隨著時(shí)間推移，從客觀實(shí)際出發(fā)水庫(kù)大壩結(jié)構(gòu)、氣象水文條件、地質(zhì)環(huán)境條件均會(huì)發(fā)生一定程度的變化，為保障水庫(kù)、大壩運(yùn)行安全，開(kāi)展相應(yīng)的安全監(jiān)測(cè)預(yù)警工作提供技術(shù)和決策支持，顯得尤為重要和緊迫；再者，我國(guó) 95%的水庫(kù)為小型水庫(kù)，量大面廣，基本為縣級(jí)政府或鄉(xiāng)鎮(zhèn)村組所有，由于大多數(shù)地區(qū)基層力量薄弱，小型水庫(kù)管護(hù)能力和水平較低，難以實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一規(guī)范管護(hù)。為此，在物聯(lián)網(wǎng)傳感、通訊技術(shù)、信息技術(shù)取得長(zhǎng)足發(fā)展并日臻成熟的背景下，開(kāi)展自動(dòng)化、信息化、標(biāo)準(zhǔn)化的安全監(jiān)測(cè)預(yù)警工作，更有利于水庫(kù)大壩日常巡查、維修養(yǎng)護(hù)、安全監(jiān)測(cè)、調(diào)度運(yùn)用工作的開(kāi)展。
基于行業(yè)發(fā)展歷程及發(fā)展趨勢(shì)，水庫(kù)大壩安全監(jiān)測(cè)其內(nèi)涵有所轉(zhuǎn)變，從壩體結(jié)構(gòu)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)為主轉(zhuǎn)變?yōu)閴误w運(yùn)行狀態(tài)、庫(kù)區(qū)水雨情、水文、水質(zhì)以及地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)等方面，從單純的服務(wù)于技術(shù)管理向服務(wù)綜合管理轉(zhuǎn)變。
1.1 執(zhí)行的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范性引用文件
1） 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)
（1） 《小型水利水電工程碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL189-2013）
（2） 《土石壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》（SL551-2012）
（3） 《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL319-2018）
（4） 《混凝土壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》（SL601-2013）
（5） 《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》（SL252-2000）
（6）《工程測(cè)量規(guī)范》（GB50026-2007）
（7） 《全球定位系統(tǒng)(GPS)測(cè)量規(guī)范》（GB/T18314-2009）
（8） 《明渠堰槽流量計(jì)》（JJG711-90）；
（9）《水位觀測(cè)標(biāo)準(zhǔn)》（ GB T 50138-2010）
（10） 《公共安全視頻監(jiān) 控聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)信息傳輸、交換、控制技術(shù)要求》（GB/T28181-2016）
（11） 《水利視頻監(jiān)視系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》(SL 515-2013)
（12） 《通信用太陽(yáng)能電源系統(tǒng)》（GB/T 26264-2010）
（13） 《外殼防護(hù)等級(jí)（IP 代碼）》（GB 4208-2008）
（ 14 ） 《電工電子產(chǎn)品環(huán)境自然環(huán)境條件溫度與濕度》（GB4797.1-2005）
（15）《通信電源設(shè)備的防雷技術(shù)要求》（YD/T 944）
（ 16 ） 《信息安全技術(shù)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)安全技術(shù)要求》（ GB/T 20270-2006）
規(guī)范性引用文件
（1） 《國(guó)務(wù)院辦公廳關(guān)于切實(shí)加強(qiáng)水庫(kù)除險(xiǎn)加固和運(yùn)行管護(hù)工作的通知》（國(guó)辦發(fā)〔2021〕8 號(hào)）
（2） 《小型病險(xiǎn)水庫(kù)除險(xiǎn)加固項(xiàng)目管理辦法》（水利部 2021
年 10 月 19 日）
（3） 《小型水庫(kù)雨水情測(cè)報(bào)和大壩安全監(jiān)測(cè)設(shè)施建設(shè)與運(yùn)行管理辦法》（水利部 2021 年 10 月 19 日）
