GPS在汾河水庫自動監測系統中的應用

李澤平 溫杰 李臘梅 尹文廣

摘要：結合汾河水庫的特點，介紹了GPS在水庫自動監測系統中的應用，重點闡述GPS監測系統的設計方案，并對數據結果進行分析評價。

關鍵詞：GPS 水庫 自動監測系統

中圖分類號：P2 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2012）10（b）-0020-02

1 測區概況

汾河水庫位于山西省最大的河流——汾河干流上游婁煩縣境內，是山西省的第一座大（Ⅱ）型水庫，兼有供水、發電、旅游等綜合效益的大型水利樞紐工程，控制流域面積5268km2，總庫容7.21億m3，最大回水長度18km，最大回水面積32km2。

汾河水庫樞紐工程由大壩、溢洪道、泄洪排沙洞、輸水洞和水電站五部分組成。大壩壩高61.4m，壩頂高程1131.4m（大沽高程系），壩頂寬6m，長1002m，大壩總長1002m，其中主壩長420m，左副壩長440m，右副壩長142m；主壩和左副壩頂設有2m高砼防浪墻，右副壩頂有2m高的自潰土壩。溢洪道位于右岸，總長345m，堰頂高程1122m，凈寬24m，堰型為開敞式實用斷面堰，設兩扇7m×12m弧形鋼閘門，最大泄量1298m3/s。泄洪洞洞徑8m，總長1050m，進口高程1086.2m，出口高程1072.18m，進口設4.872m×8.1m的兩扇平板事故鋼閘門，出口設7m×6.5m的一扇弧形鋼閘門，最大泄量820m3/s。輸水洞位于大壩右岸，進口高程1089.4m，出口高程1071.8m，洞徑4m，長598m，出口設有3.6m×3.6m弧形鋼閘門，最大泄量116m3/s，系挑流消能。水電站為壩后引水式季節性電站，裝機容量為2×6500kW。

2 自動監測系統方案設計

隨著科學技術、電子技術的飛速發展，新的監測技術也不斷引入到大壩的變形監測中。全球定位系統（GPS）監測系統已經被成功地應用到一些大壩、特大型建筑物等的防災減災中。

2.1選點的原則與要求

一般來說，監測點位接收GPS衛星的能力與測站周圍的觀測環境有很大關系，監測精度與觀測時長息息相關。所以，在選點時，綜合考慮壩體結構及觀測環境等因素，擬采用如下兩種類型的點位。

（1）基準點，該類點離壩較遠，是水庫壩體及庫岸邊坡表面變形監測中的參考點，目的是作為變形監測的基準，作為連續運行基準站；位于地質條件良好、點位穩定、能提供電源且適合進行GPS觀測的地方。每個基準點上需設置堅固穩定的觀測墩，建有鋼質強制對中裝置，且有蓋板和GPS保護罩保護。

（2）監測點，該類點位于主壩壩頂、左副壩頂及右副壩頂，四周無遮擋，目的是監測主壩面、左副壩體表面、右副壩體表面的形變，作為工程安全控制性測點的連續運行監測站；和基準點一樣，接收機天線用強制對中器對中并進行整平、定向、量取儀器高后固定安放在觀測墩上，然后在天線外安裝了專用的玻璃鋼保護罩。天線與接收機之間用專用電纜聯接，外用套管保護。

2.2方案設計

依據實地勘測與相關地質資料，在庫區的東岸和西岸高（山）坡上選擇2個GPS監測系統的基準點（GPS1、GPS2），在距庫區較遠的上游區域設置1個基準點（GPS0），作為GPS1、GPS2的校測基準點，GPS0不需要固定安裝GPS接收機，只要進行定期的觀測即可。GPS監測系統的監測點主要集中在壩頂（包括主壩、左副壩、右副壩）表面，初步設計布置5個監測點（GPS3～GPS7），各點位置如圖1所示。

3 自動監測系統方案實施

3.1儀器設備選配

根據設計方案，在GPS0～GPS7共8個布設點上分別安裝了GMX902GG接收機。為保證通訊質量，現場采用架設有線通訊的通訊形式，5個監測點和2個基準點的GPS監測數據采用有線方式，通過RS486和TCP/IP協議，以單模光纖方式，發送到機房內的Spider服務器上，再通過GeoMoS監測系統軟件實現數據處理、展示和分析，實現了GPS監測數據和變化過程的可視化。

3.2方案實施

對2個基準點和5個監測點進行兩個時段的觀測數據的質量分析，其中一個觀測時段為24h；另一個觀測時段為12h。

對于所觀測的兩個時段的數據分別按照1h、2h、4h和6h四種解算模式進行了處理解算。

采用最小二乘配置原理，針對誤差方程

的協因數陣為：

其中L為觀測向量；為非隨機參數；為隨機參數；B、A為相應系數；n+m為觀測總數；t+m為未知參數數。

可得如下結論（如表1）。

為達到高精度數據，汾河水庫監測系統依靠GPS衛星定位系統，通過采集6h數據，進行靜態后處理解算，得到各點在6h內發生的位移和沉降，對汾河水庫變形區域進行地表監測，得到的位移和沉降結果。

3.3GPS自動監測系統網絡結構

4 結語

汾河水庫大壩，屬于大型人工水中填黃土均質壩，在變形監測方面實行自動化安全監測十分必要。而GPS監測系統具有監測精度高、自動化程度高、速度快、全天候、實時、連續、不受氣候影響、不受通視條件影響等諸多優點，使其在監測系統中的應用越來越廣泛，做到真正的安全監測。

參考文獻

[1] GB/T18314-2001，全球定位系統（GPS）測量規范[S].

[2] DL/T5211-2005，大壩安全監測自動化技術規范[S].