GNSS技術在水庫大壩變形監(jiān)測分析中應用

袁興明

(山東工業(yè)職業(yè)學院 建筑與信息工程系 山東淄博 256414)

0 引言

GNSS是Global Navigation Satellite System縮寫，全球系統(tǒng)主要包括美國的GPS、俄羅斯的Glonass、歐洲的Galileo、中國的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)。主要應用于高精度測繪、道路搜索、車載導航、移動監(jiān)控、智能通信、物聯(lián)網(wǎng)、智能物流、人工智能、災害救援以及無人操作等諸多專業(yè)領域[1-3]。

在測量工程實踐科學研究中，變形觀測占有十分重要的地位，如水庫大壩的興建，從施工開始到竣工截流，以及整個運營階段都要不斷地或者周期性監(jiān)測大壩的變形情況。我國大部分地區(qū)四季分明，各地降雨降雪量受季節(jié)的變化影響較大，蓄水對大壩的正常使用會產(chǎn)生相應的變形。國內(nèi)外對大壩監(jiān)測采用了各種新型技術，GNSS自動觀測、地面攝影測量、3D激光掃描儀、無人機監(jiān)測、inSAR技術以及特殊測量手段應變測量、傾斜測量、準直測量等[4-6]。

本文主要利用GNSS技術對大壩進行常規(guī)的周期性監(jiān)測，詳細介紹了監(jiān)測方案的設置、監(jiān)測點的布設、觀測墩的設置以及實測方案及注意事項。外業(yè)觀測數(shù)據(jù)利用南方GNSS靜態(tài)數(shù)據(jù)處理軟件，進行基線處理、自由網(wǎng)平差、約束網(wǎng)平差。通過對比分析上一期的解算數(shù)據(jù)，得出大壩變形的趨勢，分析出現(xiàn)特殊點變形的原因和影響因素，為小型水庫大壩變形監(jiān)測提供技術支持。

1 大壩監(jiān)測線布設

控制點(GNSS監(jiān)測網(wǎng))設置在不受變形影響的地方，選擇建立了3個控制點(工作基點)00J1、00J2、00J3，點位穩(wěn)定并有利于保存。監(jiān)測點沿壩體設置3條監(jiān)測線，分別在壩體上方、壩體中間、壩體底端，共布設監(jiān)測點18個。由于壩體施工因素1983、1986兩個監(jiān)測點被破壞。鑒于當時水庫建設環(huán)境和技術要求限制，為了保障運營階段的安全，2015年布設了監(jiān)測點。監(jiān)測點和觀測點標志如圖1所示，具體監(jiān)測線和點位分布圖如圖2所示。

壩上監(jiān)測線：1981-1982-1983-1984-1985-1986；

壩中監(jiān)測線：2201-2202-2203-2204-2205-2206；

壩底監(jiān)測線：2421-2422-2423-2424-2425-2426。

圖1 00J1控制點觀測墩

圖2 部分監(jiān)測點布設點位圖

2 實測方案及網(wǎng)型設計

(1)GNSS數(shù)據(jù)解算要求。采用8臺銀河1GNSS收機，靜態(tài)觀測；衛(wèi)星高度角≥15°；有效觀測衛(wèi)星數(shù) ≥ 4；每時段觀測時間60min；數(shù)據(jù)采樣間隔1s；PDOP值≤6；GNSS 數(shù)據(jù)處理，包括基線解算和基線網(wǎng)的約束平差，接收機在野外完成數(shù)據(jù)采集工作后，南方測繪生產(chǎn)GNSS接收機隨機商用軟件對數(shù)據(jù)進行自動處理，解算出全部基線[5-6]。

