GNSS技術(shù)在水庫大壩變形監(jiān)測(cè)分析中應(yīng)用

袁興明

(山東工業(yè)職業(yè)學(xué)院 建筑與信息工程系 山東淄博 256414)

0 引言

GNSS是Global Navigation Satellite System縮寫，全球系統(tǒng)主要包括美國(guó)的GPS、俄羅斯的Glonass、歐洲的Galileo、中國(guó)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。主要應(yīng)用于高精度測(cè)繪、道路搜索、車載導(dǎo)航、移動(dòng)監(jiān)控、智能通信、物聯(lián)網(wǎng)、智能物流、人工智能、災(zāi)害救援以及無人操作等諸多專業(yè)領(lǐng)域[1-3]。

在測(cè)量工程實(shí)踐科學(xué)研究中，變形觀測(cè)占有十分重要的地位，如水庫大壩的興建，從施工開始到竣工截流，以及整個(gè)運(yùn)營(yíng)階段都要不斷地或者周期性監(jiān)測(cè)大壩的變形情況。我國(guó)大部分地區(qū)四季分明，各地降雨降雪量受季節(jié)的變化影響較大，蓄水對(duì)大壩的正常使用會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的變形。國(guó)內(nèi)外對(duì)大壩監(jiān)測(cè)采用了各種新型技術(shù)，GNSS自動(dòng)觀測(cè)、地面攝影測(cè)量、3D激光掃描儀、無人機(jī)監(jiān)測(cè)、inSAR技術(shù)以及特殊測(cè)量手段應(yīng)變測(cè)量、傾斜測(cè)量、準(zhǔn)直測(cè)量等[4-6]。

本文主要利用GNSS技術(shù)對(duì)大壩進(jìn)行常規(guī)的周期性監(jiān)測(cè)，詳細(xì)介紹了監(jiān)測(cè)方案的設(shè)置、監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布設(shè)、觀測(cè)墩的設(shè)置以及實(shí)測(cè)方案及注意事項(xiàng)。外業(yè)觀測(cè)數(shù)據(jù)利用南方GNSS靜態(tài)數(shù)據(jù)處理軟件，進(jìn)行基線處理、自由網(wǎng)平差、約束網(wǎng)平差。通過對(duì)比分析上一期的解算數(shù)據(jù)，得出大壩變形的趨勢(shì)，分析出現(xiàn)特殊點(diǎn)變形的原因和影響因素，為小型水庫大壩變形監(jiān)測(cè)提供技術(shù)支持。

1 大壩監(jiān)測(cè)線布設(shè)

控制點(diǎn)(GNSS監(jiān)測(cè)網(wǎng))設(shè)置在不受變形影響的地方，選擇建立了3個(gè)控制點(diǎn)(工作基點(diǎn))00J1、00J2、00J3，點(diǎn)位穩(wěn)定并有利于保存。監(jiān)測(cè)點(diǎn)沿壩體設(shè)置3條監(jiān)測(cè)線，分別在壩體上方、壩體中間、壩體底端，共布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)18個(gè)。由于壩體施工因素1983、1986兩個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)被破壞。鑒于當(dāng)時(shí)水庫建設(shè)環(huán)境和技術(shù)要求限制，為了保障運(yùn)營(yíng)階段的安全，2015年布設(shè)了監(jiān)測(cè)點(diǎn)。監(jiān)測(cè)點(diǎn)和觀測(cè)點(diǎn)標(biāo)志如圖1所示，具體監(jiān)測(cè)線和點(diǎn)位分布圖如圖2所示。

壩上監(jiān)測(cè)線：1981-1982-1983-1984-1985-1986；

壩中監(jiān)測(cè)線：2201-2202-2203-2204-2205-2206；

壩底監(jiān)測(cè)線：2421-2422-2423-2424-2425-2426。

圖1 00J1控制點(diǎn)觀測(cè)墩

圖2 部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)點(diǎn)位圖

2 實(shí)測(cè)方案及網(wǎng)型設(shè)計(jì)

(1)GNSS數(shù)據(jù)解算要求。采用8臺(tái)銀河1GNSS收機(jī)，靜態(tài)觀測(cè)；衛(wèi)星高度角≥15°；有效觀測(cè)衛(wèi)星數(shù) ≥ 4；每時(shí)段觀測(cè)時(shí)間60min；數(shù)據(jù)采樣間隔1s；PDOP值≤6；GNSS 數(shù)據(jù)處理，包括基線解算和基線網(wǎng)的約束平差，接收機(jī)在野外完成數(shù)據(jù)采集工作后，南方測(cè)繪生產(chǎn)GNSS接收機(jī)隨機(jī)商用軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)處理，解算出全部基線[5-6]。

