對(duì)于自然或人工邊坡的形變監(jiān)測(cè)，通常有常規(guī)監(jiān)測(cè)和GPS監(jiān)測(cè)兩種方法。常規(guī)監(jiān)測(cè)方法是使用經(jīng)緯儀、測(cè)距儀或全站儀等儀器，采用前方交會(huì)、邊角網(wǎng)、極坐標(biāo)差分等方法獲取監(jiān)測(cè)點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)，并通過相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理方法獲得監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移量。常規(guī)監(jiān)測(cè)方法的優(yōu)點(diǎn)是觀測(cè)數(shù)據(jù)直觀可靠，短距離獲得的精度高、投資少；但缺點(diǎn)是受通視條件、氣象條件以及施工干擾的影響，在進(jìn)行長(zhǎng)距離監(jiān)測(cè)時(shí)精度較差并且很難提高。由于高壩修筑在山區(qū)峽谷地帶，范圍大，氣候復(fù)雜多變，每到雨季更有濕度大、霧氣大的特點(diǎn)，使得常規(guī)的監(jiān)測(cè)方法在雨季這樣監(jiān)測(cè)的重要時(shí)期不具備時(shí)效性。

　　GPS作為一種高新技術(shù)，在我國水電工程建設(shè)中已獲得了一些應(yīng)用，但在大壩、邊坡安全監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用卻是個(gè)十分薄弱的環(huán)節(jié)_l J。影響GPS技術(shù)廣泛應(yīng)用于安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的最大障礙是費(fèi)用昂貴、自動(dòng)化程度不高。由于監(jiān)測(cè)點(diǎn)和基準(zhǔn)站上都需要安置接收機(jī)，當(dāng)在大壩、邊坡這樣大范圍區(qū)域?qū)嵤┍O(jiān)測(cè)時(shí)，需要布設(shè)的測(cè)點(diǎn)很多，投入成本很大，若采用分批觀測(cè)方法又需要較長(zhǎng)周期，因此極大地制約了GPS在該領(lǐng)域的發(fā)展。

　　針對(duì)GPS在安全監(jiān)測(cè)中存在的問題，筆者提出了GPS一機(jī)多天線思想，并研制開發(fā)了GPS一機(jī)多天線控制器，使一臺(tái)GPS接收機(jī)能互不干擾地連接多個(gè)天線。在這種體系下，每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)上只安裝GPS天線，而不需安裝接收機(jī)。從而極大地降低了安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的造價(jià) J。該項(xiàng)技術(shù)開發(fā)為大壩、高邊坡利用GPS進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)創(chuàng)造了極為良好的條件，也使GPS技術(shù)在水利水電工程中擁有了更為廣闊的應(yīng)用前景。此外，基于GPS一機(jī)多天線控制器也為高邊坡自動(dòng)化連續(xù)遙測(cè)創(chuàng)造了有利條件。

　　本文結(jié)合云南小灣水電站2號(hào)山梁堆積體的安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，詳細(xì)介紹GPS多天線技術(shù)、遠(yuǎn)程自動(dòng)化形變監(jiān)測(cè)技術(shù)和GPS數(shù)據(jù)處理新方法。

　　1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

　　邊坡安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)通訊、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、應(yīng)用軟件、趨勢(shì)分析及預(yù)警5個(gè)子系統(tǒng)組成，見圖1。

圖1 系統(tǒng)組成

　　原始監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集部分主要負(fù)責(zé)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)GPS數(shù)據(jù)的接收和存儲(chǔ)，其核心部分是一機(jī)多天線控制器，由硬件和軟件控制兩大部分構(gòu)成。硬件部分包括多通道微波開關(guān)及相應(yīng)的控制電路、一臺(tái)GPS接收機(jī)及相應(yīng)的處理芯片_4]。軟件部分實(shí)現(xiàn)控制多通道工作方式并可設(shè)置測(cè)點(diǎn)的觀測(cè)時(shí)間、與GPS接收機(jī)通訊和數(shù)據(jù)發(fā)送等功能，通過采用實(shí)時(shí)控制技術(shù)，使接收機(jī)能夠互不干擾地接收若干個(gè)GPS天線傳輸來的信號(hào)。系統(tǒng)基于工業(yè)控制中常用的嵌入式系統(tǒng)PC一104架構(gòu)，從而更為有效地控制系統(tǒng)運(yùn)行以及監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的存儲(chǔ)與傳輸。

　　數(shù)據(jù)無線傳輸主要負(fù)責(zé)將采集到的原始監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)娇刂浦行?，主要利用GPRS技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

