摘要：大坝变形监测是大坝安全监测的重要内容之一，为了保障大坝的安全运行，实现大坝变形全天候监测自动化是相当必要。文中介绍了户主水库大坝变形监测设施进行自动化改造的必要性，提出了户主水库大坝变形监测系统的自动化改造采用GPS技术方案的可行性和效果。
关键词：户主水库；大坝变形监测；自动化；GPS技术
1工程概况
户主水库位于滕州市东郭镇境内，城墎河支流幸福河（乡河）上，距滕州市城区17km，属淮河流域沂沭泗水系，控制流域面积44平方公里，总库容2026万立方米，是一座以防洪为主，兼顾农业灌溉、工业供水等综合利用的全国防洪重点中型水库。2010年12月完成除险加固工程，校核洪水标准由500年一遇提高到2000年一遇。
枢纽工程属中型三等，主要建筑物为Ⅲ级，次要建筑物为Ⅳ级，地震设防烈度为7度，由主坝、副坝、放水洞、溢洪道（闸）、水电站等组成。主坝为3级建筑物，坝型为土质防渗体分区坝，最大坝高16m，坝顶宽7.0m，坝顶轴线长度1087m。副坝为均质坝，坝长20米，最大坝高4.6米，顶宽7米。溢洪道主要由进水渠段、闸室段、泄槽段、消能段、尾水渠段等组成，共3孔溢洪闸，位于主坝桩号0+100处，每孔净宽6.0m，底板高程120.00m，最大泄量432m3/s。输水建筑物共2处，系东、西放水洞，分别位于主坝0+139、0+823处，结构形式相同，由进水渠段、竖井段、涵洞段组成，设计流量9.43m3/s。
2 大坝变形监测设施现状及自动化升级改造的必要性
户主水库大坝变形监测设施于2009年水库除险加固时建设，在主坝设置8个断面21个水平沉陷位移标点，布置于断面0+120、0+250、0+380、0+510、0+640、0+770、0+900、1+020，在大坝两端通视良好处设置水平沉陷位移基点2个；溢洪闸设置水平沉陷位移标点4个，东、西放水洞各在123.80m检修平台设置水平沉陷位移基点4个。采用的是人工观测，设施较落后。大坝的变形监测能直接反应大坝的安全运行状态，但人工观测速度慢，工作量大，受天气影响不及时，观测精度低，只能进行简单的数据资料整编，不能及时对监测数据进行分析，不能即时直观得到大坝的运行状态，不适应现代化管理的需要。户主水库管理所于2017年6月被评为省一级水利工程管理单位，目前正向向国家级规范化管理单位看齐，因此对水库进行以大坝变形监测设施自动化升级改造，建立健全大坝安全监测系统，适应现代化进程非常有必要。
3采用GPS技术建立控制网监测大坝变形的设想
目前，我国 GPS 技术已经发展到成熟阶段，广泛应用各种领域系统，近些年监测精度不断提高，并且在许多大中型水库变形监测中已有应用先例。为了实现户主水库的现代化管理，确保大坝安全，大坝变形监测自动化要满足先进性、实用性、可靠性的原则，而GPS 技术是通过信号的传输，具有高科技性，能达到“无人值守和少人值守”的要求。因此，在户主水库变形监测升级改造建设方案中考虑GPS技术自动化监测，可有效提高监测效率。
3.1 建立GNSS控制网
户主水库大坝长1087米，每隔100米设置一个断面，并在坝顶上游侧、坝顶下游侧、下游马道外侧设3个GPS监测点，坝肩稳定区设2个监测基点，建立高精度的GNSS控制网，及时测定和预报坝体的位移等变化情况，并为长期稳定性预测研究提供资料，共设34个点。
3.2 建立GNSS控制网基站
GNSS基站也可以称为连续运行参考站，它是整个大坝表面位移监测的基准框架。它长期连续跟踪观测卫星信号，通过数据通讯网络实时传输GNSS观测数据到控制中心，2个参考站可以联合组网，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。
参考站要求建立在地基稳定的地点，同时GNSS参考站场地应满足场地稳固，视野开阔；视场内障碍物的高度不宜超过15°；远离大功率无线电发射源（如电视台，电台，微波站等），其距离不小于200m，远离高压输电线和微波无线电传送通道，其距离不得小于50m；尽量靠近数据传输网络；天线墩的高度不低于2米；观测标志应远离震动源。户主水库坝两端地理通透，地质稳定，符合要求，分别在两端设立GNSS自动化监测系统共连续运行参考站，实时传输载波相位观测值到控制中心，从而为各监测站实时提供差分数据与起算坐标。
