CN111947562A - 一种堆石坝内、外变形一体化监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种堆石坝内、外变形一体化监测方法，监测方法包括步骤：基于管道测量机器人，在抗压柔性管道内采集得到堆石坝内部变形数据；基于北斗/GNSS监测系统，在监测点上采集得到堆石坝外部变形数据；后处理得到内部形变监测指标和外部形变监测指标，结合内、外部形变监测指标分析得到整体变形曲线，并根据曲线分析和设定的阈值进行预警。将堆石坝内部变形数据和长期实时观测的大坝外部变形监测数据采用统一的地理参考坐标系，实现堆石坝内、外变形一体化监测，同时，借助三维GIS平台，能够将堆石坝的内外变形监测结果和周围的地形地貌模型进行直观的可视化显示和多周期的动态推演，为预警预报提供数据支撑。

Description

一种堆石坝内、外变形一体化监测方法

技术领域

本发明涉及工程测量技术领域，尤其涉及的是一种堆石坝内、外变形一体化监测方法。

背景技术

面板堆石坝是一种重要大坝类型，因其安全性、经济性和良好的适应性，成为我国水电开发优选坝型。近年来我国堆石坝技术发展迅速，建造了一批200米级高面板堆石坝，目前坝工界正在向300m级面板堆石坝技术发起攻关。面板堆石坝由以面板—趾板—接缝止水组成的防渗体系和堆石(或砂砾石)坝体两部分构成。面板和堆石体在建设期、运营期均会因为自身重力、蓄水压力等原因发生一定程度的形变。根据大坝安全监测规范，通常对大坝内部和外部变形同时进行监测。大坝内部和外部变形监测不仅是掌握大坝安全性态的基础，也是评估工程质量、理解大坝的变形机理的根据。因此在大坝建设、运营期间对这些坝体内、外变形指标进行持续、精密观测十分重要。现有技术中由于大坝内部具有不通视、电磁波无法穿透等特点，缺乏合适的测量手段，使得大范围、高密度、高精度的大坝内部变形监测一直都是坝工领域的重大难题。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种堆石坝内、外变形一体化监测方法，旨在解决现有技术中大坝内部难以监测而无法实现大坝内、外一体化监测的问题。

本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：

一种堆石坝内、外变形一体化监测方法，其中，所述堆石坝内的待监测区域布设有抗压柔性管道，所述抗压柔性管道可随着堆石坝变形而产生形变，所述抗压柔性管道沿线布设有若干个磁性测量标志；所述堆石坝外的外部形变监测点布设有基于北斗/GNSS监测系统；

所述监测方法包括步骤：

基于管道测量机器人，在所述抗压柔性管道内采集得到堆石坝内部变形数据；

基于北斗/GNSS监测系统，在所述外部形变监测点上采集得到堆石坝外部变形数据；

分别对所述堆石坝内部变形数据和所述堆石坝外部变形数据进行处理，得到内部形变监测指标和外部形变监测指标；

对所述内部形变监测指标和所述外部形变监测指标进行分析得到数据分析曲线，并根据所述数据分析曲线进行预警。

所述的堆石坝内、外变形一体化监测方法，其中，所述堆石坝内部变形数据为所述抗压柔性管道的三维变形量；

所述基于管道测量机器人，在所述抗压柔性管道内采集得到堆石坝内部变形数据，包括：

采用定期采集的方式，在每一个时间段内，所述管道测量机器人在所述抗压柔性管道内自下而上移动，测量得到该时间段的所述抗压柔性管道的三维曲线；

根据各时间段的所述抗压柔性管道的三维曲线，得到所述抗压柔性管道的三维变形量。

所述的堆石坝内、外变形一体化监测方法，其中，所述管道测量机器人包括：供电系统以及与所述供电系统连接的定位定姿系统；所述抗压柔性管道沿线布设有若干个磁性测量标志；所述定位定姿系统包括：光纤惯导、里程计以及磁力计；

所述在每一个时间周期内，所述管道测量机器人在所述抗压柔性管道内自下而上移动，测量得到该时间周期的所述抗压柔性管道的三维曲线，包括：

所述磁力计通过连续测量所述磁性测量标志的磁强度，得到磁标志点位置数据；

所述光纤惯导和所述里程计融合测量得到三维位置数据和姿态数据；

对磁标志点位置数据、三维位置数据以及姿态数据进行数据联合平差解算，得到所述抗压柔性管道的三维曲线；

所述根据各时间周期的所述抗压柔性管道的三维曲线，得到所述抗压柔性管道的三维变形量，包括：

各时间周期的所述抗压柔性管道的三维曲线通过磁标志点位置数据进行关联，得到所述抗压柔性管道的三维变形量。

所述的堆石坝内、外变形一体化监测方法，其中，所述管道测量机器人还包括：与所述供电系统连接的采集控制系统；所述采集控制系统包括：同步控制板和采集电脑；所述同步控制板用于实现测量位置数据、三维位置数据以及姿态数据同步；所述采集电脑用于控制同步控制板以及所述定位定姿系统。

