GNSS在水库大坝监测中的应用.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 21 GNSS 在水库大坝监测中的应用 陈斯奇 深圳市宝安排水有限公司，广东 深圳 518000 摘要：摘要：水库大坝是水利工程中重要组成部分，在长期蓄水承受的压力较大，如果大坝变形受损可能会发生安全事故，造成巨大的经济损失和人员伤亡。通过 GNSS 技术的有效应用，可以实现水库大坝实时监测，一旦发现安全问题可以第一时间发出预警，并分析具体影响因素和成因，为后续问题治理提供有效依据。本文就水库大坝监测中 GNSS 的应用情况展开分析，了解 GNSS 技术优势所在基础上，在水库大坝监测中有效应用，以求推动我国水利事业高水平发展。关键词：关键词：GNSS；水库大坝监测；大坝变形；安全评估 中图分类号：中图分类号：TV698 水库大坝是重要的水利工程，承担着蓄水、防洪和发电等重要功能。然而，由于大坝所处的复杂环境以及长期的水压力和地壳运动的影响，大坝结构可能会发生变形和破坏，对周围环境和人民生命财产造成巨大威胁。因此，监测水库大坝的安全性和稳定性至关重要。在过去的几十年里，全球导航卫星系统（GNSS）技术在监测领域取得了巨大的进展，并被广泛应用于水库大坝监测中。GNSS 技术能够实时、精确地测量大坝的沉降、位移和变形，为工程师和决策者提供关键的监测数据和信息。通过研究水库大坝监测中 GNSS 技术应用情况，有助于更好地了解大坝结构的健康状况，及时预警潜在的安全风险，采取相应的措施保障大坝的安全运行。1 水库大坝监测现状 水库大坝是重要的水利工程，对于水资源调控、防洪减灾和发电等方面具有重要作用。为了确保大坝的安全性和稳定性，水库大坝监测工作成为不可或缺的环节。在水库大坝监测中，GNSS（全球导航卫星系统）技术得到广泛应用，为工程师和决策者提供了强大的监测工具和数据支持。具体如下：（1）实时监测。GNSS 技术可以实时监测水库大坝的位移、变形和振动等参数。通过安装在大坝结构上的GNSS 接收器，可以连续记录大坝的运动情况，并通过无线传输将数据传送到监测中心。这种实时监测能够及时发现潜在的安全隐患，并采取相应的措施进行干预和修复1。（2）多维监测。GNSS 技术可以同时监测大坝的水平位移、垂直位移和水平旋转等多个维度的运动。这使得工程师可以全面了解大坝结构的变形情况，进而评估其安全性。同时，GNSS 还可以结合其他监测技术，如应变计和倾斜计等，形成多传感器监测系统，提高监测的准确性和可靠性2。（3）数据分析与预警。通过 GNSS 技术采集的监测数据可以进行综合分析和处理。利用先进的数据处理算法和模型，可以实时监测大坝的运动趋势，并进行预警。一旦监测数据超过预设阈值，系统将发出警报，提醒相关人员采取必要的行动，确保大坝的安全。（4）远程监测与管理。GNSS 技术支持远程监测和管理水库大坝。监测数据可以通过无线网络传输到监测中心，工程师和管理人员可以远程访问和分析数据，及时掌握大坝的状况3。这种远程监测和管理方式极大地提高了监测效率，减少了人力资源的需求。2 GNSS 技术在水库大坝监测中的优势 水库大坝是重要的水资源调控和防洪设施，其安全性和稳定性对于人们的生命财产安全至关重要。GNSS（全球导航卫星系统）技术作为一种先进的定位和测量技术，为水库大坝监测提供了许多优势。以下是GNSS 技术在水库大坝监测中的几个主要优势：（1）高精度定位。GNSS 技术能够提供高精度的位置和坐标信息，可以实时监测和记录大坝的几何形状和变化情况。通过 GNSS 接收器安装在大坝上的测量点上，可以实现毫米级的位移监测，提供准确的变形数据4。（2）实时监测和报警。GNSS 技术能够实时获取水中国科技期刊数据库 工业 A 22 库大坝的位置信息，通过与基准站的差分校正，可以及时监测大坝的位移和形变情况。一旦发现异常变化，系统可以发出警报，提醒相关人员及时采取措施，预防潜在的灾害。（3）宽范围覆盖。GNSS 技术在全球范围内都有覆盖，不受地理位置限制。因此，无论水库大坝位于何处，都可以通过 GNSS 技术进行监测。这使得监测工作更加灵活和全面，可以覆盖多个监测点，实现对大坝整体和局部的监测。（4）远程监测和管理。GNSS 技术可以实现远程监测和管理，监测数据可以通过无线网络传输到中央监测中心或云平台。这使得监测人员可以远程实时监测大坝的状况，及时做出响应，并进行数据分析和报告生成。