自动监测新技术在大坝表面变形监测中的应用
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水电 2006 国际研讨会
电测距仪测量。 2.1.3 混凝土面板变形及岸坡位移监测的技术方法与大坝表面变形监测基本相同。
2.2 混凝土坝安全监测技术简介 《混凝土坝安全监测技术规范》规定：变形监测项目主要有坝体变形、裂缝、接缝以及坝
基变形、滑坡体及高边坡的位移等。 2.2.1 坝体、坝基、滑坡体及高边坡的水平位移监测 2.2.1.1 重力坝或支墩坝坝体和坝基水平位移一般采用引张线法、真空激光准直法和垂线法监 测。对于短坝，条件有利时也可用视准线法或大气激光准直法。 2.2.1.2 拱坝坝体和坝基水平位移宜采用垂线监测。若交会边长较短、交会角较好，坝体水平 位移可采用测边或测角交会法监测。 2.2.1.3 近坝区岩体、高边坡和滑坡体的水平位移，采用边角网、视准线法和交会法监测。 2.2.1.4 观测近坝区岩体、高边坡或滑坡体的水平位移时，基准点和工作基点应尽量组成边角 网。 2.2.2 坝体、坝基、滑坡体及高边坡的垂直位移监测 2.2.2.1 坝体、坝基的垂直位移监测，一般用精密水准法、连通管法（即流体静力水准法）和 真空激光系统 2.2.2.2 滑坡体及高边坡的垂直位移监测，一般用精密水准法，也可用三角高程法测定。
水电 2006 国际研讨会
自动监测新技术在大坝表面变形监测中的应用
尤相骏 1 郭志勇 2 徐忠阳 3 瑞士徕卡测量系统股份有限公司北京代表处，北京市朝阳门外大街 16 号中国人寿大厦 1808 室， 100020，1.karl.you@；2.zhi-yong.guo@；
4 大坝表面变形自动化监测系统应用实例
青山水库位于浙江省杭州市境内。大坝如图 3 所示。为了给自动变形监测提供实时校验基准， 建立了如图 4 所示的 4 点（A、B、C、D）大地四边形控制网。
图 3 浙江青山水库
全站仪工 作基点站
A
大坝上游
校核基点 变形点
B
D C
图 4 大坝变形监测基准网
基准网野外观测使用 TCA2003 自动化全站仪，测站分别尝试了人工观测（人工粗瞄，ATR 精确照准，12 测回，每一测站约 1 小时）和自动观测（用 MCHO 软件，只在 C 站试用，每一测 站约 30 分钟）。野外观测时间为：2004 年 7 月 22 日 5：00-8：00，18：00-19：00，7 月 23 日 6：00-7：00。四个三角形闭合差的质量检核分别为：±0.3”、 ±0.3”、±0.7”、±1.3”。 三角网平差结果标明，各基准点的三维坐标测量误差都小于 1mm。
作为这类技术的领头羊，徕卡始终与时代的发展保持同步。近二十年来，徕卡从早期的 APSWin，到现在的 GeoMoS；从单一的 TCA 传感器系统；到现在的 TCA、GPS、Nivel200 和地质 等多传感器系统，徕卡先进的综合解决方案，充分体现了大坝外部变形监测的自动化、智能化 和网络化的发展方向。在方案设计、软硬件配置到大型工程中的应用，都取得了长足的进步和 令人滿意的结果，表现出了良好而广泛的应用前景。
3.zhong-yang.xu@
摘要:本文从水库大坝变形监测常用的主要技术手段入手，分门别类地介绍和讨论了常规大坝表面变 形监测方法手段的优缺点，进而提出新型自动化变形监测系统的优缺点和所需要解决的问题。最后 本文通过使用新型自动变形监测系统在浙江青山水库大坝加固工程形变自动化监测工程中的应用具 体介绍了这一新型自动化变形监测系统的具体实施方法。 关键词:自动形变监测系统；GeoMos；大坝表面形变监测
3.1 流动式半自动变形监测系统
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流动式半自动化变形监测系统一方面可用于基点和工作基点三角网的边角观测；另一方面
还可在基点或工作基点上对变形点进行边角交会测量。由于徕卡 TCA 系列全站仪在机载软件的
