堤防安全自动化监测系统

1. 1. 1. 项目背景

我国河系众多，海岸线漫长，在江边、海边修筑修筑着几万公里的提防设施保卫着沿江、沿海居民的生命安全，也保卫着经济发展的累累硕果。近年来，政府加大了堤防建设改造力度，提高了部分堤段的防洪能力。同时，为了更好地保障堤防安全，必须经常监测堤防的运行状态，及时发现和处理堤防的险情隐患。各方对防洪堤、海堤的安全检查要求也越来越严格。目前我国大部分堤坝监测方式是通过人工观测与人工巡检相结合的方式，以保证堤坝的安全。而人工观测和坝区巡检受坝体区环境、天气、光线影响、观测精度低、劳动强度大、观测受环境影响大，特别是在汛期或台风多发期的情况下，这种人工观测方式已经无法满足堤坝安全监测的需要，严重影响安全管理水平，因此，必须构建堤防安全监测系统，以实现堤防监测的现代化。

智能化监测预警技术的应用尤为重要，本方案通过7x24小时采集位移、沉降、变形、渗漏等隐患点的监测数据，实时感知堤防结构变化情况，为准确、及时预警预报提供了有效依据，为堤防安全监测预警提供技术保障。

1. 1. 1. 监测目的

围绕堤防的位移渗漏及影响因素开展智能化监测预警，提升监测预警能力，降低因灾伤亡和经济损失，最大限度保护人民群众生命财产安全：

（1）根据堤防的变形破坏特征，基于监测预警设备，实现监测数据的自动采集，提升传统群测群防落后的数据采集方式。

（2）依托5G/NBIoT等通信技术实现监测数据的自动传输，提升监测数据传输的时效性、实时性。

（3）依托云计算、大数据和人工智能等新技术，构建堤防安全智能化监测预警模型，建立提防安全智能化监测预警信息系统，实现监测数据的智能分析，提升监测数据的分析能力。

（4）构建统一数据库，基于云储存方式实现智能化监测预警各类数据的存储、管理、应用。通过对监测数据的长期分析，实现对堤防的稳定性评价及趋势预测，为堤防安全监测决策提供技术支持。

1. 1. 1. 价值分析

解决了堤防人工巡检工作量大，实效性、连续性、准确性差和检测数据分析滞后等问题。通过利用物联网感、传、知、用技术，对堤防进行监测，避免堤防出现位移、变形、渗漏等危及堤防或周边环境及人员财产安全的事件发生，能够避免堤防破坏所带来的损失。实现堤防的实时动态监测，强化堤防安全监管工作，使堤防处于实时可控的安全状态，为堤防的维护提供大数据支撑，辅助管理者进行科学决策。

1. 1. 堤防安全监测系统

堤防安全监测系统通过前端数据采集设备GNSS接收机、测斜仪、渗压计等和摄像机、北斗模块相互配合，实现24小时全天候无人值守监测，实时监测堤防的空间位移、沉降、倾斜、渗漏状态，并通过传输模块传至监控站，通过系统后台随时查看堤防的变形状况、几何线形以及位置情况。当出现警情时会发出预警信息，提醒相关指挥人员做好抢险救灾工作准备。

1. 1. 1. 系统组成

Gnss监测站兼具前端解算功能，通过下载基准站推送到服务器的原始数据，采用内置的静态解算引擎，由监测站自行解算得到监测体变形数据后发送回数据中心，以此减轻后台服务器的负载。具备自适应功能，可以根据监测体变形情况，自动调整监测模式，常规状态下按一定间隔采集输出静态高精度坐标。

监测传感器采集终端：主要有北斗GNSS接收机、渗压计、固定式测斜仪、应力计、侧缝计等设备。

数据传输终端：北斗天线到北斗接收机之间由同轴电缆通讯；监测点北斗接收机及其它传感器与数据中心通讯采用加密的3G/4G通讯方式；基站数据与数据中心的通讯采用专线，以保障信息安全。

数据处理中心：部署基于混合云的北斗高精度形变监测专有服务系统。

安全预警平台：监测云平台，通过大屏、PC端、移动端对图形化后的数据进行展示与处理，同时将数据存入数据库中，对数据进行永久化存储。

1. 1. 1. 表面变形监测
         1. 设备选型

本项目地表变形监测采用高精度GNSS一体机进行在线监测。

依托精密监测传感器和业界领先的高精定位差分算法，提供毫米级位置计算公共服务，实现高精度结构监测。具有以下优点：

1. 高密度、高稳定性、高承载能力的地基增强站，形成一张全国地基增强网。
2. 区域多基站误差统一建模专利技术，削弱大气误差影响，服务范围大大提升，网内基线解算精度可以维持稳定的毫米级精度。
3. 提供静态毫米级解算云计算服务，监测点数据接入快速、简单，无需搭建解算平台，可满足堤防安全隐患点、结构物的高精度监测需求。
4. 年运行可靠率99%以上，系统可满足7×24小时长时间可靠运行。
5. 采用分布式云计算技术，支持大规模用户访问请求，可快速响应；通过弹性扩容，能够处理短时间超大流量的访问请求，实现海量用户的并发处理。

本项目采用高精度GNSS一体机，该产品可接收北斗、GPS、格洛纳斯、伽利略等的全星座全频点，它具有强大的卫星跟踪能力、抗干扰算法和多路径抑制技术，更好适应恶劣的监测环境。