（4） 《水庫(kù)大壩安全鑒定辦法》（水利部）
（5） 《壩高小于 15 米的?。?）型水庫(kù)大壩安全鑒定辦法（試行）》（水利部）
自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)方法
如今的水庫(kù)大壩安全監(jiān)測(cè)手段還主要停留在人工采集數(shù)據(jù)的傳統(tǒng)階段，但是由于其監(jiān)測(cè)范圍小、工作量大、效率低，采用傳統(tǒng)人工方式進(jìn)行監(jiān)測(cè)的次數(shù)有限，也即存在較大的時(shí)間域空白，無(wú)法獲取水庫(kù)大壩營(yíng)運(yùn)期間的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，不能實(shí)時(shí)掌握水庫(kù)大壩安全狀況，因此無(wú)法對(duì)水庫(kù)大壩運(yùn)營(yíng)提供實(shí)質(zhì)的幫助。
近年來(lái)，自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)逐步成熟，水庫(kù)大壩自動(dòng)化、信息化、標(biāo)準(zhǔn)化安全監(jiān)測(cè)可實(shí)施性增強(qiáng)，其主要特點(diǎn)如下：
自動(dòng)化采集傳輸：通過(guò)在大壩監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)監(jiān)測(cè)終端設(shè)備，采用北斗+4G/5G 網(wǎng)絡(luò)部署方式，各類監(jiān)測(cè)站點(diǎn)設(shè)備可根據(jù)預(yù)置的監(jiān)測(cè)頻率自動(dòng)完成數(shù)據(jù)的采集和傳輸，建立自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及工作機(jī)制，能有效提升監(jiān)測(cè)效率和管理水平。
智能化在線分析：水庫(kù)大壩自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可根據(jù)監(jiān)測(cè)參數(shù)，進(jìn)行智能在線分析，計(jì)算出三維位移分量及各向變形速率，自動(dòng)生成變形歷史曲線、變形分布圖和多因素相關(guān)圖，并且定期生成大壩變形數(shù)據(jù)分析報(bào)告、三維向量分析報(bào)告，以供監(jiān)管方掌握關(guān)鍵的安全指標(biāo)，為大壩安全管理提供決策支持。
多功能預(yù)警報(bào)警：大壩一旦發(fā)生嚴(yán)重的變形，將造成嚴(yán)重的安全事故和巨大的經(jīng)濟(jì)損失，系統(tǒng)的建設(shè)具備風(fēng)險(xiǎn)自動(dòng)報(bào)警功能，當(dāng)監(jiān)控參數(shù)超限，系統(tǒng)能夠自動(dòng)進(jìn)行聲光報(bào)警、短信報(bào)警、郵件報(bào)警，提醒
相關(guān)人員采取措施，預(yù)防事故發(fā)生。
2.1 監(jiān)測(cè)技術(shù)方法新要求
《土石壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》（SL551-2012）對(duì)監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)規(guī)定的原文如下。
8.1.1 需要進(jìn)行高頻次監(jiān)測(cè)或監(jiān)測(cè)點(diǎn)所在部位的壞境不允許、人工監(jiān)測(cè)難以勝任的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，以及需要實(shí)施現(xiàn)代化管理的工程，應(yīng)實(shí)施自動(dòng)化監(jiān)測(cè)。
8.1.2 監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則應(yīng)為“實(shí)用、可靠、先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)”，儀器設(shè)備在滿足準(zhǔn)確度的前提下，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)力求簡(jiǎn)單、穩(wěn)定、維護(hù)方便，易于改造和升級(jí)。
8.1.3 監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)由監(jiān)測(cè)儀器、數(shù)據(jù)采集裝置、通信裝置、計(jì)算機(jī)及外部設(shè)備、數(shù)據(jù)采集和管理軟件、通信和電源線路等部分組成。