控制下，可实现对棱镜目标的自动识别与照准，因此测站工作实现了自动化观测、记录与限差
PC 机
TCA2003 自动化全站 控 制 网 自 动 观 测 软
仪
件
光端机
光端机
全站仪供电设备
控制网三维平差软
接线盒
光纤
接线盒
件
数据电缆
GeoMoS 监测软件
徕 卡 原 装 单 棱 镜 及 数据接口软件 配套设备
接线盒
强制对中基座
专用数据分析软件
通讯与控制设备
通讯光缆
光端机及配套设备
光缆套管
控制机房供电设备
Nivel200
GPS
GPS
GPS
Nivel200
TCA
Leica GPS Spider
有线、无线或 局域网络通信
Leica GeoMoS
Nivel200
局域网通信或 同一计算机
气象或地 质传感器
TCA
图 2 固定式全自动变形监测系统 如图 2 所示，固定式全自动变形监测系统的主要配置为： 3.2.1 硬件配置：1 台或多台监测设备（TCA 全站仪、GPS、Nivel200、气象或地质传感器等）、
2.1 土石坝安全监测技术简介 在《土石坝安全监测技术规范》中，把大坝的变形监测内容分为：表面变形、内部变形、
裂缝及接缝、混凝土面板变形及岸坡位移。 大坝表面变形监测主要分为竖向位移监测和水平位移监测。
2.1.1 竖向位移监测的方法主要是精密水准法，或连通管（静力水准）法； 2.1.2 水平位移又分为横向（垂直坝轴线）位移和纵向（平行于坝轴线）位移。 2.1.2.1 横向位移的监测方法主要是视准线法（活动标法、小角法、大气激光准直法等）；有必 要且有条件时，可用三角网前方交会法观测增设工作基点（或位移测点）的横向水平位移。 2.1.2.2 纵向水平位移观测，一般用因钢尺测量，或用普通钢尺加改正系数，有条件时可用光
1 引言
有关资料标明，我国河川年径流量总量约 2780Gm3，水能资源十分丰富，其中理论蕴藏量为 676GW，可开发为 378GW，为世界第一位。为了充分利用这些水利和水能资源，新中国刚成立时， 政府就十分注意兴修水利，造福人类，到目前已建水库堤坝约 8.7 万座，其中绝大部分（约 8 万座）建于 20 世纪 50～70 年代。但是，由于历史原因，有相当部分水库堤坝未按基本程序办 事，是靠群众运动建造的，因此存在工程质量差、安全隐患多的问题。经过几十年的运行，已 经到了病险高发期。
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若干单棱镜组（根据监测点位数量而定）及其它附件、监测仪器供电设备、监测仪器与计算机 的远程数据通信设备、监测设备观测站房等。 3.2.2 软件配置： 3.2.2.1 徕卡 GPS Spider 软件。主要功能为集中处理 GPS 数据，保存原始观测数据，配置管 理 GPS 传感器等； 3.2.2.2 徕卡 GeoMoS 变形自动化监测软件。主要功能为配置管理 TCA、Nivel200、气象或地质 传感器等测量设备，实现限差检核，系统运行消息输出，变形量分析等。
形监测过程中的基准网点、位移监测点的自动化观测。
软件功能满足中国现行规范的要求。
3.1.2.2 在 PC 机上运行的变形监测网后处理平差软
件。主要用于测前基准网的精度估计、测后的观测数
Байду номын сангаас
据平差处理、基点（工作基点）的稳定性分析、变形
监测点的变形计算与分析等。 流动式半自动化变形监测系统方案成熟，设备先
图 1 监测基点上的 TCA2003
进，已在二滩、李家峡等大型水电大坝的变形监测中发挥了很好的作用。
3.2 固定式全自动变形监测系统 与流动式监测系统不同，固定式监测系统的最大特点是测量设备（TCA 全站仪、GPS、Nivel200
等）固定在基点（工作基点）或位移监测点上，需要时建有防护作用的观测房；测量设备通过 通信系统与远方的控制计算机相联，在计算机软件的控制下实现远程监控化的全自动化变形监 测。
2.3 大坝内部变形监测自动化技术简介 2.3.1 大坝水平位移监测
