GPS在大型水利樞紐建筑物變形監(jiān)測中的應(yīng)用

葛義榮

(河北省黃壁莊水庫管理局,河北 鹿泉 050224)

GPS作為一種全新的現(xiàn)代空間定位技術(shù),使測量工作產(chǎn)生了質(zhì)的飛躍,它具有不受雨、霧、風(fēng)等不利氣象環(huán)境影響,不受通視條件限制,可全天候觀測并且可實(shí)時(shí)測定點(diǎn)位的三維空間坐標(biāo)等特點(diǎn)。GPS精密定位技術(shù)已在大地測量、地殼變形監(jiān)測、精密工程測量等諸多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用和普及。對(duì)黃壁莊水庫這樣一座具有特長型大壩,樞紐建筑物多并且分散的水利工程,采用 GPS建立三維監(jiān)測網(wǎng),可在汛期、高水位及庫水位驟降等緊急情況下,直接對(duì)變形監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行同步三維監(jiān)測,快速獲取監(jiān)測點(diǎn)變形數(shù)據(jù),為科學(xué)決策和合理調(diào)度提供依據(jù)。從而解決常規(guī)監(jiān)測方法觀測周期長、受氣候環(huán)境影響大、布網(wǎng)困難、觀測精度難以達(dá)到要求等問題。

1 工程概況

黃壁莊水庫位于河北省鹿泉市黃壁莊鎮(zhèn),距石家莊市 30 km,是滹沱河中下游重要的、控制性的大(I)型水利樞紐工程,總庫容 12.1億 m3。水庫樞紐建筑物主要由主壩、副壩、重力壩、正常溢洪道、非常溢洪道、新增非常溢洪道、靈正渠涵管及電站組成。水庫以防洪為主兼顧城市供水、灌溉、發(fā)電等任務(wù)。其大壩位于平原與丘陵結(jié)合處,屬特長型水中倒土均質(zhì)壩。主壩壩頂長 1843 m,壩頂高程 128.7 m,最大壩高 30.7 m。副壩壩頂長 6907.3 m,壩頂高程 129.2 m,最大壩高 19.2 m?；炷林亓稳L 136.5 m,最大壩高28.0 m,壩內(nèi)設(shè)發(fā)電洞和輸水洞。正常溢洪道設(shè)有 8孔凈寬 12 m的溢流堰。非常溢洪道有 11孔凈寬 7.8 m的溢流堰。新增非常溢洪道設(shè)有 5孔凈寬 12 m的溢流堰。

大壩自建成后,變形觀測系統(tǒng)一直沒有完善,部分建筑物只間斷性地進(jìn)行了垂直位移觀測。由于這些數(shù)據(jù)不連續(xù),經(jīng)歷洪水時(shí),無法正確判定大壩的運(yùn)行狀況,給決策和調(diào)度帶來盲目性。隨著大壩除險(xiǎn)加固工程的開展,壩體上的原有監(jiān)測點(diǎn)將全部報(bào)廢,因此建立完善的大壩變形監(jiān)測系統(tǒng),對(duì)各建筑物重點(diǎn)部位進(jìn)行變形監(jiān)測,準(zhǔn)確掌握大壩的運(yùn)行規(guī)律,對(duì)于科學(xué)地進(jìn)行水庫調(diào)度非常必要。

表1 黃壁莊水庫變形監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)統(tǒng)計(jì)

2 變形監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)

黃壁莊水庫大壩表面變形監(jiān)測系統(tǒng)由基準(zhǔn)點(diǎn)、工作基點(diǎn)和變形監(jiān)測點(diǎn)組成。監(jiān)測部位為主壩、副壩、重力壩、正常溢洪道、非常溢洪道、新增非常溢洪道。變形監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)見表 1。

基準(zhǔn)點(diǎn)是大壩表面變形監(jiān)測系統(tǒng)的基礎(chǔ),點(diǎn)位布設(shè)必須保證堅(jiān)固和穩(wěn)定,并且在變形區(qū)以外,水平位移監(jiān)測網(wǎng)由 3點(diǎn)組成,點(diǎn)名分別為 GPS01,GPS02,GPS03,大致分布在大壩左、中、右 3個(gè)位置,達(dá)到以最少的點(diǎn)位數(shù)量獲得最佳控制精度的基準(zhǔn)網(wǎng)。

3 大壩表面水平變形監(jiān)測

使用 Trimble雙頻 GPS接收機(jī),監(jiān)測網(wǎng)坐標(biāo)采用 WGS84坐標(biāo)系統(tǒng)。將 GPS01,GPS02,GPS03三個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)的首期數(shù)據(jù)的無約束平差坐標(biāo)固定,作為變形監(jiān)測基準(zhǔn)網(wǎng)零數(shù)據(jù)。