　　計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)以監(jiān)控中心為核心建立一管理局域網(wǎng)。局域網(wǎng)內(nèi)設(shè)中心服務(wù)器、數(shù)據(jù)接收工作站、數(shù)據(jù)處理工作站以及成果顯示工作站。中心服務(wù)器具備文件服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器等多種功能，在局域網(wǎng)內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)辦公自動(dòng)化和信息共享。邊坡上實(shí)時(shí)采集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)送至數(shù)據(jù)接收工作站，工作站根據(jù)數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)將數(shù)據(jù)整理歸類后發(fā)送到中心服務(wù)器入庫備份。數(shù)據(jù)處理工作站通過相應(yīng)的應(yīng)用軟件對(duì)接收到的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行解算分析。

　　應(yīng)用軟件子系統(tǒng)包含了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)解算、分析、理為一體的高邊坡安全監(jiān)測(cè)專用軟件，可實(shí)現(xiàn)資料錄入、計(jì)算分析、查詢、統(tǒng)計(jì)、圖形繪制、報(bào)表打印等功能。軟件界面友好，功能強(qiáng)大，使用方便。資料錄入實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)更新，并將數(shù)據(jù)按處理時(shí)段合并整理后通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到中心服務(wù)器進(jìn)行備份；GPS數(shù)據(jù)解算軟件通過獲得監(jiān)澳4點(diǎn)的三維坐標(biāo)，并將解算數(shù)據(jù)納入數(shù)據(jù)庫，通過相應(yīng)的算法分析擬合作出預(yù)報(bào)；功能強(qiáng)大的報(bào)表生成器和圖形繪制軟件生成各種報(bào)表和過程線、統(tǒng)計(jì)曲線。

　　預(yù)警子系統(tǒng)根據(jù)邊坡監(jiān)測(cè)成果，建立預(yù)警機(jī)制，以便及時(shí)為決策部門提供信息，使決策部門能迅速作出反應(yīng)，避免造成不必要的損失。

　　2 小灣水電站高邊坡形變監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)與分析

　　小灣水電站樞紐區(qū)地理坐標(biāo)為東經(jīng)100"06 27”，北緯24。42 15”，左岸為云南省大理卅l南澗縣，右岸為云南省臨滄地區(qū)鳳慶縣。兩岸植被覆蓋稀疏，主要以灌木、荒草為主。工程樞紐區(qū)河段長(zhǎng)約2300m，正常蓄水位1 240 m時(shí)河谷寬720—800 m。河谷呈“V”字形，兩岸山坡陡峻，在高程1 600m以下，兩岸平均
坡度40?！?2。，部分地段為懸崖絕壁。

　　本次監(jiān)測(cè)的高邊坡為小灣水電站壩體左壩肩所在地——2號(hào)山梁。2號(hào)山梁飲水溝堆積體分布在左岸壩前飲水溝下游側(cè)山坡地段，其坡面平均坡度32?！?5。，前緣高程為1 130m，后緣高程為1590m。堆積體平均鉛直厚度約33—36 m，最大厚度6O．63 m，長(zhǎng)度約700m，平均寬190m，總體積為400萬m3。堆積層組成物質(zhì)主要為塊石層，在自然狀態(tài)下是穩(wěn)定的，但由于堆積體靠近左壩肩，壩肩開挖時(shí)必然觸及堆積體前緣，可能引發(fā)堆積體失穩(wěn)，雖然對(duì)堆積體實(shí)施了降坡、支護(hù)等工程措施，但所形成的340 m的高邊坡的穩(wěn)定是影響工程N(yùn),N進(jìn)行的重要因素。另外，在壩肩左右岸上下游附近形成的高邊坡坡度陡、高差大，也是監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)對(duì)象。

　　2．1 測(cè)點(diǎn)概述

　　針對(duì)2號(hào)山梁地質(zhì)特點(diǎn)，邊坡監(jiān)測(cè)點(diǎn)選在2號(hào)山梁堆積體主滑移斷面和滑移體邊緣相鄰山體上，高程范圍為1 245—1 580 m。在1 380 m高程以上選取4個(gè)斷面，共有16個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)；在1 245～1 380 m之間選取3個(gè)斷面，共有8個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。整個(gè)堆積體的GPS監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)為24個(gè)。每8個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)為一組，連接到一個(gè)控制器，共有3組。GPS監(jiān)測(cè)點(diǎn)一般采用原外觀點(diǎn)，為使GPS監(jiān)測(cè)與常規(guī)監(jiān)測(cè)相校核，在每組的2個(gè)原外觀點(diǎn)旁埋設(shè)一個(gè)新點(diǎn)，作為GPS監(jiān)測(cè)點(diǎn)。3個(gè)數(shù)據(jù)采集站布置在邊坡上，從上到下依此為l一3號(hào)，為減少電纜傳輸距離，提高數(shù)據(jù)傳輸可靠性，采集站應(yīng)布置在一組監(jiān)測(cè)點(diǎn)的中間。每個(gè)采集站配置有一臺(tái)雙頻GPS接收機(jī)、一臺(tái)多天線控制器、一臺(tái)工控PC機(jī)、一臺(tái)GPRS通訊設(shè)備、UPS電源和蓄電池等。為使系統(tǒng)投入運(yùn)行后，做到無人值守的安全、自動(dòng)的工作模式，將接收到的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以無線傳輸?shù)姆绞桨l(fā)送到距離現(xiàn)場(chǎng)較遠(yuǎn)、較為安全的控制中心，選用了移動(dòng)公司提供的GPRS業(yè)務(wù)。使用嵌入式系統(tǒng)PC一104與接收機(jī)和GPRS無線傳輸終端相連接，利用PC一104上的兩個(gè)RS一232串口，以中斷方式控制數(shù)據(jù)同時(shí)互不干擾的收發(fā)，并利用控制軟件設(shè)置發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔，這樣就可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件，合理安排監(jiān)測(cè)密度，以便及時(shí)向有關(guān)部門提交監(jiān)測(cè)成果，做好相應(yīng)的處理。

