基于GNSS和靜力水準的海洋石油平臺沉降監(jiān)測方法

(1.天津大學(xué) 建筑工程學(xué)院，天津 300072； 2.天津市陸海測繪有限公司，天津 300304)

海洋石油平臺一般遠離陸岸，對其進行高精度的、長期連續(xù)、無人值守的沉降監(jiān)測具有一定的難度。目前已有學(xué)者將GNSS-RTK應(yīng)用于超高層建筑、橋梁、滑坡、采礦等工程變形監(jiān)測中[1-5]。靜力水準測量是利用互相連通的靜止?fàn)顟B(tài)的液體表面在重力作用下高程相等的原理進行高程傳遞，從而測量出2點或多點之間的高差，或同一點2時刻的高程變化(垂直位移)。也有學(xué)者將靜力水準測量應(yīng)用于高鐵、地鐵隧道、高能粒子加速器、地球固體潮等精密工程沉降監(jiān)測中[6-9]。但少見應(yīng)用于海洋石油平臺沉降監(jiān)測的報道。為了分析GNSS-RTK和靜力水準測量應(yīng)用于海洋石油平臺的沉降監(jiān)測的適用性及優(yōu)缺點，以勝利油田埕島中心一號平臺沉降監(jiān)測為例，通過對試驗獲取的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行處理分析，掌握海洋石油平臺沉降的變化規(guī)律；對GNSS-RTK和靜力水準的測量精度進行驗證。

1 海洋石油平臺沉降監(jiān)測方法

1.1 GNSS-RTK測量原理

地面點上的用戶接收機接收天空中GNSS系統(tǒng)多顆(4顆以上)衛(wèi)星信號及該信號發(fā)射的時刻，因為衛(wèi)星信號(電磁波)的傳播速度是已知的，從而可計算出各衛(wèi)星與地面點的距離值，并根據(jù)同時接收到的各衛(wèi)星實時已知的位置信息，解算出地面點的位置坐標(biāo)。在解算過程中，由于受到衛(wèi)星軌道誤差、衛(wèi)星時鐘誤差、電離層延遲誤差、對流層誤差、多路徑效應(yīng)誤差及接收機時鐘誤差等因素的影響，解算出的地面點坐標(biāo)有一定的誤差。為了消除或減弱這一誤差，一般采用GNSS-RTK差分定位測量，即同時采用2臺GNSS接收機工作，1臺安置在地面一已知坐標(biāo)的基準點上，通過該點測得的坐標(biāo)與已知的坐標(biāo)比較，得到以該基準點為中心的一定范圍(10 km)的測區(qū)內(nèi)大小基本相同的公共誤差值；然后將公共誤差值通過電臺實時傳輸?shù)綔y區(qū)內(nèi)的另1臺接收機，另1臺接收機安置在所需監(jiān)測的測點上，消除所測得的測點坐標(biāo)中所含相同的公共誤差，從而獲得該點精確的坐標(biāo)值，其定位測量精度通常能達到±(2～3)cm。

1.2 靜力水準監(jiān)測系統(tǒng)組成及工作原理

靜力水準監(jiān)測系統(tǒng)組成見圖1。

圖1 靜力水準監(jiān)測系統(tǒng)組成及工作原理

在海洋石油平臺的各監(jiān)測點處安置靜力水準器，各水準器的儲液容器相互之間采用連通管相連(儲液容器和連通管內(nèi)裝有防凍液)。各儲液容器中的液體在地球重力的作用下，液面永遠保持同一高度。當(dāng)平臺某監(jiān)測點下沉或上升時，則此處水準器的液面高度會產(chǎn)生變化(液面上升或下降)，同時其他各監(jiān)測點處水準器的液面高度也會隨之有所變化(液面下降或上升)。電磁位移傳感器安裝在各水準器的上端，傳感器能實時精確地探測到各水準器液面高度的變化值，各傳感器與同一巡檢儀相連，并通過巡檢儀將探測到的液面高度變化值信息傳輸給計算機；計算機在記錄、處理、存儲監(jiān)測信息的同時，還可以采用GPRS模塊通過GSM無線通信網(wǎng)絡(luò)將監(jiān)測信息發(fā)送至陸地的監(jiān)控中心。