3.1 觀測時(shí)段確定

將觀測時(shí)段劃分為 30 min,60 min和 120 min(兩時(shí)段),進(jìn)行觀測時(shí)間與精度之間的關(guān)系分析。分別計(jì)算出 60 min與 120 min及 30 min與 120 min的觀測誤差,并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析,其結(jié)果見表 2。

表2 不同觀測時(shí)段的精度比較

由表 2得知,60 min與 120 min解的基線精度相當(dāng),87.9%的差值集中在 0～2 mm范圍內(nèi),最大的差值為 4 mm。而 30 min與 120 min解的基線差值較大,最大差值為 10 mm。 60 min解與 120 min解的點(diǎn)位差平均分布在 0～4 mm之內(nèi),最大點(diǎn)位差為 3.8 mm。從 30 min解與 120 min解的點(diǎn)位差可以看出,點(diǎn)位差明顯變大,最大值差值為 10.9 mm。

以上數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析表明,采用 120 min兩時(shí)段觀測,精度最高,但工作量較大。而 30 min時(shí)段作業(yè)效率高,但其精度低,不能滿足精度要求。60 min一時(shí)段觀測,點(diǎn)位精度小于專三級(jí)控制網(wǎng) 5 mm指標(biāo)要求,作業(yè)效率較 120 min兩時(shí)段提高一倍,因此,時(shí)段觀測時(shí)間采用 60 min。

3.2 觀測網(wǎng)形確定

將基準(zhǔn)點(diǎn)、工作基點(diǎn)、校核基點(diǎn)以及主、副壩監(jiān)測斷面壩頂上的變形點(diǎn)一并納入主網(wǎng)統(tǒng)一觀測。為提高GPS網(wǎng)的精度與可靠性,GPS點(diǎn)間構(gòu)成盡量多地由 GPS獨(dú)立邊組成異步環(huán),使 GPS網(wǎng)有足夠的多余觀測,平均每點(diǎn)設(shè)站 2～3次。

3.3 GPS靜態(tài)網(wǎng)測量技術(shù)

采用 4臺(tái)美國 Trimble公司生產(chǎn)的雙頻 GPS接收機(jī)進(jìn)行觀測,儀器標(biāo)稱精度為 5 mm+D×10-6mm,配有可抑制多種徑效應(yīng)的扼徑圈天線。作業(yè)方式采用靜態(tài)相對(duì)定位模式。對(duì)基準(zhǔn)網(wǎng)和工作網(wǎng)的作業(yè)規(guī)格參照《水利水電工程測量規(guī)范》進(jìn)行：①時(shí)段觀測時(shí)間 60 min;②數(shù)據(jù)采樣率 15 s;③衛(wèi)星截止高度角 15°;④觀測衛(wèi)星不少于 5顆;⑤天線對(duì)中精度不大于 1 mm;⑥衛(wèi)星與測站組成的圖形強(qiáng)度因子 PDOP值≤8;⑦觀測前后,由 3個(gè)方向測量天線高,兩次之差不大于 2 mm。

3.4 基線處理

3.4.1 基線解算

水庫監(jiān)測網(wǎng)基線解算采用美國 Trimble Geomatics Office ver1.61隨機(jī)軟件,廣播星歷解算,基線結(jié)果采用雙差固定解。在基線解算過程中,為確?；€的質(zhì)量可靠,提高成果的精度,禁用一些殘差比較大的、觀測時(shí)間比較短的衛(wèi)星;根據(jù)實(shí)際情況,禁用一些殘差比較大的、周跳比較嚴(yán)重的時(shí)段。然后對(duì)基線進(jìn)行再處理,分析比率、參考變量及 RMS值(RM S值≤0.03,Ratio值≥3),直至取得基線的最優(yōu)解。

3.4.2 基線精度

為提高 GPS測量的精度與可靠度,基線解算結(jié)束后,應(yīng)及時(shí)計(jì)算同步環(huán)閉合差、異步環(huán)閉合差以及重復(fù)邊的檢查計(jì)算,GPS同步環(huán)閉合差反映的是一個(gè)同步環(huán)數(shù)據(jù)質(zhì)量的可靠性,GPS異步環(huán)閉合差反映的是整個(gè) GPS監(jiān)測網(wǎng)外業(yè)觀測質(zhì)量和基線解算質(zhì)量的可靠性。各環(huán)閉合差應(yīng)符合規(guī)范要求。