　　2．2 監(jiān)測(cè)成果

　　2004年6月進(jìn)行儀器設(shè)備安裝調(diào)試，并進(jìn)行首期觀測(cè)。觀測(cè)方案采取10min切換一個(gè)通道，每天定時(shí)在6時(shí)和18時(shí)兩次計(jì)算成果，并將計(jì)算結(jié)果分析預(yù)報(bào)后提交有關(guān)單位。圖2給出了本系統(tǒng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)C2A一¨I—rrP一36在2004年7～8月的監(jiān)測(cè)成果，并將該點(diǎn)結(jié)果與相應(yīng)的GPS 監(jiān)測(cè)校核點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比。通過常規(guī)監(jiān)測(cè)得到的數(shù)據(jù)成果和采用基于一機(jī)多天線控制器系統(tǒng)比較來看，形變趨勢(shì)相當(dāng)，基本反映了該測(cè)區(qū)的形變量，可以作為邊坡監(jiān)測(cè)的一種有效的手段。

圖2 測(cè)點(diǎn)水平位移

　　2．3 測(cè)點(diǎn)趨勢(shì)預(yù)報(bào)

　　針對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)要求的實(shí)時(shí)性和可預(yù)報(bào)性，需要根據(jù)一定時(shí)期內(nèi)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，建立起適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)模型對(duì)未來的形變趨勢(shì)加以預(yù)報(bào)，以便使有關(guān)部門通過氣候條件、施工進(jìn)展和以往數(shù)據(jù)綜合考慮，提前作出判斷，從而對(duì)邊坡進(jìn)行及時(shí)有效的處理，排除事故隱患。為此，將累積下來的監(jiān)測(cè)成果用二次曲線加以擬合，即：

　　Y= CO +cl +b (1)

　　式中：c。，C，，b為常數(shù)，通過最小二乘算法解算。為了衡量預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性，需要引入Rz進(jìn)行檢驗(yàn) ：

　　式中 為由公式計(jì)算得到的測(cè)點(diǎn)擬合值。當(dāng)趨勢(shì)線的R 等于或接近1時(shí)其可靠性最高。形變預(yù)報(bào)只有當(dāng)進(jìn)行R：檢驗(yàn)，在具有足夠可靠性的基礎(chǔ)上才有意義。另外由于預(yù)報(bào)是一種外推過程，因此隨著外推時(shí)間的增長(zhǎng)，預(yù)報(bào)精度降低，所以應(yīng)隨著觀測(cè)量的增長(zhǎng)，不斷更新預(yù)報(bào)方程的參數(shù)。

　　表1為利用小灣水電站2號(hào)山梁所采集的一個(gè)月監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，采用式(1)擬合監(jiān)測(cè)點(diǎn)的形變趨勢(shì)得到的實(shí)測(cè)值與預(yù)報(bào)值，通過計(jì)算檢驗(yàn)得到R =0．953，說明該擬合線趨勢(shì)較能反映真實(shí)情況，可以用來預(yù)報(bào)觀測(cè)值。針對(duì)每天形變監(jiān)測(cè)值、趨勢(shì)分析及預(yù)報(bào)值并結(jié)合內(nèi)觀監(jiān)測(cè)信息的綜合分析，判斷是否啟動(dòng)預(yù)警子系統(tǒng)。

　　3 結(jié) 語

　　通過系統(tǒng)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析結(jié)果可以看出，基于GPS 一機(jī)多天線技術(shù)的遠(yuǎn)程高邊坡監(jiān)測(cè)與常規(guī)測(cè)量在平面上精度相當(dāng)，比較適合小灣水電站高邊坡監(jiān)測(cè)的需要。GPS一機(jī)多天線遠(yuǎn)程高邊坡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)既克服了常規(guī)方法在困難地區(qū)難以進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)的缺點(diǎn)，又能充分發(fā)揮GPS 監(jiān)測(cè)速度快、精度高的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)采用一機(jī)多天線技術(shù)、GPRS等技術(shù)還可達(dá)到省　　經(jīng)費(fèi)、省時(shí)、安全以及高質(zhì)量的效果。