安全监测新技术及应用

第1章 南水北调工程安全监测概述 1.1 南水北调中线工程概述 南水北调工程是实现我国水资源优化配置、促进经济社会可持续发展、保障和改善民生的重大战略性基础设施，同时也是一项伟大的生态环境工程。其中，南水北调中线工程是南水北调工程的重要组成部分，全长 1432km，是缓解我国黄淮海平原水资源短缺、优化配置水资源的重大战略工程，是关系到受水区河南、河北、天津、北京等北方广大省市经济社会可持续发展和子孙后代福祉的百年大计。 南水北调中线干线工程规模宏大，沟通长江、淮河、黄河和海河四大流域，地形、地质和运行条件复杂，渠道工程渠线长，建筑物种类样式多。中线输水干渠包括总干渠和天津干渠两部分，总干渠全长 1432km，其中，河南段长约 731.7km，河北段长约 464.6km，北京段长约 80km，天津干渠长约 155.5km。总干渠输水形式以明渠为主，局部布置管涵，其中，陶岔渠首至北拒马河中支南渠段采用明渠输水，北京段和天津干渠采用管涵输水方式。中线工程自 2003年 12月 30日开工建设，2014年 10月建成通水，截至 2020年底已通水运行 6年多，累计调水近 400亿 m3。 南水北调中线干线工程建成的建筑物形式多样、数量众多，按建筑物类型分，大型河渠交叉建筑物(交叉断面以上集水面积在 20km2以上)164座，左岸排水建筑物(交叉断面以上集水面积小于 20km2)469座，渠渠交叉建筑物 133座，铁路交叉建筑物 41座，公路交叉建筑物 737座，控制建筑物 242座，输水隧洞 9座，泵站 1座，共计 1796座。 南水北调中线干线工程地质条件复杂，沿线穿越膨胀土区、煤矿采空区、湿陷性黄土区、华北平原沉陷区等，深挖方和高填方渠段的工程稳定性问题、膨胀土和黄土类渠段的渠坡稳定问题、饱和砂土段的震动液化问题和高地震烈度段的抗震问题、通过煤矿区的压煤及采空区塌陷等问题突出；建筑物规模大、结构复杂，部分工程还采用了新技术，建筑物安全风险较高。特别是一些关键性控制建筑物，一旦破坏或失事，将严重影响工程安全运行，甚至会导致整个工程瘫痪。 南水北调中线干线工程的安全，不仅涉及工程本身的运行安全，而且涉及沿线地区的公共安全。任何一个环节如果出现问题，都会影响工程的正常运行和沿线居民的正常生活。为确保工程运行安全，预防灾害发生，需要对工程开展安全监测。 1.2 安全监测体系概述 南水北调中线干线工程规模宏大，汇集了绝大多数水工建筑物形式，例如，坝工建筑物有丹江口水库大坝加高工程、陶岔水利枢纽，大型渡槽有沙河渡槽、漕河渡槽、澧河渡槽，穿越大江大河的输水倒虹吸有穿漳倒虹吸、沙河(北)倒虹吸，长距离输水隧洞有穿黄隧洞、雾山隧洞、岗头隧洞，北京段和天津段地下 PCCP管涵、混凝土箱涵，加压泵站有惠南庄泵站，以及众多用于控制水流的节制闸、进水闸、退水闸等；典型渠段有深挖方渠段、高填方渠段、膨胀土渠段等；典型的大范围沉陷区域有禹州和焦作煤矿采空区，华北平原地下水超采区。不同建筑物安全风险类别不同，安全关注重点和采用的监测方式也不一样，对于混凝土建筑物和土方构筑物监控指标也有不同。可以说，水工建筑物所采用的各类安全监测方式，在南水北调中线工程中基本上都有应用。 安全监测主要包括巡视检查、外观监测、内观监测，与安全密切相关的安全管理设施和质量检测的一些手段也列入常规监测管理，如电子或实物围挡、视频监视监控、裂缝和渗漏检测等。工程建设期和运行期全线渠道及各建筑物安装埋设了各类安全监测仪器设施共计 92426个(支、套、组)，其中，表面变形测点 43194个(含工作基点和基准点 4200个)，内部观测仪器 49232支(套、组)。 