湖北白蓮河抽水蓄能電站變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)觀測(cè)與數(shù)據(jù)處理

甘孝清，鄒雙朝，馬 祥

（1.長(zhǎng)江科學(xué)院工程安全與災(zāi)害防治研究所，湖北武漢，430010；2.湖北白蓮河抽水蓄能有限公司，湖北羅田，438617）

湖北白蓮河抽水蓄能電站變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)觀測(cè)與數(shù)據(jù)處理

甘孝清1，鄒雙朝1，馬 祥2

（1.長(zhǎng)江科學(xué)院工程安全與災(zāi)害防治研究所，湖北武漢，430010；2.湖北白蓮河抽水蓄能有限公司，湖北羅田，438617）

首先介紹了湖北白蓮河抽水蓄能電站變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)的布置概況及觀測(cè)精度要求。在對(duì)現(xiàn)有的變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)觀測(cè)方法進(jìn)行對(duì)比分析的基礎(chǔ)上，選擇測(cè)量機(jī)器人與GPS方法同時(shí)應(yīng)用于該工程的變形監(jiān)測(cè)控制網(wǎng)觀測(cè)中。處理結(jié)果表明兩種方法的觀測(cè)成果一致性很好，均能夠達(dá)到二等變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)的精度要求，在觀測(cè)效率和氣候條件的影響上，GPS方法更具有優(yōu)勢(shì)。

白蓮河抽水蓄能電站；變形控制網(wǎng)；測(cè)量機(jī)器人；GPS

1 變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)布置概況

湖北白蓮河抽水蓄能電站位于湖北省黃岡市羅田縣白蓮河鄉(xiāng)境內(nèi)的白蓮河水庫右壩頭上游側(cè)，電站裝機(jī)容量1 200 MW，其主要任務(wù)是承擔(dān)華中電網(wǎng)的調(diào)峰、填谷、調(diào)頻、調(diào)相與事故備用。電站上水庫主要建筑物有1座主壩、3座副壩、1條環(huán)庫路與上水庫進(jìn)/出水口等。為了監(jiān)測(cè)電站上水庫及建筑物的變形情況，在上水庫庫周布置了1個(gè)平面變形監(jiān)測(cè)控制網(wǎng)（由8個(gè)網(wǎng)點(diǎn)組成），其中BL211和BL214為已知點(diǎn)，具體分布見圖1。該控制網(wǎng)為二等邊角網(wǎng)，要求每年至少?gòu)?fù)測(cè)一次，上水庫蓄水前復(fù)測(cè)一次。

根據(jù)設(shè)計(jì)文件要求，變形監(jiān)測(cè)控制網(wǎng)采用方向觀測(cè)法進(jìn)行觀測(cè)，每個(gè)方向觀測(cè)12測(cè)回，并且保證12個(gè)測(cè)回分別在上午、下午兩個(gè)時(shí)間段完成。為了保證變形控制網(wǎng)的觀測(cè)精度，必須在成像清晰、穩(wěn)定的條件下進(jìn)行觀測(cè)，且觀測(cè)過程中，待儀器溫度與外界氣溫一致時(shí)才能開始觀測(cè)。外業(yè)觀測(cè)時(shí)，需要記錄測(cè)站和各個(gè)目標(biāo)點(diǎn)的氣溫、氣壓、濕度；外業(yè)結(jié)束后，對(duì)各條觀測(cè)視線的氣溫、氣壓、濕度進(jìn)行平均，再利用氣象改正模型，對(duì)測(cè)量距離進(jìn)行改正。具體各項(xiàng)觀測(cè)技術(shù)要求見表1。

2 變形控制網(wǎng)觀測(cè)方法選擇

目前變形監(jiān)測(cè)控制網(wǎng)常用的觀測(cè)方法主要采用三角網(wǎng)法、邊角網(wǎng)法和靜態(tài)相對(duì)定位方法等，常用的觀測(cè)設(shè)備主要為高精度的經(jīng)緯儀、測(cè)距儀、全站儀、測(cè)量機(jī)器人及GPS靜態(tài)相對(duì)定位系統(tǒng)。各觀測(cè)方法和觀測(cè)設(shè)備的測(cè)量指標(biāo)、技術(shù)實(shí)用范圍及特點(diǎn)統(tǒng)計(jì)如表2所示。

表1 上水庫平面變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)觀測(cè)技術(shù)要求Table 1 Technical requirements for upper-reservoir deformation monitoring

表2 現(xiàn)有變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)觀測(cè)方法對(duì)比Table 2 Comparison of the observation methods by the existing deformation monitoring network

圖1 上水庫變形控制測(cè)網(wǎng)網(wǎng)圖Fig.1 Deformation monitoring control network for the upper res?ervoir