在過(guò)去的許多年中，行業(yè)內(nèi)總是將觀測(cè)資料交由專職單位去分析，該法花費(fèi)大量的時(shí)間，不利于及時(shí)有效地掌握大壩性態(tài)和進(jìn)行最優(yōu)的運(yùn)行調(diào)度。同時(shí)，一般單位的資料分析總是在建立數(shù)學(xué)模型(特別是統(tǒng)計(jì)模型)的基礎(chǔ)上，缺乏與具體大壩的聯(lián)系及與設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(穩(wěn)定、強(qiáng)度)的比較，也不利于監(jiān)測(cè)技術(shù)的提高。通過(guò)以上可知，大壩安全監(jiān)測(cè)實(shí)際上是一種管理，包括信息采集、處理、結(jié)論的得出、措施的制定、信息的反饋，其根本目的是為了工程效益。綜合起來(lái)可以得出如下幾點(diǎn)：
（1） 大壩安全監(jiān)測(cè)范圍空間上應(yīng)包括梯級(jí)水庫(kù)；時(shí)間上應(yīng)從設(shè)計(jì)開(kāi)始。大壩安全監(jiān)測(cè)內(nèi)容應(yīng)包括與大壩安全有關(guān)的泄洪及機(jī)電設(shè)備；
（2） 大壩安全監(jiān)測(cè)應(yīng)與氣象、水情、洪水預(yù)報(bào)及水庫(kù)調(diào)度結(jié)合起來(lái)，使之成為水庫(kù)運(yùn)行調(diào)度決策支持系統(tǒng)的一部分，真正為工程效益的最大化服務(wù)；
（3） 大壩安全監(jiān)測(cè)應(yīng)將大壩安全評(píng)估與設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計(jì)參數(shù)(如安全系數(shù)，可靠度指標(biāo))等指標(biāo)結(jié)合起來(lái)，充分利用大壩安全定檢的成功經(jīng)驗(yàn)和方法，從而易于理解、掌握和應(yīng)用；
（4） 大壩安全監(jiān)測(cè)應(yīng)充分利用科技進(jìn)步，走向即時(shí)化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化。總之，大壩安全監(jiān)測(cè)就是利用一切手段，確保大壩以較少的投入來(lái)保證長(zhǎng)期、穩(wěn)定、安全的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)效益的最大化。
目前代表性的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)方法為基于 GNSS 精密定位的絕對(duì)位移監(jiān)測(cè)法，GNSS 精密定位技術(shù)已在大地測(cè)量、地殼形變監(jiān)測(cè)、
精密工程測(cè)量等諸多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用和普及。與觀測(cè)邊角相對(duì)幾何關(guān)系的傳統(tǒng)測(cè)量方法相比，GNSS 監(jiān)測(cè)具有很大的優(yōu)點(diǎn)。它可以實(shí)現(xiàn)高度自動(dòng)化，大大減輕外業(yè)強(qiáng)度，同時(shí)又能夠迅速得到高效可靠的三維點(diǎn)位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。
GNSS 用于形變監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)的區(qū)域一般不是很大，但變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)
布設(shè)比較密集。當(dāng)GNSS 用于大壩形變監(jiān)測(cè)時(shí)，往往是對(duì)一定范圍內(nèi)具有代表性的區(qū)域建立變形觀測(cè)點(diǎn)，在遠(yuǎn)方距離監(jiān)測(cè)點(diǎn)合適的位置
（如穩(wěn)固的基巖上）建立基準(zhǔn)點(diǎn)。在基準(zhǔn)點(diǎn)架設(shè)GNSS 接收機(jī)，根據(jù)其高精度的已知的三維坐標(biāo)，經(jīng)過(guò)幾期觀測(cè)從而得到變形點(diǎn)坐標(biāo)（或者基線）的變化量。根據(jù)觀測(cè)點(diǎn)的形變量，建立安全監(jiān)測(cè)模型，從而分析大壩的變形規(guī)律并實(shí)現(xiàn)及時(shí)的反饋。事實(shí)上，為了建立一個(gè)更接近實(shí)際情況的安全監(jiān)測(cè)模型，合理密集分布監(jiān)測(cè)點(diǎn)是需要的。
