對于自然或人工邊坡的形變監(jiān)測，通常有常規(guī)監(jiān)測和GPS監(jiān)測兩種方法。常規(guī)監(jiān)測方法是使用經(jīng)緯儀、測距儀或全站儀等儀器，采用前方交會、邊角網(wǎng)、極坐標差分等方法獲取監(jiān)測點觀測數(shù)據(jù)，并通過相應的數(shù)據(jù)處理方法獲得監(jiān)測點的位移量。常規(guī)監(jiān)測方法的優(yōu)點是觀測數(shù)據(jù)直觀可靠，短距離獲得的精度高、投資少；但缺點是受通視條件、氣象條件以及施工干擾的影響，在進行長距離監(jiān)測時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，氣候復雜多變，每到雨季更有濕度大、霧氣大的特點，使得常規(guī)的監(jiān)測方法在雨季這樣監(jiān)測的重要時期不具備時效性。

　　GPS作為一種高新技術(shù)，在我國水電工程建設(shè)中已獲得了一些應用，但在大壩、邊坡安全監(jiān)測中的應用卻是個十分薄弱的環(huán)節(jié)_l J。影響GPS技術(shù)廣泛應用于安全監(jiān)測系統(tǒng)的最大障礙是費用昂貴、自動化程度不高。由于監(jiān)測點和基準站上都需要安置接收機，當在大壩、邊坡這樣大范圍區(qū)域?qū)嵤┍O(jiān)測時，需要布設(shè)的測點很多，投入成本很大，若采用分批觀測方法又需要較長周期，因此極大地制約了GPS在該領(lǐng)域的發(fā)展。

　　針對GPS在安全監(jiān)測中存在的問題，筆者提出了GPS一機多天線思想，并研制開發(fā)了GPS一機多天線控制器，使一臺GPS接收機能互不干擾地連接多個天線。在這種體系下，每個監(jiān)測點上只安裝GPS天線，而不需安裝接收機。從而極大地降低了安全監(jiān)測系統(tǒng)的造價 J。該項技術(shù)開發(fā)為大壩、高邊坡利用GPS進行安全監(jiān)測創(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用前景。此外，基于GPS一機多天線控制器也為高邊坡自動化連續(xù)遙測創(chuàng)造了有利條件。

　　本文結(jié)合云南小灣水電站2號山梁堆積體的安全監(jiān)測系統(tǒng)，詳細介紹GPS多天線技術(shù)、遠程自動化形變監(jiān)測技術(shù)和GPS數(shù)據(jù)處理新方法。

　　1 系統(tǒng)簡介

　　邊坡安全監(jiān)測系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)通訊、計算機網(wǎng)絡、應用軟件、趨勢分析及預警5個子系統(tǒng)組成，見圖1。

圖1 系統(tǒng)組成

　　原始監(jiān)測數(shù)據(jù)采集部分主要負責各監(jiān)測點GPS數(shù)據(jù)的接收和存儲，其核心部分是一機多天線控制器，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)及相應的控制電路、一臺GPS接收機及相應的處理芯片_4]。軟件部分實現(xiàn)控制多通道工作方式并可設(shè)置測點的觀測時間、與GPS接收機通訊和數(shù)據(jù)發(fā)送等功能，通過采用實時控制技術(shù)，使接收機能夠互不干擾地接收若干個GPS天線傳輸來的信號。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)運行以及監(jiān)控數(shù)據(jù)的存儲與傳輸。

　　數(shù)據(jù)無線傳輸主要負責將采集到的原始監(jiān)測數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡傳輸?shù)娇刂浦行?，主要利用GPRS技術(shù)實現(xiàn)。

　　計算機網(wǎng)絡子系統(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。中心服務器具備文件服務器、數(shù)據(jù)庫服務器等多種功能，在局域網(wǎng)內(nèi)可以實現(xiàn)辦公自動化和信息共享。邊坡上實時采集監(jiān)測數(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)標識將數(shù)據(jù)整理歸類后發(fā)送到中心服務器入庫備份。數(shù)據(jù)處理工作站通過相應的應用軟件對接收到的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行解算分析。

　　應用軟件子系統(tǒng)包含了監(jiān)測數(shù)據(jù)解算、分析、理為一體的高邊坡安全監(jiān)測專用軟件，可實現(xiàn)資料錄入、計算分析、查詢、統(tǒng)計、圖形繪制、報表打印等功能。軟件界面友好，功能強大，使用方便。資料錄入實現(xiàn)數(shù)據(jù)自動更新，并將數(shù)據(jù)按處理時段合并整理后通過網(wǎng)絡發(fā)送到中心服務器進行備份；GPS數(shù)據(jù)解算軟件通過獲得監(jiān)澳4點的三維坐標，并將解算數(shù)據(jù)納入數(shù)據(jù)庫，通過相應的算法分析擬合作出預報；功能強大的報表生成器和圖形繪制軟件生成各種報表和過程線、統(tǒng)計曲線。

