淺談新疆卡拉貝利水庫(kù)壩區(qū)構(gòu)建GPS形變監(jiān)測(cè)網(wǎng)的設(shè)計(jì)方案

趙 陽(yáng)

（新疆卡拉貝利水利樞紐工程建設(shè)管理局 新疆 喀什 844000）

根據(jù)斷層失穩(wěn)的機(jī)制，水庫(kù)的建設(shè)與使用期是否會(huì)誘發(fā)較大的地震關(guān)鍵在于其水體附近是否存在一定規(guī)模的斷層，且其應(yīng)力狀態(tài)是否已接近破壞強(qiáng)度。因此，為了有效地對(duì)卡拉貝利水利樞紐工程庫(kù)區(qū)進(jìn)行安全性監(jiān)測(cè)，研究水庫(kù)建設(shè)和使用過(guò)程中對(duì)附近地區(qū)地震活動(dòng)的影響，必須對(duì)庫(kù)區(qū)的主要活動(dòng)斷裂、庫(kù)區(qū)斷層性質(zhì)及其與水庫(kù)的關(guān)系進(jìn)行研究，分析水庫(kù)蓄水對(duì)附近斷層的應(yīng)力狀態(tài)的影響。

1 GPS形變測(cè)量技術(shù)

在目前的跨斷層形變測(cè)量技術(shù)中，GPS（Global Positioning System全球定位系統(tǒng)）技術(shù)與常規(guī)大地測(cè)量手段相比，具有全天候、站間無(wú)需保持通視、可同時(shí)測(cè)定點(diǎn)的三維坐標(biāo)、精度高、費(fèi)用省等優(yōu)點(diǎn)。隨著GPS靜態(tài)定位技術(shù)的不斷發(fā)展與完善，其測(cè)量精度越來(lái)越高，平差后的點(diǎn)位精度能達(dá)到毫米量級(jí)。目前GPS技術(shù)己普遍用于各種用途的控制點(diǎn)測(cè)量，并在各種類型和等級(jí)的控制網(wǎng)建立中逐步取代常規(guī)的測(cè)量方法，如全站儀、水準(zhǔn)儀等。

靜態(tài)相對(duì)定位是GPS測(cè)量中精度最高的定位方法，因此廣泛應(yīng)用于形變監(jiān)測(cè)、大地測(cè)量、城市與工程控制領(lǐng)域。靜態(tài)相對(duì)定位是用兩臺(tái)接收機(jī)分別裝在基線兩個(gè)測(cè)站上，在同一時(shí)段內(nèi)同步觀測(cè)不少于4顆的衛(wèi)星信號(hào)，通過(guò)相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理軟件確定基線兩端點(diǎn)在某一坐標(biāo)系中的三維坐標(biāo)差，根據(jù)其中一點(diǎn)的坐標(biāo)可推算出另一點(diǎn)的坐標(biāo)。目前，在大于800km的基線上，靜態(tài)相對(duì)定位精度可達(dá)到或優(yōu)于10-8，在100km～500km的基線上，靜態(tài)相對(duì)定位精度可達(dá)10-6～10-7，在小于50km的基線上，靜態(tài)相對(duì)定位精度可達(dá)1×10-6～2×10-6。

2 GPS形變監(jiān)測(cè)網(wǎng)設(shè)計(jì)方案

2.1 設(shè)計(jì)依據(jù)

（1）GB/T18314—2001《全球定位系統(tǒng)（GPS）測(cè)量規(guī)范》；

（2）DB/T19—2006《地震臺(tái)站建設(shè)規(guī)范全球定位系統(tǒng)連續(xù)觀測(cè)臺(tái)站》；

（3）JGJ/T23—2001《回彈法檢測(cè)混凝土抗壓強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程》。

2.2 精度設(shè)計(jì)

根據(jù)中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18314-2001《全球定位系統(tǒng)（GPS）測(cè)量規(guī)范》，利用GPS定位技術(shù)建立的測(cè)量控制網(wǎng)按其規(guī)模和用途，可分為AA、A、B、C、D、E六個(gè)精度等級(jí)。