2 試驗分析

2.1 工程背景

勝利油田埕島中心一號平臺位于山東省東營市海域，離岸約7.8 km，平臺結(jié)構(gòu)分布見圖2。其中，生產(chǎn)平臺主體結(jié)構(gòu)長50 m、寬20 m，有4條樁腿，每條樁腿的總長度48 m，入泥深度約11 m，因長期受潮汐海流水平推力、海底沖刷和風(fēng)荷載影響，導(dǎo)致生產(chǎn)平臺的樁腿側(cè)摩阻力下降，樁腿入泥深度的最佳持力層改變。試驗同時采用GNSS-RTK和靜力水準測量的方法監(jiān)測生產(chǎn)平臺的沉降。

圖2 埕島中心一號平臺結(jié)構(gòu)分布

2.2 儀器選用與測點布設(shè)

試驗對生產(chǎn)平臺的4條樁腿的沉降進行監(jiān)測，監(jiān)測儀器采用HC-R100磁致伸縮式靜力水準儀，其量程為100 mm，標(biāo)稱精度為±0.1 mm，采樣周期為0.5 h/次。根據(jù)業(yè)主提供的資料數(shù)據(jù)得知，與生產(chǎn)平臺相鄰的井口平臺的樁腿入土深度為100 m，相對比較穩(wěn)定。因此，測量的基準站選設(shè)在井口平臺的樁腿上。生產(chǎn)平臺的4條樁腿的監(jiān)測點分別選設(shè)在平臺上各樁腿的固樁室內(nèi)，提前加工靜力水準儀的L形安裝支架，先將安裝支架固定在固樁室內(nèi)的樁腿上，再將儀器固定在支架上，采用連通管將各靜力水準儀的儲液容器串連,見圖3。

圖3 靜力水準儀安裝示意

安裝時，每個儲液容器要置于標(biāo)高大致相同的位置，最大高差不超過2 cm，各儲液容器頂部的磁位移傳感器的數(shù)據(jù)采集電源線并連至同一巡檢儀，巡檢儀與計算機相連。

GNSS-RTK試驗只對生產(chǎn)平臺1號和3號樁腿的沉降進行監(jiān)測，監(jiān)測儀器采用海星達H32全能型雙頻接收機，該儀器能同時接收來自GPS、GLONASS、BDS三星系的衛(wèi)星信號，采樣頻率為1 Hz，其標(biāo)稱精度為：平面±(10 mm+10-6)，高程±(20 mm+10-6)。本次GNSS-RTK試驗的基準站選設(shè)在離生產(chǎn)平臺約8 km的陸岸，監(jiān)測點分別選設(shè)在1號樁腿和3號樁腿的頂部。

2.3 數(shù)據(jù)采集及處理分析

試驗連續(xù)監(jiān)測24 h，期間海上西南風(fēng)3～4級，浪高約2 m。各樁腿采用靜力水準測量方法測得的沉降曲線見圖4，1號樁腿和3號樁腿采用GNSS-RTK 測得的高程變化曲線分別見圖5、6。

圖4 各樁腿靜力水準測量測得的沉降變化

由圖4可見，4條樁腿在24 h內(nèi)的沉降變化范圍約為-6～+6 mm，而且每條樁腿的沉降和上升都存在反復(fù)、可逆現(xiàn)象，從曲線的首尾兩端來看，在24 h之后，各自又都基本回到原有狀態(tài)。

分析認為，樁腿的下端深深插入海底，上端為自由端，海水每天兩次的漲潮落潮產(chǎn)生強大的海流，海流對各樁腿會產(chǎn)生巨大的水平推力，樁腿在海流水平推力的作用下，類似一個懸臂，處于懸臂自由端的上端必然會產(chǎn)生一個水平位移，水平位移導(dǎo)致樁腿發(fā)生微小的傾斜，傾斜后樁腿頂部的垂直高度變矮，這樣，位于樁頂?shù)撵o力水準儀的監(jiān)測結(jié)果必然會顯示樁腿“下沉”。海水每天周期性漲落，但海流的方向和大小是隨機變化、不規(guī)則的。因此，就出現(xiàn)了上述各樁頂沉降和上升的大致周期性的反復(fù)可逆現(xiàn)象。