大壩在短時(shí)間內(nèi)不會(huì)出現(xiàn)很大的位移，要通過(guò)觀測(cè)整體的微小變形量，構(gòu)造統(tǒng)計(jì)分析模型，預(yù)測(cè)變形體長(zhǎng)期的變化趨勢(shì)，為以后的分析決策提供依據(jù)。為了進(jìn)行形變分析，需要獲得監(jiān)測(cè)點(diǎn)高精度位置坐標(biāo)數(shù)據(jù)，通常要求監(jiān)測(cè)點(diǎn)的觀測(cè)數(shù)據(jù)達(dá)到毫米級(jí)的精度，隨著北斗三代衛(wèi)星系統(tǒng)建成并投入使用，GNSS 定位精度有了大幅提高，已達(dá)到水平 2.5mm+0.5ppm，高程 5mm+0.5ppm 的定位解算精度，再加上其全天候作業(yè)的特點(diǎn)不但可以取代傳統(tǒng)的測(cè)量作業(yè)方式，而且可以將 GNSS 信號(hào)傳輸?shù)娇刂浦行?，?shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)化傳輸、管理和分析處理。這是GNSS 定位技術(shù)應(yīng)用于大壩變形觀測(cè)的關(guān)鍵。
除GNSS 精密定位技術(shù)外，多種類、多功能的監(jiān)測(cè)傳感器也取得了快速發(fā)展，可以實(shí)現(xiàn)壩體多參數(shù)全方位自動(dòng)化采集傳輸。將多支固定式測(cè)斜儀串聯(lián)裝在測(cè)斜管內(nèi)，通過(guò)裝在每個(gè)高程上的傾斜傳感器，測(cè)量出被測(cè)結(jié)構(gòu)物的傾斜角度，依次將結(jié)構(gòu)物的變形曲線描述出來(lái)，同時(shí)其測(cè)值可計(jì)算出測(cè)桿標(biāo)距長(zhǎng)度的水平位移，以此反應(yīng)壩體的內(nèi)部位移情況，具備連續(xù)自動(dòng)測(cè)量功能，測(cè)量數(shù)據(jù)自動(dòng)換算物理量，實(shí)時(shí)同步云平臺(tái)等功能。采用鉆孔安裝滲壓計(jì)的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)壩體孔隙水監(jiān)測(cè)，用于獲取壩體斷面上的壓力分布與浸潤(rùn)線位置確定，具備智能識(shí)別參數(shù)、智能故障診斷、云平臺(tái)手機(jī)端對(duì)接功能。通過(guò)磁致式沉降儀可以實(shí)時(shí)測(cè)量壩體內(nèi)部豎向位移變化，量水堰計(jì)適用于長(zhǎng)期測(cè)量壩體堰槽、壩體測(cè)壓管等的水位，是監(jiān)測(cè)水位變化穩(wěn)定性好的監(jiān)測(cè)設(shè)備，信號(hào)可接入分布式模塊化自動(dòng)測(cè)量單元或直接接入計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)水位變化的自動(dòng)監(jiān)測(cè)。振弦式測(cè)縫計(jì)可用于長(zhǎng)期布設(shè)在大壩混凝土結(jié)構(gòu)物或其它材料結(jié)構(gòu)物內(nèi)及表面上，測(cè)量結(jié)構(gòu)物伸縮縫或周邊縫的開(kāi)合度 (變形)，實(shí)現(xiàn)大壩伸縮縫或周邊縫變化的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。
2.2 代表性技術(shù)方法原理
2.2.1 北斗沉降和水平位移監(jiān)測(cè)
采用北斗/GNSS 定位技術(shù)方法實(shí)現(xiàn)沉降和水平位移監(jiān)測(cè)，實(shí)質(zhì)上觀測(cè)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的絕對(duì)位置變化過(guò)程。
北斗/GNSS 定位基本原理：其本質(zhì)為空間距離后方交會(huì)，即已知
北斗/GNSS 衛(wèi)星位置，監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置為待定點(diǎn)，二者通過(guò)彼此間的空間距離建立聯(lián)系，通俗理解該空間距離由衛(wèi)星信號(hào)傳播速度乘以傳播時(shí)間得到，而傳播時(shí)間為信號(hào)發(fā)出時(shí)刻與接受時(shí)刻之差，由于二者分別由原子鐘和石英鐘測(cè)得，二者測(cè)時(shí)精度相差甚遠(yuǎn)，故信號(hào)傳播時(shí)間△ T 與監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置（X,Y,H）均視為未知數(shù)，為此至少必須同步觀測(cè) 4顆衛(wèi)星才具備解算條件，同時(shí)考慮各類誤差源對(duì)定位精度的影響，實(shí)際作業(yè)中觀測(cè)衛(wèi)星數(shù)應(yīng)遠(yuǎn)大于 4 顆，以便開(kāi)展平差計(jì)算，提升觀測(cè)精度。
北斗/GNSS 形變監(jiān)測(cè)原理：鑒于形變監(jiān)測(cè)精度要求高，為此不能采用簡(jiǎn)單的單點(diǎn)定位方法，北斗/GNSS 形變監(jiān)測(cè)采用載波差分算法
（站間、星間各求一次差分），該算法消除了衛(wèi)星鐘差、電離層折射、對(duì)流層折射、衛(wèi)星軌道誤差以及接收機(jī)鐘差的影像，實(shí)現(xiàn) mm 級(jí)高精度形變監(jiān)測(cè)（見(jiàn)圖 1），其簡(jiǎn)明工作流程如下：