實(shí)際工作中，應(yīng)根據(jù)測(cè)區(qū)大小、GPS網(wǎng)的用途及接收機(jī)所能達(dá)到的精度來(lái)設(shè)計(jì)網(wǎng)的等級(jí)和精度標(biāo)準(zhǔn)。參照卡拉貝利水里樞紐工程庫(kù)區(qū)的具體情況，GPS各測(cè)量點(diǎn)平均距離約8km，可建立D級(jí)GPS網(wǎng)，但根據(jù)任務(wù)書要求及水庫(kù)建設(shè)安全性考慮，對(duì)外業(yè)施測(cè)和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理等技術(shù)環(huán)節(jié)均適當(dāng)提高技術(shù)指標(biāo)，最終參照規(guī)范中的B級(jí)精度等級(jí)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

GPS測(cè)量的精度標(biāo)準(zhǔn)通常用網(wǎng)中相鄰點(diǎn)之間的距離標(biāo)準(zhǔn)差表示，其形式為：

式中，σ——標(biāo)準(zhǔn)差（基線向量的弦長(zhǎng)中誤差），mm；

ɑ——固定誤差，mm；

b——比例誤差系數(shù)，ppm；

d——相鄰點(diǎn)之間的距離，km。

2.3 密度設(shè)計(jì)

GPS控制網(wǎng)的密度設(shè)計(jì)應(yīng)滿足：相鄰點(diǎn)間的最小距離可為平均距離的1/3～1/2；最大距離可為平均距離的2～3倍。在特殊情況下，個(gè)別點(diǎn)的間距也可結(jié)合任務(wù)和具體情況，對(duì)GPS點(diǎn)分布要求做出具體的規(guī)定。

2.4 基準(zhǔn)設(shè)計(jì)

由于本項(xiàng)目的GPS測(cè)量主要是監(jiān)測(cè)卡拉貝利庫(kù)區(qū)活動(dòng)斷層的活動(dòng)性，只需要考慮GPS網(wǎng)內(nèi)各測(cè)點(diǎn)間的相對(duì)距離變化即可，并不需要確定測(cè)點(diǎn)在某一已有參考坐標(biāo)系中的準(zhǔn)確坐標(biāo)。因此根據(jù)測(cè)區(qū)地形、交通狀況以及作業(yè)效率等綜合考慮，本項(xiàng)目中的GPS測(cè)網(wǎng)不與已有的國(guó)家高等級(jí)GPS點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)測(cè)，坐標(biāo)系使用WGS-1984坐標(biāo)系統(tǒng)，時(shí)間系統(tǒng)選擇北京時(shí)間或UTC時(shí)間系統(tǒng)。

2.5 布網(wǎng)原則

由于GPS控制網(wǎng)點(diǎn)間不需要通視，并且網(wǎng)的精度主要取決于觀測(cè)時(shí)衛(wèi)星與測(cè)站間的幾何圖形、觀測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量、數(shù)據(jù)處理方法，與網(wǎng)形關(guān)系不大。因此在GPS布網(wǎng)時(shí)，與常規(guī)網(wǎng)相比較更為靈活方便，網(wǎng)的布設(shè)主要取決于用戶的要求和用途。在網(wǎng)形設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)規(guī)范要求應(yīng)遵循以下原則：

（1）GPS網(wǎng)應(yīng)根據(jù)測(cè)區(qū)實(shí)際需要和交通狀況進(jìn)行設(shè)計(jì)，使其既滿足一定精度、可靠性要求，又有較高的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。GPS網(wǎng)的點(diǎn)與點(diǎn)間不要求通視，但應(yīng)考慮常規(guī)測(cè)量方法加密時(shí)的應(yīng)用，每點(diǎn)應(yīng)有一個(gè)以上的通視方向。保證一定的觀測(cè)時(shí)段數(shù)和重復(fù)設(shè)站次數(shù)，以及保證每個(gè)測(cè)站至少與三條以上的獨(dú)立基線相連，可以有效地提高網(wǎng)的可靠性。在滿足一定效率的前提下，盡量多的增設(shè)長(zhǎng)時(shí)間、多時(shí)段的基線向量能有效地提高網(wǎng)的尺寸精度。

