1、1工程概況參考本大壩監測設計資料2編寫依據(1) 工程測量規范 GB50026-2007(2) 全球定位系統(GPS)測量規范 GB/T 18314-2009(3) 精密工程測量規范GB/T 153-94(4) 國家三角測量規范GB/T 17942-2000(5) 測繪技術總結編寫規定 CH/T 1001-2005(6) 本大壩安全監測設計方案(7) 混凝土大壩安全監測技術規范SDJ336-893傳統表面變形監測方案及精度估算3.1傳統表面變形監測方案目前大壩常規的監測方法是將水平位移和垂直位移分開觀測水平位移監測 水平位移監測有如下幾種方法：引張線法，視準線法，激光準直法，正/倒垂線法，前方

2、交會法和精密導線法等。l 引張線法 該法采用一條不銹鋼鋼絲（直徑0.61.2mm）在兩端點處施加張力，使其在水平面的投影為直線從而測出被測點相對于該直線的偏距。引張線法的特點是：受外界影響小，應用普遍。其測量精度主要取決于讀數精度，人工讀數精度為0.2mm0.3mm，自動讀數精度優于0.1mm。但引張線的兩端一般要設有正倒垂線，以提供測量的基準，客觀上增加了系統的成本。l 視準線法 視準線法用于測量直線型大壩的水平位移，對于非直線型大壩，可采用分段視準線的方法施測。視準線法又可分為活動硯牌法和測小角法。測小角法精度優于活動硯牌法。視準線法的特點是：工程造價低，精度低，不易實現全自動觀測，受外界

3、條件的影響比較大，而且變形值不能超出系統的最大偏距值。l 激光準直法激光準直法利用激光的單色性好和方向性強的特點，建立起一條物理的視準線作為測量基準，根據測量原理的不同可分為直接準直和衍射法準直，后者精度高于前者。對于衍射法準直，根據其傳播介質不同，主要有2種方式：大氣激光準直和真空激光準直。a大氣激光準直大氣激光準直讓激光直接在大氣中傳播，應用對象是壩長小于300m壩高較低的大壩，如泉水雙曲薄拱壩（壩長109m），測量相對精度為105106。大氣激光準直由于受大氣折射及喘流的影響而引起光束的抖動，測量精度低且不易實現自動化觀測。最新發展是采用CCD技術，消除了光斑隨機抖動的難題，實現了自動化

4、監測，測量精度達+/-0.1mm，在南椏河閘壩頂及陜西韓城電廠等工程中有著成功的應用。b真空激光準直真空激光準直將波帶板激光準直系統置于一個真空管道中，減少了光束的折射和抖動的誤差，綜合精度高達1*1072*107。與引張線法相當，主要用于長壩高壩的變形觀測，已成功應用于太平哨豐滿龔且云峰桓仁寶珠寺等工程。激光準直法的發展方向是雙向位移觀測（垂直位移和上下游水平位移），在兩端點處安裝倒垂線作為水平位移的基準點，安裝雙金屬標作為順治位移的基準以實現雙向位移觀測。l 正倒垂線法正倒垂線既可以實現水平位移監測，又可以實現土壩的撓度觀測。正垂線是一端固定于壩頂附近，另一端懸掛重錘，以便觀測壩體各點間及

5、壩體相對于壩基的位移觀測，以及壩體的撓度觀測。倒垂線是一端埋設在大壩基礎深層基巖處，另一端浮起，來測定大壩的絕對位移。新近研制的垂線觀測儀采用線陣CCD傳感器實現自動讀數，在X，Y方向上的坐標精度優于0.1mm。l 前方交會法對于拱壩的拱冠或下游面等觀測效率比較低或觀測位置不易到達的點位進行觀測時，可以用角度前方交會法測定其水平位移。前方交會的誤差源有：測角誤差，交會角及圖形結構基線長度外界條件的變化等因素。其實際精度一般為1mm-3mm，精度較低，另外其測量和計算過程復雜，因此不單獨使用，而是作為備用手段或配合其他方法使用。l 精密導線法精密導線作為監測拱壩水平位移的方法，應用比較廣泛，但量