1. 1. 1. 1. 点位布置

在选择连续运行的GNSS基准站的位置时，原则如下：

（1）基准站距离测区 3 公里以内为宜，尽量靠近数据传输网络；

（2）基准站基础应相对稳固，最好建在稳定的基岩上或冻土层以下 2 米；

（3）站点应选易于安置接收设备且视野开阔的位置，视场周围高度在 10 度以上不宜有障碍物，以免信号被吸收或遮挡；

（4）站点应该远离大功率无线电发射源（如电视台、微波站等），其距离最好不小于200m；远离高压输电线，其距离不得小于 50m，以避免电磁场对 GNSS 信号的干扰；

（5）站点附近不应有大面积水域或强烈干扰卫星信号接收的物体，以减弱多路径效应的影响；

（6）远离震动源（如铁路、公路等）50 米以上；

（7）无人看守时，保证设备安全，防止有人故意破坏。

GNSS监测点的点位布置根据项目实际情况而定。

1. 1. 1. 1. 点位安装

（1）安装立柱（镀锌钢管）采用一体化方式，管径不小于130mm（可根据项目实际调整），高度一般为2.0m（或视现场地形和周边环境而定），顶部为强制对中器，避雷针长度为1.0m，电池板支架尺寸为1480mm*700mm。

（2）为保证监测点的稳固性，安装立柱底部具有法兰（300mm*300mm）；基座尺寸不低于800mm×800mm×800mm（长×宽×深）（或视现场地形和周边环境而定）；基座浇筑所用混凝土标准抗压强度等级不低于C20。基座底部埋设镀锌扁铁，长度一般为50cm。

（3）监测设备主要部件应装入防水机箱（IP66）并上锁，机箱挂于立柱上；蓄电池箱采用地埋方式。

（4）根据项目需求和现场情况，监测预警设备可采用白色方钢栅栏防护，防护栅栏高度不低于1.5米（或视现场地形和周边环境而定），方钢尺寸20*20mm，每处防护栅栏开一道小门以便后续维护出入方便，小门尺寸为0.7m宽*1.8m高。安装完成后做好防锈防腐工作。

（5）设备安装完毕后，应按项目要求，在机箱或方钢栅栏上注明点名、建设单位和警示语等字样。

 

GNSS测点安装示意图

 

GNSS测点安装实物图

1. 1. 1. 深部变形监测

深部变形监测旨在掌握矿山地灾隐患区域的内部位移变化及其变化速率，结合地表变形监测信息可确定矿山地灾隐患整体位移和变形情况。

1. 1. 1. 1. 设备选型

（1）本项目深部变形监测设备选用固定测斜仪

（2）系统工作原理

多支测斜仪串联后，将这些仪器产生的位移变化量进行累加即可获取整个剖面的垂直位移变形曲线,固定式测斜仪用于深部变形监测的系统工作原则如下图所示。

 

深部变形监测系统工作原理图

1. 1. 1. 1. 点位布置

深部变形监测点的点位布置根据设计或甲方项目实际情况而定。

1. 1. 1. 1. 点位安装
2. 钻孔

深部变形孔也叫测斜孔，造孔方法与地下水位孔一样，钻孔完成后有条件的应该要注意测量孔斜<2°，孔径要求 150mm 以上。

① 钻孔方式选择

正常情况下应该选择正规的地质钻机，在特殊情况下，深度小于 10 米的情况下可以使用水钻，或者洛阳铲。目前使用的泥浆固壁方法，有条件情况下建议选择采用岩芯管冲击法干钻，不过需要做好防塌孔套管护壁措施。

② 钻机主要部件说明

深部变形钻孔施工实景图1

 

1. 测斜管安装

测斜管使用直径 60-80mm ABS、PVC、铝合金或者玻璃纤维管，安装前再测斜孔上方搭设一直加，以便支撑和吊装测斜管，以防止测斜管在安装过程中掉入孔内，造成废孔， 根据实际，可以利用钻机钻完孔，钻机的吊架就可以利用与测斜管安装。

① 首先将测斜管底盖与测斜管首段连接，盖住管底，用粘合剂在连接间隙做密封处理， 如果使用铝合金管，需要用铆钉枪将底盖连接处用铆钉固定住。

② 测斜管接长，先在已经安装的测斜管的接口图上 PVC 胶，将管接头套入，然后将下一段管管口涂上 PVC 胶，套入管接头，用手电钻钻孔，铆钉枪铆上铆钉固定。

③ 在管接头两端用工业橡皮泥涂紧密封，在用防水胶带包扎。具体请严格参照下图所示：

 

测斜管连接方法示意图

1. 1. 1. 测点防护

由于GNSS监测点处于户外，易遭受人为因素的破坏。测点的完好性决定了整个监测工作的成败，因此针对测点的防护制定了如下措施：

（1）所有监测点必须安装于稳固的基座之上，安装完成后需由专人进行检查并拍照留存。

（2）在监测点设置醒目标志，提醒相关人员注意保护。发现监测点被损坏，应及时修复，以保证资料的连续性。

（3）根据其它工程中保护监测点的经验，建议甲方就保护监测点发通知、公告，提醒相关单位注意保护。