所述的堆石坝内、外变形一体化监测方法，其中，所述北斗/GNSS监测系统包括：设置在所述堆石坝上的监测管理站以及设置在基岩上的现场基准站；

所述基于北斗/GNSS监测系统，在所述外部形变监测点上采集得到堆石坝外部变形数据，包括：

基于GNSS，实时采集所述监测管理站的观测值和所述现场基准站的观测值；

采用双差策略，对所述监测管理站的观测值和所述现场基准站的观测值进行处理得到堆石坝外部变形数据。

所述的堆石坝内、外变形一体化监测方法，其中，所述采用双差策略，对所述监测管理站的观测值和所述现场基准站的观测值进行处理得到堆石坝外部变形数据，包括：

根据所述监测管理站的观测值和所述现场基准站的观测值，得到米级精度的初始坐标；

对所述初始坐标进行线性化，得到线性化观测值；

对所述线性化观测值进行数据质量编辑，得到编辑观测值；其中，所述编辑观测值的每个弧段均小于预设长度；

对所述编辑观测值进行法方程叠加，得到整体解的法方程；

对所述整体解的法方程进行模糊度的固定和参数的求解，得到堆石坝外部变形数据。

所述的堆石坝内、外变形一体化监测方法，其中，所述内部形变监测指标包括：水平位移、垂直沉降以及面板挠度；所述外部形变监测指标包括：水平位移、垂直位移、挠度以及倾斜度。

所述的堆石坝内、外变形一体化监测方法，其中，所述对内部形变监测指标和外部形变监测指标进行分析得到数据分析曲线，并根据所述数据分析曲线进行预警，包括：

对内部形变监测指标和外部形变监测指标进行分析得到数据分析曲线；

当所述数据分析曲线中的数据超过预设变形阈值时，进行预警。

所述的堆石坝内、外变形一体化监测方法，其中，所述抗压柔性管道采用以下步骤布设：

在所述堆石坝的面板浇筑前，在所述堆石坝的待监测区域的坝顶设置固定点，并根据固定点进行管道槽放线，得到固定点引线；

根据所述固定点引线，在所述堆石坝的挤压边墙挖出管道埋设槽；

在所述管道埋设槽中放入所述抗压柔性管道后填料，以完成所述抗压柔性管道的布设。

所述的堆石坝内、外变形一体化监测方法，其中，所述抗压柔性管道采用聚乙烯管，所述抗压柔性管道的直径大于180mm。

有益效果：由于在大坝建造的时候，在待监测区域布设抗压柔性管道。将管道测量机器人灌入抗压柔性管道中，通过管道测量机器人在管道中运动，从而采集得到堆石坝内部变形数据。将不同周期观测的堆石坝内部变形数据和长期实时观测的大坝外部变形监测数据采用统一的地理参考坐标系，实现堆石坝内、外变形一体化监测。

附图说明

图1是本发明中堆石坝内、外变形一体化监测方法的流程图。

图2是本发明中堆石坝内变形检测的流程图。

图3是本发明中堆石坝外变形检测的流程图。

图4是本发明中堆石坝外部变形数据处理的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

发明人发现，目前，大坝内部变形监测主要监测水平位移、垂直沉降和面板挠度三类变形指标。其中，大坝的水平位移是指监测点发生垂直于大坝轴向的水平变形，一般采用水平分层布设的引张线式位移计或垂直布设的测斜仪进行测量。大坝的垂直沉降是指坝体监测点在施工、运行期间发生的垂直下降位移。通常采用水平分层布设的“水管式”沉降仪或垂直布设的电磁沉降仪、横梁管式沉降仪进行测量。大坝的垂直沉降是指坝体监测点在施工、运行期间发生的垂直下降位移。通常采用水平分层布设的“水管式”沉降仪或垂直布设的电磁沉降仪、横梁管式沉降仪进行测量。这些现有的监测方法，均存在仪器一旦安装埋设便不能进行维修，且本身易损坏，仪器存活率较低，影响监测数据的完整性和测量精度。而且，所有的传感器都是点式埋设，经过拟合才能得到大坝的变形趋势曲线。