由圖4還可以看出，1號和4號樁腿的沉降與2號和3號樁腿的沉降，在大多數(shù)時間段都是下沉與上升恰好對稱相反，且在部分時段出現(xiàn)升沉交點，這4條沉降曲線在任何同一時刻的算術(shù)平均值都基本在0～±2 mm范圍內(nèi)。這4個樁腿上的靜力水準儀的儲液容器是相互連通的，因此他們也是相互影響的，即一個液面的上升，必然會導(dǎo)致其他液面會有所下降，從圖2可見，1號樁腿和4號樁腿相距較近，圖4顯示出他們的液面升降大致相同；2號樁腿和3號樁腿相距較近，他們的液面升降也大致相同。從上述分析可知，靜力水準測量可以監(jiān)測海洋石油平臺毫米級的沉降量；各樁腿在本次試驗監(jiān)測的24 h里，基本不存在永久性的、不可逆的真實沉降。

圖5 1號樁腿 GNSS-RTK 測得的高程變化

圖6 3號樁腿 GNSS-RTK 測得的高程變化

由圖5和圖6可見，1號和3號樁腿24 h測得的高程基本上分別以高程值18.43 m和19.12 m為平衡點上下波動(測點在兩樁腿所設(shè)位置的高度有所不一樣)。盡管波動既有上升，也有下沉，但從整體上看，圖5、6中的曲線無長期向上或向下的變化趨勢，這說明兩樁腿不存在永久性的不可逆沉降。

另外，如果忽略個別孤立的“極值”點，1號樁腿和3號樁腿高程的最大波動范圍分別為18.34～18.52 m，19.06 ～19.18 m。即他們的波動幅度分別為±9 cm和±6 cm。GNSS-RTK監(jiān)測儀器采用的是海星達H32全能型雙頻接收機，該儀器測高程的標(biāo)稱精度為：±(20 mm+10-6)。陸岸的基準站距離1號和3號樁腿約8 km。因此，測量誤差應(yīng)該約為±28 mm。從上述2樁腿測得的高程波動幅度來看，GNSS-RTK在海上的測量誤差比通常在陸域的測量誤差要大一些，這可能是因為海面對于衛(wèi)星信號會產(chǎn)生更大的多路徑效應(yīng)誤差。這樣大的波動幅度同時也表明，如果對監(jiān)測數(shù)據(jù)不采取濾波去噪的措施，或不改進儀器性能、提高儀器測量精度，GNSS-RTK目前尚不適合海洋石油平臺厘米級或更小的沉降量監(jiān)測。

3 結(jié)論

1)海水每天漲潮落潮產(chǎn)生的海流對海洋石油平臺各樁腿產(chǎn)生巨大的水平推力，類似于懸臂的樁腿上端(自由端)必然會產(chǎn)生水平位移，水平位移導(dǎo)致樁腿發(fā)生微小的傾斜，傾斜使得位于樁頂?shù)钠脚_的高程降低，從而出現(xiàn)微小的“沉降”，但海水每天漲潮落潮呈周期規(guī)律，因此這種“沉降”是周期性的、反復(fù)可逆的。

2)理論上，GNSS-RTK和靜力水準測量都可用于海洋石油平臺的沉降監(jiān)測，但從試驗精度上看，靜力水準測量適用于毫米級的沉降量監(jiān)測；而GNSS-RTK可能因海面產(chǎn)生更大的多路徑效應(yīng)誤差，目前尚不適合海洋石油平臺厘米級或更小的沉降量監(jiān)測，其儀器性能或監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理方法有待提高或改進。

3)如果靜力水準測量在平臺范圍內(nèi)無穩(wěn)定的基準點可選設(shè)，則無法監(jiān)測到海洋石油平臺的整體絕對沉降。在這種情況下，靜力水準測量只適用于海洋石油平臺各樁腿的相對沉降監(jiān)測。對于海洋石油平臺整體的絕對沉降，目前只能采用GNSS-RTK的方法監(jiān)測，因此，進一步提高GNSS-RTK的監(jiān)測精度具有重要的實際應(yīng)用價值。

4)GNSS-RTK的監(jiān)測點之間互不影響，但為了確?；鶞庶c的穩(wěn)定，用于海洋石油平臺沉降監(jiān)測的GNSS-RTK的基準站需選設(shè)在陸岸。另外，GNSS-RTK目前只適用于離岸不超過10 km的海洋石油平臺的沉降監(jiān)測；對于離岸超過10 km的海洋石油平臺的沉降，需進一步研究采用GNSS的星基差分方式進行監(jiān)測。