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大坝安全监测系统


大坝安全监测系统支持高精度、中长基线解算、多系统联合解算、 GNSS各频率组合自动搜索解算,建立起大坝位移变化数据库,可为 分析大坝的变形趋势提供客观、精准的数据依据,为人民的生命、财产安全 保驾护航。

     大坝安全监测系统支持高精度、中长基线解算、多系统联合解算、 GNSS各频率组合自动搜索解算,建立起大坝位移变化数据库,可为 分析大坝的变形趋势提供客观、精准的数据依据,为人民的生命、财产安全 保驾护航。

中国北斗卫星导航系统(BeiDou Navigation Satellite System,BDS)是中国自行研制的全球卫星导航系统。是继美国全球定位系统(GPS)、俄罗斯格洛纳斯卫星导航系统(GLONASS)之后第三个成熟的卫星导航系统。

作为一种空间数据获取方法,卫星定位是现代测绘学科的代表技术之一。以GPS为代表的GNSS测量技术出现后,随即在变形监测领域得到了尝试和应用。

随着GNSS自动化形变监控系统的发展,以及GNSS系统精度进一步提高。GNSS系统开始逐步从平面监测向高程监测方向发展。同时,北斗作为我国自主研发、自主建设、独立运营的全球卫星导航系统,在变形监测领域也发挥了重要作用。

桥梁、大坝、滑坡等工程灾害虽然不像地震、洪水、海啸那样一发生就造成巨大人员伤亡和财产损失,但地震、洪水、海啸一般都是十几年,乃至几十年一遇,而工程灾害发生非常频繁,几乎每周一遇。从这个意义上讲,工程灾害的危害比地震灾害、洪水、海啸灾害等有过之而无不及。近年来,国内外水库大坝溃坝现象时有发生,水库大坝的安全尤为重要,及时对大坝的变形进行监测,如果坝体变形超过舍得安全允许时,及时报警,在大坝安全性保障方面显得十分重要。尤其在汛期和抵抗大的洪水的时候,将起到直接决定泄洪与否的决定性作用。因此为了准确预报工程灾害,到达减灾防灾的目的,必须对有可能带来灾害工程进行监测和预警。一般的方法是利用外观资料和引起外观位移的因变量等各种资料,进行综合分析,及时掌握其运营状态及变化趋势,在灾害未发生之前进行预警并采取相应的对策,从而保证建筑物的运行安全和保障人民的财产不受损失。

灾害监测的危害性和实时性,决定了需要一套在办公室就能自动获取各种变形监测数据,并实时对数据进行分析和预测预报的系统。那么这样的系统对仪器或监测技术提出更高要求,主要概括下面三点:自动化程度高,在天气恶劣条件下也能监测;实时获取变形,尽量在数据观测完后,就能够得到变形量;价格适宜,如果太高,不便于推广应用。

 

基于上述需求,同时,北斗变形监测系统已经在成本、精度和实时性等方面远远优于传统的变形监测方法。因此,理论上基于北斗的水库表面变形北斗监测系统可完全满足需求。本系统采用我国北斗卫星导航系统(BDS)和美国全球定位系统(GPS)双系统联合解算, 具有定位速度快、全天候、自动化、测站之间无需通视、可同时测定点的三位坐标及精度高等特点。通过精密解算获得的水平位移和垂直位移量可达到毫米级乃至亚毫米级的精度, 可对水库大坝较大变形进行预警, 为大坝的稳定性、安全性和防洪决策提供了科学依据。

设计原则

本系统应用北斗、GPS 实时监测技术对大坝变形进行监测并作精密解算,从而使水平位移和垂直位移量达到毫米级乃至亚毫米级精度。系统整体设计、关键部件研发、软件设计和系统整体测试方案均以此目标为核心,并综合考量系统稳定性、可靠性、易用性以及环境适应性。软件设计可充分满足实时数据处理要求,并达到标称精度。

                                                             图2.1 总体设计

本系统由数据采集、数据传输、数据处理与分析3大部分组成。数据采集为自主研发的北斗、GPS多模多频GNSS高精度监测型接收机(Mos-L300),数据传输采用无线通讯方式,数据处理与分析为自主研发的高精度实时变形监测系统监测软件(QGMOSV1.0)

监测软件可提供实时解以及准实时解等多种解算模式,每个监测点可同时输出实时解和3 hour、24 hour等准实时解,满足数据分析中对探测精度和稳定性等指标的要求。

1. 系统遵循科学可靠、结构合理、功能完善、经济适用的原则;

2. 紧密结合GNSS系统有关国家规范以及各行业规范,实现理论研究与工程实践的统一;

3. 采用目前国际上GNSS算法研究方面较先进的理论成果,提高数据处理方法的效率和精度,并保证监测系统精度满足应用需求;

4. 实现数据采集、处理、分析、输出、存储、报警全过程的自动化,可实现长期无人值守连续自动运行监测;

5. 系统通信网络及接口符合工程设计总体规划,便于扩展维护;系统功能丰富,可满足不同领域用户需求;

6. 人性化操作设计,保证软件操作的便捷及稳定。

水库表面变形北斗监测系统控制点包括两类:基准站和监测站。一般根据现有资料以及以往的建设经验进行布点设计。观测测站对于接收卫星信号的能力与测站周围的观测环境有较大关系,监测精度与观测时长息息相关。所以,在点位选择过程中,应综合考虑观测环境等因素,选择合适的环境与相应的设备。

4.1 基准站


                                                                图4.2 监测站

数据的采集

理论上大坝在短期的时间内的水平方向和垂直方向位移量为0,采用这种方法来测试北斗监测系统的稳定性,采用北斗变形监测系统某一监测点的数据进行稳定性分析,监测的数据为自定义站心坐标系,设定一段时间观测,主要分析内容为24小时解,3小时解,实时解。下面为采用实际项目监测点的数据分析。

数据分析

使用监测站前三天数据建立起始坐标基准点,第四天、第五天、第六天与前三天起始坐标进行比较,其24hour输出的位移量观测坐标水平变化小于1mm,垂直方向小于2mm。

分析结论

由采集数据分析得出结论为:以前三天数据为平均值做为监测点起始坐标,将后三天的数据与之比较,水平方向坐标变化范围为0.385mm,小于1mm,垂直方向坐标变化范围值为-0.840mm,小于2mm,满足设计要求,达到亚毫米级别。

结论

通过多个水库项目表面变形北斗监测系统试验,以及对设备自身、安装布设、电缆连接、系统采集等多方面进行考核,系统总体指标已达到国内外同等水平,系统的稳定性,可靠性优于国内同类水平。