另外，大坝外部由于长期受水压影响，同时包括地质环境的变化，借助监测设备通过对堆石坝外部变形的监测，从而实现对大坝内外安全进行全方位监测与测量。大坝外部变形监测的项目一般分为：水平位移监测、垂直位移监测、挠度监测和倾斜监测等。面板堆石坝外部变形观测的测量仪器主要采用光学水准仪和经纬仪，或高精度的水准仪，全站仪或“测量机器人”全自动全站仪，另外，GNSS观测具有精度高、速度快、自动化、全天候以及测点之间无需通视等优点，可以用于变形量较大的高面板堆石坝的观测；同时，光纤陀螺仪等适合全天候自动监测的新型仪器设备也逐步应用。目前，水平位移监测、垂直位移监测主要通过单频或双频GNSS监测系统(通常包括现场基准站及测点和监测管理站两部分组成)来监测，光纤陀螺仪监测高坝面板挠度，解决了测斜孔监测高坝面板挠度变形精度差的问题。

综合来看，针对堆石坝内外变形一体化监测而言，现有监测手段存在死亡率高、监测点稀疏的缺陷，使得传统方法在适应性、抗冲击等方面，难以满足200米级及以上的高面板堆石坝高可靠、高精细内外变形一体化监测的需求，亟需一套支持内外一体化的监测系统来满足高面板堆石坝监测难题。

针对现有大坝内、外部形变的观测需求，采用一套系统可以同时观测挠度变形、沉降变形以及水平变形的内部变形测量机器人系统和基于北斗/GNSS的外部形变监测系统(此处的GNSS主要指美国的GPS，俄罗斯的GLONASS和欧盟的Galileo系统，以区分我国的北斗定位系统)，并将两者观测结果采用统一的时空基准进行分析与展示，从而形成面板堆石坝内外变形一体化监测新方法。需要说明的是，北斗实际上是GNSS的一种，本申请的外部形变监测系统兼容我国的北斗和国外的GNSS系统。

内部变形测量机器人系统具体技术思路为，在大坝建造的时候，在待监测区域布设抗压柔性管道，管道可以随着大坝变形而产生形变。同时，管道沿线布设有磁性测量标志，磁性测量标志与管道固连。在测量时，利用集成高精度惯导/里程计的测量小车，测量管道的三维曲线。通过磁性测量标志，将不同时间段测量的管道三维曲线通过磁标志点进行关联，计算三维变形量，并换算成最终的面板挠度、水平沉降、垂直沉降等变形监测指标。

外部北斗/GNSS形变监测系统主要是基于北斗高精度卫星定位和高精度卫星数据处理解算技术，通过布设GNSS观测网，进行连续稳定监测，对大坝形变进行数据实时自动采集、传输、存储、处理，为综合预警和防护工作提供全天候全天时毫米级智能化监控。

最后，将不同周期观测的堆石坝内部变形数据和长期实时观测的大坝外部变形监测数据采用统一的地理参考坐标系，借助可视化监测、预警平台进行观测结果显示，并通过设定变形阈值，进行灾害预警。

本发明采用内外一体化的监测体系，包含两个部分：内部变形管道测量机器人系统和外部变形北斗/GNSS变形监测系统进行在线监测。其中，堆石坝内部变形采用高精度管道变形测量机器人对预埋管道进行测量，管道机器人集成导航级激光惯导和多路高分辨率里程计，通过融合算法可获得机器人运动三维曲线，在此基础上可以计算管道曲线的垂直、水平和挠度变形指标。外部变形采用北斗/GNSS变形监测系统进行监测，北斗/GNSS监测系统由布置在地质和结构建筑形变监测点的参考站GNSS接收机、GNSS天线及各种自动化传感器组成。通过对长时间北斗/GNSS静态观测数据进行解算，精确测量毫米级微小变形。从而实现内外变形一体化高精度监测，结合堆石坝内外变形历史数据和外部变形监测实时数据，依托堆石坝变形分析预警系统进行实时观测与预警。

请同时参阅图1-图4，本发明提供了一种堆石坝内、外变形一体化监测方法的一些实施例。

如图1所示，本发明的一种堆石坝内、外变形一体化监测方法，所述堆石坝内的待监测区域布设有抗压柔性管道，所述抗压柔性管道可随着大坝变形而产生形变，所述抗压柔性管道沿线布设有若干个磁性测量标志；所述堆石坝外的外部形变监测点布设有基于北斗/GNSS监测系统。在其它实施例中，可以将GNSS替换为北斗。外部变形监测还可以用测量机器人或合成孔径雷达来补充。

