GPS在大壩變形監測中的應用探討

曹慧君　杜晨暉

摘要：現代測繪科技在當今社會得到快速發展，GPS技術的應用滲入到各個領域。文章探討了GPS在大壩變形監測中的實踐，介紹了GPS在短時觀測方面的方法和應用手段，以此來對庫區清坡、大壩變形進行適時的監測。

關鍵詞：GPS技術；大壩變形監測；衛星導航定位系統；水利工程；GPS監測網 文獻標識碼：A

中圖分類號：TV42 文章編號：1009-2374（2017）05-0182-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.05.088

GPS的全稱是全球定位系統，它產生于20世紀70年代的美國，是由美國海陸空三軍聯合研制的新一代空間衛星導航定位系統。該衛星系統由空間部分、用戶接收機部分和地面監控部分三大部分組成。該系統經過一步步的研究和試驗，1994年在各個領域完全投入使用。GPS的重要作用就在于它可以為每一個用戶不斷提供地球上的任何時刻、各個位置的動態信息。

GPS技術的優點有操作簡單、效率高、全天候、精度高、功能多。正因為這些優點，該技術最近幾年在地殼變形監測、城市測量、石油勘探、大地測量、資源調查、精密工作測量等領域都有應用。隨著GPS系統一步步完善，其接收機性能和解算軟件也在不斷改進和完善，常規的測量方法逐漸被GPS取代，并應用于比較精密的變形監測，目前大多數的大壩變形監測都應用了GPS技術，比較典型的當屬我國新疆地區的部分水庫大壩，在此就以新疆克拉瑪依的三坪水庫為例，敘述GPS在水庫大壩變形監測中起到的作用。

1 工程概況

該三坪水庫位于克拉瑪依市三坪鎮西北方向5千米處，離農業灌溉區大約15千米，距離市區約15千米。該地區擁有典型的大陸性氣候，年降水量不足，常年干旱，晝夜溫差也相對比較大。該水庫利用自身位置優勢采用南、東、北三面圍壩的方式注入水庫。水庫容量達3300萬立方米，最大的水域面積可達2.67平方千米，該水庫屬于黏土性墻土石壩，高達35米，壩頂高程約為400米，壩頂的長度為3886米，寬為6米，上、下游的壩坡分別為1∶2.5和1∶2～1∶2.25，農業灌溉區的流水量為15立方米/秒。

因為對大壩變形監測的精確度要求越來越高，所以使用GPS進行監測的同時要建立GPS監測網，建立大壩變形監測合理并且可行的方案，采取合適的措施和方法應用于GPS觀測以及觀測數據處理等方面，滿足大壩變形監測的要求。為了了解三坪水庫大壩的變形程度，保證其安全渡汛，工作人員把帶有8個位移標點的視準線安裝在水庫上游來進行監測，與此同時把這8個水準點設置在位移標點的下方，進行沉陷的監測，進行尋常變形監測的同時，利用GPS接收機進行同步監測。

2 三坪水庫主壩外部變形監測的設計方案

壩頂以及上、下游壩坡上安裝28個工作基點、15條視準線和150個表面位移標點，以此對主壩的變形程度進行監測。在剛開始的設計方案中，有4個倒垂裝置來配合外部變形監測控制網檢測工作基點的基準值，但是由于施工難度大，成本也相對比較高，也很難滿足變形要求，最后經過專家組的討論后取消了該方案，然后把該方案設計為常規測量與GPS技術相結合，定期監測工作基點的基準值或者是運用GPS技術對表面標點的水平位移與垂直沉陷位移進行監測，按照規定執行觀測方法和進度要求。

3 GPS變形監測試驗基準網的設計和實施

3.1 基準網的設計方案

設計基準網的目的是為了提高變形監測基準值的精確度，方便引入精確地心坐標，并且減少基準點坐標誤差產生的影響。把我國一些大型水庫大壩的GPS變形監測方案作為參考，對變形監測試驗基準的觀測方案、布設形勢進行設計，最終確定了三坪水庫變形監測試驗基準網。

從方便監測、減少成本的角度出發，考慮三坪水庫大壩的優點和缺點，建立兩級布設水平位移監測網，把一個專三級GPS網安裝在首級基準網上，該網包括兩個工作基點和三個基準點。

3.2 基準網外業觀測

3.2.1 設備儀器以及觀測計劃。在儀器設備方面采用四臺徠卡350型GPS接收機和AT303扼流圈天線，還有瑞士伯爾尼大學的BERNESE軟件和徠卡GPS處理軟件。在進行大壩監測之前，先根據三坪水庫地區的水平高度和經緯度，編制衛星幾何圖形強度GDOP預報表和衛星可見性預報表，確定大壩的觀測時段。并利用現有的4套GPS接收機，同時監測5個站上的時間段，并重點注意每個時間段的觀測時間應該大于8個小時。

GPS接收機原理圖如下：

3.2.2 處理觀測數據得出結果。（1）處理觀測數據。首先利用徠卡SKI軟件處理外業的監測數據，等到正常確認數據觀測記錄，并且沒有嚴重的周跳和其他異常，然后再利用伯爾尼軟件進行深一步的數據處理和分析；（2）數據解算。為了減少基準線解算的誤差影響，提高起算數據的精確度，獲取高精確度的地心坐標，而這需要烏魯木齊市徠卡技術中心的幫助，得到克拉瑪依市IGS跟蹤站的準確坐標以及該跟蹤站的觀測數據。利用該水庫基準網的P101點和克拉瑪依市IGS跟蹤站，解算長基線，確保得到精確度高的P101點的地心坐標，把P101點為起算點進行基準網所有事物基線解算。