3.3 变形站点基建
观测墩的建设要求：
观测墩浇注安装强制对中标志，并严格整平，墩外壁或内部加装（或预埋）适合线缆进出硬制管道（钢制或塑料），起保护线路作用；
GNSS观测墩采用钢筋混凝土现场浇铸的方法施工。混凝土浇铸过程中的水泥、沙子、石子及其他添加剂的用量以及混凝土施工的要求执行；
GNSS观测墩中的钢筋骨架采用直径≧10mm的螺纹钢筋，使用时在距两端10cm处，分别向内弯成∩形弯（足筋下端30cm处向外弯成∟形弯）用料。裹筋采用直径≧6mm的普通钢筋；
基座建造时浇灌混凝土至基座深度的一半，充分捣固后放入捆扎好的基座钢筋骨架，在基座中心垂直安置捆扎好的柱石钢筋骨架，将柱石钢筋骨架底部与基座钢筋骨架捆扎一起，浇灌混凝土至基座顶面，充分捣固并使混凝土顶面处于水平状态；
混凝土浇灌至地面下0.2m时，在观测墩外壁应预埋适合线缆进出的直径不小于25mm的硬质管道（钢制或塑料），供安装电缆保护线路用；
双频天线的保护罩采用全封闭式，以起到防水、防风等效果，同时天线罩的衰竭率不大于1%；
可利用观测墩基坑，加筑用于存放太阳能蓄电池的水泥槽。
GNSS设备安装效果图
3.4辅助支持系统
a.供电方式
GNSS观测站采用太阳能供电，可节省能源。太阳能发电系统由太阳能电池组、太阳能控制器、蓄电池（组）组成。输出的电压为12V，直接供给设备使用。
太阳能电池板需固定在GNSS观测墩的侧面，安置要求是：倾斜角度在30-45度之间，面对方向为正南方偏西15度左右（根据当地的情况可适当调整），并制作三角形的支架固定在水泥板上，防止偷窃。
蓄电池一般需埋设在观测墩的附近，埋入地下，避免日晒雨淋、被盗贼偷盗，和外力冲击，同时也避免温差变化影响蓄电池的寿命。
b.防雷系统
直接雷电防护
GNSS天线和接收机附近必须安装避雷针，避雷针与天线横向距离不小于3m，避雷针高度按照“滚球法”确定，粗略计算即可。
直击雷预防示意图
在距观测墩3～3.5m处安装避雷针，选用Φ16不锈钢制作支撑杆由两节组成、分别由2寸、1.2寸各三米热镀锌管制作。
地网的建设选用4根50×50×5mm热镀锌角钢为垂直地极L=2.5米，以40×4mm热镀锌扁钢互连，地极埋地深度>0.7米。避雷针基座为500×500×60mm钢筋混凝土，由地网引两根40×4mm热镀锌扁钢与基座连接（连接处必须为焊接）。接地电阻小于参照GB 7450。
接地电阻要求小于4欧姆。
3.5软件
软件系统总体可以分为3个部分：即数据处理模块、数据传输与储存模块、数据分析模块。此三个部分是整个GNSS自动化监测系统的核心组成部分，它们之间相互独立又紧密关联与配合，而且所有操作完全是人工提前设定后由软件自动完成。
这三个模块具体配合流程为固定布置的传感器将监测数据调制成可传输的信号，根据传输的远近、所处的位置选择无线或有线的通讯方式，在数据采集工作站完成数据的自检和本地存储。并通过控制信号对参数配置和采样控制完成操作。
在数据进入处理服务器后，数据处理软件完成自动解算、平差等工作，数据分析和显示功能实现监测变形统计，并对数据进行评估和预警。
数据处理完成的同时将原始数据和解算结果存储到数据库，数据分析得到的预警信息、以及时间信息、健康状态等存储到数据库，数据库也为分析模块提供历史监测数据等信息供调用。
4结语
大坝变形监测采用GPS技术监测系统，能克服传统手段在变形监测方面所存在诸多缺陷或不足，具有监测精度高、自动化程度高、全天候、实时、连续、不受气候影响、不受通视条件影响等优点，已经被成功地应用到一些水库大坝，效果显著。户主水库大坝变形监测设施按此进行自动化升级改造后，将使大坝安全管理工作步入先进、科学、规范的轨道，也是水库实现国家级现代化规范管理单位的必要条件。
论文作者:位海洪
论文发表刊物:《防护工程》2018年第31期
论文发表时间:2019/1/13
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