6、邊工作量大，測角的旁折光影響大。為克服這些問題，宜布設成類似于高能物理加速器工程中的測高直伸環形網，通過測量狹長三角形的邊長和高的途徑來間接提高測角精度。從而避免旁折光的影響。該法的精度取決于量邊精度，如果用銦瓦尺量邊，精度完全可以達到亞毫米級。但觀測方法繁瑣，計算復雜，誤差逐點累加，可靠性差，工作效率低。垂直位移監測垂直位移監測主要有幾何水準法和流體靜力水準法。l 幾何水準法幾何水準法是垂直位移監測的主要方法，精度容易滿足。主要的測量工作有：a.由水準基準點校測各工作基點，對混凝土大壩和土壩分別用一、二等水準測量；b.用工作基點測定各變形點，較上述要求可降低一個等級。幾何水準法可以滿足大部分

7、要求，主要問題是觀測自動化問題，目前可考慮采用電子水準儀（每公里往返測高差誤差為0.3mm-0.4mm），可以顯著工作效率。l 流體靜力水準法流體靜力水準法測量原理是連通管原理。用連通管法測定垂直位移，一般可采用移動式的連通管，根據起測基點的高程，通過連通管測得的高差，來引測標點的高程。連通管由膠管玻璃管及刻劃尺等組成。該法不受大氣折光的影響，很容易實現讀數及傳輸的自動化，測量精度優于0.1mm，在垂直位移監測中有著廣泛的應用。但連通管法受溫度的影響較大，不夠穩定，而且測點基本上要處于同一水平位置，高差測量范圍較小。近年來研制開發出了通過壓力傳感器測量液體壓力的變化來計算高差變化的儀器，擴大了

8、測量范圍。3.2傳統觀測方案誤差來源測量誤差總體上分為三類：與操作者有關誤差、與儀器有關誤差以及與環境有關誤差。隨著現在儀器的逐漸進步以及觀測方法的改進，觀測者只要認真按照規范操作，與觀測者有關的誤差可以降至很小，而與環境相關誤差如果能精確測定環境溫度，氣壓及濕度，再避免在大氣環境劇烈變化等不利環境下觀測，與觀測相關的誤差同樣可以降到可以接受的程度。當前，制約觀測精度提高的瓶頸仍然是觀測儀器自身的穩定性及精度。4傳統方案的局限性由于受現場觀測條件限制以及常規儀器自身不可避免的缺陷，傳統的觀測方案存在以下缺點：4.1觀測精度低由于現場條件限制，工作基點大都離監測點數公里遠。距離的增加，各類誤差如

9、目標照準誤差，大氣改正誤差，尤其是測角和測距誤差對點位的綜合誤差明顯增大。4.2 受通視條件限制常規儀器觀測要求觀測點與工作基點之間，工作基點與工作基點之間通視，這是制約現場觀測的一個很大瓶頸。現場條件復雜，部分監測點設置在較高的危巖體邊緣，很難找到比較合適的工作基點能與所有的監測點通視。通視條件限制同樣是導致觀測距離增加的主要原因。因為部分監測點所在高程較高，導致工作基點選在較遠的山頭，造成仰角過大，大氣折光差增大。4.3 受氣候影響大受制于光電測距的原理，全站儀等常規只能在光照不太強或者陰天的情況下工作，而一旦陽光強烈則會對全站儀自動尋找目標產生嚴重干擾，無法觀測。晴天時，一天之中只有早上

10、10點前，下午4點半后幾個小時的有利觀測時段。同樣在陰雨天氣和有霧天氣也無法觀測，而陰雨天體卻是邊坡變形最嚴重的時期，此時無法觀測導致光學儀器方案變形監測無法很及時地發現邊坡變形。4.4勞動強度大 傳統的方案需要進行多測回測角、測距并且要精確測定大氣改正參數并進行多項誤差改正才能達到相應的觀測精度，這導致外業勞動強度大、實際作業中效率非常低。 常規監測方法在很長一段時間內為大壩，大型建筑物等形變監測作出了貢獻，但其監測方法時效性低，測量成果不具有同時性，降低了成果的科學性和使用價值，而且采用常規方法觀測周期長，無法實時地了解建筑物的變形情況。5 GPS變形監測的必要性、可行性及其優勢5.1 G

11、PS變形監測的必要性前面已經指出，在大壩采用常規儀器進行變形監測精度有限，受天氣環境影響較大，且受到現場通視條件差的嚴重制約，不能很好地滿足大壩安全監測的要求。因此，尋找一種高精度、高效率且不受通視條所限的新方法對大壩變面位移進行安全監測顯得尤為必要。國內外很多成功案例表明：GPS變形監測方法被認為是在邊坡、大壩變形監測領域最有發展前景的一種新方法。5.2 GPS全球定位系統簡介及應用于變形監測的可行性 GPS全球定位系統簡介GPS（Global Positioning System）全球定位系統是由美國國防部牽頭研發并負責運營管理的一套衛星導航定位、授時系統。該系統由布設在太空中的24顆GP

