激光/GNSS自動化變形沉降監(jiān)測系統(tǒng)
該大壩安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)監(jiān)測項目包括:壩體變形監(jiān)測、邊坡監(jiān)測以及環(huán)境監(jiān)測等子系統(tǒng)，主要由監(jiān)測儀器（傳感器）、監(jiān)測數據采集系統(tǒng)（包括自動化數據采集監(jiān)測子系統(tǒng)和電子化人工巡檢養(yǎng)護管理子系統(tǒng)）、監(jiān)測數據管理系統(tǒng)、安全預警評估系統(tǒng)與用戶界面系統(tǒng)等五大部分組成。
系統(tǒng)采用相對測量與測量相結合的方式對大壩及近壩岸坡進行整體監(jiān)測，利用了具有自主知識產權的環(huán)柵激光準直技術、激光自動安平補償技術、激光環(huán)柵光斑CCD圖像識別技術、高精度北斗/GPS雙頻接收機等多項新技術。
其中壩體監(jiān)測又包括壩頂水平/垂直監(jiān)測、壩頂北斗/GPS三維位移監(jiān)測、壩體滲漏及環(huán)境量監(jiān)測三個子系統(tǒng)，其他上下游水位、降雨量、氣溫等環(huán)境量監(jiān)測資料可利用水情測報系統(tǒng)監(jiān)測資料通過監(jiān)測信息管理系統(tǒng)實現(xiàn)數據共享。
一、壩頂水平/垂直監(jiān)測子系統(tǒng)
采用環(huán)柵激光準直和激光環(huán)柵光斑CCD圖像識別兩項技術，利用激光長弦弦測法實現(xiàn)對壩頂監(jiān)測點水平和垂直位移的同時監(jiān)測，具有精度高、監(jiān)測速度快、故障率低、結構簡單、便于維護等特點。
1.測量原理
從激光發(fā)射端射出一條有明暗相間的同心環(huán)組成的高精度準直激光束，不同距離光斑圖像如下圖所示：
激光束依次穿過在各監(jiān)測點處安裝的CCD數字接收靶，由數字接收靶對光斑圖像識別并計算光斑中心（x，y），并和初始值比較可得到水平位移垂直位移，水平位移計算方法如下：
2.系統(tǒng)組成
激光水準監(jiān)測儀2臺
激光環(huán)柵準直光源1臺
監(jiān)測點CCD數字接收靶3個
基準端CCD數字接收靶3個
3.主要技術指標
CCD數字接收靶分辨率0.01mm，精度±0.05mm。激光位移監(jiān)測系統(tǒng)觀測精度0.6mm，自動觀測一次時間2min。*《大壩安全監(jiān)測自動化技術規(guī)范》（DL/T 5211-2005）、《混凝土壩安全監(jiān)測技術規(guī)范》（DL/T 5178-2003）及《土石壩安全監(jiān)測技術規(guī)范》（SL 60-1994）的要求。
4.系統(tǒng)軟件
5.根據壩頂位移實測數據，繪制的位移過程曲線如下圖所示：
二、壩體GNSS三維位移監(jiān)測子系統(tǒng)
隨著GPS系統(tǒng)的完善以及我國北斗二代系統(tǒng)組網完成，北斗/GPS/GLONASS三系統(tǒng)接收機已成功商用，目前北斗/GPS可用于精密變形監(jiān)測，且將逐步取代常規(guī)的測量方法，這是精密變形監(jiān)測領域的一次技術革命。采用我國自主知識產權的北斗/GPS接收機是國家重大基礎設施安全的保障。
北斗/GPS自動化監(jiān)測方案原理是利用北斗/GPS載波相位高精度相對定位進行三維定位。利用精密星歷及與清華大學聯(lián)合研制的軟件采用二小時雙頻北斗/GPS接收機觀測數據解算精度可達毫米級。
1.測量原理
在壩坡上堅固的地點建立1個基準站，安放高精度北斗/GPS雙頻接收機，接收機信號通過光纖或專用數字通信網定時傳送到監(jiān)測中心。在壩頂位移待測監(jiān)測點上安放北斗/GPS高精度雙頻接收機。監(jiān)測接收機信號通過光纖或專用數字通信網定時送到監(jiān)測中心。監(jiān)測中心收到基準站和監(jiān)測站信息利用北斗/GPS高精度基線處理軟件進行解算，求出基準站與監(jiān)測站之間的坐標差。該結果是WGS-84地心坐標系統(tǒng)下的坐標差。不同時間測出的坐標差變化，反映了監(jiān)測點的三維形變。
2.系統(tǒng)組成
1)北斗/GPS基準站、監(jiān)測站
北斗/GPS基準站接收北斗/GPS衛(wèi)星信號用于基線解算基準。監(jiān)測站放在位移點上，接收北斗/GPS衛(wèi)星信號，通過與基準站相對定位可測定位移點的變形。
