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技术专访 第二十三期 | 回顾经典,我国第一套大坝外观变形监测系统 ...

2019-9-23 16:01

隔河岩大坝外观GPS自动化监测系统作为我国第一套大坝外观变形监测系统,为我国大坝外观变形监测的自动化做了创造性的贡献。

编前语

隔河岩大坝外观GPS自动化监测系统,是二十多名科技人员,经四年联合攻关,于1997年8月建成的我国第一套大坝外观GPS自动化监测系统,至今一直在正常运行(期间经1999年12月和2002年6月两次软件升级和系统优化)。

本期嘉宾:徐绍铨,1965年毕业于武汉测绘学院天文大地测量系,现任武汉大学测绘学院教授、博士生导师,主要从事大地测量学、GPS测量原理及应用等领域的教学和科学研究工作。 

Q1:徐教授,请您简单介绍一下隔河岩大坝外观GPS自动化监测系统。

隔河岩大坝位于湖北省长阳土家族自治县境内,为三圆心变截面重力拱坝,外圆孤半径312m,最大坝高151m,坝顶孤线全长653m,坝顶高程为206m。高程150m以下为拱坝,150m以上为垂力坝。座落在水库坝西岸脚下的隔河岩水电站,总装机容量为120万KW,年发电量为30亿KW/h,是华中电网调峰调频骨干电站。


“隔河岩大坝外观GPS自动化监测系统”由数据采集、传输、处理(包括分析、管理)三大部分组成。

1、 GPS数据采集
全系统由七台GPS组成,其中GPS1、GPS2为基准站,GPS3——GPS7为坝面外观监测站,其中GPS3位于坝肩,GPS6位于拱冠。

2、 数据传输
GPS通信系统是GPS大坝外观变形自动化最基本的环节,系统的设计本着简单、先进、可靠、易于维护的原则,采用光纤通信。采集,传输,数据处理三大部分采用局域网络,联成一个有机的自动化系统。

3、数据处理
数据处理包括总控、数据处理、数据分析、数据管理四个模块组成,这是GPS自动化监测系统的核心。

总控模块负责整个系统数据传输控制,数据流的分发、管理和对七台GPS接收机工作状况的实时监控;
数据处理模块负责数据格式转换、清理、基线解算、平差计解算、坐标转换、输出、精度评定等;
数据据分析模块负责变形参数精度、灵敏度分析、基准稳定性分析、变形量时序、频谱分析、变形直观图输出、显示等;
数据管理模块负责数据压缩(4:1),进库、转贮、库文件管理、打印各种报表等。

Q2:徐教授,该自动化监测系统有哪些创新?

1、该系统是以现代卫星大地测量理论、技术为基础,以基于多元统计分析的数据处理和变形分析理论、技术为核心,以现代通讯和计算机网络技术为手段,实现精密监测工程自动化的监测系统,它是GPS定位技术、数字通讯技术、计算机网络技术、自动控制技术、精密工程测量技术和现代数据处理技术等高新技术的集成,成功地将GPS应用于大坝外观变形监测,且实现长期、连续、全自动实时监测,为大坝监测领域做了开创性的贡献。

2、该系统能同步、实时提供大坝外观各监测点的三维变形量,水平和垂直位移监测精度达亚毫米级。系统实现从数据采集、传输、处理、分析、显示、存储全自动化,系统响应速度少于10分钟,这些指标都处于国际领先水平(本项目获1999年度湖北省科技成果进步一等奖)。

3、该系统研制的自动数据处理、总控、数据分析、数据库管理四个软件有自主知识产权(软件著作权),天线保护罩申请了新型实用专利。这些,当时都填补了我国在该领域的空白。

4、该系统自1997年8月开始运行,至今一直在全天候、无人值守地自动运行(除电源故障停止工作外),即使在汛期、泄洪、暴风雨等恶劣气候条件下,系统仍然能正常运行,可靠性高达96%以上。从而证明系统技术的成熟、可靠。

Q3:徐教授,自动化监测系统相比于传统监测手段有哪些优势呢?