12、S導航衛星組成的空中部分、一個地面控制中心、三個注入站、五個監測站組成的地面控制系統，以及用戶接收機三大部分組成。系統于1973年獲批準建設，1993年7月初步實現全球定位能力，1996年4月系統具備完全的全球定位能力。GPS自建成以來，其在軍事、交通、測繪、農業等諸多領域得到了廣泛的應用。 GPS全球定位系統在測繪領域中的應用GPS技術自應用在測繪領域以來，已經對整個測繪技術產生了革命性的影響，直接導致三角測量等傳統測繪方法走入歷史，目前在測繪領域中的應用主要有：（1）建立和維持全球性的參考框架目前GPS已經成為建立、維持全球性參考框架的重要手段。以高精度、測站數最多的國際地球參考框架ITR

13、F2000為例，該坐標框架樞紐站的地心坐標優于4mm，比例尺的精度優于0.5ppb。（2）建立各級國家控制網由于GPS定位技術具有高精度、全天候、測站間無需通視等優點，因而已基本取代傳統方法而成為建立各級平面控制網的主要手段。用GPS技術建立起的國家控制網有兩種，一種是仿照傳統方法在全國范圍內布設A級網和B級網，然后再加密C級網和D級網。另一種方法是建立起全國性的連續運行參考站，再在此基礎上布設GPS點來組成國家平面控制網。（3）布設城市控制網、工程測量控制網，進行各種工程測量國內外資料表明，利用GPS來布設國家控制網、城市控制網、工程測量控制網時，所需要的時間約為常規方法的1/6,所需費用約

14、為常規方法的1/3，而且精度也比常規方法好，因而得到了廣泛的應用。（4）在航空攝影測量中的應用在傳統的航空攝影測量作業模式中，需要在測區終布設一定數量的大地控制點，在困難地區這是一項十分艱巨的任務。而利用安置在航測飛機上的GPS接收機來測量航空攝影儀的光學中心在曝光瞬間的三維坐標，就可以大量減少甚至不需要地面控制點。5.3 GPS技術應用于變形監測的可行性 GPS自應用到測繪領域以來，人們就一直在努力探索其在變形監測領域的可行性，并取的較大進展。目前GPS應用在變形監測領域的成功案例不勝枚舉，理論及方法已經得到完善且趨于成熟。隔河巖大壩外觀變形監測系統和龍羊峽水電站近壩庫岸滑坡監測系統這兩個工

15、程成功應用實例可以說是國內將GPS技術應用在大壩變形監測領域的先驅。南方測繪于近年在變形監測領域取得巨大突破，已成功實施大冶鐵礦GPS變形監測系統、以中國安全生產研究院合作的北京首云鐵礦GPS變形監測系統、張河灣抽水蓄能電站上水庫GPS表面位移監測系統等項目。下面從宏觀上介紹隔河巖、龍羊峽兩個經典變形監測項目，再從微觀上介紹南方測繪在張河灣抽水蓄能電站上水庫GPS變形監測系統采用的技術手段和方法。隔河巖大壩外觀變形監測系統及長期連續監測模式清江隔河巖大壩外觀變形GPS連續監測系統是由武漢大學測繪學院（原武漢測繪科技大學大地測量系）承擔的一項前瞻性的科研項目及工程實踐。該系統是國內最早將GPS技

16、術應用在大壩變形監測的工程實例。.1隔河巖大壩外觀變形監測系統組成隔河巖大壩外觀變形監測系統由數據采集、數據傳輸和數據處理分析管理等三個部分組成。（1）數據采集部分 隔河巖大壩外觀變形GPS自動監測系統的數據采集工作是在GPS1- GPS7這7個站上進行的。其中GPS1和GPS2為位于大壩下游清江兩岸的兩個基準點。它們是整個大壩變形監測中的參照基準，位于地質條件良好，點位穩定，能提供電源且適合進行GPS觀測的地方。GPS3-GPS7位于大壩壩面上有代表性的重要部位上，均與大壩上的原變形監測點重合。 (b)數據傳輸部分及時準確地傳輸觀測資料及其它有關信息是GPS自動監測系統中的一個重要環節。在壩