(2)觀測4個時段，具體時段安排和調(diào)度如下：

第1個時段：00J1-00J2-2201-1801-2202-2421；

第2個時段：2421-1981-1982-1984-2203-2204-2422-2423；

第3個時段：2423-1984-1985-2205-2206-2424-2425-2426；

第4個時段：2425-2426-2206-1985-00J3。

(3)觀測要求：觀測組必須遵守調(diào)度命令，按規(guī)定時間同步觀測同一組衛(wèi)星。當不能按計劃到達點位時，及時通知其它各組，并經(jīng)過觀測計劃編制者同意對時段作必要調(diào)整，觀測組不得擅自更改觀測計劃；觀測者到達測站后，先安置好接收機使其處于靜置狀態(tài)，并在關機狀態(tài)下連接接收機、控制器、天線、數(shù)據(jù)鏈間的電纜；一般情況下，安裝天線利用腳架直接對中，對中誤差應小于1mm；天線高在時段前、后應各量取一次，其較差小于2mm取平均值作為最后的天線高。當較差超限時，查明原因，提出處理意見。天線高根據(jù)儀器類型，量取至廠方指定的天線高部位，并注明天線高類型(斜距、垂距)；經(jīng)檢查，接收機的電源電纜、天線電纜等項連接正確，接收機預置狀態(tài)正常后，方能確定接收機開始觀測。

接收機開始記錄數(shù)據(jù)后，應及時將測站名、測站號、時段號、天線高等信息輸入接收機設備。觀測過程中，注意觀察并記錄衛(wèi)星變化的升落時刻、各通道的信噪比、接收信號的類型和數(shù)量、衛(wèi)星信號質(zhì)量、存儲器余量與電池余量等；觀測員在作業(yè)期間不得擅自離開測站，防止碰到儀器或儀器受震動。注意防止行人和其它物體靠近天線遮擋衛(wèi)星信號；觀測時，使用對講機應距天線10m以上，使用車載臺離開天線應在50m以上。

(4)基線處理和網(wǎng)平差處理流程

基線處理、網(wǎng)平差均采用南方的隨機軟件進行處理，處理步驟如圖3，分為基線處理、閉合環(huán)檢查、WGS-84坐標系下無約束平差、1954北京坐標系下約束平差、1980西安坐標系下約束平差等。本區(qū)內(nèi)無任何信號遮擋物，基線觀測值較好，解算的各項指標均滿足GPS測量規(guī)范及該項目技術設計書的要求。

圖3 基線處理和網(wǎng)平差處理流程

3 監(jiān)測分析

(1)數(shù)據(jù)處理網(wǎng)型如圖4所示。

(2)解算數(shù)據(jù)，利用00J1和00J2作為解算的已知點，解算數(shù)據(jù)與00J3對比分析，具體的解算結(jié)果如表1所示。

圖4 GNSS解算網(wǎng)型

表1 數(shù)據(jù)解算結(jié)果

(3)變形曲線分析

分析圖5壩上監(jiān)測點變化柱形圖、 圖6 壩中監(jiān)測點變化柱形圖、圖7 壩底監(jiān)測點變化柱形圖、圖8監(jiān)測點變化曲線圖和表1可以得出，X方向最大變形值21mm，最小變形值1mm，Y方向最大變形值29mm，最小變形值1mm，最大變形值同屬于2203監(jiān)測點，位于壩中監(jiān)測線的中間。通過對實地分析，該點處于大壩的正中間，所受的壓力比較大。

圖5 壩上監(jiān)測點變化柱形圖

圖6 壩中監(jiān)測點變化柱形圖

圖7 壩底監(jiān)測點變化柱形圖

圖8 監(jiān)測點變化曲線圖

通過分析3條監(jiān)測線可以得出，壩中的變化大，其次是壩底，壩上變化最?。粔紊媳O(jiān)測點變化方向是往南偏移，壩底監(jiān)測點變化也是往南偏移，壩中的監(jiān)測點變化往北偏移；通過分析蓄水壓力，壩中的壓力明顯大于壩底和壩上的壓力，所以造成點位向北偏移趨勢，壩底基礎比較加固，受影響的幅度相對較小，壩上監(jiān)測點離水面很遠，影響也比較小。

4 結(jié)論

該水庫大壩變形數(shù)據(jù)較小，基本符合靜水壓力對壩上、壩底和壩中的影響規(guī)律，在數(shù)據(jù)處理過程中沒有采取粗差探測和噪聲的處理，對監(jiān)測結(jié)果會產(chǎn)生一定的誤差，在后續(xù)的研究中可以采用高精度的數(shù)據(jù)處理軟件，進行變形監(jiān)測。

該方法可以有效地節(jié)約大量的人力物力和財力，對山區(qū)后續(xù)增加的監(jiān)測點，分析大壩的變形規(guī)律和運營階段的安全給予一定的技術支持。