常规的大坝外观监测方法,是水平位移和垂直位移采用不同仪器设备分别进行。水平位移一般采用经纬仪导线法、边角网法或视准线法,垂直位移采用精密几何水准法。这些方法都受外界气候条件影响大,手工或半手工操作,工作量大,作业周期长。与常规方法相比,GPS自动化系统有以下优点:

1、不受气候等外界条件影响,可全天候监测

常规方法所用的仪器设备是基于几何光学原理工作,故不能在黑夜、雨、雾、雪、大风、泄洪等气象条件下正常观测。而GPS自动化监测系统则不受外界气候条件的影响,尤其在大坝安全的关键时刻,即在风、雨交加的汛期,都能及时提供大坝变形量,这是常规方法无法实现的。

2、所有变形监测点的观测时间同步,能客观反映某一时刻大坝各监测点的变形状况

用常规监测方法,在进行大坝外观变形监测时,总是一个点、一个点地观测。若大坝上有七个监测点,现以边角网为例,按一般观测速度,第一个点与最后一个点的时间间隔约为七个小时。即各监测点观测的时间不在同一时刻,监测结果反应不出大坝同一时刻的变形状况。尤其在汛期,水库水位会迅速上涨,在七个小时时间内,由于水位的上涨,大坝各部位的位移都已发生变化,可常规监测方法把它看成不变来处理,不能客观地去反映出在监测期间的大坝变形。这显然是不客观的、也是不正确的,这会漏掉应该监测出且危害大坝安全的变形信息。但由于常规监测方法本身的局限性,这是无能为力的。

而GPS自动化监测系统,就可避免以上的缺陷,不管大坝上有七个监测点还是二十个监测点,都可测出同一时刻大坝上各监测点的变形量,即所有监测点观测时间是同步的,能客观地反映出大坝在某一时刻各坝段的变形情况,在汛期不会漏报危害大坝安全的变形信息,可实时分析整个大坝或各坝段之间的变形情况,确保大坝的安全。

3、监测点的三维位移能同步测出

用常规监测方法进行大坝外观变形监测时,水平位移和垂直位移是采用不同方法和不同仪器,在不同时间内完成的。如大坝上某一监测点,测定水平位移在一天的上午,而测定垂直位移可能在下午,有的还可能在另一天。这样测出大坝外观监测点的水平位移和垂直位移,是不同时刻的位移量,不能反映大坝上监测点在同一时刻的三谁变形状态,影响对大坝变形的正确分析。

而GPS自动化监测系统,对一个监测点的水平位移和垂直位移是同步测出,真正反映出监测点在同一时刻的三维位移,非常有利于分析大坝的安全性,这在汛期尤其重要。

4、可实现全自动监测,决策在千里之外

常规大坝外观变形监测方法,使用的是经纬仪和水准仪,都是手工操作,不仅观测周期长,且无法实现自动化。而GPS自动化监测系统,则从数据采集、传输、计算、显示、打印全自动,大坝安全管理决策者只需敲一下计算机键盘,几分钟后(不超过10分钟),即可了解大坝上各监测点此时相对于某一标准位置的变形数据与直观的变形图表。如需要,决策者可在远离大坝千里之外的办公室,遥控、指挥大坝的安全监测及大坝安全调度。真正实现决策在千里之外。

Q4:徐教授,最后请您简单总结一下隔河岩大坝外观GPS自动化监测系统的作用。

1998年长江特大洪水期间,系统每隔2小时提供隔河岩大坝上5个监测点的变形量,为隔河岩水库超蓄调度提供了科学依据,避免清江洪峰与长江洪峰相遇,减轻长江中下游防洪压力,为避免长江荆江分洪做出了重大贡献。同时系统投入运行后,每年至少为隔河岩水电站节约常规监测费用150万元。

隔河岩大坝外观GPS自动化监测系统作为我国第一套大坝外观变形监测系统,为我国大坝外观变形监测的自动化做了创造性的贡献。尽管国外也有GPS用于大坝外观变形监测的报道,但还没有像隔河岩大坝外观GPS监测系统这样长期连续观测,使我国在该领域的经验、技术趋于国际领先水平。

隔河岩大坝外观GPS自动化监测系统的建成,也拓宽了GPS技术的应用,促进了大坝安全监测的技术革命。自动化监测的技术,还可广泛地应用于高边坡、滑坡、大型建筑物、大桥、局部地区的地面沉降、矿山采空区等变形监测。随着系统的不断完善,不断被人们认识,我们相信它将会产生具大的现实意义和深远的历史意义。

小编总结

新技术代替老技术,先进的取代落后的,这是事物发展的必然。我们相信,随着科学技术的发展,对水电厂管理现代化、自动化要求的提高,必然会对大坝提出实时监测要求;随着科技的进步,GPS接收机、计算机及数据传输等硬件价格进一步下降,使“大坝外观GPS自动化监测系统”的造价也会降低。这样定会促进“大坝外观GPS自动化监测系统”在全国各水库大坝安全监测中的应用。

本文参考文献-隔河岩大坝外观GPS自动化监测,侵删!

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