本系統(tǒng)共用4臺高精度北斗/GPS接收機，其中1臺基準站，3臺監(jiān)測站。主壩上安裝2臺監(jiān)測站，副壩上安裝1臺監(jiān)測站，水庫管理處安裝1臺基準站。
2)無線通信網
無線通信網作用：將基準站、監(jiān)測站接收的北斗/GPS衛(wèi)星信號實時傳到中心站。中心站通過通信網監(jiān)測基準站、監(jiān)測站的工作狀況；并向基準站、監(jiān)測站發(fā)出監(jiān)控命令。
中心站功能：
A、負責整個系統(tǒng)管理，監(jiān)測基準站、監(jiān)測站北斗/GPS接收機工作狀況；對基準站、監(jiān)測站接收機發(fā)出控制指令及設置工作參數。
B、實時采集基準站和監(jiān)測站北斗/GPS接收機觀測原始數據，
C、按設定時間從數據庫中自動提取相應基準站和監(jiān)測站數據，數據處理中心自動解算監(jiān)測點三維坐標。
D、對數據處理中心解算結果實時進行分折，繪制各監(jiān)測點位移變化時程曲線及沉降變化曲線。對監(jiān)測點變形進行分析，對變形大的超限點進行報警。
3.系統(tǒng)精度
系統(tǒng)輸出的變形量精度：24小時解小于1mm，4小時解小于3mm。
4.數據分析
分析監(jiān)測資料的準確性、可靠性和精度
分析監(jiān)測量隨時間或空間而變化的規(guī)律
判別監(jiān)測量的異常值
分析監(jiān)測量變化規(guī)律的穩(wěn)定性
應用數學模型進行分析，必要時提出或調整監(jiān)控指標
分析壩體結構的整體性、穩(wěn)定性以及防滲排水設施的效能
評估大壩的工作狀態(tài)
根據監(jiān)測數據繪制位移過程曲線如下圖：
運行期，數學模型中一般包括水壓分量、溫度分量和時效分量三個部分。時效分量的變化形態(tài)是評價效應量正常與否的重要依據。下圖為時效分量的三種形態(tài)，代表三種工作狀態(tài)。
5.系統(tǒng)特點
北斗/GPS技術用于大壩外觀變形監(jiān)測和滑坡監(jiān)測是*可行的，與常規(guī)監(jiān)測方法相比，具有以下優(yōu)點：
可實現(xiàn)全天候監(jiān)測，監(jiān)測時間同步。
監(jiān)測精度高，精度可達1毫米，可滿足大壩位移監(jiān)測要求。
可以連續(xù)長期觀測使用，使用壽命長。
觀測結果是數字成果，可使監(jiān)測全過程實現(xiàn)自動化。
可同時測定三維位移。
可極大地提高生產效率，降低人力、物力、財力的消耗。
三、壩體滲漏及環(huán)境量監(jiān)測子系統(tǒng)
1.滲漏監(jiān)測子系統(tǒng)布置位置及其儀器工作原理
監(jiān)測數據自動采集：滲壓計、雨量計、水溫計、上下游水位計、等各種傳感器采取自動監(jiān)測（自報式）和強制監(jiān)測（應答式）的方式進行巡測、選測和人工測量。
數據通訊：測控單元與工作站之間具有雙向通訊功能。
數據分析和管理：對監(jiān)測數據進行顯示、存貯和打印，建立工程檔案，并實現(xiàn)在線處理和離線處理，及時制成圖表，對工程性態(tài)進行分析和安全評估。
2.滲漏量的觀測：滲漏量反映壩身整體性，壩縫止水結構及防滲帷幕的工作狀態(tài)，對了解大壩的運行狀態(tài)有重要的意義，結合水庫的實際滲流情況布設兩個測點，采用量水堰對壩后集水井進行測量，即在主壩后集水井各設一量水堰，采用超聲波水位計測量堰上水頭，從而得出滲漏量。本系統(tǒng)安裝1個滲漏量觀測儀。
3.雨量計：設置在大壩管理中房頂設置一個翻斗式雨量計，工作原理是：當下雨時就翻斗轉一次，關閉磁性開關給MCU一個脈沖的信號，那么MCU計下每次脈沖的信號變成雨量。本系統(tǒng)安裝1個雨量計。
4.壩體滲漏壓力的監(jiān)測：滲漏壓力觀測采用振弦式滲壓計觀測，滲壓計的傳感元件是一根附在膜上的鋼琴弦，它由繞組磁鐵激勵作用在膜上的壓力來改變弦的壓力，張力與鋼弦共振或自然頻率成比例，通過頻率信號測量再轉換成水壓力數據量。本系統(tǒng)共布置20個滲壓計，具體見CAD平面圖。
5.布置2個水溫計。
6.布置2個水位計。
四、視頻監(jiān)測子系統(tǒng)
分別在主壩和副壩上各安裝兩個視頻攝像機，可以24小時對閘門、溢流道、壩體做視頻監(jiān)測，同時起到對壩體監(jiān)測設備的安全監(jiān)測功能。