针对安全监测开展的新技术研究及推广应用主要包括：基于载体技术进步的，如无人机巡测；基于卫星定位技术和自动控制技术进步的，如外观监测自动化；采用卫星干涉雷达技术进行大面积范围沉降监测；基于传感器技术和物联网技术发展的，如内观监测自动化采集和传输；基于计算机系统集成技术进步的，如多种信息管理系统的开发与应用等。 1.2.1 巡视检查 按一定的周期，由技术人员对工程范围内的建筑物、总干渠渠道等开展巡查，旨在发现肉眼能识别的裂缝、错台、鼓包、塌陷、渗漏、管涌、设施损坏等一切非正常状态。巡视检查便于及时发现问题，小问题就地处理，并要详细记载；对可能产生严重后果的问题，向上一级管理部门报告，并及时采取应急措施。除日常巡视检查外，每年在河流汛前、汛后以及发生有感地震后必须做年度巡视检查。 一般巡视检查按照固定路线，由巡检人员使用铁铲、米尺、手锤、放大镜等简易工具，采取眼看、尺量、手锤敲打、耳听的简易方法进行，并随时记录在手持 APP系统中。专门的巡视检查使用数码照相机、摄像机及各类专用设备对已发现问题的部位进行较全面的信息采集，并快速编写专项检查报告。 巡视检查以人工巡查为主，随着无人机载体和传感器技术的发展，无人机巡检技术正大力推广。目前，无人机搭载遥感设备可以实现电力线路、安全设施、大气及水污染、坝体裂缝等的自动巡检。南水北调中线干线工程选取典型渠段开展了无人机巡检试点研究工作。 1.2.2 外观监测 外观监测包括表面水平位移和垂直位移监测，主要通过测量仪器进行周期性观测以获取目标的相对或绝对位置变化。外观监测一般由基准网点和测点构成，其中，基准网点要求位于相对稳定区域，测点布设在观测目标对象区域，按一定规则布设，测点的变形用以推算面或体的变形。 外观监测使用的测量仪器主要有： GNSS、全站仪、水准仪、正倒垂、伸缩仪、激光准直仪等。其中， GNSS结合全站仪用于平面位移监测已成为发展趋势，目前在工程实践中已经实现了全自动监测。高精度的表面垂直位移监测仍主要依靠直接水准测量实现，目前还不能实现自动观测。真空激光准直法和静力水准法用于混凝土结构表面垂直位移监测在南水北调中线干线工程中也开展了个别试点工作。 1.2.3 内观监测 内观监测主要指通过将传感器预埋在建筑物、岩体、土石构筑物内部，在运行过程中获取物理量、环境量的变化，以期达到对目标的安全监控。内观监测可以获取内部变形、错位，结构应力应变，渗流渗压，温度、水位变化，挠度变形，振动等。 内观监测预埋的传感器一般根据监测内容划分种类，主要有测斜仪、沉降计、渗压计、测缝计、应变计、钢筋计、土压力计、温度计、无应力计、压应力计、支座反力计、土体位移计、含水量计等，配套有读数采集和信号传输装置。 目前，内观仪器基本实现了自动化采集和传输，观测成果集成到信息管理平台进行处理和展示，辅助以专家决策支持系统，可以实现监测自动化和预警管理。 1.2.4 监视监控 根据需要对工程征地红线范围，一些重点、关键施工区域，泵站、闸门等运行重点部位布设高清摄像头，实时监控，辅助定期巡查，实现工程范围内全天候监控，监控数据实时上传至监控云平台，管理人员可以远程管理。 监控摄像头借助智能图像识别分析技术，能够自动识别图像中的信息，并将有效信息传递给用户，解决了对庞大的视频数据的查询、分析与预警问题。监视监控主要可以实现对人员及车辆的识别和工程区域的安全管理，以及渠道内漂浮物、蓝藻智能识别及水质监控等。 监视监控云平台统一门户入口访问，可在电脑、显示屏、平板、手机等多终端应用，视频监控管理模块结合现有 GIS+BIM系统，完美展现了监控设备的位置分布，可直观快捷准确地查询并调取监控画面信息。 1.3 监测新技术应用 南水北调中线工程运行过程中，相关机构共同推动了一些先进监测和检测技术的研究和应用工作。