(2)觀測(cè)4個(gè)時(shí)段，具體時(shí)段安排和調(diào)度如下：

第1個(gè)時(shí)段：00J1-00J2-2201-1801-2202-2421；

第2個(gè)時(shí)段：2421-1981-1982-1984-2203-2204-2422-2423；

第3個(gè)時(shí)段：2423-1984-1985-2205-2206-2424-2425-2426；

第4個(gè)時(shí)段：2425-2426-2206-1985-00J3。

(3)觀測(cè)要求：觀測(cè)組必須遵守調(diào)度命令，按規(guī)定時(shí)間同步觀測(cè)同一組衛(wèi)星。當(dāng)不能按計(jì)劃到達(dá)點(diǎn)位時(shí)，及時(shí)通知其它各組，并經(jīng)過觀測(cè)計(jì)劃編制者同意對(duì)時(shí)段作必要調(diào)整，觀測(cè)組不得擅自更改觀測(cè)計(jì)劃；觀測(cè)者到達(dá)測(cè)站后，先安置好接收機(jī)使其處于靜置狀態(tài)，并在關(guān)機(jī)狀態(tài)下連接接收機(jī)、控制器、天線、數(shù)據(jù)鏈間的電纜；一般情況下，安裝天線利用腳架直接對(duì)中，對(duì)中誤差應(yīng)小于1mm；天線高在時(shí)段前、后應(yīng)各量取一次，其較差小于2mm取平均值作為最后的天線高。當(dāng)較差超限時(shí)，查明原因，提出處理意見。天線高根據(jù)儀器類型，量取至廠方指定的天線高部位，并注明天線高類型(斜距、垂距)；經(jīng)檢查，接收機(jī)的電源電纜、天線電纜等項(xiàng)連接正確，接收機(jī)預(yù)置狀態(tài)正常后，方能確定接收機(jī)開始觀測(cè)。

接收機(jī)開始記錄數(shù)據(jù)后，應(yīng)及時(shí)將測(cè)站名、測(cè)站號(hào)、時(shí)段號(hào)、天線高等信息輸入接收機(jī)設(shè)備。觀測(cè)過程中，注意觀察并記錄衛(wèi)星變化的升落時(shí)刻、各通道的信噪比、接收信號(hào)的類型和數(shù)量、衛(wèi)星信號(hào)質(zhì)量、存儲(chǔ)器余量與電池余量等；觀測(cè)員在作業(yè)期間不得擅自離開測(cè)站，防止碰到儀器或儀器受震動(dòng)。注意防止行人和其它物體靠近天線遮擋衛(wèi)星信號(hào)；觀測(cè)時(shí)，使用對(duì)講機(jī)應(yīng)距天線10m以上，使用車載臺(tái)離開天線應(yīng)在50m以上。

(4)基線處理和網(wǎng)平差處理流程

基線處理、網(wǎng)平差均采用南方的隨機(jī)軟件進(jìn)行處理，處理步驟如圖3，分為基線處理、閉合環(huán)檢查、WGS-84坐標(biāo)系下無約束平差、1954北京坐標(biāo)系下約束平差、1980西安坐標(biāo)系下約束平差等。本區(qū)內(nèi)無任何信號(hào)遮擋物，基線觀測(cè)值較好，解算的各項(xiàng)指標(biāo)均滿足GPS測(cè)量規(guī)范及該項(xiàng)目技術(shù)設(shè)計(jì)書的要求。

圖3 基線處理和網(wǎng)平差處理流程

3 監(jiān)測(cè)分析

(1)數(shù)據(jù)處理網(wǎng)型如圖4所示。

(2)解算數(shù)據(jù)，利用00J1和00J2作為解算的已知點(diǎn)，解算數(shù)據(jù)與00J3對(duì)比分析，具體的解算結(jié)果如表1所示。

圖4 GNSS解算網(wǎng)型

表1 數(shù)據(jù)解算結(jié)果

(3)變形曲線分析

分析圖5壩上監(jiān)測(cè)點(diǎn)變化柱形圖、 圖6 壩中監(jiān)測(cè)點(diǎn)變化柱形圖、圖7 壩底監(jiān)測(cè)點(diǎn)變化柱形圖、圖8監(jiān)測(cè)點(diǎn)變化曲線圖和表1可以得出，X方向最大變形值21mm，最小變形值1mm，Y方向最大變形值29mm，最小變形值1mm，最大變形值同屬于2203監(jiān)測(cè)點(diǎn)，位于壩中監(jiān)測(cè)線的中間。通過對(duì)實(shí)地分析，該點(diǎn)處于大壩的正中間，所受的壓力比較大。

圖5 壩上監(jiān)測(cè)點(diǎn)變化柱形圖

圖6 壩中監(jiān)測(cè)點(diǎn)變化柱形圖

圖7 壩底監(jiān)測(cè)點(diǎn)變化柱形圖

圖8 監(jiān)測(cè)點(diǎn)變化曲線圖

通過分析3條監(jiān)測(cè)線可以得出，壩中的變化大，其次是壩底，壩上變化最小；壩上監(jiān)測(cè)點(diǎn)變化方向是往南偏移，壩底監(jiān)測(cè)點(diǎn)變化也是往南偏移，壩中的監(jiān)測(cè)點(diǎn)變化往北偏移；通過分析蓄水壓力，壩中的壓力明顯大于壩底和壩上的壓力，所以造成點(diǎn)位向北偏移趨勢(shì)，壩底基礎(chǔ)比較加固，受影響的幅度相對(duì)較小，壩上監(jiān)測(cè)點(diǎn)離水面很遠(yuǎn)，影響也比較小。

4 結(jié)論

該水庫大壩變形數(shù)據(jù)較小，基本符合靜水壓力對(duì)壩上、壩底和壩中的影響規(guī)律，在數(shù)據(jù)處理過程中沒有采取粗差探測(cè)和噪聲的處理，對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果會(huì)產(chǎn)生一定的誤差，在后續(xù)的研究中可以采用高精度的數(shù)據(jù)處理軟件，進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)。

該方法可以有效地節(jié)約大量的人力物力和財(cái)力，對(duì)山區(qū)后續(xù)增加的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，分析大壩的變形規(guī)律和運(yùn)營(yíng)階段的安全給予一定的技術(shù)支持。