精度较高的温度计、气压计双向多次测量温度、气压，确保气象改正精度。这些方法都在一定程度上提高了测量机器人在实测中的观测精度，取得了较好的实践效果。

4 GNSS外部变形自动化监测

4.1 系统简介

用户在基准站和测站安装定位天线（见图4）和接收机（见图5），通过接收导航卫星发射的测距信号和导航电文，采用卫星星历解算卫星及地面定位点的空间坐标，并采用静态相对定位技术确定地面基准站和测站的相对位移，同时通过延长观测时段（一般在4～6 h），消除观测噪声影响，提高计算求解精度，使相对定位精度达到毫米级，现场设备成品见图6。该技术具有布点灵活、不要求测站之间通视、不受天气条件影响、可实现全天候、全自动化、连续观测、位移监测精度高等优点。

图4 定位扼流圈天线Fig.4 Position choke antenna

图5 卫星接收机Fig.5 Satellite receiver

图6 设备安装成品Fig.6 Installed equipments

4.2 应用情况

GNSS监测设备主要由GNSS接收机和GNSS定位天线组成。国外GNSS接收机生产厂家主要有天宝、徕卡、诺瓦泰等，国内接收机生产厂家主要有北斗星通、司南导航、合众思壮、华测和中海达等。由于接收天线专业技术要求和接收机不一样，一般由专门的厂家生产，国内天线厂家主要有华信、海积和华颖等。

由于GNSS测量精度与可接收卫星数量有直接关系，近年来科技工作人员研发出了GNSS多频多星接收机，提高了GNSS系统自动化监测的可靠性和稳定性。基于GNSS多频多星接收机自动化监测系统在水电工程大坝、高边坡自动化监测中的逐步使用，基本形成以国外技术和设备为主导的产业化行业解决方案，部分已取得了较理想的使用效果，能够满足水电站大坝安全监测的需要。由于GPS技术在变形监测领域已经应用了30多年，长期处于垄断地位，目前GNSS数据解算处理等仍主要基于GPS卫星导航系统，监测系统的传输协议、解算软件等与测量机器人类似，同样存在“黑匣子”问题，无法直接对其进行再次开发。

4.3 存在问题及发展趋势

GNSS技术在水电站大坝变形监测中取得了许多重要的技术成果，限制其推广应用最主要的因素为：在大山峡谷、密林深处等地区，由于信号受到遮挡，其接收数据存在失真，影响观测精度。对于水电站大坝、滑坡等变形体的监测，受观测环境所限，测站往往遮挡严重，从而影响卫星的信号接收和几何构型，降低了变形监测的精度和可靠性[2]，且以目前的成果来看，一般GNSS在垂直向的位移精度要明显低于水平向精度。

近年来，越来越多的卫星高精度变形监测技术研发单位开展了国产卫星高精度位移监测系统的研究工作，主攻方向在接收设备和解算算法两方面。设备研究主要针对提升国产接收设备高精度定位能力及设备性能，解算算法主要针对卫星观测数据质量评估水平的挖掘和复杂环境下的卫星定位误差消除技术等。如为了进一步提高垂直方向的位移观测精度，有单位开展了通过实时气象数据库进行模型参数优化、网平差模式替代传统单基线位移解算等研究和试验工作，取得了良好的使用效果。

2021年7 月，北斗三号卫星全球组网成功，标志着我国北斗卫星导航系统的服务范围已覆盖全球。相比其他卫星导航系统，其高轨卫星更多，抗遮挡能力强，尤其在低纬度地区，这一优势更明显。由于其特殊的星座设计，在我国大部分地区其卫星可见数也多于GPS等卫星导航系统。随着BDS卫星民用信号频段开放协议的完善，这一优势会更加明显，这无疑为北斗高精度位移监测提供了无限可能。

