摘要：南水北调中线一期工程总干渠自陶岔渠首至北京团城湖全长约1277.212km，天津干线自西黑山分水闸引出，至天津外环河出口闸长约155.273km，总长1432.485km。其中，总干渠陶岔至北拒马河中支渠段采用明渠输水方式，北京、天津段采用管涵输水方式。输水线路跨越长江流域、淮河流域、黄河流域、海河流域，沿线经过河南、河北、北京、天津二省二市。布置各类交叉建筑物共计2215座。据统计，南水北调中线干线工程共埋设安全监测仪器（测点）86588个（支、套、组）。其中变形观测点共计39185个，全部需要人工监测数据采集。南水北调中线干线工程明渠渠道由填方渠道、半挖半填渠道、挖方渠道组成，沿线经过膨胀土、煤矿采空区、湿陷性黄土等不良地质区域。
关键词：南水北调；北斗；变形监测；系统；应用
一、概述
1.1 监测目的与任务
南水北调中线工程总干渠穿越膨胀土地段的渠道累计长约368km，其中挖深大于等于15m的中膨胀土渠段长28.9km，强膨胀土渠段长25.6km。膨胀土具有多裂隙性、超固结性、强胀缩性和浸水强度衰减等显著特点，易造成渠坡失稳，对工程安全运行影响很大，被称为土木工程界的“癌症”。渠首淅川段深挖方中强膨胀土渠段多为5级以上边坡，裂隙发育、地下水缝隙，施工期间发生过多处滑坡，其边坡稳定性问题非常突出，上述渠段虽经过了改性土换填、桩梁结构支挡等处理，但其边坡稳定影响因素复杂，渠坡内部还可能存在没有被开挖揭露的深层裂隙，这些渠段是中线工程运行高风险渠段，也是运行监管重点监控对象。
2016年3月23日至30日，南水北调工程监管中心组织有关膨胀土方面专家开展了中线重点膨胀土渠段渠坡稳定性专项巡查，通过现场查勘和资料分析发现淅川和南阳深挖方膨胀土渠段有些老滑坡区仍未稳定，局部边坡变形明显，边坡混凝土拱架出现连续延伸较长裂缝，要求加强监测巡视及变化趋势分析，适时提出应对措施，同时建议运用较先进的技术和设备，定期进行重点渠段详细巡查和监测。国务院南水北调办领导批示将该问题作为重点紧盯，并要求中线局综合采取措施。2016年5月31日～6月8日、8月11日～8月14日监管中心再次组织对中线淅川段至南阳段膨胀土渠段稳定性开展了专项巡查，专家发现多处渠坡变形明显加快，认为部分膨胀土渠段边坡稳定性需高度关注，国务院南水北调办要求中线局加强膨胀土渠段工程稳定性监测，尤其对于已出现明显滑坡迹象的部位实施重点监控。
1.2 建立表面变形监测自动化系统试点的意义
目前膨胀土渠段已安装监测设施仪器完好率90%以上，运行期间按规定的观测频次进行数据采集，并及时进行资料整理分析，定期报告。经检查发现，膨胀土渠段出现的工程问题较多，局部出现了险情，部分问题的发展趋势需要监控，尤其一些出现问题尚无监控设施的部位，或无监控设施的挖方深度大于15m中强膨胀土高边坡，都需要尽早实现定量监控，提出稳定性分析意见，为边坡处置决策提供依据。
膨胀土渠段其稳定性和安全状况随时都在变化。如果出现异常而又不被我们及时掌握这种变化的情况和性质，任其险情发展，其后果不堪设想。加强膨胀土渠段的安全监测有多方面的必要性，如对膨胀土处理措施有效性的检验、对不安全迹象和险情发展趋势的预测、对膨胀土未来的性态变化及时有效的预报等，这些都是确保膨胀土渠段运行安全的必要监控内容。
膨胀土渠段布置的表面变形观测点全部需要人工采集监测数据。普通的全站仪或其它监测手段不仅需要更多的人力完成观测操作，而且由于其内部的电器、光学特性使得它不能在雨雪天气工作，夜里也无法完成测量作业，不能满足实时监控的要求。而对于上述稳定性问题比较突出的膨胀土渠段边坡监测应满足实时传送数据，并不断更新的需求。因此有必
南水北调中线工程总干渠穿越膨胀土地段的渠道累计长约368km，其中挖深大于等于15m的中膨胀土渠段长28.9km，强膨胀土渠段长25.6km。渠首淅川段深挖方中强膨胀土渠段多为5级以上边坡，裂隙发育，施工期间发生过多处滑坡，其边坡稳定性问题非常突出，上述渠段虽经过了改性土换填、桩梁结构支挡等处理，但其边坡稳定影响因素复杂，渠坡内部还可能存在没有被开挖揭露的深层裂隙，这些渠段是中线工程运行高风险渠段，也是运行监管重点监控对象。目前，膨胀土渠段布置的表面变形观测点全部需要人工采集监测数据，引进北斗自动化监测系统实时、全天候监控这些渠段的边坡稳定状态，确保工程运行安全。
二、系统设计
2.1设计要求