3 GNSS 技术在水库大坝监测中的应用 3.1 大坝变形监测 大坝变形是一种非常严重的问题，直接关系到工程总体质量和安全。水库大坝变形监测中，通过 GNSS技术的有效应用，能够及时发现变形问题，及时处置，避免安全事故的爆发。首先，GNSS 技术不仅可以提供位移数据，还可以进行形变分析。通过在不同位置设置GNSS 接收器，可以获取大坝不同部位的位移信息。结合这些数据，可以分析大坝的形变情况，了解大坝各个部位的变形程度。形变分析可以帮助工程师评估大坝的结构健康状况，发现潜在的问题，并制定相应的修复措施。其次，GNSS 技术可以进行长期的监测和趋势分析，通过连续获取大坝各个监测点的位置信息，可以建立大坝位移的时间序列数据。通过对这些数据进行趋势分析，可以识别出长期的变形趋势，预测可能的变形发展，并及时采取相应的措施。最后，GNSS 技术可以与监测系统和报警系统集成，实现自动化的预警和报警功能。一旦监测到大坝位移超过设定的阈值，系统可以发出警报，提醒相关人员采取紧急措施。预警和报警系统可以大大提高大坝安全性，防止潜在的灾害发生。3.2 大坝结构安全评估 关于大坝结构安全评估中 GNSS 技术的应用，具体有以下几个方面。通过在大坝上设置 GNSS 接收器，可以获取大坝各个监测点的位置信息。这些数据可以用于追踪大坝的位移变化，并提供准确的变形数据。实时位移监测可以帮助工程师和监测人员及时了解大坝的变形状况，以便采取必要的维护和修复措施。GNSS 技术可以实现大坝结构的长期监测，连续获取大坝各个监测点的位置信息，可以建立大坝位移的时间序列数据。这些数据可以用于评估大坝结构的健康状况，包括变形趋势、位移速率和变形周期等。结构健康监测可以帮助工程师了解大坝结构的演化过程，预测可能的结构问题，并制定相应的维护和修复计划。依据大坝结构安全评估结果建立安全评估模型，能够实时预警，通知相关人员第一时间处置，消除安全隐患。3.3 地质灾害预警 GNSS 技术可以与地质灾害预警系统集成，实现自动化的地质灾害预警。通过将 GNSS 监测数据与其他地质参数数据进行分析，可以建立地质灾害的预警模型。一旦模型检测到潜在的地质灾害风险，系统可以发出预警信号，通知相关人员采取适当的应急措施，保障大坝的安全。通过长期监测大坝的位移数据，GNSS 技术可以提供数据分析和趋势预测。通过分析位移数据的变化趋势，可以识别出地质灾害的潜在风险区域，并预测可能的灾害发展。这有助于制定有效的防灾措施和灾后应对计划，以减轻地质灾害对大坝的影响。此外，GNSS 技术具有高时空分辨率的特点，可以提供更为精细和全面的监测数据。通过在大坝周围设置多个 GNSS 接收器，可以实现对地质灾害风险区域的高密度监测。这种高时空分辨率监测可以帮助及时发现地质灾害风险的变化和演化，并提供更精确的预警信息。3.4 地下水位监测 水位的变化直接关系到大坝的安全性和稳定性，因此准确地监测水位的变化对于及时掌握水库情况、预警潜在风险至关重要。GNSS 技术通过接收多颗卫星信号并进行精确定位，可以提供高精度的水位测量数据。相比传统的水位测量方法，GNSS 技术可以消除人为误差和仪器误差，提供更准确的水位数据，为工程师和监测人员提供可靠的参考。GNSS 技术可以通过在水库周围设置多个接收器，实现对大范围水域的水位监测。这种无需直接接触水面的监测方式，使得水位监测更加方便和安全。同时，多个接收器的布置可以提供更全面的水位数据，更好地了解整个水库的水位情况。由此看来，GNSS 技术在水位监测中的应用为水库大坝的安全性和稳定性提供了重要支持。准确的水位数据和中国科技期刊数据库 工业 A 23 实时的监测可以帮助工程师和监测人员及时掌握水库情况，预警潜在风险，并采取相应的措施来保障大坝的安全运行5。4 GNSS 监测系统的设计与布局 4.1 GNSS 监测设备的选择与布设 4.1.1 设备选择（1）高精度 GNSS 接收器。选择具有高精度定位能力的 GNSS 接收器，能够提供稳定的定位精度和较小的误差。优先考虑具备双频或多频功能的接收器，以提高数据的准确性。（2）天线类型。选择合适的 GNSS 天线，根据监测需求考虑天线的类型和特性。常见的天线类型包括全球导航卫星系统（GNSS）天线、环形天线、天线阵列等，可以根据具体情况选择适合的天线类型。（3）数据采集系统。选择可靠的数据采集系统，能够稳定地接收、存储和传输 GNSS 数据。确保数据采集系统具备高速、可靠的数据传输功能，以便及时获取监测数据。