摘要：介绍了三屯河水库大坝自动变形监测自动化在水库安全运行的实施效果与应用成效，以及在应用过程中的监测成果分析、所出现的问题及注意事项。大坝安全监测就是利用一切手段，确保大坝以较少的投入来保证长期、稳定、安全的运行，实现效益的最大化。
关键词：三屯河水库；大坝变形监测；位移；测点布置；监测分析；实施；应用
1工程概况
三屯河水库位于新疆维吾尔自治区昌吉市以南32公里的碾盘庄，地处天山北麓中段，准噶尔盆地南缘，属雨雪混合补给的山溪性河流。水库大坝主轴线为南北走向，水库大坝主要由浆砌石重力坝防水隧洞和溢洪道三部分组成。大坝总长274 m，其中主坝144m。最大坝高52.4米，顶宽6米，底宽58米。坝顶高程1039.79米，坝底高程986.5米，上游设有2米厚混凝土防渗墙一道,其上涂有一层防水材料聚胺脂。水库正常蓄水位1032.94m，相应库容2600万方；设计洪水位1036.94米，相应库容3355万方，校核洪水位1037.94m，相应库容3500万方，是一座以灌溉为主，结合防洪、发电等综合效益的中型山区拦河水库。
2自动变形监测在水库管理中的实施及应用
2.1大坝外部变形监测系统的构成
三屯河水库位移变形监测系统使用了电动电子全站仪装备的自动监测装置——TPS全站仪定位系统，其测量精度达到亚毫米级，能实时准确监测大坝位移变形情况系统构成.该系统主要由TCA2003型电子全站仪（即观测站）、基准点、变形点及控制机房组成。
全站仪使用瑞士徕卡公司生产的TCA2003仪器。基准点施测放样高程采用国家一等水准测量，平面控制采用国家精密工程二级测量。大坝外部变形系统控制网坐标系建立在大坝主轴线上，垂直大坝主轴向下游为X轴正方向（即纵向水平位移），平行大坝主轴线向右岸为Y轴正方向（即横向水平位移），铅垂向上为Z轴正方向（即垂直位移）。基准点和变形点上安设反射圆棱镜，相对于基准网，对各变形点在其控制网内的变化情况实施监测。
TCA2003型电子全站仪是一种能代替人进行自动搜索、跟踪、辩识和精确照准目标并获取角度、距离、三维坐标以及影象等信息的智能型电子全站仪，TCA2003型电子全站仪工作时对基准点、变形点进行识别，迅速做出分析、判断与推理，实现自我控制并自动完成照准、读数等操作。大坝外部监测系统对各监测点进行每天12时监测一次，用APS软件所记录的原始数据，后期对数据进行差分处理，确保大坝位移数据的连续性由瑞士徕卡公司出品，有集成马达驱动、视频成像系统，并配置智能化的控制及应用软件。TCA2003全站仪在水库大坝外部变形监测中发挥着先进、准确的测量作用。及时了解掌握大坝的实际运行状态，掌握了水库大坝在某水位、温度下的位移及应力变化，为判断大坝安全提供必要的信息，TCA2003型电子全站仪工作时对基准点、变形点进行识别，迅速做出分析、判断与推理，实现自我控制并自动完成照准、读数等操作，对水库大坝安全分析起到重要的作用，为水库管理工作提供可靠的依据。在今后的水库管理工作和大坝安全监测工作中及时发现、解决问题，使水库大坝安全运行、水库管理工作发挥更大的作用。
2.2系统的测点布设
