GPS技術(shù)在崗南水庫大壩水平位移監(jiān)測中的應(yīng)用及發(fā)現(xiàn)的問題

【摘要】主要介紹了崗南水庫大壩水平位移監(jiān)測中的GPS技術(shù)應(yīng)用，及在應(yīng)用過程中發(fā)現(xiàn)的問題，并通過有效分析，找到解決方案。

【關(guān)鍵詞】水平位移；GPS；應(yīng)用；發(fā)現(xiàn)問題；有效分析；解決方案

1、前言

崗南水庫位于河北省平山縣崗南鎮(zhèn)附近的滹沱河干流上，是海河流域子牙河水系兩大支流之一滹沱河中下游重要的大（1）型水利樞紐工程，控制流域面積15900km2，總庫容15.71億m3。水庫以防洪、供水、灌溉為主，結(jié)合發(fā)電，與下游28km處的黃壁莊水庫聯(lián)合控制流域面積23400km2。

水庫于1958年3月動(dòng)工興建，1959年攔洪，1962年停工待建，1966年續(xù)建，1969年竣工， 1978年開始擴(kuò)建加固，至1990年竣工。崗南水庫工程經(jīng)過初建、續(xù)建后，仍存在著許多遺留問題，2003年11月崗南水庫除險(xiǎn)加固工程正式開工建設(shè)，與2008年6月竣工。

隨著大壩除險(xiǎn)加固工程的完成，對變形觀測系統(tǒng)進(jìn)行完善，重新布設(shè)了壩上的監(jiān)測控制點(diǎn)，并將GPS技術(shù)應(yīng)用于大壩水平位移監(jiān)測。

2、 GPS技術(shù)應(yīng)用于水平位移監(jiān)測的優(yōu)勢

GPS技術(shù)應(yīng)用于大壩監(jiān)測的可行性已得到充分驗(yàn)證，在國內(nèi)外已較為成熟，國內(nèi)許多大型水電站已有成功的經(jīng)驗(yàn)，水平方向精度可達(dá)毫米級或亞毫米級。因此，相對于傳統(tǒng)的測量方法，GPS技術(shù)有著傳統(tǒng)方法不可比擬的優(yōu)勢，主要如下：

2.1 測站間無需通視

GPS測量不需要點(diǎn)間通視，布網(wǎng)靈活，對所構(gòu)網(wǎng)形的圖形強(qiáng)度要求不高，可有效克服氣象條件對觀測的影響；而常規(guī)測量所構(gòu)成網(wǎng)形的一條邊的兩端點(diǎn)間必須通視，布網(wǎng)局限性大，對所構(gòu)網(wǎng)形的圖形強(qiáng)度要求高，且受周圍氣象環(huán)境影響大，很難保證檢測精度。

2.2 全天候作業(yè)，觀測時(shí)間短

可進(jìn)行全天候作業(yè)，觀測速度快，工作量減少；而常規(guī)測量必須在天氣狀況良好時(shí)才能觀測，且觀測周期長，工作量大。尤其對平原或丘陵水庫，當(dāng)壩體較長呈帶狀時(shí)，用常規(guī)測量的布網(wǎng)方法難以構(gòu)成理想的網(wǎng)形，更能體現(xiàn)出GPS技術(shù)的明顯優(yōu)勢。

2.3 操作簡單

隨著GPS接收機(jī)的不斷改進(jìn)，自動(dòng)化程度越來越高，有的已達(dá)“智能化”程度，接收機(jī)的體積越來越小，重量越來越輕，極大地減輕測量工作者的工作緊張程度和勞動(dòng)強(qiáng)度。結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)，應(yīng)用gnss軟件，使數(shù)據(jù)處理方面也變得簡單快捷。

3、 GPS技術(shù)在崗南水庫大壩水平位移監(jiān)測中的應(yīng)用情況

3.1外業(yè)操作

3.1.1觀測設(shè)施布置

本次除險(xiǎn)加固恢復(fù)了主壩的水平位移觀測，并在左岸新副壩增加了水平位移觀測項(xiàng)目。主壩共設(shè)5個(gè)斷面，21個(gè)監(jiān)測標(biāo)點(diǎn)。新副壩布設(shè)2個(gè)觀測斷面，4個(gè)監(jiān)測標(biāo)點(diǎn)。新布設(shè)水平位移觀測工作基點(diǎn)分別為崗基01、崗基02、崗基05、崗基06，分別用來觀測主壩及新副壩的水平位移。

3.1.2觀測方案

測量儀器采用三臺南方靈銳S82 GPS接收機(jī)進(jìn)行E級GPS靜態(tài)定位，采用監(jiān)測點(diǎn)周期觀測方案。

主壩水平位移首期監(jiān)測在崗基01和崗基02為固定重復(fù)基線，新副壩水平位移首期監(jiān)測在崗基05和崗基06為固定重復(fù)基線，與各監(jiān)測點(diǎn)組成GPS網(wǎng)按照E級GPS網(wǎng)觀測規(guī)范，完成監(jiān)測點(diǎn)的周期性觀測。

主壩采用崗基01、崗基02對位移標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行約束控制觀測，新副壩由崗基05、崗基06對位移標(biāo)點(diǎn)約束觀測。

3.2數(shù)據(jù)處理

3.2.1水平位移采集數(shù)據(jù)的解算及平差

3.2.1.1 基線解算

將測量完成后的采集數(shù)據(jù)，根據(jù)基點(diǎn)和觀測標(biāo)點(diǎn)的原始記錄，利用南方測繪的gnss數(shù)據(jù)處理軟件，分別由GPS接收機(jī)導(dǎo)入電腦指定文件中。