17、面觀測室中設置一臺工控機。該工控機通過RS-232多串口遠距離通訊方式將壩面上5臺接收機的面板信息實時傳送至總控室的微機中，同時又通過多路開關按總控室設置的時間間隔定時將上述5臺接收機所采集到的數據(觀測值和衛星星歷等)傳回(卸載至)服務器中，傳輸介質均采用光纖。 基準站離總控室較遠，GPS2又位于清江對岸，加上受地形地貌條件的限制，鋪設光纖難度很大，故采用無線通訊方式。為提高抗干擾能力，采用了DS擴頻技術。無線通訊的頻率為2. 4G，數據傳輸速率為2M bps。通過數據傳輸部分可以把監測系統中的各種設備聯成一個整體。從總控室中可以實時監測各臺GPS接收機的工作狀況，并可發布指令控制各接收機的

18、運行(如采樣間隔，截止高度角，時段長度等)。 (c)數據處理分析管理部分這部分是整個系統能自動運行的關鍵，主要由總控，數據處理，變形分析和數據庫管理等四個軟件和服務器、工作站、微機等設備組成。總控的任務除了對各接收機的運行狀況進行監測和控制外，還有: 從服務器中取得各接收機的觀測資料并發送給數據處理模塊進行自動處理，然后從它那里取得計算結果。 將計算結果送給變形分析模塊進行變形分析。將觀測資料，基線處理和網平差結果以及變形分析結果裝人數據庫，供數據庫管理模塊使用。龍羊峽水電站滑坡GPS監測及定期復測模式.1龍羊峽水電站GPS滑坡監測簡介龍羊峽水電站近壩庫岸滑坡由6號地段和7號地段組成，共設有5

19、0多個變形監測點。由于范圍大點位多;接收機等設備的安全無保證;長期連續供電的問題難以解決且監測精度也較低等原因，不宜也無必要采取長期連續自動監測的模式，定期復測模式比較適宜。由于滑坡的坡度很陡，故在多數情況下需從水庫對岸的基準點上進行觀測。這就導致了距離過長(6號地段的平均邊長為6. 5km, 7號地段平均邊長為4km)，監測精度偏低(平面位置的中誤差為2.2cm，三角高程的中誤差為5. 7cm)。根據方案設計，GPS定位精度定為:平面位置5mm，高程(大地高) l Omm。上述精度較常規監測方法的精度有較大幅度的提高(中誤差已降為原來的1/5左右)，而且付出的代價也較低，估計經短時間的GPS

20、觀測后即可獲得滿足要求的觀測結果。兩種監測模式的優缺點 (1)長期連續的監測方式具有下列優點: a)可以較完善地消除接收機天線的安置誤差(如對中誤差，整平誤差，定向誤差，量測天線高的誤差等)的影響。 b)由于數據量特別多，故可通過濾波及平滑等技術來消除噪聲，提取大壩變形信息，獲得高精度的結果。 c)易于實現自動化，提高系統的響應速度和作業效率。 (2)長期連續監測模式的缺點是: a)每個變形監測點上均需長期安置一臺CPS接收機，監測成本較高。b)需提供長期穩定的電源.(3)定期(或不定期)復測模式的優點為: a)不長期占用GPS接收機。復測期外接收機可用于其它用途，利用率高。 b)儀器設備的安

21、全及供電等問題容易解決。 (4) 定期(或不定期)復測模式的缺點是: a)儀器的安置誤差難以完全消除，加之數據量又較少，要求達到精度時(尤其是高程)需要較長的觀測時間。b)勞動強度較長期模式大，響應速度較慢。 張河灣抽水蓄能電站上水庫GPS表面變形監測系統.1張河灣抽水蓄能電站上水庫GPS表面變形監測系統簡介上水庫表面位移監測點分布于上水庫壩體下游坡面、防浪墻、庫岸邊坡及近壩址巖坡表面等部位，總共59個間斷性監測點，其中防浪墻頂（ST）表面測點13個，壩頂下游側表面測點5(GPS)個，下游壩坡面表面測點19(LD)個，壩坡面觀測房頂表面測點4(TD)個，庫周基巖表面測點18(LR)個。由于上庫