經(jīng)緯儀觀測(cè)變形控制網(wǎng)時(shí)通常與測(cè)距儀配合使用，經(jīng)緯儀測(cè)量各個(gè)控制網(wǎng)點(diǎn)之間的角度，測(cè)距儀測(cè)量?jī)蓚€(gè)控制網(wǎng)點(diǎn)之間的距離。測(cè)距儀觀測(cè)對(duì)作業(yè)條件要求非?？量?，特別是氣象因素、溫度因素等使得目標(biāo)影像發(fā)生抖動(dòng)，極大影響測(cè)量數(shù)據(jù)的精度。雨天和大壩泄洪期間，受雨滴和泄洪產(chǎn)生的水氣霧化的干擾，傳統(tǒng)的光學(xué)儀器測(cè)量方法無法實(shí)施變形觀測(cè)。

測(cè)量機(jī)器人集成了伺服馬達(dá)、CCD影像傳感器、智能化控制軟件，可自動(dòng)尋找目標(biāo)、自動(dòng)調(diào)焦、自動(dòng)照準(zhǔn)、自動(dòng)讀數(shù)，可實(shí)現(xiàn)變形控制網(wǎng)觀測(cè)全過程自動(dòng)化。水電站大多位于高山峽谷間，兩岸邊坡較高，上午容易出現(xiàn)大霧天氣，中午太陽直射山谷時(shí)日光強(qiáng)烈，影響外業(yè)施測(cè)精度。測(cè)量機(jī)器人進(jìn)行邊長(zhǎng)觀測(cè)時(shí)應(yīng)盡量選擇在日出后30～180 min，下午日落前180～30 min。應(yīng)用測(cè)量機(jī)器人進(jìn)行邊角網(wǎng)觀測(cè)需要選擇合適的時(shí)間段，尤其應(yīng)避開強(qiáng)光及大霧影響。

GPS作為現(xiàn)代大地測(cè)量的一種技術(shù)手段，可以實(shí)現(xiàn)三維大地測(cè)量，作業(yè)簡(jiǎn)單方便，具有測(cè)站間無需通視、能同時(shí)測(cè)定點(diǎn)的三維位移、不受氣候條件的限制、易于實(shí)現(xiàn)全系統(tǒng)的自動(dòng)化、可消除或削弱系統(tǒng)誤差的影響和可直接用大地高進(jìn)行垂直形變測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)。特別是應(yīng)用于變形控制網(wǎng)觀測(cè)時(shí)，主要關(guān)注兩期所求得監(jiān)測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)之間的差異，而不是監(jiān)測(cè)點(diǎn)本身的坐標(biāo)。這樣兩期監(jiān)測(cè)中所含的共同系統(tǒng)誤差只會(huì)分別影響兩期的坐標(biāo)值，但卻不會(huì)影響所求得的變形量。目前利用GPS進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)的最好精度約為±0.5 mm。

根據(jù)湖北白蓮河抽水蓄能電站的現(xiàn)場(chǎng)條件和控制網(wǎng)觀測(cè)精度要求，最終選擇GPS觀測(cè)方法和測(cè)量機(jī)器人觀測(cè)方法對(duì)變形控制網(wǎng)進(jìn)行觀測(cè)。

3 GPS觀測(cè)與數(shù)據(jù)處理

2011年10月，采用6臺(tái)徠卡公司高精度雙頻GPS接收機(jī)對(duì)白蓮河抽水蓄能電站變形監(jiān)測(cè)控制網(wǎng)進(jìn)行靜態(tài)相對(duì)定位觀測(cè)。將8個(gè)變形控制網(wǎng)網(wǎng)點(diǎn)分3個(gè)時(shí)段進(jìn)行觀測(cè)，每個(gè)時(shí)段長(zhǎng)度大于4 h，保證不同時(shí)段有4臺(tái)接收機(jī)同步，保證變形控制網(wǎng)中每個(gè)網(wǎng)點(diǎn)與其他網(wǎng)點(diǎn)均有基線連接，這樣可提高控制網(wǎng)的可靠性和精度。

GPS數(shù)據(jù)處理過程大致分為原始數(shù)據(jù)下載、數(shù)據(jù)檢查及預(yù)處理、基線解算、基線檢核、三維無約束

網(wǎng)平差、二維約束網(wǎng)平差、平差精度統(tǒng)計(jì)等。外業(yè)觀測(cè)完成后，采用徠卡公司的LGO 6.0基線計(jì)算軟件進(jìn)行基線處理。其中，TB06、TB01網(wǎng)點(diǎn)的周圍有樹枝遮擋，凈空不是很好，需要?jiǎng)h除部分衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)，提高變形控制網(wǎng)的基線質(zhì)量。然后采用武漢大學(xué)科傻GPS數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行三維無約束平差和二維約束平差，最后對(duì)平差的結(jié)果進(jìn)行精度統(tǒng)計(jì)。

