GPS靜態(tài)定位在大壩變形監(jiān)測中的應(yīng)用

秦啟耀 黃永銳

【摘要】隨著當(dāng)代科技技術(shù)的快速發(fā)展，新一代精密衛(wèi)星定位系統(tǒng)GPS全球定位系統(tǒng)逐漸發(fā)展起來，各種等級和類型的控制網(wǎng)是由GPS靜態(tài)定位在測量中建立起來的，在這些方面，GPS技術(shù)已基本上取代了常規(guī)的測量方法，成為了主要手段。本文通過對GPS快速靜態(tài)定位測量技術(shù)在石凹水庫大壩變形監(jiān)測中的應(yīng)用探討，闡述了該技術(shù)應(yīng)用的意義、原理、方法和應(yīng)用中應(yīng)注意的問題，并總結(jié)出GPS快速靜態(tài)定位測量技術(shù)的特點(diǎn)。

【關(guān)鍵詞】GPS靜態(tài)定位；大壩變形；監(jiān)測

1、緒論

隨著GPS快速靜態(tài)定位測量技術(shù)不斷被廣泛應(yīng)用，GPS定位技術(shù)不斷提高的定位精度，GPS定位技術(shù)主要在測量控制網(wǎng)的建立方面應(yīng)用，以及大壩、橋梁、樓房等建筑的變形監(jiān)測。目前在中鋁山東分公司赤泥堆大壩變形監(jiān)測中，該技術(shù)被測量人員廣泛應(yīng)用。GPS快速靜態(tài)定位測量比常規(guī)GPS靜態(tài)測量節(jié)省大量時間，可大大地提高工作效率。

2、GPS靜態(tài)測量原理

GPS靜態(tài)測量是利用測量型GPS接收機(jī)進(jìn)行定位測量的一種。主要用于建立全球性或國家級大地控制網(wǎng)，建立地殼運(yùn)動監(jiān)測網(wǎng)、建立長距離檢?；€、進(jìn)行島嶼與大陸聯(lián)測、鉆井定位及精密工程控制網(wǎng)建立等。進(jìn)行GPS靜態(tài)測量時，認(rèn)為GPS接收機(jī)的天線在整個觀測過程中的位置是靜比，在數(shù)據(jù)處理時，將接收機(jī)天線的位置作為一個不隨時間的改變而改變的量，通過接收到的衛(wèi)星數(shù)據(jù)的變化來求得待定點(diǎn)的坐標(biāo)。在測量中GPS靜態(tài)測量的具體觀測模式是采用兩臺（或兩臺以上）接受設(shè)備，分別安置在一條或數(shù)條基線的兩個端點(diǎn)，同步觀測4顆以上衛(wèi)星，每時段長45 min至2h或更多。基線的定位精度可達(dá)5mm+ ，D為基線長度（km）。測量時，所有己觀測基線應(yīng)組成一系列封閉圖形，有助于進(jìn)一步提高定位精度。

3、GPS靜態(tài)定位在大壩變形監(jiān)測中的應(yīng)用實(shí)例

3.1工程概況

石凹水庫工程位于廣西壯族自治區(qū)西北，馱娘江上游，壩址區(qū)位于西林縣普合鄉(xiāng)那后村上游2km左右，距西林縣城23 km。電站裝機(jī)容量3.2萬kW。水庫的總庫容為1.33 X 108m3，水庫正常蓄水位685.00 m，壩型為碾壓混凝土雙曲拱壩，最大壩高77 m。

該工程混凝土拱壩為2級建筑物，設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇，其相應(yīng)泄量為1860 m3/s和1320m3/s，選擇兩個泄洪表孔和一個中孔聯(lián)合泄流的方式泄洪。壩址處，河谷相對狹窄，河谷呈“V”字形，谷底高程616.00～617.00m，兩岸山脊高程大于750m，谷底寬37～52m，河床寬30～40m，兩岸較對稱。

拱壩壩基與壩肩出露的巖性為三迭系下統(tǒng)的薄層到中厚層砂巖與泥巖，少數(shù)為厚層狀。壩基的混凝土有63%以上為堅(jiān)硬的砂巖組成，其單層厚度一般為0.3～0.8m，最厚2.8m，最薄0.1 m； 37%左右為泥巖，其一般厚度為0.2～0.5m，最厚2.3m，最薄0.05m。壩基實(shí)際開挖揭露的斷層有7條，擠壓破碎帶1條。

3.2大壩變形觀測設(shè)計(jì)

變形觀測控制網(wǎng)包括三部分組成，分別是變形監(jiān)測網(wǎng)、基準(zhǔn)點(diǎn)監(jiān)測網(wǎng)、引測網(wǎng)。引測網(wǎng)是由測量區(qū)附近的兩個國家的四個基準(zhǔn)點(diǎn)與三角點(diǎn)組成，目的是將國家三角點(diǎn)坐標(biāo)引入基準(zhǔn)點(diǎn)，以便數(shù)據(jù)成果在其它工程中使用（如圖1所示，外圍的四個點(diǎn)為基準(zhǔn)點(diǎn)，網(wǎng)中的五個點(diǎn)位大壩變形監(jiān)測點(diǎn)由于保密需要，國家三角點(diǎn)在圖中未表示）。