　　預警子系統(tǒng)根據(jù)邊坡監(jiān)測成果，建立預警機制，以便及時為決策部門提供信息，使決策部門能迅速作出反應，避免造成不必要的損失。

　　2 小灣水電站高邊坡形變監(jiān)測實驗與分析

　　小灣水電站樞紐區(qū)地理坐標為東經(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)河段長約2300m，正常蓄水位1 240 m時河谷寬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)測的高邊坡為小灣水電站壩體左壩肩所在地——2號山梁。2號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。～35。，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，壩肩開挖時必然觸及堆積體前緣，可能引發(fā)堆積體失穩(wěn)，雖然對堆積體實施了降坡、支護等工程措施，但所形成的340 m的高邊坡的穩(wěn)定是影響工程N,N進行的重要因素。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)測的重點對象。

　　2．1 測點概述

　　針對2號山梁地質(zhì)特點，邊坡監(jiān)測點選在2號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個斷面，共有16個監(jiān)測點；在1 245～1 380 m之間選取3個斷面，共有8個監(jiān)測點。整個堆積體的GPS監(jiān)測點數(shù)為24個。每8個監(jiān)測點為一組，連接到一個控制器，共有3組。GPS監(jiān)測點一般采用原外觀點，為使GPS監(jiān)測與常規(guī)監(jiān)測相校核，在每組的2個原外觀點旁埋設(shè)一個新點，作為GPS監(jiān)測點。3個數(shù)據(jù)采集站布置在邊坡上，從上到下依此為l一3號，為減少電纜傳輸距離，提高數(shù)據(jù)傳輸可靠性，采集站應布置在一組監(jiān)測點的中間。每個采集站配置有一臺雙頻GPS接收機、一臺多天線控制器、一臺工控PC機、一臺GPRS通訊設(shè)備、UPS電源和蓄電池等。為使系統(tǒng)投入運行后，做到無人值守的安全、自動的工作模式，將接收到的監(jiān)測數(shù)據(jù)以無線傳輸?shù)姆绞桨l(fā)送到距離現(xiàn)場較遠、較為安全的控制中心，選用了移動公司提供的GPRS業(yè)務。使用嵌入式系統(tǒng)PC一104與接收機和GPRS無線傳輸終端相連接，利用PC一104上的兩個RS一232串口，以中斷方式控制數(shù)據(jù)同時互不干擾的收發(fā)，并利用控制軟件設(shè)置發(fā)送數(shù)據(jù)的時間間隔，這樣就可以根據(jù)現(xiàn)場條件，合理安排監(jiān)測密度，以便及時向有關(guān)部門提交監(jiān)測成果，做好相應的處理。

　　2．2 監(jiān)測成果

　　2004年6月進行儀器設(shè)備安裝調(diào)試，并進行首期觀測。觀測方案采取10min切換一個通道，每天定時在6時和18時兩次計算成果，并將計算結(jié)果分析預報后提交有關(guān)單位。圖2給出了本系統(tǒng)監(jiān)測點C2A一¨I—rrP一36在2004年7～8月的監(jiān)測成果，并將該點結(jié)果與相應的GPS 監(jiān)測校核點進行對比。通過常規(guī)監(jiān)測得到的數(shù)據(jù)成果和采用基于一機多天線控制器系統(tǒng)比較來看，形變趨勢相當，基本反映了該測區(qū)的形變量，可以作為邊坡監(jiān)測的一種有效的手段。

圖2 測點水平位移

　　2．3 測點趨勢預報

　　針對監(jiān)測系統(tǒng)要求的實時性和可預報性，需要根據(jù)一定時期內(nèi)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，建立起適當?shù)臄?shù)學模型對未來的形變趨勢加以預報，以便使有關(guān)部門通過氣候條件、施工進展和以往數(shù)據(jù)綜合考慮，提前作出判斷，從而對邊坡進行及時有效的處理，排除事故隱患。為此，將累積下來的監(jiān)測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。為了衡量預測數(shù)據(jù)的可靠性，需要引入Rz進行檢驗 ：

　　式中 為由公式計算得到的測點擬合值。當趨勢線的R 等于或接近1時其可靠性最高。形變預報只有當進行R：檢驗，在具有足夠可靠性的基礎(chǔ)上才有意義。另外由于預報是一種外推過程，因此隨著外推時間的增長，預報精度降低，所以應隨著觀測量的增長，不斷更新預報方程的參數(shù)。

　　表1為利用小灣水電站2號山梁所采集的一個月監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用式(1)擬合監(jiān)測點的形變趨勢得到的實測值與預報值，通過計算檢驗得到R =0．953，說明該擬合線趨勢較能反映真實情況，可以用來預報觀測值。針對每天形變監(jiān)測值、趨勢分析及預報值并結(jié)合內(nèi)觀監(jiān)測信息的綜合分析，判斷是否啟動預警子系統(tǒng)。

　　3 結(jié) 語

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