GPS測量技術(shù)在黃壁莊水庫水平位移測量中的應(yīng)用

摘要:在利用GPS對黃壁莊水庫大壩進(jìn)行水平位移測量中，既要保證監(jiān)測精度，又使觀測周期縮短，對基準(zhǔn)網(wǎng)和工作網(wǎng)的作業(yè)規(guī)格均參照《水利水電工程測量規(guī)范》，在實際操作中探索出了一套切實可行的方案

關(guān)鍵詞:GPS測量位移精度

中圖分類號:TV698.1文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1674-098X(2011)03(a)-0059-02

黃壁莊水庫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控制性大(1)型水利樞紐工程，主要由主壩、副壩、重力壩、正常溢洪道、非常溢洪道、新增非常溢洪道、靈正渠涵管及電站等樞紐建筑物組成，工程連綿十幾公里。在大壩外觀監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計時，針對工程規(guī)模大和建筑物分散的特點，進(jìn)行了常規(guī)大地測量和GPS衛(wèi)星定位測量模式比較，以及不同模式中多方案優(yōu)化設(shè)計。為了提高作業(yè)效率，減少工程投資，保證監(jiān)測精度，科學(xué)提出了采用GPS基準(zhǔn)網(wǎng)控制整體，建筑物部分采用傳統(tǒng)大地測量與現(xiàn)代測量技術(shù)兼?zhèn)浔O(jiān)測的新思路，達(dá)到了整體與局部、傳統(tǒng)與現(xiàn)代的和諧統(tǒng)一。水平位移測量采用的是GPS的靜態(tài)測量功能。

1 大壩外觀監(jiān)測系統(tǒng)布設(shè)情況

黃壁莊水庫大壩外觀監(jiān)測系統(tǒng)由基準(zhǔn)點、工作基點和位移監(jiān)測點組成。監(jiān)測部位為主壩、副壩、重力壩、正常溢洪道、原非常溢洪道和新非常溢洪道。

1.1 水平位移基準(zhǔn)點布設(shè)

水平位移基準(zhǔn)網(wǎng)以能夠控制所有監(jiān)測點并能最大限度的保證與大壩上監(jiān)測點組成理想圖形為原則，以提高監(jiān)測網(wǎng)的穩(wěn)定性、靈敏度和減少工程投資為目的。建立了由三點組成的大壩水平位移基準(zhǔn)網(wǎng)，點名分別為GPS01、GPS02和GPS03，大致分布在大壩的左、中、右三個位置。

1.2 水平位移工作基點布設(shè)

將主壩、副壩各個觀測斷面上位于壩頂下游壩肩處的測點納入GPS水平位移監(jiān)測網(wǎng)，作為該點所在斷面的工作基點，以此作為基準(zhǔn)，采用極坐標(biāo)法測定該斷面上其余各點的變形量;在正常溢洪道兩端布設(shè)一條視準(zhǔn)線，設(shè)置正溢01、正溢02兩個工作基點，作為視準(zhǔn)線觀測的工作基點;原非和新非各布設(shè)一條視準(zhǔn)線，在視準(zhǔn)線兩端分別設(shè)置非溢02、非溢03和非溢01、非溢04兩組工作基點。

1.3 水平位移監(jiān)測點布設(shè)

主壩上設(shè)有7個變形監(jiān)測斷面，左壩端1個斷面布設(shè)了3個變形點，其余6個斷面布設(shè)了4個變形點，共27個監(jiān)測點，每個斷面在上游壩坡、壩頂下游壩肩、下游壩坡馬道、壩腳路上游側(cè)各布設(shè)一個測點，每個測點均為綜合測點，即同一測點兼作垂直和水平位移測點。

副壩設(shè)有11個變形監(jiān)測斷面，每個斷面布設(shè)3個測點，分別位于上游壩坡、壩頂下游壩肩、下游壩坡馬道上，每個測點均為綜合測點，即同一測點兼作垂直和水平位移測點。

正常溢洪道、原非常溢洪道和新非常溢洪道的水平位移點布設(shè)在閘墩墩頂上。

2 水平位移監(jiān)測方案

2.1 精度等級

黃壁莊水庫大壩屬Ⅰ級土石壩，按照《水電規(guī)范》的劃分標(biāo)準(zhǔn)，黃壁莊水庫樞紐建筑物水平位移監(jiān)測網(wǎng)應(yīng)達(dá)到專三級的精度指標(biāo)。

2.2 監(jiān)測系統(tǒng)基準(zhǔn)

監(jiān)測網(wǎng)坐標(biāo)基準(zhǔn)采用WGS84坐標(biāo)系統(tǒng)。將首期GPS01、GPS02、GPS03三個基準(zhǔn)點的無約束平差坐標(biāo)固定作為起算基準(zhǔn)。

2.3 方案設(shè)計

主、副壩變形監(jiān)測工作網(wǎng)以基準(zhǔn)網(wǎng)GPS01、GPS02、GPS03為起算數(shù)據(jù)，與主、副壩上的水平位移觀測點共同組成。觀測方式采用大地四邊形法，為保證監(jiān)測點精度一致，架設(shè)在基準(zhǔn)點上的儀器固定不動，架設(shè)在主、副壩觀測點上的儀器輪流觀測的方式進(jìn)行。

溢洪道變形監(jiān)測工作網(wǎng)以GPS02、GPS03為起算數(shù)據(jù)，與正常溢洪道的視準(zhǔn)線工作基點正溢01、正溢02，校核工作基點正溢03、正溢04，非常溢洪道的視準(zhǔn)線工作基點非溢01、非溢02、非溢03、非溢04，，校核工作基點正溢05、正溢06，共同組成。網(wǎng)形采用邊連接形式。