传统的大坝水平位移监测通常采用经纬仪三角测量或视准测量的方法。因混凝土大坝的变 形量相对较小，监测精度要求较高，因此近一、二十年来，传统方法逐渐被垂线、引张线所取 代，并在人工观测的基础上向自动化方向发展。现在使用较多的是步进电机式、光电式、感应 式和激光等自动遥测传感器设备。 2.3.2 大坝垂直位移监测
水利工程即可以造福人类，如管理不善也会给社会带来惨重灾难和巨大的经济损失。历史 上因水库溃坝给下游造成的毁灭性灾难并不鲜见。因此加强水库大坝的安全管理必不可少，其 中大坝变形监测就是大坝安全管理的重要内容之一。
2 目前水库大坝变形监测的主要技术手段
目前，在大坝安全监测技术规范中，主要有《土石坝安全监测技术规范》和《混凝土坝安 全监测技术规范》。
光端机
计算机与打印机
各种避雷器
维护工具与各种备件
变形数据分析软件为水利科学研究院大坝监测中心自行编制。该软件采用 SQL 数据库，只 要将由 GeoMoS 记录的观测数据转换成该分析软件要求的数据格式即可。
目前，在水库大坝的综合管理系统中，水文和大坝内部变形观测自动化技术日趋成熟，但 大坝表面变形监测的自动化相对滞后，成为了水库大坝综合管理实现全面自动化的一个瓶颈， 徕卡自动化监测系统的出现与发展，为突破这一瓶颈提供了条件。我国全站仪及其系统开发方 面的著名专家、解放军信息工程大学测绘学院张良琚教授在展望徕卡水库大坝表面变形自动化 监测系统推广前景时说：
对于中、大型的混凝土大坝，在坝区较大范围内还需建立平面和高程监测基准网；部分拱 坝坝体、滑坡体及高边坡等位移点仍大都采用边、角交会实现平面位移监测，采用三角高程实 现垂直位移监测。这些方面也正是混凝土大坝实现全面自动化监测的瓶颈。
随着自动化全站仪（测量机器人）、GPS、计算机软件和通信技术的发展，突破大坝（特别 是土石坝）表面变形监测自动化的技术手段已成为可能。如徕卡近期推出的“流动式半自动化 变形监测系统”和“固定式全自动化变形监测系统”。
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图 5 自动化全站仪监测站
图 6 变形监测点
图 7 溢洪道监测点
大坝自动化监测系统的建立包括两大部分：即建筑工程、设备及安装工程。建筑工程包括
工作基点房、各种观测墩的土建，棱镜的保护装置、各种联接器的加工等；而基本的设备及安
装工程如下表：
数据采集设备
系统软件
TCA 全站仪
大坝垂直位移监测通常采用人工的光学水准测量方法。近年来为了满足大坝管理部门自动 化遥测的需求，出现了静力水准遥测技术。我国研制的差动变压器式和电容式等静力水准装置 在许多大坝中得到了应用。
3 大坝表面变形自动化监测新技术
在中国，绝大多数的水库大坝为土石坝（约占 90%）。一般来讲，土石坝的变形量相对较大， 对变形监测的精度也相对较低，而引张线、垂线和静力水准等方法的量程有限。因此在土石坝 的表面变形监测中，大都继续采用视准线法（活动标法、小角法）和人工水准测量法进行水平 位移和垂直位移监测。这些方法原理相对简单，设备费用也较低，但都不是自动化监测。
检核。但因多站观测，需要人工在有关的网点（基点或工作基点）之间搬动仪器（如图 1）。因
此，此系统应用的特点是监测方案传统成熟，但使用的设备是现代化的。该系统的软硬件主要
配置如下：
3.1.1 硬件配置：
1 台 TCA 全站仪、若干单棱镜组（根据监测点位数
量而定）及其它附件
3.1.2 软件配置：
3.1.2.1 TCA1201/1800/2003 全站仪机载软件，用于变
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变形观测点沿坝轴线布置6个表面变形观测横断面、4排观测标点。4排观测标点分别埋设于 上游坝坡小平台、下游坝肩35.5m高程、24.16m高程平台及下游坝脚外5m处。另外，溢洪道变形 监测共设6个变形观测标点，共计变形观测点数30个。整个系统在GeoMoS监测模块的控制与管理 之下自动运行。每一变形点盘左盘右观测，30个变形点一个周期观测时间约13分钟。