4 克拉瑪依市三坪水庫大壩圍堰監測實施GPS

把GPS試驗基準網中的P101當作基準點進行大壩變形監測。為了用最短的時間得到最好的測量結果，處理基準網觀測數據，參考相關資料，觀測時間采用25分鐘，在實施過程中，在P101點上安裝一臺儀器架設，把它當作參考站，在1、2、3、4、5、6、7、8號標點上依次架設其余的3臺儀器，每個點的站點設置要重復一次，常規觀測也要同時進行。進行基準網基線解算要將得到的P101點的WGS84坐標作為已知坐標，進行基準網平差也要在P101點。

5 GPS在大壩變形監測中的應用

GPS定位技術進行大壩變形監測是一種先進的高科技手段。目前世界上很多國家都十分重視這種檢測方法，投入人力物力進行研究和試驗。利用GPS技術進行大壩變形監測是GPS技術變形監測的一種很典型的應用，如果利用GPS進行大壩變形監測，通常有兩種方法：第一種監測方法：采用GPS接收機。定時定點到指定的監測點上進行觀測，對獲取的數據進行處理和分析；第二種監測方法：在監測站上安裝無人值守的GPS觀測系統。再由軟件的控制，完成實時監測和變形分析。

第一種方法費用比較低，但是勞動強度相對比較大，自動化程度比較低不能實時監測；第二種方法不但能實時監測，而且自動化程度也很高，但是由于GPS接收機要安裝在每個監測點上，這樣就造成了系統的建設費用大大提高。

在我們國家除了以上兩種方法，還自主開發了GPS多天線大壩變形監測系統，讓一臺GPS接收機連接多臺天線，這樣既提高了自動化程度、降低了勞動強度，以此來實現實時監測，同時也降低了成本費用，因為該GPS多天線大壩變形監測系統的優點突出。

6 GPS短時間段進行監測的優勢

6.1 精確度

與常規的觀測位移量相比較，GPS位移的差值誤差要相對比較小，更能滿足常規觀測技術的規范要求，只有位移量的差值小，結果才能比較穩定。

6.2 沉陷量

與常規觀測工作的沉陷量相比較，GPS沉陷量的差值誤差要相對比較小，滿足了大壩沉陷量觀測技術所需要的高精確度要求，在三坪水庫大壩的監測差值中，有26個獲取值小于中間誤差值，所占總數的比例為62%，不過也有3個值大于2倍中間誤差，但是結果算是較為穩定。

6.3 工作強度和作業效率

與常規的工作強度和作業效率相比較，人為干涉GPS觀測的比較少，全是自動化完成數據采集和數據處理，也不受天氣的影響，所以最后獲取的結果比較可靠、準確和及時。

7 GPS技術在監測時產生的誤差和補救措施

大多數的研究成果雖然表明，GPS定位技術擁有高精確度，但是在大壩變形監測的作業中，GPS實際測量成果很難達到所預計的精度高要求，原因就在于大壩的特殊地理位置和不利條件影響了GPS技術進行大壩變形監測，加大了檢測誤差，因此降低了精確度，利用GPS技術進行大壩變形監測，其誤差來源主要有三個方面：一是與對流層誤差、電高層的誤差、載波相位的周跳信號傳播的有關誤差；二是與觀測值的噪聲、接收機等誤差、測站坐標有關的誤差；三是與衛星鐘差和軌道誤差等衛星有關的誤差。為了將以上的誤差盡可能地減少，可以采用自動化程度高、穩定性高、精確度高的GPS接收機進行監測，并且再采用靜態差分觀測的相對定位技術來提高GPS觀測精確度。除此之外，適當地延長大壩變形觀測時間，也要選擇合適正確的觀測時間段，然后開采一定的合理措施，這樣就可以將衛星的鐘差接收機、觀測值的噪聲誤差盡可能地降到最低。

8 結語

GPS一機多天線系統需要多個天線間歇不停的轉換，在使用數據處理軟件中應該特別注意削弱和消除相位周跳的誤差。只要合理地解算，GPS多天線的測量結果的精確度完全可以與常規的GPS測量結果相當。總而言之，GPS技術不僅能明顯降低監測系統的成本費用，它也具有高效率、高精確度、全天候、功能多、操作便捷等眾多特點。科學技術的飛速發展，測繪技術的日漸成熟，GPS技術的應用范圍也越來越廣闊，未來也一定會出現更好的大壩GPS自動化變形監測系統，該技術有著較好的應用前景。

參考文獻

[1] 楊光，王新洲，華錫生，何秀風.基于GPS-機多天線的大壩變形檢測系統[J].導航，2014，38（3）.

[2] 王澤明，李征航，劉志趙.利用GPS定位技術進行大壩變形觀測的研究[J].武漢水利電力大學學報，2012，29（6）.

[3] 徐紹全.GPS測量原理及應用[M].武漢：武漢測繪科技大學出版社，2013.

[4] 陳龍飛.工程測量[M].上海：同濟大學出版社，2012.

作者簡介：曹慧君（1981-），女，安徽太湖人，供職于國網江西省電力公司柘林水電廠，研究方向：大壩安全監測。

（責任編輯：小 燕）