GNSS系统在百色水利枢纽变形监测中的应用

王 伟 马建新 周少良

(广西右江水利开发有限责任公司，广西 南宁 530000)

GNSS(全球导航卫星系统)监测系统依托GPS、北斗等空间卫星系统，结合地面监控部分和用户监测部分，可实现对地面建筑物进行全天候、连续性、实时性的监测[1-2]。经过多年发展，GNSS静态相对定位精度已提高到毫米级甚至亚毫米级，能满足工程变形监测要求[3-4]。该系统在我国大坝变形监测中已有较多应用，例如清江隔河岩大坝、龙江水电站等[5-8]。为适应新时代水利行业发展要求，百色水利枢纽在安全监测系统升级改造中，首次采用了GNSS外部变形自动化监测系统。

百色水利枢纽工程位于广西百色市右江干流，坝址距离广西百色市约22km，总库容56.6亿m3，防洪库容16.4亿m3，死库容21.8亿m3；正常蓄水位228.00m，汛限水位214.00m，死水位203.00m。工程是以防洪为主,兼具发电、灌溉、供水、航运等综合利用的大型水利枢纽。枢纽工程由主坝、地下发电厂房、副坝和通航建筑物等四部分组成。主坝为全断面碾压混凝土(RCC)重力坝，坝顶高程234m，坝顶总长720m，最大坝高130m。地下发电厂房布置在左岸，由主机洞、交通洞、通风疏散洞等建筑物组成。副坝包括银屯、香屯两座副坝，为均质土坝，坝顶高程为235.0m，坝顶宽8.0m，其中银屯最大坝高39m，坝顶长375m；香屯副坝最大坝高26m，坝顶长96m。通航建筑物一期工程已完成上游引航道部分。工程于2001年10月开工建设，2005年8月下闸蓄水，2006年12月4台机组全部投产发电，2016年12月通过竣工验收。

百色水利枢纽安全监测系统在建设时对厂房边坡、副坝等建筑物的外部变形监测采用人工测量的手段，而人工测量需要一支一定数量的专业测量团队来定期完成，会存在测量周期长、数据不连续等问题，在发生地震、强降雨时不能及时获取数据，影响对建筑物安全状况的判断。本次安全监测系统升级改造，在厂房边坡、副坝和汪甸防护堤实施GNSS外部变形自动化监测，可提高工作效率，实现高精度、全天候动态监测，及时掌握建筑物的运行状况。

1 GNSS自动化监测系统建设

1.1 监测建筑物概况

厂房布置在坝址左岸，厂房边坡分为进水口边坡和尾水渠边坡。进水口边坡位于左岸坝轴线上游52～122m的斜坡处，坡底高程174m，坡顶高程约284m，坡高达110m，开挖边坡1∶1.0～1∶2.0，进水口边坡监测包括边坡表面变形、岩体内部变形、边坡渗透水压力、边坡支护锚索应力、进水塔与洞睑边坡接触面的开合度、进水塔基础变形等，共布设15个水平位移观测点、19个垂直位移观测点、11个测斜管、4只测缝计、7套多点位移计、4套基岩变形计、8只温度计、5套锚索测力计、10只渗压计。尾水渠边坡在137m高程处设有进厂公路，将边坡分成上下两段，坡底高程105.5～114.5m，最大坡高约72m，尾水渠边坡监测包括边坡表面变形、岩体内部变形、边坡支护锚索应力，共布设9个表面变形观测点、6个测斜管、7套锚索测力计。

副坝包括银屯和香屯两座，都为均质土坝，其中银屯副坝监测包括坝体表面变形和渗流渗压，共布设19个变形测点、10个内埋渗压计、20个测压管、2个量水堰；香屯副坝监测包括坝体表面变形和渗流渗压，共布设8个变形测点、5个内埋渗压计、11个测压管、1个量水堰。

汪甸防护堤位于水库支流乐里河左岸汪甸乡政府后汪桐片一带，地面高程为220m～231m，地层由上至下主要分布有粉质黏土、含泥漂卵石和砂岩、泥岩。防护工程采用半填半防方案进行防护，西片抬填区高程为229.5m，东片围护区防护堤长1182.9m，防护堤为均质土堤，堤顶高程229.5m，堤顶宽13.5m，堤长约1.2km，设计防洪标准为20年一遇。原设计只对堤内的渗流进行监测，在堤内填高区垂直于堤轴线方向设置4个监测断面，安装测压管12个。本次升级改造增加堤顶表面变形监测，共增加变形观测点5个。