5 成功案例

5.1 进口监测系统应用的典型案例

以某座已在2014年实现外部变形自动化监测的大坝为例，对大坝外部变形监测系统的布置方案及实施成果进行介绍。西部某工程大坝为砾石土心墙堆石坝，最大坝高186 m，坝顶长540 m，其外部变形监测自动化系统采用徕卡测量机器人和GNSS监测系统，监测范围包括大坝及两岸工程边坡。在大坝右岸和大坝下游共布置两个测量机器人测站（见图7中1号、2号测站），对坝顶、坝后坡及两岸工程边坡的表面位移测点进行监测，另外在大坝河床中部监测断面的坝顶及坝后坡共5个测点同时布置了GNSS监测设备（见图7），以便两种监测方式相互验证。

图7 某大坝外部变形监测系统布置情况Fig.7 Layout of the external deformation monitoring system for a dam

从两套监测设备相互验证的监测情况来看，两套自动化监测系统测得的三向位移测值变化规律相符，变化趋势及量值大小基本一致，过程线变化规律也满足大坝坝体的变化规律，表明外部变形自动化监测系统的监测成果总体可靠，典型测点的位移过程线见图8。因此，测量机器人与GNSS监测系统在该工程取得了较好的应用效果。

图8 某大坝典型测点测量机器人（TM30）及GNSS监测结果对比过程线Fig.8 Comparison of monitoring results from measuring robot(TM30)and GNSS

5.2 国产北斗监测系统试点典型案例

以东部某抽蓄电站开展的北斗高精度位移试点为例，对北斗监测系统的布置方案及实施成果进行简要介绍。该电站为一等大（1）型工程，上、下水库大坝均为土石坝。为验证北斗监测系统的可用性，在该电站上、下水库典型部位分别布置北斗监测点和基准点，对位移情况进行监测。近一年的监测表明，北斗监测结果真实反映了所在部位的位移变化情况，典型测点过程线见图9。该测点位于库区堆渣体的挡墙上，当雨季降雨量增大时，堆渣体呈现一定的向坡外变形趋势，当冬季雨量渐少时，向坡外变形则明显减小，与现场巡视检查的结果一致。可见北斗监测结果真实反映了变形体的位移变化情况，初步说明国产北斗监测系统可实现对变形体的高精度位移监测，值得进一步研究和探索。

图9 某电站堆渣体表面位移北斗监测结果过程线Fig.9Monitoring result of surface displacement of a slag by Beidou satellite

6 结语

（1）电力口注册备案的电站中仅有少数电站实现了外部变形自动化监测，绝大多数电站仍依赖人工手段，这主要是因为人力操作设备易于维护，监测频次和方法可以满足现行规范的相关要求，且经过长期实践应用，已比较适应这种模式。而自动化监测系统总体应用案例较少，且存在造价高、多为进口设备、使用过程中的运行维护工作只能依靠国外厂家等问题，使得该监测手段应用并不多。

（2）测量机器人监测系统市场基本已被进口设备占领，这与我国精密测量仪器的研究起步较晚有关。经过各方面的改进，国产测量机器人与进口设备的差距将会逐步缩小，但鉴于现实情况，该进程可能需要较高的研发投入和较长的周期。

（3）我国北斗三号卫星目前已组网成功，这将为GNSS外部变形监测技术的发展提供无限可能。迫切需要研究基于北斗三号全球信号及深度行业定制的北斗系统国产设备，提高精度和稳定性，同时降低成本，加快行业的推广应用。目前多家单位已在国产北斗监测接收设备和解算系统等方面开展相关研究，验证北斗系统在高精度位移领域的可用性，这对我国水电站外部变形监测技术的发展具有重要意义。

（4）测量机器人和GNSS两种外部变形监测方法各有不同的应用环境，可以互补使用，目前已在一些电站取得了较好的效果，可供参考和实际借鉴。各水电站可以结合自身外在条件，合理设计建设方案，克服传统人工测量方法在使用过程中的弊端，充分发挥安全监测在水电站安全运行中的重要作用。

（5）在今后的水电站变形监测中，可逐步考虑将大地测量技术、GNSS定位技术与其他技术（In-SAR、摄影测量等）集成组合为一种全新的表面变形自动监测系统，实现多种技术的优劣互补。