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电测距仪测量。 2.1.3 混凝土面板变形及岸坡位移监测的技术方法与大坝表面变形监测基本相同。
2.2 混凝土坝安全监测技术简介 《混凝土坝安全监测技术规范》规定：变形监测项目主要有坝体变形、裂缝、接缝以及坝
基变形、滑坡体及高边坡的位移等。 2.2.1 坝体、坝基、滑坡体及高边坡的水平位移监测 2.2.1.1 重力坝或支墩坝坝体和坝基水平位移一般采用引张线法、真空激光准直法和垂线法监 测。对于短坝，条件有利时也可用视准线法或大气激光准直法。 2.2.1.2 拱坝坝体和坝基水平位移宜采用垂线监测。若交会边长较短、交会角较好，坝体水平 位移可采用测边或测角交会法监测。 2.2.1.3 近坝区岩体、高边坡和滑坡体的水平位移，采用边角网、视准线法和交会法监测。 2.2.1.4 观测近坝区岩体、高边坡或滑坡体的水平位移时，基准点和工作基点应尽量组成边角 网。 2.2.2 坝体、坝基、滑坡体及高边坡的垂直位移监测 2.2.2.1 坝体、坝基的垂直位移监测，一般用精密水准法、连通管法（即流体静力水准法）和 真空激光系统 2.2.2.2 滑坡体及高边坡的垂直位移监测，一般用精密水准法，也可用三角高程法测定。
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自动监测新技术在大坝表面变形监测中的应用
尤相骏 1 郭志勇 2 徐忠阳 3 瑞士徕卡测量系统股份有限公司北京代表处，北京市朝阳门外大街 16 号中国人寿大厦 1808 室， 100020，1.karl.you@；2.zhi-yong.guo@；
4 大坝表面变形自动化监测系统应用实例
青山水库位于浙江省杭州市境内。大坝如图 3 所示。为了给自动变形监测提供实时校验基准， 建立了如图 4 所示的 4 点（A、B、C、D）大地四边形控制网。
图 3 浙江青山水库
全站仪工 作基点站
A
大坝上游
校核基点 变形点
B
D C
图 4 大坝变形监测基准网
基准网野外观测使用 TCA2003 自动化全站仪，测站分别尝试了人工观测（人工粗瞄，ATR 精确照准，12 测回，每一测站约 1 小时）和自动观测（用 MCHO 软件，只在 C 站试用，每一测 站约 30 分钟）。野外观测时间为：2004 年 7 月 22 日 5：00-8：00，18：00-19：00，7 月 23 日 6：00-7：00。四个三角形闭合差的质量检核分别为：±0.3”、 ±0.3”、±0.7”、±1.3”。 三角网平差结果标明，各基准点的三维坐标测量误差都小于 1mm。
作为这类技术的领头羊，徕卡始终与时代的发展保持同步。近二十年来，徕卡从早期的 APSWin，到现在的 GeoMoS；从单一的 TCA 传感器系统；到现在的 TCA、GPS、Nivel200 和地质 等多传感器系统，徕卡先进的综合解决方案，充分体现了大坝外部变形监测的自动化、智能化 和网络化的发展方向。在方案设计、软硬件配置到大型工程中的应用，都取得了长足的进步和 令人滿意的结果，表现出了良好而广泛的应用前景。
3.zhong-yang.xu@
摘要:本文从水库大坝变形监测常用的主要技术手段入手，分门别类地介绍和讨论了常规大坝表面变 形监测方法手段的优缺点，进而提出新型自动化变形监测系统的优缺点和所需要解决的问题。最后 本文通过使用新型自动变形监测系统在浙江青山水库大坝加固工程形变自动化监测工程中的应用具 体介绍了这一新型自动化变形监测系统的具体实施方法。 关键词:自动形变监测系统；GeoMos；大坝表面形变监测
3.1 流动式半自动变形监测系统
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流动式半自动化变形监测系统一方面可用于基点和工作基点三角网的边角观测；另一方面
还可在基点或工作基点上对变形点进行边角交会测量。由于徕卡 TCA 系列全站仪在机载软件的