具体地，本方法不限于堆石坝，还可以适用于拱坝，以及可以布设柔性管道的滑坡体、坝体。在大坝建造的时候，在待监测区域布设抗压柔性管道。所述抗压柔性管道采用聚乙烯(PE)管，当然还可以采用其它材料制成，如聚丙烯，聚氯乙烯等。所述抗压柔性管道的直径大于180mm，抗压柔性管道的直径根据管道测量机器人的尺寸确定，抗压柔性管道的直径需要能使管道测量机器人通过。

所述抗压柔性管道的埋设安装工艺包括管道槽放线、管道槽开挖、管道槽外填料。抗压柔性管道可以根据大坝进行优化。具体的，所述抗压柔性管道采用以下步骤布设：

步骤A1、在所述堆石坝的面板浇筑前，在所述堆石坝的待监测区域的坝顶设置固定点，并根据固定点进行管道槽放线，得到固定点引线。

具体地，用仪器标识固定点引线。

步骤A2、根据所述固定点引线，在所述堆石坝的挤压边墙挖出管道埋设槽。

具体地，以固定点引线为中心，在挤压边墙上人工开挖断面为宽约为60cm，高约为60cm的管道埋设槽。管道埋设槽位于面板挠度变形较大的主河床段。

步骤A3、在所述管道埋设槽中放入所述抗压柔性管道后填料，以完成所述抗压柔性管道的布设。

具体地，在抗压柔性管道放入管道埋设槽中后，将管道埋设槽其余空隙填满，将抗压柔性管道埋起来。然后，继续进行堆石坝的面板浇筑，完成堆石坝的建造。

所述监测方法包括以下步骤：

步骤S100、基于管道测量机器人，在所述抗压柔性管道内采集得到堆石坝内部变形数据。

具体地，如图2所示，由于所述抗压柔性管道可随着堆石坝变形而产生形变，可以通过监测所述抗压柔性管道的变形得到堆石坝内部变形数据，因此，所述堆石坝内部变形数据为所述抗压柔性管道的三维变形量。将管道测量机器人灌入抗压柔性管道中，通过卷扬机或者动力机器人使管道测量机器人在抗压柔性管道中运动，从而采集得到堆石坝内部变形数据。

步骤S100具体包括：

步骤S110、采用定期采集的方式，在每一个时间段内，所述管道测量机器人在所述抗压柔性管道内自下而上移动，测量得到该时间段的所述抗压柔性管道的三维曲线。

具体地，采用定期采集的方式采集数据，也就是说，每隔一预定时间间隔采集一次数据，例如，每天采集一次，那么采集周期为1天；再如，每12小时采集一次，那么采集周期为12小时。为了提高采集的准确性，每个采集周期，可以采集若干次，对若干次采集的数据进行平均处理。

在采集数据时，通过卷扬机或者动力机器人使管道测量机器人在所述抗压柔性管道内自下而上移动，当然在其它的实施方式中，也可以采用自上而下的方式移动。

具体地，所述管道测量机器人包括：供电系统以及与所述供电系统连接的定位定姿系统；所述抗压柔性管道沿线布设有若干个磁性测量标志；所述定位定姿系统主要包括：光纤惯导、里程计以及磁力计。供电系统包括高容量锂电池，电量显示电路、充电电路等，供电系统用于对管道测量机器人供电。定位定姿系统用于确定位置和姿态，磁性测量标志与抗压柔性管道固连，磁力计要用于感应管道沿线的磁性测量标志，认为磁强度最大的位置对应磁标致点的位置。通过连续测量磁强度，探测磁强峰值位置，从而将磁标志与测量时间关联起来，进一步关联测量位置。光纤惯导与里程计用于融合测量三维位置和姿态。

具体地，所述管道测量机器人还包括：与所述供电系统连接的采集控制系统；所述采集控制系统包括：同步控制板和采集电脑；所述同步控制板用于实现测量位置数据、三维位置数据以及姿态数据同步；所述采集电脑用于控制同步控制板以及所述定位定姿系统。采集电脑还用于数据采集与存储。

所述管道测量机器人还包括：与所述供电系统连接的输入输出系统，输入输出系统包括采集开关、指示灯、无线Wi-Fi、USB接口等，提供与外部通讯交互的接口。输入输出系统用于数据输入和输出。

步骤步骤S110具体包括：

步骤S111、所述磁力计通过连续测量所述磁性测量标志的磁强度，得到磁标志点位置数据。

具体地，各磁性测量标志可以按照预定间隔依次连接在抗压柔性管道上，各磁性测量标志在抗压柔性管道的位置不同，也就是说，各磁性测量标志位于抗压柔性管道的不同深度处。当磁力计测量磁强度时，磁力计越接近磁性测量标志时，则磁强度越大；磁力计越远离磁性测量标志时，则磁强度越效。在抗压柔性管道变形时，磁性测量标志也会移动，也就是说，通过不同时间段磁性测量标志所在的位置可以确定抗压柔性管道具体如何变形的。

