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。