控制下，可实现对棱镜目标的自动识别与照准，因此测站工作实现了自动化观测、记录与限差
PC 机
TCA2003 自动化全站 控 制 网 自 动 观 测 软
仪
件
光端机
光端机
全站仪供电设备
控制网三维平差软
接线盒
光纤
接线盒
件
数据电缆
GeoMoS 监测软件
徕 卡 原 装 单 棱 镜 及 数据接口软件 配套设备
接线盒
强制对中基座
专用数据分析软件
通讯与控制设备
通讯光缆
光端机及配套设备
光缆套管
控制机房供电设备
Nivel200
GPS
GPS
GPS
Nivel200
TCA
Leica GPS Spider
有线、无线或 局域网络通信
Leica GeoMoS
Nivel200
局域网通信或 同一计算机
气象或地 质传感器
TCA
图 2 固定式全自动变形监测系统 如图 2 所示，固定式全自动变形监测系统的主要配置为： 3.2.1 硬件配置：1 台或多台监测设备（TCA 全站仪、GPS、Nivel200、气象或地质传感器等）、
2.1 土石坝安全监测技术简介 在《土石坝安全监测技术规范》中，把大坝的变形监测内容分为：表面变形、内部变形、
裂缝及接缝、混凝土面板变形及岸坡位移。 大坝表面变形监测主要分为竖向位移监测和水平位移监测。
2.1.1 竖向位移监测的方法主要是精密水准法，或连通管（静力水准）法； 2.1.2 水平位移又分为横向（垂直坝轴线）位移和纵向（平行于坝轴线）位移。 2.1.2.1 横向位移的监测方法主要是视准线法（活动标法、小角法、大气激光准直法等）；有必 要且有条件时，可用三角网前方交会法观测增设工作基点（或位移测点）的横向水平位移。 2.1.2.2 纵向水平位移观测，一般用因钢尺测量，或用普通钢尺加改正系数，有条件时可用光
1 引言
有关资料标明，我国河川年径流量总量约 2780Gm3，水能资源十分丰富，其中理论蕴藏量为 676GW，可开发为 378GW，为世界第一位。为了充分利用这些水利和水能资源，新中国刚成立时， 政府就十分注意兴修水利，造福人类，到目前已建水库堤坝约 8.7 万座，其中绝大部分（约 8 万座）建于 20 世纪 50～70 年代。但是，由于历史原因，有相当部分水库堤坝未按基本程序办 事，是靠群众运动建造的，因此存在工程质量差、安全隐患多的问题。经过几十年的运行，已 经到了病险高发期。
548
水电 2006 国际研讨会
若干单棱镜组（根据监测点位数量而定）及其它附件、监测仪器供电设备、监测仪器与计算机 的远程数据通信设备、监测设备观测站房等。 3.2.2 软件配置： 3.2.2.1 徕卡 GPS Spider 软件。主要功能为集中处理 GPS 数据，保存原始观测数据，配置管 理 GPS 传感器等； 3.2.2.2 徕卡 GeoMoS 变形自动化监测软件。主要功能为配置管理 TCA、Nivel200、气象或地质 传感器等测量设备，实现限差检核，系统运行消息输出，变形量分析等。
形监测过程中的基准网点、位移监测点的自动化观测。
软件功能满足中国现行规范的要求。
3.1.2.2 在 PC 机上运行的变形监测网后处理平差软
件。主要用于测前基准网的精度估计、测后的观测数
Байду номын сангаас
据平差处理、基点（工作基点）的稳定性分析、变形
监测点的变形计算与分析等。 流动式半自动化变形监测系统方案成熟，设备先
图 1 监测基点上的 TCA2003
进，已在二滩、李家峡等大型水电大坝的变形监测中发挥了很好的作用。
3.2 固定式全自动变形监测系统 与流动式监测系统不同，固定式监测系统的最大特点是测量设备（TCA 全站仪、GPS、Nivel200
等）固定在基点（工作基点）或位移监测点上，需要时建有防护作用的观测房；测量设备通过 通信系统与远方的控制计算机相联，在计算机软件的控制下实现远程监控化的全自动化变形监 测。
2.3 大坝内部变形监测自动化技术简介 2.3.1 大坝水平位移监测