變形監(jiān)測(cè)控制網(wǎng)參與平差的基線數(shù)39條，構(gòu)成異步閉合環(huán)21個(gè)，同步環(huán)和異步環(huán)均不超限。環(huán)閉合差、三維基線向量無約束平差的點(diǎn)位誤差統(tǒng)計(jì)見表3和表4。平均邊長(zhǎng)相對(duì)中誤差為1/374405，最弱邊TB05-TB06邊長(zhǎng)相對(duì)中誤差為1/194000，達(dá)到二等變形監(jiān)測(cè)控制網(wǎng)邊長(zhǎng)測(cè)量的精度要求。

表3 環(huán)閉合差精度統(tǒng)計(jì)表Table 3 Statistic of the precision of the ring closure error

表4 三維基線向量無約束平差的點(diǎn)位誤差統(tǒng)計(jì)表Table 4 Statistics of point measurement error of unconstrained adjustment of 3D base line vector quantity

4 測(cè)量機(jī)器人觀測(cè)與數(shù)據(jù)處理

GPS方法觀測(cè)完成后，采用瑞士Leica公司高精度全站儀TCA2003，并配備6套圓棱鏡對(duì)變形監(jiān)測(cè)控制網(wǎng)進(jìn)行水平角、邊長(zhǎng)觀測(cè)。全站儀測(cè)角精度為0.5"，測(cè)距精度為1 mm+1 ppm，系統(tǒng)帶有CCD技術(shù)、馬達(dá)驅(qū)動(dòng)技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)棱鏡目標(biāo)自動(dòng)識(shí)別與照準(zhǔn)。在伺服馬達(dá)驅(qū)動(dòng)和機(jī)載自動(dòng)化觀測(cè)軟件控制下，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)重復(fù)性觀測(cè)，如多測(cè)回測(cè)距、測(cè)角、正倒鏡等，避免了人工觀測(cè)和人工照準(zhǔn)的隨機(jī)誤差。同時(shí)采用7支通風(fēng)干濕溫度計(jì)和7臺(tái)空盒氣壓表對(duì)測(cè)站與測(cè)點(diǎn)的溫度、濕度和氣壓進(jìn)行觀測(cè)。

在每個(gè)測(cè)回始末，分別在測(cè)線兩端點(diǎn)上測(cè)定溫度、濕度和氣壓數(shù)據(jù)，溫度讀至0.1℃，氣壓讀至0.1 hPa。讀取氣象元素時(shí)，氣壓表應(yīng)置平，防止指針擱滯；溫度計(jì)須懸掛在離地面約1.5 m左右或與測(cè)距儀近似同高、不受陽光直射、受輻射影響小和通風(fēng)良好的地方。每條測(cè)距邊往返觀測(cè)各16次，邊長(zhǎng)觀測(cè)時(shí)段差（或往返測(cè)互差）不得大于21+D2mm（式中D為測(cè)線長(zhǎng)度，按km計(jì)）。

觀測(cè)數(shù)據(jù)處理采用大地綜合數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。首先設(shè)置控制網(wǎng)參數(shù)，包括坐標(biāo)系統(tǒng)、投影高程面、儀器的加乘常數(shù)、大氣折光系數(shù)、角度距離觀測(cè)的各種限差等，將自動(dòng)記錄的觀測(cè)數(shù)據(jù)按照規(guī)范表格生成水平角、天頂距、距離觀測(cè)記錄文件，并對(duì)角度觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。然后對(duì)邊長(zhǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行氣象改正、加乘常數(shù)改正、傾斜改正、投影改正、周期誤差改正等。當(dāng)角度觀測(cè)、往返邊長(zhǎng)、往返測(cè)高差、三角形條件、極條件、正余弦條件等統(tǒng)計(jì)符合規(guī)范要求后，將已知數(shù)據(jù)、角度觀測(cè)、邊長(zhǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)組合成平差準(zhǔn)備文件，最后進(jìn)行經(jīng)典控制網(wǎng)平差，平差成果精度統(tǒng)計(jì)見表5。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，測(cè)量機(jī)器人觀測(cè)能夠滿足湖北白蓮河抽水蓄能電站變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)精度設(shè)計(jì)要求。

表5 變形監(jiān)測(cè)控制網(wǎng)平差成果統(tǒng)計(jì)表Table 5 Statistics of adjustment rusults for deformation monitor?ing control network

5 測(cè)量機(jī)器人與GPS觀測(cè)成果對(duì)比

為了驗(yàn)證GPS技術(shù)與測(cè)量機(jī)器人測(cè)量成果的

一致性，起算數(shù)據(jù)都采用固定B211和B214兩個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行約束平差，對(duì)兩種觀測(cè)方式數(shù)據(jù)處理后的平面邊長(zhǎng)、點(diǎn)位精度和點(diǎn)位較差進(jìn)行了比較，結(jié)果見表6、表7和表8。