（1） 基準(zhǔn)站和監(jiān)測(cè)站接收衛(wèi)星信號(hào)，并將接收到的信號(hào)調(diào)制成原始差分?jǐn)?shù)據(jù)；
（2） 接收機(jī)通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸模塊利用 4G/5G 網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳輸至云端數(shù)據(jù)處理中心；
（3） 數(shù)據(jù)處理中心對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼、解算、平差及精度評(píng)定；
（4） 數(shù)據(jù)處理中心輸出解算成果至應(yīng)用端軟件平臺(tái)，根據(jù)不同行業(yè)需求進(jìn)行專業(yè)化展示。
其工作原理為：基于空間位置已知的衛(wèi)星定位系統(tǒng)、采用空間后方交會(huì)基本原理，實(shí)現(xiàn)地面用戶終端設(shè)備的絕對(duì)定位?，F(xiàn)場(chǎng)部署的接收機(jī)終端，按照既定采集、傳輸頻率將觀測(cè)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程無(wú)線傳輸至監(jiān)測(cè)中心（一般為云端接收存儲(chǔ)），監(jiān)測(cè)中心對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)即時(shí)分析處理，供相關(guān)技術(shù)、管理部門使用。從數(shù)據(jù)流程及功能劃分角度，可將整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)劃分為空間部分、地面基準(zhǔn)站部分、監(jiān)測(cè)終端三大部分。
2.2.2 深層水平位移監(jiān)測(cè)
項(xiàng)目實(shí)施擬采用固定測(cè)斜技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)分層水平位移監(jiān)測(cè)。 傳感系統(tǒng)構(gòu)成：由角度傳感器組件、處理芯片及信號(hào)調(diào)理電路、
485 數(shù)據(jù)接口等、不銹鋼封裝及安裝接口、數(shù)據(jù)輸出導(dǎo)線等組成。傾角傳感器采用瑞典出廠的雙軸高精度傾角傳感封裝而成，具有高分辨率，低噪聲，工作溫度范圍寬，長(zhǎng)期穩(wěn)定性好等顯著特點(diǎn)。
特點(diǎn)：傳感器采用差分信號(hào)輸出，提高了產(chǎn)品的靈敏度，并顯著減小共模噪聲。電路中采用 16 位精密的連續(xù)自校準(zhǔn)的A/D 轉(zhuǎn)換器，充分保證傾角傳感器的精度。特別指出的是在 485 輸出接口加有浪涌吸收電路，防止雷電感應(yīng)、靜電脈沖，同時(shí)對(duì)接口的熱拔插起到了很好的保護(hù)作用，傳感器更加穩(wěn)定、可靠。
排插式LoRa轉(zhuǎn)4G智能網(wǎng)關(guān)
無(wú)線遠(yuǎn)程壓力采集終端
LoRaWAN無(wú)線遠(yuǎn)程液位傳感器
無(wú)線智能消防栓水壓監(jiān)測(cè)
衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)采集主機(jī)
智能水位控制器
智能主機(jī)環(huán)境數(shù)據(jù)4G采集儀
S-CGC5低功耗溫濕度監(jiān)控
GNSS地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)站
一體化傾斜伏倒檢測(cè)儀
地表裂縫監(jiān)測(cè)儀
無(wú)線4g傾斜傳感器(內(nèi)置電池)
4G噴灌滴灌流量計(jì)
土壤熱流計(jì)熱通量傳感器
有線波載64路閥門集中控制器
S-PSVF 電池供電4G無(wú)線閥門控制
水位地災(zāi)拍照雷達(dá)一體化水位
水中硼線上自動(dòng)分析儀
水中鎳線上分析儀傳感器
水質(zhì)鉻自動(dòng)分析儀傳感器
美麗鄉(xiāng)村水質(zhì)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)
智能井蓋管理軟件平臺(tái)
S-DZJC監(jiān)測(cè)與預(yù)警服務(wù)平臺(tái)
負(fù)氧離子LED顯示發(fā)布系統(tǒng)
噪音揚(yáng)塵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)
太陽(yáng)能供電電流電壓遠(yuǎn)程監(jiān)控
超聲波風(fēng)速風(fēng)向,溫濕度,噪聲
水質(zhì)離子在線傳感器
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