1.2 GNSS系统情况

1.2.1 接收机

GNSS接收机以Linux系统作为开发平台，支持二次开发；定位精度可达毫米级；工作温度-30～65℃；支持全网能通4G LTE通信模块和WebUI，并且支持WIFI自组网；典型环境下，内置电池可连续运行超过30小时，保证了在临时断电情况下正常工作；设备具有IP68等级的工业防护等级，能够确保接收机在暴雨等极端天气条件下的稳定、精确运行；支持BeiDou、GPS、GLONASS、Galileo全星座全频点接收信号，特别新加入北斗三号信号体制，实现定位精度的提升。

北斗三号卫星导航系统于2020年7月正式开通，标志着北斗全球卫星导航系统全面建成，可以无缝覆盖我国全部国土和周边海域。北斗三号卫星系统是由3类轨道卫星组成的混合星座，3颗卫星部署在地球同步轨道(Geosynchronous orbit,GEO)，轨道高度为35786km，轨道周期约24h；3颗卫星部署在地球倾斜同步轨道(Inclined geosynchronous orbit,IGSO)，分布在3个轨道面，且轨道面与赤道面夹角55°，轨道高度和周期同GEO轨道，轨道面间相距120°，每个轨道面部署1颗卫星；24颗卫星部署在中圆地球轨道(Medium earth orbit, MEO)，分布在3个轨道面，轨道面与赤道面夹角55°，轨道高度21528km，轨道面间相距120°，每个轨道面部署8颗卫星。这3类轨道卫星(3GEO+3IGSO+24MEO)组成的混合星座是我国在自主独立发展历程中形成的独特设计[9]。北斗系统的基本导航定位授时服务在全球范围提供定位、测速和授时服务，空间信号精度优于0.5m，授时精度优于20ns；北斗通过地球静止轨道卫星向用户播发星历误差、卫星钟差、电离层延迟等多种修正信息，实现导航定位精度的提升和完好性报警信息的快速播发[10]。

1.2.2 管理软件

GeoMS监测服务管理软件，提供GNSS终端接入、数据中转、状态监控、远程升级和管理等服务，该软件部署在服务器上，只需在设备部署时配置好云端IP地址和端口，即可实现在设备与云端之间建立安全可靠的双向连接，提供设备到云端的数据上报以及云端到设备指令下发的稳定通道。GeoMS可同时支持接收机前端解算和软件后台解算两种模式。同时支持多解算项目管理、自适应解算模式、静态/高频动态、设备状态监控、远程配置管理、多参数相互检校、基站变化定期检校、传感器接入管理、解算结果转发、多种滤波算法保证解算结果等强大的功能。GeoMS可对接收机进行远程控制，按既定的程序进行自动应急处理，并实现可视化、数字化分析结果的24小时不间断运行。后续，GeoMS解算后的监测点准确位移数据将接入百色水利枢纽安全监测管理平台，实现与大坝、厂房的安全监测系统统一管理。

1.3 GNSS监测点布置

《全球定位系统(GPS)测量规范》对基准点与监测点的选取有一定要求，包括便于安置接收机，视野开阔；远离大功率无线电发射源，距离不小于200m；远离高压输电线传送通道，距离不小于50m；地面基础稳定，易于标石的长期保存等。以下建筑物GNSS基准点与监测点的选取即依据上述原则。

1.3.1 厂房监测点布置

在厂房边坡外部变形监测中，由于在建设期已布置有外部变形监测墩，只是一直采用人工测量获取数据，现可结合布置GNSS测点。为形成系统的观测数据，在厂房进水口边坡选取5个监测点(JM9、JM10、JM11、JM12、JM15)，在厂房尾水渠边坡选取5个监测点(LR2、LR3、LR4、LR5、LR6)，选取工作基点P111作为基准点。所有测点均在原有监测墩上直接安装GNSS接收机。监测点的详细布置见图1、图2。