基準(zhǔn)點(diǎn)的定位應(yīng)該選擇在好的地質(zhì)條件，能保存永久的地方，在變形區(qū)以外，這是因?yàn)榛鶞?zhǔn)點(diǎn)一定要保證穩(wěn)定和堅(jiān)固，因?yàn)榛鶞?zhǔn)點(diǎn)是變形觀測的基礎(chǔ)。為檢驗(yàn)基準(zhǔn)點(diǎn)的穩(wěn)定性，水平位移監(jiān)測的基準(zhǔn)點(diǎn)均設(shè)置成基準(zhǔn)點(diǎn)組，選在距水庫1.5km離開變形區(qū)的地方，三點(diǎn)兩兩通視，以便于用大地測量的方法對基準(zhǔn)點(diǎn)檢核。

圖1石凹水庫平面監(jiān)測網(wǎng)聯(lián)測示意圖

在每個斷面壩頂、壩坡、壩腳分別布置設(shè)有三個變形監(jiān)測點(diǎn)，在圍壩上設(shè)有5個觀測斷面，樁號為 3+700， 2+ 800， 2+200， 1+ 400，0+600，總共有15個監(jiān)測點(diǎn)。水平位移觀測采用布設(shè)4個GPS監(jiān)測網(wǎng)的方法，采用邊連接的方式，分別與距離大壩1.5km處的四個基準(zhǔn)點(diǎn)聯(lián)測，基準(zhǔn)點(diǎn)與國家三角點(diǎn)聯(lián)測。將基準(zhǔn)點(diǎn)、變形監(jiān)測點(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)成盡量多的由GPS獨(dú)立邊組成的異步環(huán)，使GPS網(wǎng)有足夠的多余觀測，平均每點(diǎn)設(shè)站2～3次。

4 2 GPS網(wǎng)觀測

采用3臺Topcon Hiper雙頻GPS接收機(jī)進(jìn)行觀測，時段長度≥120min有效衛(wèi)星數(shù)不少于4顆，PDOP≤6儀器標(biāo)稱精度為靜態(tài)，固定誤差：3mm，比例誤差1mm/km，配有抑制多路經(jīng)效應(yīng)的扼流圈天線。作業(yè)方式采用靜態(tài)相對定位方式，嚴(yán)格按作業(yè)規(guī)程進(jìn)行操作。

43數(shù)據(jù)處理

4 31基線解算

數(shù)據(jù)處理軟件采用GAM II，由于該網(wǎng)要求精度高，基線向量解算時必須考慮對流層的影響，測定氣象要素，采用薩斯塔莫寧（Saastan o inen）模型對對流層的影響進(jìn)行改正，采用精密星歷進(jìn)行解算，基線結(jié)果采用雙差固定解。

4.3.2 GPS網(wǎng)平差

基線解算結(jié)束后，在WGS-84坐標(biāo)系下進(jìn)行三維無約束平差，并對無約束平差作參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)。

（1）方差分量因子 估算檢驗(yàn)

在平差完成后，需要進(jìn)行單位權(quán)方差估值 的檢驗(yàn)。它應(yīng)與平差前的先驗(yàn)單位權(quán)方差 一致，判斷它們是否一致可采用 檢驗(yàn)。每次平差方差分量因子都順利通過檢驗(yàn)。

（2）每個改正數(shù)粗差的檢驗(yàn)

為提高GPS測量的精度與可靠性，無約束平差結(jié)束后及時進(jìn)行同步環(huán)閉合差、異步環(huán)閉合差以及復(fù)測邊等項(xiàng)的檢查計(jì)算，在基線解算質(zhì)量檢核的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步評定GPS網(wǎng)的內(nèi)部符合精度與外業(yè)觀測的質(zhì)量，同步環(huán)、獨(dú)立閉合環(huán)、復(fù)測基線坐標(biāo)閉合差均滿足：

相鄰點(diǎn)間弦長精度：

式中： 為標(biāo)準(zhǔn)差（基線向量的弦長中誤差），mm；a為固定誤差，a≤10mm；b為比例誤差系數(shù)，b≤（D級控制網(wǎng)為10， E級控制網(wǎng)為20）； d為相鄰點(diǎn)間距離，km。

○2三邊同步環(huán)坐標(biāo)分量相對閉合差 ，三邊同步環(huán)環(huán)線全長相對閉合差 。對于四站以上的同步觀測時段，在處理完各邊觀測值后，應(yīng)檢查一切可能的三邊同步環(huán)。

○3復(fù)測基線的長度較差 。

○4異步環(huán)坐標(biāo)分量閉合差和環(huán)線全長相對閉合差 ， ， ， ，式：w為環(huán)閉合差， ；n為獨(dú)立環(huán)中的邊數(shù)。

○5無約束平差基線向量改正數(shù)絕對值

， ，

⑥無約束平差與約束平差同名基線向量改正數(shù)較差的絕對值

， ，

⑦平差后最弱邊相對中誤差≤1/80000（ D級）；平差后最弱邊相對中誤差≤1/45000（ E級）。

網(wǎng)中最弱相鄰點(diǎn)的相對點(diǎn)位中誤差不大于 5cm。

5、結(jié)論

GPS靜態(tài)測量的方法和網(wǎng)型有很多種，只有仔細(xì)分析測區(qū)，才能將和測量區(qū)域相適應(yīng)的方法和網(wǎng)型。在大壩變形監(jiān)測中利用GPS靜態(tài)測量的過程中，關(guān)鍵因素也不外乎就是精度和效率兩大項(xiàng)，把握住這兩個因素聯(lián)系工程項(xiàng)目實(shí)際需要和工程項(xiàng)目測區(qū)特點(diǎn)選取GPS靜態(tài)測量的網(wǎng)型和方法，會更切合實(shí)際也會顯得更加容易

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