（2）GPS網(wǎng)應(yīng)由一個(gè)或若干個(gè)獨(dú)立觀測(cè)環(huán)構(gòu)成，也可采用附合線路形式構(gòu)成。各等級(jí)GPS網(wǎng)中每個(gè)閉合環(huán)或附合線路中的邊數(shù)應(yīng)符合表1的規(guī)定。

（3）在布網(wǎng)設(shè)計(jì)中應(yīng)顧及原有測(cè)繪成果資料以及各種大比例尺地形圖的沿用，宜采用原有坐標(biāo)系統(tǒng)。對(duì)凡符合GPS網(wǎng)布點(diǎn)要求的舊有控制點(diǎn)，應(yīng)充分利用其標(biāo)石。

2.6 選點(diǎn)

點(diǎn)位的選擇對(duì)于觀測(cè)工作的順利進(jìn)行和保證測(cè)量結(jié)果的可靠性有著重要的意義，選點(diǎn)工作應(yīng)遵守以下原則：

（1）點(diǎn)位應(yīng)設(shè)在易于安裝接收設(shè)備、視野開闊的較高點(diǎn)上。地面基礎(chǔ)穩(wěn)定，易于點(diǎn)的保存。

（2）點(diǎn)位目標(biāo)要顯著，視場(chǎng)周圍15°以上不應(yīng)有障礙物，以減少GPS信號(hào)被遮擋或障礙物吸收。

（3）點(diǎn)位應(yīng)遠(yuǎn)離大功率無(wú)線電發(fā)射源（如電臺(tái)、微波站等），其距離不少于200m；遠(yuǎn)離高壓輸電線，其距離不得少于50m，以避免電磁場(chǎng)對(duì)GPS信號(hào)的干擾。

（4）點(diǎn)位附近不應(yīng)有大面積水域或強(qiáng)烈干擾衛(wèi)星信號(hào)接收的物體，以減弱多路徑效應(yīng)的影響。

（5）點(diǎn)位應(yīng)選在交通方便，有利于其它觀測(cè)手段擴(kuò)展與聯(lián)測(cè)的地方。

（6）應(yīng)盡可能使所選點(diǎn)位附近的小環(huán)境（指地形、地貌、植被等）與周圍的大環(huán)境保持一致，以避免或減少氣象元素的代表性誤差。

2.7 埋標(biāo)

GPS網(wǎng)點(diǎn)應(yīng)埋設(shè)具有中心標(biāo)志的標(biāo)石或天線墩，以精確標(biāo)志點(diǎn)位，天線墩或標(biāo)石必須穩(wěn)定、堅(jiān)固以利長(zhǎng)久保存和利用。根據(jù)本項(xiàng)目具體情況，標(biāo)石類型選用天線墩，埋石作業(yè)應(yīng)符合以下要求：

（1）觀測(cè)墩基為深埋的剛性基礎(chǔ)，觀測(cè)墩應(yīng)采用鋼筋混凝土，其強(qiáng)度等級(jí)不低于C25，應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)澆筑。觀測(cè)墩示意圖見圖1。

（2）觀測(cè)墩應(yīng)有強(qiáng)制對(duì)中裝置（如圖2所示），埋造時(shí)應(yīng)使用置平工具安平。在點(diǎn)之記備注欄中應(yīng)注明歸心孔的深度、孔徑。