图1 厂房进水口边坡监测点布置

图2 厂房尾水渠边坡监测点布置

1.3.2 副坝监测点布置

在副坝外部变形监测中，建设期已布置有外部变形监测墩，可结合布置GNSS测点。在银屯副坝中，选取位于坝前的B1～B6和坝顶的B7～B12，共12个监测点，选取工作基点GJ3作为基准点。在香屯副坝中，选取位于坝前的B1～B3和坝顶的B4～B6，共6个监测点，选取工作基点XJ2作为基准点。所有测点均在原有监测墩上直接安装GNSS接收机。监测点的详细布置见图3、图4。

图3 银屯副坝监测点布置

图4 香屯副坝监测点布置

1.3.3 汪甸监测点布置

在汪甸防护堤外部变形监测中，布置基准点1个，位于堤身范围外，又未远离堤身处。布置监测点5个，其中4个监测点是结合已有的4个监测断面补充的堤身表面变形监测，1个监测点布置在原决口封堵区段，所有监测点均布置在堤顶，与堤轴线平行，靠近防浪墙。基准点与监测点均为新增，采用在指定位置立杆安装GNSS接收机的方式。具体测点安设方案：在指定位置开挖深度宽度均不小于1m的深坑，浇筑边长不小于60cm的混凝土立方块，与原地面齐平，待混凝土充分硬化后在其上安装2.5m镀锌钢管，在钢管顶部固定放置GNSS接收机，完成测点布置。监测点的详细布置见图5。

图5 汪甸防护堤监测点布置

1.4 GNSS供电与通信

1.4.1 GNSS供电系统

根据监测点位置的分布特点，采取适宜的供电方式。厂房进水口边坡5个监测点均在234m高程以上，从位于坝顶的主坝数据中心供电；厂房尾水渠边坡5个监测点和基准点组成同一线路较为方便，且靠近下游138m高程廊道出口，从138m高程廊道的电梯井处供电。由于银屯副坝和香屯副坝观测房靠近大坝，且长期有市电，从观测房引出电源线给所有监测点和基准点供电。汪甸防护堤观测房有长期稳定市电，且监测点都在堤顶，基准点在观测房不远处，均采用观测房供电。所有监测点和基准点均配有单相电源防雷器，可吸收、消耗或泄放浪涌电流，起到对系统的保护作用。具体的供电走线可参见图1～图5中红色的线路。

1.4.2 GNSS通信系统

在厂房边坡、副坝、汪甸防护堤的监测中均采用8芯铠装光缆实现监测点与数据中心或交换机进行通信。厂房进水口边坡和尾水渠边坡从每个监测点和基准点引光缆至主坝数据中心机房，光转网后与服务器连接通信。银屯副坝和香屯副坝则从每个监测点和基准点引光缆至副坝观测房交换机，再通过专用数据链路将原始数据传送至主坝数据中心服务器，软件接收数据后进行解算。汪甸的通信方式与副坝相同。所有监测点和基准点均配有千兆网络防雷器，保护网络设备不受雷击破坏。光缆走线与供电线路同向敷设。网络拓扑图详见图6。

图6 GNSS系统网络拓扑图

1.5 GNSS自动化测量

完成现场监测点和基准点的布置安装，供电与通信正常，给每个GNSS接收机配置固定IP地址，在服务器上安装GeoMS软件，在软件内对所有测点进行正确配置，测试、调试成功，即可实现自动化测量。基本工作原理为：各监测点与基准点GNSS接收机同步接收卫星信号，GNSS接收机通过有线网络将原始观测数据分别发送到服务器，服务器上的解算软件GeoMS进行基线解算，生成解算结果，计算出监测点的水平位移和垂直位移。

2 初步成果分析

厂房边坡、副坝和汪甸防护堤外部变形自动化升级改造完成后，GNSS系统整体运行稳定，能够正常接收数据、解算，GeoMS软件采用双周期解算模式，解算数据周期6小时/组，能正常接收37个监测点的原始数据，并解算得出位移变化量。大部分测点数据成果水平位移精度达到±2.5mm，垂直位移精度达到±5mm,满足精度要求，实现了外部变形监测自动化。后续将结合库水位变化，对长周期的数据变化规律做进一步分析。

3 结 语

通过对百色水利枢纽厂房边坡、副坝和汪甸防护堤外部变形监测系统进行自动化升级改造，减少了人员投入，提高了在地震、强降雨等特殊工况下及时获取数据的能力。监测对象包含了山体高边坡、土坝和堤防，这种对不同位置、不同特征的建筑物开展GNSS外部变形自动化监测的方式，可为其他工程外部变形监测改造或设计提供参考。