（4）电源供应与防护。选择稳定的电源供应系统，并为 GNSS 设备提供必要的防护措施，以应对恶劣的环境条件和突发事件。4.1.2 设备布设（1）接收器布设密度。根据监测目标和水库大坝的特点，合理确定 GNSS 接收器的布设密度。在选择布设点位时，应考虑大坝的主要变形区域、关键部位和潜在风险区域，确保监测点的覆盖范围合理且充分。（2）网络布设。多个 GNSS 接收器可以组成一个监测网络，通过网络布设可以实现监测点之间的数据同步和信息共享。布设网络时，需考虑 GNSS 信号的传输延迟、网络稳定性和数据传输的可靠性。（3）采样频率和时段。根据监测需求和监测目标的特点，确定采样频率和监测时段。在关键时期或存在风险的情况下，可以增加采样频率，以便更及时地掌握监测数据。4.1.3 环境因素考虑 考虑GNSS设备在不同天气条件下的稳定性和可靠性，特别是在恶劣天气条件下，如强风、暴雨等，需采取相应的防护措施，保障设备正常运行和数据准确性。另外，要注意遮挡物对 GNSS 信号的影响，合理选择监测点位，避免高大建筑物、树木和其他遮挡物的阻碍，以确保 GNSS 设备能够充分接收卫星信号。4.2 网络设计和数据传输（1）网络设计。根据监测范围和布设点位的分布情况，选择合适的网络拓扑结构。常见的拓扑结构包括星型、环型、网状等，可以根据具体情况选择最适合的拓扑结构。选择适合的数据传输方式，包括无线传输、有线传输或混合传输方式。无线传输可以采用无线网络、卫星通信等，有线传输可以利用光纤、以太网等。根据监测需求、距离和数据传输要求选择最合适的方式。考虑网络的安全性，采取相应的措施防止数据泄露、篡改和黑客攻击。使用加密技术、防火墙和访问控制等安全措施，确保数据传输的机密性和完整性。（2）数据传输。通过 GNSS 设备采集到的监测数据，需要及时传输和存储，选择高效可靠的数据采集系统，确保数据的准确性和稳定性。同时，合理设置数据存储设备和备份机制，以防止数据丢失。数据传输方面，根据监测需求和实际情况，确定数据传输的频率。对于大坝监测而言，特别是在关键时期或存在风险的情况下，可以增加数据传输的频率，以便及时掌握监测数据并进行实时分析。将分析结果以可视化的形式展示，包括图表、曲线图、三维模型等。通过可视化的方式，直观地展示大坝的监测结果和分析成果。为了促进信息共享和合作，将监测数据共享给相关的利益相关者，如水利部门、工程管理人员等。建立数据共享平台或在线系统，确保及时共享监测数据，并为各方提供必要的访问权限。4.3 数据处理与分析方法 对采集到的原始数据进行质量检查，包括数据缺失、异常值、噪声等的处理。根据预设的阈值和算法进行数据清洗和校正，以提高数据的准确性和可靠性。考虑到 GNSS 数据可能受到大气延迟、多路径效应等因素的影响，需要进行数据校正。使用差分 GNSS 技术、精确的大气延迟模型和多路径抑制算法等方法，对数据进行校正，减小误差影响。在数据分析中，利用连续监测的 GNSS 数据，分析大坝结构的动态变形情况。通过对时间序列数据进行分析，识别出大坝的变形趋势、周期性变化和异常变化，及时发现潜在问题。基于监测数据，建立合适的数学模型或计算模型，对大坝的稳定性、荷载响应、变形特征等进行分析。采用数值分析方法、统计学方法等，预测中国科技期刊数据库 工业 A 24 大坝在不同工况下的响应和稳定性。通过对历史监测数据进行趋势分析，识别大坝结构的变形趋势和演化规律。利用时间序列分析、回归分析等方法，预测未来的变形趋势和可能的风险情况，便于及早制定应对预案，最大程度上减少事故损失。5 结论 综上所述，水库大坝监测中应用 GNSS 技术，通过实时监测可以收集大坝运行数据信息，评估大坝结构安全性和稳定性，便于及时发现和解决安全问题，通知相关人员第一时间处置，以求最大程度上保障水库大坝运行安全。参考文献 1张明晶.横泉水库大坝表面位移变形自动化监测系统应用与分析J.山西水利科技,2020(03):65-66.2宫忠宝.GNSS 在大房郢水库大坝变形监测中的应用及精度分析J.江淮水利科技,2018(06):39-40.3马新涌,杨德成.水库大坝安全自动化监测质量问题及改进策略J.中国标准化,2023(08):198-200.4卢星.利用GNSS监测大坝形变无线传感器网络设计J.山西电子技术,2014(06):41-43.5汪勇.基于三维激光扫描的水库大坝变形监测系统J.大坝与安全,2023(01):68-71.