大坝外部变形监测系统由3个基准点、1个监测站、7个变形点和中央控制机房组成。基准点、变形点使用瑞士徕卡公司的反光镜系统，在坝体变形区以外的基岩上建立3个基准点，在坝体上安置7个变形点，每个点上配有一套对准监测站的反射单棱镜。3个基准点分别设在大坝两侧山体基岩上，其中JZ1和JZ2布设在大坝的上游，JZ3布设在大坝下游。监测站基JZ0在大坝下游，并做为TCA测量机器人的位置点。7个变形点分别布设在大坝坝体上，在1031米平台上有4个，1020米马道上有3个，其中S1、S2、S3设在大坝高程1020.0m马道上，S4、S5、S6、S7设在高程1031.0m坝顶平台上。上述4个点（JZ0、JZ1、JZ2、JZ3）构成一个多边形，覆盖整个坝区，面积约为120m×320m,在控制机房计算机的控制下，通过测量机器人自动照准测距、测角，对基准点、变形观测点的变化来实施大坝位移监测。观测点和三个基准点（JZ1、JZ2、JZ3）组成一个覆盖各变形点（S1——S7）的多边形监测基准网。三屯河水库大坝外部变形监测网测点分布。（如图3）
图3 大坝外部变形观测系统测点布设
2.3 系统控制网坐标系
根据三屯河水库大坝周围的地貌、地形以及大坝的位置，将大坝外部变形监测系统控制网坐标系建立在大坝主轴线上，以监测站为坐标中心点，垂直主轴（即顺河向水平位移）向下游为X轴正向;平行大坝主轴线向右岸为Y轴正向（横河向水平位移）;铅垂向上为Z轴正向（垂直位移）。大坝外部变形系统从1999年11月8日12时正式开始运行，并将该时各测点的测值定为基准值。
2.4系统软件
大坝外部变形监测使用APSWIN1.41数集采集软件，该软件在TCA测量机器人上建立实测大坝外形监测网工作基点及各监测点的概略坐标数集库，当TCA测量机器人安置在测站点上并完成起始方向和度盘定向后，仪器按APSWIN1.41软件预先在该点设定的观测点集、观测顺序以及规定的等级测回数，依次对观测目标进行自动搜索，锁定目标，并测角、测边，TCA测量机器人实时地将观测结果记录到计算机硬盘相关目录下，并将采集的数据与设置的各项规范限差自动对比，当出现超限值时便自动报警，再以人工方式干预返工重测，最终可获得合格的外业观测数据文件。开发挂靠软件MRDiff实时多重差分平滑改正软件对于新疆的低温、高温，高海拔和气候造成的系统误差影响进行实时差分改正。开始监测时，照准JZ1，水平角归零后，启动TCA2003全站仪内置自动监测程序，即可实现对观测点的自动找点（10个点）、自动测量、自动发送、自动结束。按极坐标的方式采集目标点，水平角、垂直角、斜距等测值传送到监控室，由报表软件DyRep动态三维报表,并可输入水位、温度、风力风向，生成相关曲线。
2.5外部变形监测初步成果分析
三屯河水库大坝外部变形主要是通过TCA测量机器人对坝体上变形监测点在不同的库水位、水压力、温度等外界因素影响下，实施顺河向水平位移、横河向水平位移、垂直位移的监测，了解大坝外部变形情况，为水库大坝安全运行提供依据。
大坝外部监测系统对各监测点进行每小时观测一次，全年运行8760次，确保大坝位移数据的连续性。(见表1)
表1 观测点位移特征值一览表
单位：mm
注：纵向为垂直坝体上游指向下游；横向为大坝右岸指向左岸；垂向表示坝顶指向坝底。
（1）坝体顺河向水平位移
依据水库大坝安全管理规范和除险加固工程技术要求，通过几年实测资料各观测点的位移特征值进行初步的比较、综合对比分析，坝体顺河向水平位移主要受库水位的变化影响，当库水位升高时，坝体上变形点位移值均为正数，坝体向下游位移;库水位降低时，变形点位移值为负数，坝体向上游位移。气温变化对坝体位移也有一定的影响，但影响甚微，表现在气温升高，坝体向上游位移；气温降低时，坝体向下游位移。其变化特征符合坝体的变化规律。因为当库水位升高时，坝体承受的水平方向的静水压力增大，使得坝体向下游方向位移，由于受基础的约束作用，坝顶的位移量较坝腰的位移量大。在同一坝段上，靠上部的测点位移较下部分移量大。其变化特征符合坝体的变化规律。