22、監測點位較多、分布廣，采用長期連續運行模式電源等問題不好解決；而定期復測模式由于周期長，工作量較長期模式較大，因而我們在上庫采取了“半自動”的觀測方案。 具體實現方案為：選取部分關鍵點采取長期連續的運行方法，對某些監測點采用定期復測的模式。“半自動”的觀測方案很好的解決了上述提出的問題。.2 系統整體介紹系統由數據采集部分、數據傳輸部分、監控中心三部分組成1、數據采集部分在庫區周邊地質條件好的、覆蓋層較薄的山坡新鮮基巖上設置2個基準點，利用2臺GPS接收機進行連續跟蹤測量，基站如圖2.1，監測站在分別位于壩頂、壩坡、壩基上如圖2.2.數據采集工作在所有59個監測點中進行。 圖2.1 基準站 圖

23、2.2 觀測站2、數據通訊部分無線網橋，通常是用于多個網絡的連接，作用距離從幾百米到幾十公里。它廣泛應用在不同建筑物間網絡的互聯。根據協議不同，無線網橋又可以分為2.4GHz頻段的802.11b或802.11G以及采用5.8GHz頻段的802.11a無線網橋。無線網橋有三種工作方式，點對點，點對多點，中繼連接。無線網橋通常是用于室外，主要用于連接兩個網絡，使用無線網橋不可能只使用一個，必需兩個以上。無線網橋功率大，傳輸距離遠（最大可達約50km），抗干擾能力強等，不自帶天線，一般配備拋物面天線實現長距離的點對點連接。張河灣抽水蓄能電站上水庫GPS監測系統的數據傳輸引入了無線網橋的技術。無線網橋

24、技術的引入拋棄了傳統的銅線或光纖，利用無線通訊技術，以空氣作為媒介進行網絡數據傳輸，實現GPS接收機數據自動傳輸到監控中心服務器的目的。上水庫監測點分布較廣且地形復雜、位置偏僻，與監控中心相距較遠，利用傳統的有線連接方式，不僅成本高昂、施工周期長，且因障礙而難以架設線纜。更重要的是，有線傳輸的抗災性比較差，在大風、暴雨、決口等惡劣環境下，有線線路極易遭到破壞，GPS數據將無法及時傳遞，難以滿足水庫大壩監測高可靠性要求。無線網橋在各種惡劣天氣情況下，都能正常運行；安裝方便，無需鋪設網絡電纜，可大量節省投資；具有極強的靈活性和可擴充性，全面實現采集自動化、智能化和網絡化。圖3.1固定在控制中心樓頂

25、的無線AP圖3.2監測站無線網橋的搭建3、監控中心監控中心負責數據處理、分析、管理、發布等工作。工監控中心布置在值班樓一樓的監測辦公室內，如圖4.1圖4.1 控制中心5.4 GPS技術應用于變形監測的優勢相比較于傳統的測量手段，GPS技術有著傳統方法不可比擬的優勢，主要如下：定位精度高應用實踐表明已經表明，GPS相對定位精度在50km以內可達到，100-500km可達到，1000km以上可以達到。在300-1500m工程精密定位中，一小時以上觀測的解其平面位置誤差小于3mm。觀測時間短隨著GPS系統的不斷完善，軟件的不斷更新，目前20km以內相對靜態定位，僅需15-20分鐘，快速靜態相對定位測

26、量時，當每個流動站與基準站相距在15km以內時，流動站觀測時間只需1-2分鐘；動態相對定位測量時，流動站出發時觀測1-2分鐘，然后可隨時定位，每站僅需幾秒鐘。對于大壩變形監測領域，通過實踐表明1小時解的相對定位就可以到3mm的平面精度，這是傳統方法很難企及的。測站間無需通視GPS測量不要求測站之間相互通視，只需測站上空開闊即可，因此可節省大量的造標費用。由于無需點間通視，點位位置可根據需要，可稀可密，使選點工作甚為靈活，也可以省去經典大地網中的傳算點，過度點的測量工作.從而節省監測成本。可提供三維坐標經典大地測量將平面與高程采用不同方法分別施測。GPS可以通視精確確定站點的三維坐標。對于變形監測領域，大多時候甚至可以直接采用GPS定位的WGS84坐標系下的三維坐標，做到真正的三維監測。操作簡便隨著GPS接收機不斷改進，自動化程度越來越高，有的已達傻瓜化程度，接收機的體積越來越小，重量越來越輕，極大地減輕測量工作者的工作緊張程度和勞動強度。使野外的工作變得輕松。全天候作業目前GPS觀測可在一天的24小時任何時間進行，不受陰天，黑夜，起霧刮風，下雨下雪等氣候的影響。這對于變形監測來說尤為重要。而降雨是誘發邊坡變形的主要原因之一，但傳統方法在雨天很難觀測，無法做到及時監測邊坡體的表面位移。6 GPS監測