打開數(shù)據(jù)解算軟件，新建工作項(xiàng)目，在新建項(xiàng)目界面內(nèi)將導(dǎo)入的數(shù)據(jù)調(diào)入，然后將全部數(shù)據(jù)進(jìn)行解算，解算按GPS的E級解算標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，解算全部通過，證明達(dá)到精度要求。在基線的解算過程中，為了確?；€的質(zhì)量可靠，提高成果的精度，根據(jù)實(shí)際情況，刪除一些殘差比較大的、周跳比較嚴(yán)重的時(shí)段。然后對基線進(jìn)行再處理，分析比率、參考變量及RMS值，直至取得基線的最優(yōu)解。

3.2.1.2 GPS網(wǎng)平差

GPS基線解算完成后，在WGS84坐標(biāo)系下對GPS網(wǎng)進(jìn)行平差。在平差的過程中對一些含有粗差的邊進(jìn)行了剔除，平差后分析平差報(bào)告，直到報(bào)告中的各項(xiàng)限差都滿足要求。

3.2.2水平位移監(jiān)測標(biāo)點(diǎn)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

利用GPS觀測水平位移解算所得為大地坐標(biāo)，需要通過大地坐標(biāo)計(jì)算出標(biāo)點(diǎn)的施工坐標(biāo)，以便更直觀的監(jiān)測到壩體在壩軸線和垂直于壩軸線方向的位移。利用南方測繪的CASS繪圖軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，然后跟以往數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，來監(jiān)測大壩的水平位移。

4、數(shù)據(jù)處理過程中發(fā)現(xiàn)的問題

自2008年利用GPS技術(shù)對崗南水庫大壩水平位移進(jìn)行檢測以來，在基線解算過程中總是出現(xiàn)解算不合格的問題。

為了解決此問題，進(jìn)行了以下兩方面的分析：

4.1 問題分析一：標(biāo)點(diǎn)過多導(dǎo)致解算不合格

首先考慮觀測標(biāo)點(diǎn)過多，產(chǎn)生的異步環(huán)太多，容易導(dǎo)致解算不合格。于是分?jǐn)嗝孢M(jìn)行基線解算，這樣異步環(huán)減少。但結(jié)果出現(xiàn)部分?jǐn)嗝嫒匀挥挟惒江h(huán)不合格現(xiàn)象。說明不是因?yàn)闃?biāo)點(diǎn)過多造成的解算不合格現(xiàn)象。

4.2 問題分析二：對中誤差導(dǎo)致解算不合格

在分析問題過程中，發(fā)現(xiàn)新副壩水平位移監(jiān)測數(shù)據(jù)沒有出現(xiàn)過解算不合格現(xiàn)象。其標(biāo)點(diǎn)只有4個(gè)，在同一天即可完成外業(yè)測量。而主壩水平位移監(jiān)測有21個(gè)標(biāo)點(diǎn)，需4天才能完成外業(yè)測量。主壩水平位移監(jiān)測是以崗基01和崗基02為固定重復(fù)基線，每天都要重新將接收機(jī)利用三腳架架設(shè)在工作基點(diǎn)上。因此考慮是對中出現(xiàn)誤差或是由于GPS的觀測時(shí)間較長，三腳架被日照和風(fēng)吹出現(xiàn)相應(yīng)的問題。于是將每一天的數(shù)據(jù)分別進(jìn)行基線解算。結(jié)果沒有出現(xiàn)異步環(huán)不合格現(xiàn)象。說明問題出現(xiàn)的原因就是將接收機(jī)利用三腳架架設(shè)在工作基點(diǎn)上的對中誤差造成的。

5、改進(jìn)方案

考慮到位移標(biāo)點(diǎn)上采取的是強(qiáng)制對中的觀測墩，可以解決人為的對中誤差和三腳架被日照和風(fēng)出現(xiàn)的相應(yīng)問題。決定不再以工作基點(diǎn)崗基01和崗基02為固定重復(fù)基線，在第一天結(jié)束觀測前，將重復(fù)基線控制點(diǎn)移到位移標(biāo)點(diǎn)，這樣第二天利用位移標(biāo)點(diǎn)的強(qiáng)制對中原理，解決對中誤差問題。

5.1 觀測步驟

崗南水庫主壩水平位移監(jiān)測改進(jìn)方案觀測步驟如下：

（1）先將三臺接收機(jī)分別架設(shè)在工作基點(diǎn)崗基01、崗基02和一個(gè)位移標(biāo)點(diǎn)A1上，完成一個(gè)時(shí)段的觀測。

（2）崗基01上的接收機(jī)移到另一個(gè)位移標(biāo)點(diǎn)A5上，利用崗基02和A1形成的重復(fù)基線進(jìn)行A5的監(jiān)測。

（3）崗基02上的接收機(jī)移到B1上，利用A1和A5這條基線對B1進(jìn)行監(jiān)測，這樣就將重復(fù)基線控制點(diǎn)移到了能強(qiáng)制對中的位移標(biāo)點(diǎn)上。依次再完成其他標(biāo)點(diǎn)的監(jiān)測。

5.2 結(jié)論

在利用改進(jìn)方案進(jìn)行水平位移采集數(shù)據(jù)的解算過程中，不再出現(xiàn)異步環(huán)不合格現(xiàn)象，說明這種方法可行。

6、結(jié)語

GPS技術(shù)在崗南水庫大壩水平位移監(jiān)測中具備速度快、精度高和時(shí)間短等特點(diǎn)，在一定程度上實(shí)現(xiàn)了水庫大壩監(jiān)測自動(dòng)化。但GPS技術(shù)測量應(yīng)用也還不夠完善，應(yīng)該根據(jù)工程的實(shí)際情況來進(jìn)行有效的分析，從而有效地提高監(jiān)測的精度。

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