如针对渠道边坡，开展了基于卫星雷达遥感技术的渠道边坡变形监测和基于无人机的高精度渠坡变形巡测系统研究；针对陶岔枢纽，推进了基于卫星定位和测量机器人的安全监测自动化集成系统；针对膨胀土渠段，研究和推广了测斜管自动化监测技术、零散渗压计自动化监测技术；为解决工程实际问题，研究推广了渗漏与裂缝检测技术和三维激光扫描形变检测技术；为提升在线安全监控和预警预报管理，开展了安全监测运行监控指标研究，并创新性地推出系列指标体系；为提高巡检效率、丰富监测手段，推出了巡检技术平台和监视监控平台等。 1．卫星雷达遥感技术 卫星雷达遥感技术( SAR)具有大范围覆盖、高精度形变测量和低成本优势。对于南水北调中线工程长达上千公里的渠道坡面，利用卫星雷达遥感技术，结合中分辨率和高分辨率雷达数据，进行硬件设备建设、数据资源建设、软件系统和数据处理服务建设，可以实现渠道边坡变形监测，包括对渠道边坡进行普查和对某一变形渠道边坡进行精细化监测。 渠道边坡变形的隐患普查：基于雷达数据的大范围覆盖特征，利用时间序列 InSAR技术提取某个管辖区域内渠道边坡沿线地表形变速率图，通过分析速率异常值，即不稳定区域，进行大范围潜在变形区域的普查工作，找出在工程运行期间渠道存在较大变形的区域。 渠道边坡的精细化监测：选取某一变形渠段为重点区域，提取该区域边坡的高分辨率 TerraSAR-X雷达卫星数据，分析详细变形信息，通过融合 TerraSAR-X升轨和哨兵 1号(Sentinel-1)升轨数据，反演边坡三维变形。 上述两项工作分别涉及时间序列 InSAR技术和三维形变反演技术，使用 InSAR技术对某区段渠道进行全面普查，并针对常规监测中两处发生形变的渠道边坡，采用 InSAR结果与地面水准测量结果进行了详细比对。结果比对分析表明， InSAR技术能够精确地测量渠道边坡的形变信息，给出清晰的变形空间分布格局，而且具有较高的空间分辨率和空间覆盖。 2．无人机遥感变形巡测技术 对于南水北调长达上千公里的渠道坡面，采用传统变形监测方法人员投入大、观测周期长，并且成本非常高。研发基于无人机的高精度渠坡变形巡测系统，可以实现大型线性工程渠道坡面低成本、高精度、高效率的变形监测。 无人机变形巡测技术集成无人机和工业摄影测量技术，既能体现移动摄影测量的低成本、高效性和灵活性，又具有较高的测量精度。 基本操控方案为：无人机安置在起降平台，飞行检查完毕后，点击一键起飞，无人机便按照规划的航线进行自主飞行，并在飞行过程中控制工业相机拍照，任务结束后自动降落到起飞点，完成图像的自动化采集。影像采集完成后，可通过一系列图像算法处理后得到渠坡毫米级精度的三维变形量。 3．基于 GNSS和测量机器人的外观监测自动化技术 全球卫星导航系统具备全天候连续提供全球高精度导航的能力，除了能满足运动载体高精度导航的需要外，还能服务于高精度大地测量、精密授时、交通运输管理、气象观测、载体姿态测量、国土安全防卫等多个领域。 GNSS加无线通信、变形监控软件、数据库管理软件、变形分析软件构成自动监测系统，可用于滑坡、大坝、大桥、高层建筑物变形监测。基于 GNSS的自动化监测方法，是利用 GNSS信号接收元件，采取差分观测的方法接收 GNSS定位信息，并将采集到的数据传输给主控站计算机。进而利用特定的解算软件，进行滤波解算，对解算后的数据进行显示及与阈值对比评估，并反馈于预警系统，预警系统做出自动化响应，达到实时监测、自动预警的效果。 测量机器人是一种能代替人进行自动搜索、跟踪、辨识和精确照准目标并获取角度、距离、三维坐标以及影像等信息的智能型电子全站仪。它是现代多项高技术集成应用于测量仪器制造领域的昀杰出代表，测量机器人通过 CCD影像传感器和其他传感器对现实测量世界中的“目标”进行识别，迅速做出分析、判断与推理，实现自我控制，并自动完成照准、读数等操作，以完全代替人的手工操作。我们通过将测量机器人与能够制订测量计划、控制测量过程、进行测量数据处理与分析的自动化监测软件系统相结合，完全可以达到