步骤S112、所述光纤惯导和所述里程计融合测量得到三维位置数据和姿态数据。

具体地，通过卡尔曼滤波和RTS平滑算法对多里程计的里程数据和光纤惯导的惯导数据进行组合处理得到三维位置数据和姿态数据。里程计包括光电编码器，通过光纤惯导和所述里程计融合测量得到三维位置数据和姿态数据。姿态数据包括倾斜角，管道测量机器人在管内自下而上以一定间距逐段量测，光纤惯导的传感器将反映出管道测量机器人在每一深度处的倾斜角变化，通过电缆将倾斜角变化转换后的电讯号进行测读记录或存储数据。

步骤S113、对磁标志点位置数据、三维位置数据以及姿态数据进行数据联合平差解算，得到所述抗压柔性管道的三维曲线。

具体地，各数据采集完成后，进行数据联合平差解算，得到抗压柔性管道的三维曲线。抗压柔性管道的三维曲线上各点位置为三维位置，例如，三维位置采用x坐标、y坐标以及z坐标表示，在抗压柔性管道的三维曲线将各磁标志点连接串起来，倾斜角即抗压柔性管道的三维曲线上各点的斜率。

具体地，步骤S113包括：

步骤S1131、构建多类约束条件；其中，多类约束条件包括惯性测量值约束、里程测量值约束、控制点测量约束、零速修正测量约束、非完整性测量约束以及路标点距离约束。

步骤S1132、将三维位置数据和姿态数据作为迭代优化初值，并通过优化估计算法最小化多类约束的误差，得到抗压柔性管道的三维曲线。

具体地，构造多种约束条件，通过最小化约束条件残差，求解最优导航状态轨迹

惯导误差参数序列

和惯导与里程计之间的标定参数x_dmi。

其中：r_imu为惯性测量单元原始测量值约束；r_dmi为高精度编码器测量值约束；r_nhc为非完整性运动约束；r_cpt为高精度控制点约束；r_ldm为往返轨迹距离约束；r_stb为惯性测量单元零偏稳定性约束；p为各种约束的权重，p_imu为惯性测量单元原始测量值约束的权重，p_dmi为高精度编码器测量值约束的权重，p_cpt为高精度控制点约束的权重，p_stb为惯性测量单元零偏稳定性约束，p_nhc为非完整性运动约束的权重，p_ldm为往返轨迹距离约束的权重；p_imu,p_dmi,p_cpt由原始测量值噪声大小决定；p_nhc,p_ldm由轨迹形状决定；p_stb由惯导零偏稳定性决定；argmin(·)就是使括号内式子达到最小值时的变量的取值，例如，函数F(x，y)：argminF(x，y)就是指当F(x，y)取得最小值时，变量x，y的取值。

通过构建优化因子图，对公式构建的全局优化问题进行迭代求解，最终可以得到全局最优的管道三维轨迹，即抗压柔性管道的三维曲线。

步骤S120、根据各时间段的所述抗压柔性管道的三维曲线，得到所述抗压柔性管道的三维变形量。

具体地，各时间段的所述抗压柔性管道的三维曲线通过磁标志点位置数据进行关联，得到所述抗压柔性管道的三维变形量。由于抗压柔性管道发生了变形，该变形位置上的磁标志点在各时间段的所述抗压柔性管道的三维曲线中的位置各不相同，也就是说，通过磁标志点位置的变化可以得到抗压柔性管道的变形量，具体地，该变形量为三维变形量，也就是说，在x坐标、y坐标以及z坐标上的变形量。除了磁标志点外，还可以采用管道接缝点，磁标志点和管道接缝点等特征位置可以作为路标点约束(精确的位置参考点)，提高管道三维曲线解算的精度。

步骤S200、基于北斗/GNSS监测系统，在所述外部形变监测点上采集得到堆石坝外部变形数据。

具体地，如图3所示，基于北斗/GNSS的外部变形监测系统包含外部形变监测点的安装，监测点的感测数据采集、外部形变监测指标的计算、外部形变指标分析与预警，外部形变的监测结果显示几个部分。所述北斗/GNSS监测系统包括：设置在所述堆石坝上的监测管理站以及设置在基岩上的现场基准站。监测管理站和现场基准站的区别在于设置位置不一样，监测管理站作为流动站设置在堆石坝上，堆石坝变形后，监测管理站的位置也会随之变化。现场基准站设置在基岩上，也就是说，将现场基准站作为参考，现场基准站的位置保持不变。通过监测管理站和现场基准站之间的相对位置的变化，来得到堆石坝外部变形数据。需要说明的是，外部形变监测点可以有多个，也就是说，监测管理站有多个。现场基准站可以是一个或多个。监测管理站和现场基准站均建立在稳定的混凝土基座上，避免监测管理站和现场基准站受其他因素影响而变换位置。