观测资料成果表明，坝体左右岸方向水平位移也受库水位和温度变化的影响。气温升高时，坝体向右岸位移；气温降低时，坝体向左岸位移；库水位升高时,坝体向右岸位移,库水位降低时,坝体向左岸位移,且坝体中部的测点较两侧测点的位移大。
（2）坝体垂直位移
通过对坝体上7个变形点垂直位移量与库水位和气温分别进行相关分析，坝体垂直方向也受库水位和气温的变化影响，但不明显，库水位升高时，扬压力值增大，坝体向上位移,否则反之。其结果表明库水位变化对垂直位移影响不明显。只有气温变化对S2点有微小影响，其变化规律不明显。气温对其他各测点的垂直位移变化没有明显的影响。
2.6应用分析结果
通过对水库大坝外部变形监测资料的分析，其成果较好地反映了水库在两次蓄放过程中，在最高水位1034.70m与最低水位1002.50m，约32.2m水头高差之内的大坝变形情况，并得出如下结果：坝体顺河向水平位移受库水位的影响，库水位升高，坝体向下游位移;库水位降低，坝体向上游位移;气温变化对坝体横向位移有一定影响，横河向位移趋向左岸;垂直位移变化与库水位、气温无明显的对应关系，大坝总的变形量较小。以上大坝变形监测成果表明，位移变化特征是合理的，符合坝体的变化规律，说明了在水库大坝除险加固后，强度明显提高，刚度增大，大坝变形量较小，各方向位移量的最大变幅一般在5.0mm以下，沉降量一般在3.0mm以下，均满足设计要求。
3应用成效
三屯河水库大坝是在运行一定时间后实现大坝监测自动化的，采用先进的TCA测量机器人对大坝实施变形监测几年来，对水库管理工作起到了积极的先导作用，使水库工程管理工作起到了积极的先导作用，使水库工程管理走上了一个新的台阶，并获得了良好的成效。此技术填补了水库大坝无原型监测系统的空白，实现了水库大坝外部变形监测自动化，改变了水库大坝管理现状，提高了科学技术应用含量，为水库大坝安全运行、调蓄控制提供了保障和科学依据，对水库管理具有重大的现实意义，同时也为水库带来了良好的经济效益。但是大坝变形只能反映位移量，不能反映坝体的应力变化情况，应对软件系统进行进一步完善。因水库大坝地处山区，在严寒的冬季受风、雪和低气温的影响，对采用双层玻璃的观测房带来了不利因素，使观测房正面和两侧玻璃外部产生雾气和薄冰，使测量机器人无法搜索到目标，观测仪无法照准监测点，从而造成变形监测中断。现采用人工辅助办法在观测房内以电热器供热保温措施后，观测房玻璃产生内热外冷，从而造成玻璃裂缝现象的发生，建议用其它透明材料更换玻璃，以满足冬季监测的需要，保证监测数据的完整延续。
4结语
利用TPS全站仪定位系统组成的监控网位移监测系统，为三屯河水库大坝提供了实时、准确、完整的观测资料，为大坝安全运行提供了数据支持。我们要实现水库大坝安全监测的自动化，还应该进一步实现集水情、工情和闸门监控于一体的自动化监控系统，为水库更科学的调度提供决策依据。水库大坝外部变形监测系统的应用，开辟了测量界新的应用前景，使测量工作变得更快、更轻松。 让自动监测系统真正为水库大坝安全运行、水库管理工作发挥作用。
参考文献：
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［2］方卫华.对大坝安全监测的几点认识.大坝与安全,2004（6）26-28
［3］李小平,周启,卢德军. 新疆三屯河水库大坝安全监测成果分析.人民长江,2003,34（12）39-41
论文作者:陈艳
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第17期
论文发表时间:2017/11/21
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