GNSS自动化系统在锦屏一级水电站拱坝监测中的应用

GNSS自动化系统在锦屏一级水电站拱坝监测中的应用

田超何金莲邓中海

中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司四川成都610072

摘要：目前国内部分工程已经利用GNSS测量技术，对建筑物、工程边坡、自然边坡等进行动态实时监测，但由于前期GNSS监测系统未达到水电站混凝土拱坝高精度变形监测要求。文章以锦屏一级拱坝GNSS自动化监测项目为依托，介绍了锦屏一级GNSS监测系统布置情况，GNSS自动化监测系统产品优势及库水位变化对坝体影响的数据对比分析，所得GNSS观测成果与大坝垂线系统吻合度较高，证明GNSS监测精度目前满足混凝土重力拱坝高精度变形监测要求，值得推广使用。

关键词：GNSS自动化监测系统；验证；锦屏一级

1工程概况

锦屏一级水电站工程是雅砻江干流近期开发的大型水电工程之一，该工程以发电为主。

锦屏一级水电站位于四川省凉山彝族自治州盐源县和木里县境内，电站装机容量3600MW，保证出力1086MW，多年平均年发电量166.2亿kW•h，年利用小时数4616h。大坝为世界第一高拱坝，坝高305m，水库正常蓄水位1880m，死水位1800m，正常蓄水位以下库容77.6亿m3，调节库容49.1亿m3，属年调节水库。雅砻江锦屏一级水电站是以发电为主的大型水电工程，工程主要由混凝土双曲拱坝与坝后水垫塘、右岸1条有压接无压泄洪洞及右岸中部厂房等组成。

锦屏一级水电站拱坝GNSS监测系统主要由数据采集单元、数据传输单元、数据处理单元构成。数据采集单元跟踪北斗/GPS卫星并实时采集数据，采集的数据经过打包，经无线网桥和光纤网络传输至监测中心，监测中心软件对数据进行处理和分析，实现对各监测区域的位移监测。

2锦屏一级大坝GNSS监测系统及垂线系统布置

锦屏一级大坝坝顶共布置8个GNSS监测点，分布布置在大坝坝顶下游侧1号、5号、9号、11号、13号、16号、19号、23号坝段，在大坝右岸EL.1960m缆机平台布置了1个GNSS基准测点，测点采用3mm镀锌钢管进行固定（详见图1）。

大坝共布置了倒垂线13条，正垂线40条，分布布置在大坝坝体1号、5号、9号、11号、13号、16号、19号、23号坝段（详见图2），

图1大坝坝顶GNSS监测布置图

3大坝GNSS监测系统组网

大坝坝顶监测站采用市电供电和无线网桥传输，通过无限网桥传输至大坝坝顶控制楼，进入锦屏一级水电站光纤环网传输至锦屏建设管理局服务器，最后进行数据结算等工作。监测站包括的设备有：GNSS接收机、GNSS天线、无线网桥、AC/DC电源转换模块、避雷器、空气开关及配套线路等（详见图3~4）。

4GNSS自动化监测系统产品优势

锦屏一级水电站拱坝GNSS自动化监测系统采用了北斗星通设备，该套系统主要的核心在GNSS接收机和数据解算软件，GNSS接收机是北斗星通自主研发了北斗天璇M6200型GNSS接收机，该产品是北斗星通新一代支持“北斗+GPS”高精度位移监测接收机产品，该接收机采用具有国内完全自主知识产权的、经过市场充分验证的、多系统多频率高性能ASIC芯片，可提供毫米级的载波相位观测值，大容量存储、多个通讯接口和多种传输协议，适用于位移监测、测绘、气象、地震、科学研究和其他高精度测量定位的应用领域。

为了获得更高精度、更可靠的监测数据，在传统的解算过程中增加了应用性、先进性较强的衰减记忆卡尔曼滤波算法、Helmert转换算法等。

在GNSS基线解算中采用Kalman滤波，Helmert转换，衰减记忆滤波等技术保证解算结果的精度和有效性。Kalman是在估计值与观测值残差基础上进行的剔除算法，不受观测值数目的影响，Kalman滤波算法在剔除错误观测值的同时，根据系统模型能估算出变形量的估计值，而不是简单的丢弃数据，这一点是其他异常数据剔除算法无法完成的。

另外，针对缓慢变形的边坡上对应的监测点，使用衰减记忆滤波的方法进行日变形量的计算，这种方法的好处是不仅提高了变形量统计的精度，而且不像均值滤波等方法那样造成变形结果相位的明显滞后。

通过对比，可以发现，正倒垂系统观测成果与GNSS监测成果变形规律一致，量值大小相当，符合库水位对坝体影响规律，达到很好效果。

6结语

目前GNSS监测系统在锦屏一级水电站正常运行近1年时间，各测点变形与大坝垂线系统变形成果趋势一致，能够准确反映大坝变形与库水位变化相关的客观规律，验证了北斗星通GNSS自动化监测系统精度满足混凝土拱坝高精度监测变形监测要求，该监测技术大大提高了监测数据的实时性、减少了现场监测人员的工作量，保障了监测人员的人身安全，并且大大降低了监测成本，本文建议将GNSS自动化监测系统推广使用。

作者简介

田超（1988-），男，湖北宜昌人，助理工程师，主要从事水电站大坝安全监测工作。