GPS技術在崗南水庫大壩水平位移監測中的應用及發現的問題

【摘要】主要介紹了崗南水庫大壩水平位移監測中的GPS技術應用，及在應用過程中發現的問題，并通過有效分析，找到解決方案。

【關鍵詞】水平位移；GPS；應用；發現問題；有效分析；解決方案

1、前言

崗南水庫位于河北省平山縣崗南鎮附近的滹沱河干流上，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大（1）型水利樞紐工程，控制流域面積15900km2，總庫容15.71億m3。水庫以防洪、供水、灌溉為主，結合發電，與下游28km處的黃壁莊水庫聯合控制流域面積23400km2。

水庫于1958年3月動工興建，1959年攔洪，1962年停工待建，1966年續建，1969年竣工， 1978年開始擴建加固，至1990年竣工。崗南水庫工程經過初建、續建后，仍存在著許多遺留問題，2003年11月崗南水庫除險加固工程正式開工建設，與2008年6月竣工。

隨著大壩除險加固工程的完成，對變形觀測系統進行完善，重新布設了壩上的監測控制點，并將GPS技術應用于大壩水平位移監測。

2、 GPS技術應用于水平位移監測的優勢

GPS技術應用于大壩監測的可行性已得到充分驗證，在國內外已較為成熟，國內許多大型水電站已有成功的經驗，水平方向精度可達毫米級或亞毫米級。因此，相對于傳統的測量方法，GPS技術有著傳統方法不可比擬的優勢，主要如下：

2.1 測站間無需通視

GPS測量不需要點間通視，布網靈活，對所構網形的圖形強度要求不高，可有效克服氣象條件對觀測的影響；而常規測量所構成網形的一條邊的兩端點間必須通視，布網局限性大，對所構網形的圖形強度要求高，且受周圍氣象環境影響大，很難保證檢測精度。

2.2 全天候作業，觀測時間短

可進行全天候作業，觀測速度快，工作量減少；而常規測量必須在天氣狀況良好時才能觀測，且觀測周期長，工作量大。尤其對平原或丘陵水庫，當壩體較長呈帶狀時，用常規測量的布網方法難以構成理想的網形，更能體現出GPS技術的明顯優勢。

2.3 操作簡單

隨著GPS接收機的不斷改進，自動化程度越來越高，有的已達“智能化”程度，接收機的體積越來越小，重量越來越輕，極大地減輕測量工作者的工作緊張程度和勞動強度。結合計算機技術，應用gnss軟件，使數據處理方面也變得簡單快捷。

3、 GPS技術在崗南水庫大壩水平位移監測中的應用情況

3.1外業操作

3.1.1觀測設施布置

本次除險加固恢復了主壩的水平位移觀測，并在左岸新副壩增加了水平位移觀測項目。主壩共設5個斷面，21個監測標點。新副壩布設2個觀測斷面，4個監測標點。新布設水平位移觀測工作基點分別為崗基01、崗基02、崗基05、崗基06，分別用來觀測主壩及新副壩的水平位移。

3.1.2觀測方案

測量儀器采用三臺南方靈銳S82 GPS接收機進行E級GPS靜態定位，采用監測點周期觀測方案。

主壩水平位移首期監測在崗基01和崗基02為固定重復基線，新副壩水平位移首期監測在崗基05和崗基06為固定重復基線，與各監測點組成GPS網按照E級GPS網觀測規范，完成監測點的周期性觀測。

主壩采用崗基01、崗基02對位移標點進行約束控制觀測，新副壩由崗基05、崗基06對位移標點約束觀測。

3.2數據處理

3.2.1水平位移采集數據的解算及平差

3.2.1.1 基線解算

將測量完成后的采集數據，根據基點和觀測標點的原始記錄，利用南方測繪的gnss數據處理軟件，分別由GPS接收機導入電腦指定文件中。

打開數據解算軟件，新建工作項目，在新建項目界面內將導入的數據調入，然后將全部數據進行解算，解算按GPS的E級解算標準進行，解算全部通過，證明達到精度要求。在基線的解算過程中，為了確保基線的質量可靠，提高成果的精度，根據實際情況，刪除一些殘差比較大的、周跳比較嚴重的時段。然后對基線進行再處理，分析比率、參考變量及RMS值，直至取得基線的最優解。

3.2.1.2 GPS網平差

GPS基線解算完成后，在WGS84坐標系下對GPS網進行平差。在平差的過程中對一些含有粗差的邊進行了剔除，平差后分析平差報告，直到報告中的各項限差都滿足要求。

3.2.2水平位移監測標點的數據轉換

利用GPS觀測水平位移解算所得為大地坐標，需要通過大地坐標計算出標點的施工坐標，以便更直觀的監測到壩體在壩軸線和垂直于壩軸線方向的位移。利用南方測繪的CASS繪圖軟件進行數據的轉換，然后跟以往數據進行比較，來監測大壩的水平位移。

4、數據處理過程中發現的問題

自2008年利用GPS技術對崗南水庫大壩水平位移進行檢測以來，在基線解算過程中總是出現解算不合格的問題。

為了解決此問題，進行了以下兩方面的分析：

4.1 問題分析一：標點過多導致解算不合格

首先考慮觀測標點過多，產生的異步環太多，容易導致解算不合格。于是分斷面進行基線解算，這樣異步環減少。但結果出現部分斷面仍然有異步環不合格現象。說明不是因為標點過多造成的解算不合格現象。

4.2 問題分析二：對中誤差導致解算不合格

在分析問題過程中，發現新副壩水平位移監測數據沒有出現過解算不合格現象。其標點只有4個，在同一天即可完成外業測量。而主壩水平位移監測有21個標點，需4天才能完成外業測量。主壩水平位移監測是以崗基01和崗基02為固定重復基線，每天都要重新將接收機利用三腳架架設在工作基點上。因此考慮是對中出現誤差或是由于GPS的觀測時間較長，三腳架被日照和風吹出現相應的問題。于是將每一天的數據分別進行基線解算。結果沒有出現異步環不合格現象。說明問題出現的原因就是將接收機利用三腳架架設在工作基點上的對中誤差造成的。

5、改進方案

考慮到位移標點上采取的是強制對中的觀測墩，可以解決人為的對中誤差和三腳架被日照和風出現的相應問題。決定不再以工作基點崗基01和崗基02為固定重復基線，在第一天結束觀測前，將重復基線控制點移到位移標點，這樣第二天利用位移標點的強制對中原理，解決對中誤差問題。

5.1 觀測步驟

崗南水庫主壩水平位移監測改進方案觀測步驟如下：

（1）先將三臺接收機分別架設在工作基點崗基01、崗基02和一個位移標點A1上，完成一個時段的觀測。

（2）崗基01上的接收機移到另一個位移標點A5上，利用崗基02和A1形成的重復基線進行A5的監測。

（3）崗基02上的接收機移到B1上，利用A1和A5這條基線對B1進行監測，這樣就將重復基線控制點移到了能強制對中的位移標點上。依次再完成其他標點的監測。

5.2 結論

在利用改進方案進行水平位移采集數據的解算過程中，不再出現異步環不合格現象，說明這種方法可行。

6、結語

GPS技術在崗南水庫大壩水平位移監測中具備速度快、精度高和時間短等特點，在一定程度上實現了水庫大壩監測自動化。但GPS技術測量應用也還不夠完善，應該根據工程的實際情況來進行有效的分析，從而有效地提高監測的精度。

參考文獻：

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