传统的大坝水平位移监测通常采用经纬仪三角测量或视准测量的方法。因混凝土大坝的变 形量相对较小，监测精度要求较高，因此近一、二十年来，传统方法逐渐被垂线、引张线所取 代，并在人工观测的基础上向自动化方向发展。现在使用较多的是步进电机式、光电式、感应 式和激光等自动遥测传感器设备。 2.3.2 大坝垂直位移监测
水利工程即可以造福人类，如管理不善也会给社会带来惨重灾难和巨大的经济损失。历史 上因水库溃坝给下游造成的毁灭性灾难并不鲜见。因此加强水库大坝的安全管理必不可少，其 中大坝变形监测就是大坝安全管理的重要内容之一。
2 目前水库大坝变形监测的主要技术手段
目前，在大坝安全监测技术规范中，主要有《土石坝安全监测技术规范》和《混凝土坝安 全监测技术规范》。
光端机
计算机与打印机
各种避雷器
维护工具与各种备件
变形数据分析软件为水利科学研究院大坝监测中心自行编制。该软件采用 SQL 数据库，只 要将由 GeoMoS 记录的观测数据转换成该分析软件要求的数据格式即可。
目前，在水库大坝的综合管理系统中，水文和大坝内部变形观测自动化技术日趋成熟，但 大坝表面变形监测的自动化相对滞后，成为了水库大坝综合管理实现全面自动化的一个瓶颈， 徕卡自动化监测系统的出现与发展，为突破这一瓶颈提供了条件。我国全站仪及其系统开发方 面的著名专家、解放军信息工程大学测绘学院张良琚教授在展望徕卡水库大坝表面变形自动化 监测系统推广前景时说：
对于中、大型的混凝土大坝，在坝区较大范围内还需建立平面和高程监测基准网；部分拱 坝坝体、滑坡体及高边坡等位移点仍大都采用边、角交会实现平面位移监测，采用三角高程实 现垂直位移监测。这些方面也正是混凝土大坝实现全面自动化监测的瓶颈。
随着自动化全站仪（测量机器人）、GPS、计算机软件和通信技术的发展，突破大坝（特别 是土石坝）表面变形监测自动化的技术手段已成为可能。如徕卡近期推出的“流动式半自动化 变形监测系统”和“固定式全自动化变形监测系统”。
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水电 2006 国际研讨会
图 5 自动化全站仪监测站
图 6 变形监测点
图 7 溢洪道监测点
大坝自动化监测系统的建立包括两大部分：即建筑工程、设备及安装工程。建筑工程包括
工作基点房、各种观测墩的土建，棱镜的保护装置、各种联接器的加工等；而基本的设备及安
装工程如下表：
数据采集设备
系统软件
TCA 全站仪
大坝垂直位移监测通常采用人工的光学水准测量方法。近年来为了满足大坝管理部门自动 化遥测的需求，出现了静力水准遥测技术。我国研制的差动变压器式和电容式等静力水准装置 在许多大坝中得到了应用。
3 大坝表面变形自动化监测新技术
在中国，绝大多数的水库大坝为土石坝（约占 90%）。一般来讲，土石坝的变形量相对较大， 对变形监测的精度也相对较低，而引张线、垂线和静力水准等方法的量程有限。因此在土石坝 的表面变形监测中，大都继续采用视准线法（活动标法、小角法）和人工水准测量法进行水平 位移和垂直位移监测。这些方法原理相对简单，设备费用也较低，但都不是自动化监测。
检核。但因多站观测，需要人工在有关的网点（基点或工作基点）之间搬动仪器（如图 1）。因
此，此系统应用的特点是监测方案传统成熟，但使用的设备是现代化的。该系统的软硬件主要
配置如下：
3.1.1 硬件配置：
1 台 TCA 全站仪、若干单棱镜组（根据监测点位数
量而定）及其它附件
3.1.2 软件配置：
3.1.2.1 TCA1201/1800/2003 全站仪机载软件，用于变
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变形观测点沿坝轴线布置6个表面变形观测横断面、4排观测标点。4排观测标点分别埋设于 上游坝坡小平台、下游坝肩35.5m高程、24.16m高程平台及下游坝脚外5m处。另外，溢洪道变形 监测共设6个变形观测标点，共计变形观测点数30个。整个系统在GeoMoS监测模块的控制与管理 之下自动运行。每一变形点盘左盘右观测，30个变形点一个周期观测时间约13分钟。