（3）天線墩建成后，至少需經(jīng)過(guò)一個(gè)月后方可用于觀測(cè)。

2.8 布網(wǎng)方案及網(wǎng)結(jié)構(gòu)特征測(cè)算

GPS網(wǎng)一般應(yīng)采用獨(dú)立觀測(cè)邊構(gòu)成閉合圖形，如三角形、多邊形或附合線路，以增加檢核條件，提高網(wǎng)的可靠性。GPS控制網(wǎng)的布設(shè)就是如何將各同步圖形合理地銜接成一個(gè)整體，使其達(dá)到精度高、可靠性強(qiáng)、效率高、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的目的。GPS網(wǎng)的圖形布設(shè)通常有星形連接、點(diǎn)連式、邊連式、網(wǎng)連式及邊點(diǎn)混合連接等。根據(jù)工程要求精度、測(cè)區(qū)地形和交通狀況、現(xiàn)有接收機(jī)類型和數(shù)量等因素，本次任務(wù)將同時(shí)使用三臺(tái)接收機(jī)進(jìn)行同步測(cè)量，同步圖形為三角形，各同步圖形的連接采用邊連接式，以同時(shí)保證GPS網(wǎng)同時(shí)具有較高的圖形強(qiáng)度和較高的作業(yè)效率。

表1 最簡(jiǎn)獨(dú)立閉合環(huán)或附合路線邊數(shù)的規(guī)定

圖1 觀測(cè)墩剖面圖

圖2 預(yù)埋件尺寸圖

圖3 GPS網(wǎng)圖形布設(shè)方案圖

GPS網(wǎng)的具體圖形布設(shè)如圖3所示，包括01、02、03、04、05、06共6個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，每次使用3臺(tái)接收機(jī)進(jìn)行一個(gè)同步環(huán)的測(cè)量，觀測(cè)時(shí)段數(shù)為S=6，平均重復(fù)設(shè)站數(shù)為R=3。根據(jù)GPS網(wǎng)特征條件的計(jì)算公式，本GPS網(wǎng)的總基線數(shù)為18，獨(dú)立基線數(shù)為12，必要的獨(dú)立基線數(shù)為5，多余的獨(dú)立基線數(shù)為7，理論最少觀測(cè)時(shí)段數(shù)為2。根據(jù)以上結(jié)果可得：GPS網(wǎng)的效率指標(biāo)e=理論最少觀測(cè)時(shí)段數(shù)/設(shè)計(jì)觀測(cè)時(shí)段數(shù)=0.33，整網(wǎng)的平均可靠性指標(biāo)η=多余的獨(dú)立基線數(shù)/獨(dú)立基線數(shù)=0.58。一般來(lái)說(shuō)，在GPS網(wǎng)設(shè)計(jì)時(shí)，可靠性指標(biāo)要達(dá)到0.3左右，效率指標(biāo)要達(dá)到0.6左右，可以看到，由于重復(fù)設(shè)站次數(shù)R取得較大，因此本GPS網(wǎng)的可靠性很高，而效率偏低。考慮到卡拉貝利庫(kù)區(qū)水利樞紐工程規(guī)模較小，僅有6個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，因此雖然GPS網(wǎng)設(shè)計(jì)的效率較低，但并不會(huì)增加很多工作量。

GPS網(wǎng)各相鄰測(cè)點(diǎn)的平均距離為8km，最長(zhǎng)邊為02～05邊（12.8km），最短邊為02～06邊（2.4km），滿足規(guī)范中GPS網(wǎng)密度設(shè)計(jì)要求。

在工作區(qū)內(nèi)沒有其它的舊有控制點(diǎn)，根據(jù)工程的具體情況，也無(wú)需與附近已有的國(guó)家高等級(jí)GPS點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)測(cè)，因此，在網(wǎng)平差時(shí)，將02號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)做為已知約束點(diǎn)進(jìn)行平差計(jì)算，以后每期測(cè)量時(shí)02號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)都使用固定的BLH坐標(biāo)作為起算點(diǎn)，以02號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)為基準(zhǔn)分析整個(gè)網(wǎng)的相對(duì)變化?！?/p>

[1]新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院.新疆卡拉貝利水利樞紐工程項(xiàng)目建議書[R].2008(2).

[2]新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院.新疆卡拉貝利水利樞紐工程可行性研究報(bào)告[R].2011(6).

[3]中國(guó)地震局地震工程研究中心.新疆喀什卡拉貝利水利樞紐工程場(chǎng)地地震安全性評(píng)價(jià)報(bào)告[R].2006(12).