整个项目总体设计两个基准站，58个监测站在南水北调中线干线淅川段深挖方膨胀土渠段，建立北斗自动化监测系统，北斗自动化监测系统基准站点位布设在张楼南沟排水渡槽，王家西渡槽围挡范围稳定区域内，北斗自动化监测系统监测点采用监测断面形式布置，监测横断面一般不少于3个，监测横断面间距100m。
布设监测点的强膨胀土深挖方渠段桩号分别为：桩号8+700m～9+000m渠段、桩号9+100m～9+500m渠段和桩号8+150m～8+450m渠段，布设11个断面，监测点共58个。
1）桩号8+700m～9+000m渠段，在桩号8+770m、桩号8+900m和桩号9+000m断面的一级马道上布设监测点，每个监测断面布设6个测点，左右岸各3个，对称布置，本渠段共设置北斗位移测点18个。
2）桩号9+100m～9+500m渠段，在桩号9+100m、桩号9+300m、桩号9+400m和桩号9+500m断面上布设监测点，每个监测断面布设6个测点，左右岸各3个，对称布置，本渠段共设置北斗位移测点24个。
3）桩号8+150m～8+450m渠段，在桩号8+150m、桩号8+250m、桩号8+350m和桩号8+450m断面上布设监测点，每个监测断面布设4个测点，左右岸各2个，对称布置，本渠段共设置北斗位移测点16个。
自动化监测系统组成
数据采集系统：包含卫星接收机（北斗接收机）、卫星接收天线、太阳能供电系统、支护设备保护系统组成。
数据通信：4G路由器（分控中心数据到总控中心的数据传输）、预警终端设备（总控中心预警信息传输及播报）。
数据处理、分析：包含分控中心供电系统、工控机、数据采集软件及高精度解算软件。
数据存储、展示：包含数据存储服务器、数据分析预警服务器、数据库软件、数据分析预警软件。
2.2监测工作要求
在南水北调中线干线淅川段深挖方膨胀土渠段，桩号8+150～桩号9＋500的1.35km范围内，选取稳定区域，建立在地基稳定的地点，共布设2个北斗毫米级自动化监测参考站（基准站）；拟在桩号8+700m～9+000m、桩号9+100m～9+500m和桩号8+150m～8+450m等3个渠段共布设北斗毫米级自动化监测站58个。
三、
3.1硬件系统
南水北调中线干线工程膨胀土渠段北斗自动化变形监测系统应用试点项目建设的硬件系统主要由北斗采集系统、无线通讯系统、太阳能供电系统、避雷系统4个部分组成。
3.2.1 解算软件
一、数据解算处理流程
基线解算模块流程下图所示，包括观测方程的组建、卡尔曼滤波的组建与参数估计和模糊度的固定及GLONASS通道延迟的确定，具体流程如下：
(1) 观测方程的组建
组建观测方程主要的工作是形成双差观测值和双差观测值的方差协方差矩阵、确定待估计参数和用于描述观测值与待估计参数之间函数关系的设计矩阵。在观测方程组建中核心的部分是形成设计矩阵。
(2) 卡尔曼滤波的组建与参数估计
在组建好观测方程以后，需要进行卡尔曼滤波参数设置并进行参数估计，需要设置的滤波器参数为待估计参数的初始值、初始方差协方差矩阵以及状态方程的预测过程噪声。通过卡尔曼滤波参数估计，可以得到滤波参数的浮点解以及其方差协方差矩阵。
(3) 模糊度的固定
模糊度的固定及确认主要是求解浮点模糊度的整数解以及非模糊度参数的值。在解算得到模糊度的整数解以后，需要对该模糊度的整数解进行验证和确认。
3.2.2监测预警平台
自动化监测预警系统软件是集成数据采集、传输、存储、分析、监测网络、远程视频为一体的系统，实现监测工程动态数据的采集、传输、数据汇集及设备控制自动化，为用户的现场监控、异地监视提供方便、高效、快捷的服务，为运行单位随时随地掌握工程结构安全和决策部门在关键时刻的决策分析提供坚实的技术支持与信息参考。
南水北调自动化监测系统主要为表面位移监测，包含模块有曲线图、加速度图、矢量图、散点图等，以多种方式展现和分析各点的位移变化趋势。
参考文献：
[1] 靖立秋，施召云.某工程水泥改性土换填施工技术[J].施工技术.2012（S2）?
[2] 李红炉.水泥改性土施工技术应用[J].河南水利与南水北调.2011（10）
论文作者:李宏祥
论文发表刊物:《防护工程》2019年第6期
论文发表时间:2019/6/26
标签：南水北调论文; 中线论文; 北斗论文; 淅川论文; 工程论文; 断面论文; 参数论文; 《防护工程》2019年第6期论文;