從表6、表7和表8可以看出，GPS測(cè)定的邊長(zhǎng)和點(diǎn)位精度與TCA2003相當(dāng)。從兩種不同測(cè)量方式計(jì)算結(jié)果較差統(tǒng)計(jì)來看，GPS靜態(tài)相對(duì)定位觀測(cè)與測(cè)量機(jī)器人觀測(cè)的成果基本一致，兩者成果較差在3 mm左右，不超過點(diǎn)位誤差2倍準(zhǔn)許范圍，兩者吻合性較好。

根據(jù)白蓮河變形控制網(wǎng)的現(xiàn)場(chǎng)條件，分別對(duì)GPS和測(cè)量機(jī)器人的作業(yè)時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，見表9。從表9可以看出：采用測(cè)量機(jī)器人進(jìn)行變形控制網(wǎng)觀測(cè)時(shí)，外業(yè)需要總?cè)颂鞌?shù)為24 d，前提條件是在4 d的工作時(shí)間內(nèi)，氣象條件非常適宜光學(xué)儀器觀測(cè)，如果遇到不良?xì)夂顥l件，觀測(cè)時(shí)間將需要更多。采用GPS技術(shù)進(jìn)行觀測(cè)時(shí)外業(yè)需要總?cè)颂鞌?shù)則較少，約為測(cè)量機(jī)器人的1/5，且人為干預(yù)少，不受氣候條件影響，從數(shù)據(jù)采集到處理自動(dòng)化程度較高，能及時(shí)、準(zhǔn)確地得到可靠的觀測(cè)成果。由此可以看出，GPS方法的觀測(cè)效率明顯優(yōu)于測(cè)量機(jī)器人。

表6 邊長(zhǎng)較差表Table 6 Difference of side length

表7 點(diǎn)位精度比較表Table 7 Comparison of point precision

表8 平差成果較差表Table 8 Difference of adjustment results

表9 GPS與測(cè)量機(jī)器人作業(yè)時(shí)間比較表Table 9 Comparison of the working hours between the GPS and Georobot

6 結(jié)語

GPS觀測(cè)方法與測(cè)量機(jī)器人觀測(cè)方法在白蓮河抽水蓄能電站變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)觀測(cè)及數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用表明，兩者的觀測(cè)成果比較吻合，均能達(dá)到二等變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)的精度要求，其中GPS觀測(cè)方法不受氣候條件影響，觀測(cè)效率更高。如果電站運(yùn)行期變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)復(fù)測(cè)采用GPS進(jìn)行觀測(cè)，固定相應(yīng)的坐標(biāo)框架、起算數(shù)據(jù)、處理軟件模型，每次復(fù)測(cè)成果之間的較差也可以很好地反映出網(wǎng)點(diǎn)的位移量。雖然衛(wèi)星信號(hào)被遮擋及多路徑效應(yīng)會(huì)影響GPS觀測(cè)精度和可靠性，但隨著各種全球定位系統(tǒng)衛(wèi)星數(shù)量的增加，各種誤差模型因素考慮得更加完善，GPS將能更好地滿足變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)觀測(cè)的精度要求。 ■

[1]李征航.GPS定位技術(shù)在變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J].全球定位系統(tǒng),2001(2):18-25.

[2]鄒雙朝，甘孝清，周武.GPS在湖北白蓮河抽水蓄能電站變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)中的應(yīng)用[J].長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，2012（6）:90-94.

[3]李征航，張小紅，徐曉華.隔河巖大壩外觀變形GPS自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的精度評(píng)定[J].哈爾濱工程高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào)，2000，11(3):1-6.

This paper describes basic situation and observation accuracy requirements of deformation monitoring network of Bailianhe pumped storage station.According to comparative analysis on existing observation technology,Georobot and GPS technology were applied to deformation monitoring control network in the Bailianhe Project.The observation results showed good consistency between GPS technol?ogy and Georobot,and both satisfied the accuracy requirement of second deformation monitoring control network,while GPS was of better observation efficiency and suffered less environmental influence.

Bailianhe pumped storage power station;deformation control network;Georobot;GPS

TV698.1

B

1671-1092（2014）04-0053-05

2013-09-27；

2013-11-12

甘孝清（1972-），男，湖北潛江人，博士研究生，主要從事巖土工程與水工結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)、安全評(píng)價(jià)工作。

Title:Deformation monitoring network of Bailianhe PSPS and its data processing//by GAN Xiao-qing, ZOU Shuang-chao and MA Xiang//Engineering Safety and Disaster Prevention Research Department of Yangtze River Scientific Institute