3.5 GPS網(wǎng)平差

GPS基線解算完成后,在 WGS84坐標(biāo)系下對(duì) GPS基準(zhǔn)網(wǎng)進(jìn)行三維無約束平差。平差中的參數(shù)設(shè)置為：①置信度采用 95%;②最終收斂限差為 5 mm;③儀器高度誤差≤1 mm;④對(duì)中誤差為 1 mm;⑤應(yīng)用純量到各觀測值;⑥純量類型為交替的。

在基線解算質(zhì)量檢核的基礎(chǔ)上,為了更準(zhǔn)確地對(duì)各個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)進(jìn)行比較,在基準(zhǔn)網(wǎng)無約束平差的基礎(chǔ)上,利用無約束平差后的 GPS01,GPS02,GPS03的坐標(biāo),對(duì)其他各網(wǎng)在 WGS84坐標(biāo)系下進(jìn)行約束平差,這樣可消除已知點(diǎn)的誤差影響,從而更能體現(xiàn)出監(jiān)測點(diǎn)的位移情況。在平差過程中對(duì)一些含有粗差的邊進(jìn)行剔除,平差后分析平差報(bào)告,直到報(bào)告中的各項(xiàng)限差均滿足要求。

4 水平位移監(jiān)測分析

4.1 基準(zhǔn)網(wǎng)穩(wěn)定性分析

在變形監(jiān)測中,基準(zhǔn)網(wǎng)的穩(wěn)定性是非常重要的,只有基準(zhǔn)網(wǎng)穩(wěn)定,才能準(zhǔn)確測定大壩監(jiān)測點(diǎn)的位移情況。通過對(duì)基準(zhǔn)網(wǎng)復(fù)測、變化量統(tǒng)計(jì),得出 GPS03變化量最大,為 3.89 mm。采用單點(diǎn)穩(wěn)定性檢驗(yàn)的方法(t檢驗(yàn)法),取顯著水平為 0.05,對(duì)水平位移基準(zhǔn)網(wǎng)穩(wěn)定性進(jìn)行檢驗(yàn),計(jì)算得 t＜FT/2,判斷水平位移基準(zhǔn)網(wǎng)各點(diǎn)不存在顯著性位移,處于穩(wěn)定狀態(tài),且觀測精度小于專三級(jí)平面控制網(wǎng)規(guī)定的±5 mm指標(biāo)。

4.2 監(jiān)測點(diǎn)位移穩(wěn)定性分析

為客觀掌握大壩上各監(jiān)測點(diǎn)位移情況,在確定各期觀測精度一致的前提下,采用 t檢驗(yàn)法對(duì)水平位移監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行單點(diǎn)穩(wěn)定性檢驗(yàn),在 95%置信水平下,主、副壩上有部分水平位移監(jiān)測點(diǎn)存在顯著性位移,每期有20個(gè)點(diǎn)左右,約占總測點(diǎn)數(shù)的 1/3,各期平均位移量在 3 mm左右,有時(shí)出現(xiàn)整體變形峰值,有時(shí)出現(xiàn)變形回落現(xiàn)象,這種波動(dòng)性變形,符合大壩的正常變形規(guī)律。

通過對(duì)監(jiān)測數(shù)據(jù)的位移顯著性分析,部分測點(diǎn)雖然存在變形的顯著性,但這并不意味著大壩存在潛在的危險(xiǎn)。大壩的變形規(guī)律是：在第一次蓄水后的最初幾年,存在著不可逆轉(zhuǎn)的時(shí)效變形,以后主要受水位和氣溫的影響,呈近似正弦曲線的規(guī)律而做周期變化。具體實(shí)測值則與壩型、壩高、壩的剛度、監(jiān)測部位、水位和氣溫年變化幅值等一系列因素有關(guān)?！痘炷翂伟踩O(jiān)測技術(shù)規(guī)范》中明確了不可逆的時(shí)效變形量值,壩頂水平位移 10～20 mm。到目前監(jiān)測結(jié)果來看,大壩及其建筑物位移均在安全變形范圍內(nèi),整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

5 結(jié)語

GPS在黃壁莊水庫大壩變形監(jiān)測網(wǎng)的應(yīng)用,提高了工作效率,操作簡單,節(jié)省了人力,且全天候監(jiān)測,觀測進(jìn)度和精度都符合要求,達(dá)到了以最有效的監(jiān)測方案獲取最可靠的監(jiān)測數(shù)據(jù)的目的。監(jiān)測結(jié)果表明,大壩及其建筑物整體處于安全穩(wěn)定狀態(tài)。以 GPS基準(zhǔn)網(wǎng)對(duì)大型水利樞紐建筑物進(jìn)行整體控制,這也為大壩自動(dòng)化監(jiān)測工作奠定了基礎(chǔ)。

[1]張勤.GPS測量原理及應(yīng)用 [M].北京：科學(xué)出版社,2010.

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