需要说明的是，北斗/GNSS监测管理站通常固定埋设在大坝的面板上，能够进行实时数据观测、传输、预警，因此，实效性较强，稳定性较好。

步骤S200包括：

步骤S210、基于GNSS，实时采集所述监测管理站的观测值和所述现场基准站的观测值。

具体地，监测管理站和现场基准站均采用北斗/GNSS监测系统，也就是说，监测管理站和现场基准站的结构相同，北斗/GNSS监测系统包括布置在地质和结构建筑形变监测点的GNSS接收机、GNSS天线及各种自动化传感器。现场基准站上的GNSS接收机采集卫星观测数据。通过解算现场基准站的卫星观测数据，提供变形参考基准。

步骤S220、采用双差策略，对所述监测管理站的观测值和所述现场基准站的观测值进行处理得到堆石坝外部变形数据。

采用双差的策略，可消除卫星钟差，接收机时钟误差以及削弱与距离相关的轨道误差、对流层、电离层误差，获取高精度的定位结果。数据处理软件包括2小时数据静态解，以及3分钟数据准动态解两种解算模式，对两种模式都采用基于法方程的整体解，以达到最高的数值稳定性，并达到最佳的模糊度固定效果。

数据解算流程中，首先用伪距计算米级精度的初始坐标(即监测管理站坐标和现场基准站坐标)，然后根据这个初始坐标重新进行观测值的线性化，再进行数据质量编辑，获得干净的每个弧段都满足最小长度要求的观测值，再进行法方程的叠加，获得整体解的法方程。最后进行模糊度的固定和参数的最终求解。

具体地，步骤S220包括：

步骤S221、根据所述监测管理站的观测值和所述现场基准站的观测值，得到米级精度的初始坐标。

具体地，观测值包括伪距观测值、载波相位观测值以及多普勒观测值。距观测值、载波相位观测值、多普勒观测值分别以距离、相位数、频率的形式给出。本发明实施例中，用伪距计算得到米级精度的初始坐标。伪距是指卫星定位过程中，地面接收机到卫星之间的大概距离，假设卫星钟和接收机钟严格保持同步，根据卫星信号的发射时间与接收机接收到信号的接收时间就可以得到信号的传播时间，再乘以传播速度就可以得到卫地距离。然而两个时钟不可避免存在钟差，且信号在传播过程中还要受到大气折射等因素的影响，所以通过这种方法直接测得的距离并不等于卫星到地面接收机的真正距离，于是把这种距离称之为伪距。伪距是由卫星时钟给出的卫星信号离开卫星的时刻与接收机时钟给出的信号到达接收机的时刻之间的差值进行计算的。

具体地，GNSS高精度定位采用载波观测值，而周跳和粗差探测和修复是载波观测的关键。为了达到mm级高精度形变监测要求，必须正确确定周跳的位置和采用一定的方法剔出粗差。目前主要采用三种组合观测值，电离层残差组合、MW组合和无电离层组合来综合定位粗差和周跳。

电离层残差组合(Ionospheric Combination)

MW组合(Melbourne-Wübbena Combination)

无电离层组合(Ionosphere-free Combination)

其中，I表示电离层参数，λ₁、λ₂分别表示载波L₁和L₂的波长，N₁、N₂分别表示载波L₁和L₂的相位模糊度，f₁、f₂分别表示L₁和L₂的频率。P₁、P₂分别表示载波L₁和L₂的P码伪距的观测值，N_δ为宽巷载波相位观测值组合的模糊度，

分别为载波L₁和L₂的相位。L₃为无电离层组合观测值。

为电离层残差组合载波相位观测值。

步骤S222、对所述初始坐标进行线性化，得到线性化观测值。

步骤S223、对所述线性化观测值进行数据质量编辑，得到编辑观测值；其中，所述编辑观测值的每个弧段均小于预设长度。

步骤S224、对所述编辑观测值进行法方程叠加，得到整体解的法方程。

具体地，得到的整体解的法方程可以在下一历元对所述编辑观测值进行法方程叠加。

步骤S225、对所述整体解的法方程进行模糊度的固定和参数的求解，得到堆石坝外部变形数据。

模糊度固定是GNSS高精度相对定位十分关键的一步，尤其是准实时的GNSS形变监测网络。为实现整网的最佳变形估计，采用网解的方法进行数据处理，采用非差方法实现模糊度固定，基本步骤为：