2.4 觀測時段的優(yōu)化

在正式測量前，分別在觀測時段長度為30min、60min、120min(兩時段)的情況下進(jìn)行了實驗測量。經(jīng)過對測量成果的比較分析表明，采用120min(兩時段)觀測，精度最高，但工作量較大;而30min時段作業(yè)效率高，但精度不能滿足要求;60min一時段觀測，精度小于專三級控制網(wǎng)5mm指標(biāo)要求，作業(yè)效率可比120min(兩時段)觀測提高一倍。因此，最后采用60min一時段觀測。

3 GPS測量技術(shù)規(guī)格

為便于對利用GPS進(jìn)行大壩位移監(jiān)測的分析研究，尋求一種既能保證監(jiān)測精度，又使觀測周期縮短的最佳監(jiān)測模式，對基準(zhǔn)網(wǎng)和工作網(wǎng)的作業(yè)規(guī)格均參照《水利水電工程測量規(guī)范》進(jìn)行，并適當(dāng)延長了觀測時段的時長，以便于數(shù)據(jù)分析時進(jìn)行時間段的截取，制定了以下標(biāo)準(zhǔn)。

(1)一時段觀測，時段長60min。

(2)數(shù)據(jù)采樣率15s。

(3)觀測衛(wèi)星樹不少于5顆。

(4)衛(wèi)星截止高度角15°。

(5)衛(wèi)星與測站組成的圖形強(qiáng)度因子PDOP值≤8。

(6)天線對中精度不大于1mm。

(7)觀測前后，由三個方向測量天線高，誤差不大于2mm。

4 數(shù)據(jù)處理

4.1 基線處理

4.1.1 星歷的確定

衛(wèi)星軌道的精度是影響GPS基線解算精度的重要因素之一，經(jīng)分析，本監(jiān)測網(wǎng)采用廣播星歷即可滿足監(jiān)測精度的要求。

4.1.2 基線解算

本監(jiān)測網(wǎng)基線解算采用美國Trimble Geomatics office ver1.61隨機(jī)軟件，并采用廣播星歷解算。在基線的解算過程中，為了確保基線的質(zhì)量可靠，提高成果的精度，根據(jù)時間線工具Timeline 的情況，禁用了一些殘差比較大的、觀測時段比較短的衛(wèi)星;根據(jù)實際情況，禁用了一些殘差比較大的、周跳比較嚴(yán)重的時段。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。采用的主要技術(shù)指標(biāo)為:(1)RMS≤0.03;(2)Ratio值≥3;(3)數(shù)據(jù)剔除率≤10%。

4.2 GPS網(wǎng)平差

GPS基線解算完成后，對GPS網(wǎng)進(jìn)行平差，平差中的參數(shù)設(shè)置如下。

(1)置信度采用95%。

(2)最終收斂限差為5mm。

(3)儀器高度誤差采用≤1mm。

(4)對中誤差為1mm。

(5)應(yīng)用純量到各觀測值，純量類型為交替的。

在WGS84坐標(biāo)系下對GPS網(wǎng)進(jìn)行平差。平差軟件采用Trimble Geomatics office ver1.61。在平差的過程中對一些含有粗差的邊進(jìn)行了剔除，平差后分析平差報告，直到報告中的各項限差都滿足要求。

5 精度檢驗與效率分析

5.1 精度檢驗

為評價GPS基線觀測質(zhì)量，驗證采用GPS進(jìn)行水平位移監(jiān)測的精度，采用DI2002精密測距儀對正常溢洪道5條邊進(jìn)行了抽樣檢驗，結(jié)果見下表。以精密測距邊作為真值，可計算得GPS邊長測量中誤差為±1.48mm，小于專三級平面控制網(wǎng)規(guī)定的測距中誤差±2.5mm的精度要求，說明采用GPS進(jìn)行水平位移監(jiān)測是行之有效的。

如表1所示。

5.2 效率分析

采用常規(guī)測量的全邊角觀測方法，一標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)組(8人)對全部變形點觀測一期需要時間約120天，這種方法只能進(jìn)行局部分期監(jiān)測，無法對對整個大壩及建筑物進(jìn)行同期全面性監(jiān)測。采用60min一時段GPS觀測，只需4人，約15天，即可完成整個變形監(jiān)測網(wǎng)的觀測工作，提高作業(yè)效率近10倍。對測量人員要求要求方面，常規(guī)監(jiān)測方法方法對測量人員的業(yè)務(wù)水平要求較高，受人為因素的影響較大，很大程度上制約了監(jiān)測進(jìn)度和精度的提高;而用GPS監(jiān)測只要有一人精通觀測方案計劃和數(shù)據(jù)處理即可，對其他觀測人員業(yè)務(wù)水平要求較低。

6 結(jié)語

黃壁莊水庫在大壩和建筑物的水平位移監(jiān)測中，運(yùn)用GPS的靜態(tài)測量功能，已成功地進(jìn)行了五期監(jiān)測工作。即提高了作業(yè)效率，又在很大程度上節(jié)約了人力、物力和財力，科學(xué)提出了采用60min一時段觀測進(jìn)行水平位移監(jiān)測的優(yōu)化方案，為今后大壩周期性觀測提出了實驗數(shù)據(jù)，監(jiān)測成果精度符合規(guī)范要求，其他同類大壩在水平位移監(jiān)測中可以借鑒使用。