(1)将观测网中的非差无电离层组合模糊度组成双差模糊度，依据模糊度固定的可能性指标独立的双差模糊度。为节省时间对独立基线选择分单基线与整网两个层次进行。一，基线层次：具有一定的共视时间(选10分钟以上)的双差模糊度都作为独立模糊度的候选。对候选的宽巷和窄巷模糊度检验其固定的可能性。按宽窄巷模糊度均固定、宽巷模糊度固定、宽窄巷模糊度均不固定的顺序进行排列，然后从中依次选择独立模糊度。二，整网层次：将各基线上选择的独立模糊度综合在一起，按前述基线层次相同的选择顺序，从中依次选择出独立的模糊度。

(2)将剔出了粗差与周跳的干净的相位与伪距观测值，采用Melbourne-Wübbena(MW)组合方法得到宽巷模糊度估计值与方差，并组成宽巷双差模糊度。采用模糊度固定判定函数进行检验，确定模糊度是否能固定。

(3)将能固定的宽巷模糊度与参数估计得到的无电离层组合模糊度组合，得出窄巷模糊度的估计值与方差。再与固定宽巷模糊度一样，采用模糊度固定判定函数进行检验，确定模糊度是否能固定。

(4)对宽巷与窄巷都能固定的模糊度，用固定的整数进一步得到固定的无电离层组合的双差模糊度。

(5)将固定的无电离层组合双差模糊度引入法方程，提高估计参数的精度(包括未固定的模糊度参数)。重复(1)-(5)步，直至没有新的模糊度可以固定为止。

步骤S300、分别对所述堆石坝内部变形数据和所述堆石坝外部变形数据进行处理，得到内部形变监测指标和外部形变监测指标。

具体地，所述内部形变监测指标包括：水平位移、垂直沉降以及面板挠度；所述外部形变监测指标包括：水平位移、垂直位移、挠度以及倾斜度。在得到所述堆石坝内部变形数据和所述堆石坝外部变形数据后，分别对所述堆石坝内部变形数据和所述堆石坝外部变形数据进行处理，得到内部形变监测指标和外部形变监测指标。例如，得到抗压柔性管道的三维变形量后，可计算水平位移、垂直沉降以及面板挠度，从而确定各内部形变监测指标。

步骤S400、对内部形变监测指标和外部形变监测指标进行分析得到数据分析曲线，并根据所述数据分析曲线进行预警。

具体地，对解算的数据，即内部形变监测指标和外部形变监测指标，进行数据分析，生成数据分析曲线，通过预设变形阈值对超限数据进行判断和告警，自动记录和生成数据分析报告。对整个系统进行管理和可视化操作，分配不同层级用户权限，对监测数据进行管理，并对原始数据进行分析。

步骤S400包括：

步骤S410、对内部形变监测指标和外部形变监测指标进行分析得到数据分析曲线。

步骤S420、当所述数据分析曲线中的数据超过预设变形阈值时，进行预警。

具体地，由于堆石坝内部变形数据和堆石坝外部变形数据采用统一的地理参考坐标系，也就是说，内部形变监测指标和外部形变监测指标在同一地理参考坐标系进行分析，从而将内部形变和外部形变联合起来一起判断堆石坝的变形，实现堆石坝内、外变形一体化监测。借助可视化监测、预警平台进行观测结果显示，并通过设定变形阈值，进行灾害预警。

综上所述，由于在大坝建造的时候，在待监测区域布设抗压柔性管道。将管道测量机器人灌入抗压柔性管道中，通过管道测量机器人在管道中运动，从而采集得到堆石坝内部变形数据。将不同周期观测的堆石坝内部变形数据和长期实时观测的大坝外部变形监测数据采用统一的地理参考坐标系，实现堆石坝内、外变形一体化监测。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种堆石坝内、外变形一体化监测方法，其特征在于，所述堆石坝内的待监测区域布设有抗压柔性管道，所述抗压柔性管道可随着堆石坝变形而产生形变，所述抗压柔性管道沿线布设有若干个磁性测量标志；所述堆石坝外的外部形变监测点布设有基于北斗/GNSS监测系统；

所述监测方法包括步骤：

基于管道测量机器人，在所述抗压柔性管道内采集得到堆石坝内部变形数据；

基于北斗/GNSS监测系统，在所述外部形变监测点上采集得到堆石坝外部变形数据；

分别对所述堆石坝内部变形数据和所述堆石坝外部变形数据进行处理，得到内部形变监测指标和外部形变监测指标；

对所述内部形变监测指标和所述外部形变监测指标进行分析得到数据分析曲线，并根据所述数据分析曲线进行预警。

2.根据权利要求1所述的堆石坝内、外变形一体化监测方法，其特征在于，所述堆石坝内部变形数据为所述抗压柔性管道的三维变形量；

所述基于管道测量机器人，在所述抗压柔性管道内采集得到堆石坝内部变形数据，包括：

采用定期采集的方式，在每一个时间段内，所述管道测量机器人在所述抗压柔性管道内自下而上移动，测量得到该时间段的所述抗压柔性管道的三维曲线；

根据各时间段的所述抗压柔性管道的三维曲线，得到所述抗压柔性管道的三维变形量。

3.根据权利要求2所述的堆石坝内、外变形一体化监测方法，其特征在于，所述管道测量机器人包括：供电系统以及与所述供电系统连接的定位定姿系统；所述定位定姿系统包括：光纤惯导、里程计以及磁力计；

所述在每一个时间周期内，所述管道测量机器人在所述抗压柔性管道内自下而上移动，测量得到该时间周期的所述抗压柔性管道的三维曲线，包括：

所述磁力计通过连续测量所述磁性测量标志的磁强度，得到磁标志点位置数据；

所述光纤惯导和所述里程计融合测量得到三维位置数据和姿态数据；

对磁标志点位置数据、三维位置数据以及姿态数据进行数据联合平差解算，得到所述抗压柔性管道的三维曲线；

所述根据各时间周期的所述抗压柔性管道的三维曲线，得到所述抗压柔性管道的三维变形量，包括：

各时间周期的所述抗压柔性管道的三维曲线通过磁标志点位置数据进行关联，得到所述抗压柔性管道的三维变形量。

4.根据权利要求3所述的堆石坝内、外变形一体化监测方法，其特征在于，所述管道测量机器人还包括：与所述供电系统连接的采集控制系统；所述采集控制系统包括：同步控制板和采集电脑；所述同步控制板用于实现测量位置数据、三维位置数据以及姿态数据同步；所述采集电脑用于控制同步控制板以及所述定位定姿系统。

5.根据权利要求1所述的堆石坝内、外变形一体化监测方法，其特征在于，所述北斗/GNSS监测系统包括：设置在所述堆石坝上的监测管理站以及设置在基岩上的现场基准站；

所述基于北斗/GNSS监测系统，在所述外部形变监测点上采集得到堆石坝外部变形数据，包括：

基于GNSS，实时采集所述监测管理站的观测值和所述现场基准站的观测值；

采用双差策略，对所述监测管理站的观测值和所述现场基准站的观测值进行处理得到堆石坝外部变形数据。

6.根据权利要求5所述的堆石坝内、外变形一体化监测方法，其特征在于，所述采用双差策略，对所述监测管理站的观测值和所述现场基准站的观测值进行处理得到堆石坝外部变形数据，包括：

根据所述监测管理站的观测值和所述现场基准站的观测值，得到米级精度的初始坐标；

对所述初始坐标进行线性化，得到线性化观测值；

对所述线性化观测值进行数据质量编辑，得到编辑观测值；其中，所述编辑观测值的每个弧段均小于预设长度；

对所述编辑观测值进行法方程叠加，得到整体解的法方程；

对所述整体解的法方程进行模糊度的固定和参数的求解，得到堆石坝外部变形数据。

7.根据权利要求1所述的堆石坝内、外变形一体化监测方法，其特征在于，所述内部形变监测指标包括：水平位移、垂直沉降以及面板挠度；所述外部形变监测指标包括：水平位移、垂直位移、挠度以及倾斜度。

8.根据权利要求1所述的堆石坝内、外变形一体化监测方法，其特征在于，所述对内部形变监测指标和外部形变监测指标进行分析得到数据分析曲线，并根据所述数据分析曲线进行预警，包括：

对内部形变监测指标和外部形变监测指标进行分析得到数据分析曲线；

当所述数据分析曲线中的数据超过预设变形阈值时，进行预警。

9.根据权利要求1所述的堆石坝内、外变形一体化监测方法，其特征在于，所述抗压柔性管道采用以下步骤布设：

在所述堆石坝的面板浇筑前，在所述堆石坝的待监测区域的坝顶设置固定点，并根据固定点进行管道槽放线，得到固定点引线；

根据所述固定点引线，在所述堆石坝的挤压边墙挖出管道埋设槽；

在所述管道埋设槽中放入所述抗压柔性管道后填料，以完成所述抗压柔性管道的布设。

10.根据权利要求1所述的堆石坝内、外变形一体化监测方法，其特征在于，所述抗压柔性管道采用聚乙烯管，所述抗压柔性管道的直径大于180mm。

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