換流站閥廳及輔控樓沉降觀測GPS技術(shù)應(yīng)用探討

李 昱，陸海天

（1.國家電網(wǎng)有限公司直流建設(shè)分公司，北京 100054；2.四川電力設(shè)計咨詢有限責任公司，四川 成都 610000）

隨著電力行業(yè)的發(fā)展，特高壓已經(jīng)成為新時代下推動我國經(jīng)濟增長的核心之一。在此背景下，換流站作為實現(xiàn)特高壓輸送的樞紐之一，在將來必將不斷出現(xiàn)。在換流站工程中，沉降是影響施工安全、質(zhì)量但又無法避免的問題，尤其是作為換流站核心的閥廳，不均勻沉降不僅影響施工過程中的質(zhì)量安全，而且在后期運行時沉降差還很有可能影響到其全金屬屏蔽狀態(tài)，削弱外部電磁和所產(chǎn)生的對外無線電抗干擾能力。因此，在施工及運行過程中對關(guān)鍵部位的沉降觀測是必不可少的工作。傳統(tǒng)的沉降監(jiān)測方法主要為兩大類：一是常規(guī)測量方法（大地測量法），二是物理學傳感器法。而近年來迅速發(fā)展的GPS測量技術(shù)具有高精度的三維定位能力，為監(jiān)測地殼形變及各種工程變形的監(jiān)測提供了有效的手段。隨著GPS定位精度的不斷提高，尤其是高程分量精度的不斷提高，以其觀測時間周期短、布網(wǎng)靈活、自動化程度高、觀測點間無需保持通視、全天候作業(yè)，并能同時觀測點的三維坐標等優(yōu)點，使得GPS技術(shù)在建立地面形變?nèi)S監(jiān)測網(wǎng)、直接測定測區(qū)的三維空間變形上的能力得到了認可，也為GPS在換流站閥廳及輔控樓沉降觀測上的應(yīng)用提供了可能性。

1 傳統(tǒng)沉降觀測方法及其特點

沉降觀測屬于高程方向的位移監(jiān)測范疇，傳統(tǒng)的監(jiān)測技術(shù)主要沿用測量技術(shù)，通過選用精密幾何水準測量方法來進行定期的觀測。具體方法是根據(jù)現(xiàn)場的地形地貌以及地質(zhì)條件，合理設(shè)置沉降變形控制網(wǎng)點；在觀測范圍外的某個沉降穩(wěn)固地點埋設(shè)基準點，將其作為實施和檢測的檢查點；在建構(gòu)筑物關(guān)鍵部位設(shè)置沉降標志作為工作點，根據(jù)已知點（檢查點）的高程，對沉降標志（工作點）進行定期的觀測，得到不同時間內(nèi)所需關(guān)鍵部位的沉降量。檢查點和工作點一般都將組成一定的網(wǎng)形，通過精密水準測量的方法來實施觀測與監(jiān)測。

上述的傳統(tǒng)觀測法是目前最常用也是最成熟的方法，但也存在很多遺憾和不足。

（1）受溫度影響較大。沉降觀測所用的精密水準儀屬于光學測量儀器，溫度的變化對光學的傳感有著極大的影響，儀器設(shè)備的i角會隨溫度的提高而變大[1]，因此觀測時間受溫度變化情況約束，觀測時長得不到保證。對于換流站工程，選址常位于野外，溫度變化情況更為嚴重。

（2）受大氣垂直折光的影響。大氣垂直折光會引起視線彎曲從而使讀數(shù)產(chǎn)生一定的誤差。尤其是在具有一定坡度的路線上測量時，每一站的后視視線比前視視線距地面更近（或更遠），大氣垂直折光對前后視的讀數(shù)的影響有差異，因此將會在高差中形成系統(tǒng)誤差[2]。換流站現(xiàn)場建構(gòu)筑物相對緊湊，在觀測時很難保證前后視距相同，因此很難消除對沉降觀測的誤差影響。

（3）測點間視線必須暢通。傳統(tǒng)觀測方法必須保證測站間的視線暢通，但在換流站工程中，閥廳和輔控樓建筑體積規(guī)模較大，現(xiàn)場施工環(huán)境復(fù)雜，這為沉降觀測帶來了不便。

（4）無法實現(xiàn)連續(xù)、實時的監(jiān)測。傳統(tǒng)沉降觀測法都只能對觀測標志點進行定期的觀測，不能進行長時間、連續(xù)地觀測。換流站基本建設(shè)在城鄉(xiāng)外，定期觀測需耗費大量人力和物力。此外，連續(xù)和實時的觀測數(shù)據(jù)對出現(xiàn)質(zhì)量安全問題的預(yù)測有著重要意義，這也是傳統(tǒng)方法的缺陷。

綜上所述，傳統(tǒng)的沉降觀測方法受換流站建設(shè)的特殊性影響，很難滿足測量的精度要求，尤其是對閥廳與輔控樓等變形監(jiān)測精度要求較大的建筑物，其沉降趨勢往往得不到及時的反映，并且花費的人力物力也較多。

2 GPS技術(shù)的優(yōu)勢

全球定位系統(tǒng)（GPS）是20世紀末出現(xiàn)的最具影響力的科技成果之一，并且隨著近幾年來技術(shù)的不斷成熟與發(fā)展，GPS在變形檢測方面的應(yīng)用前景越發(fā)寬廣。將GPS空間定位技術(shù)用于沉降觀測，能同時監(jiān)測工作點的三維坐標，并且使用時各測站間無需保持視線暢通，可全天候觀測，能有效減少系統(tǒng)誤差的影響，是一種能夠有效改進現(xiàn)階段換流站沉降觀測方法的新手段。運用上，GPS較傳統(tǒng)方法主要有以下優(yōu)勢。

（1）定位精度高。國內(nèi)外大量實驗表明，GPS有著很高的定位精度，在300～1500m工程的精密定位中，1h以上觀測的解平面位置誤差小于1mm[3]。因此，利用GPS技術(shù)于換流站工程能夠滿足對閥廳及輔控樓等建筑物的沉降觀測要求。

（2）實現(xiàn)全天候?qū)崟r觀測。GPS自動化程度極高，能夠在一天24h內(nèi)的任何時間進行，不受溫度、光線等環(huán)境氣候的影響。

（3）經(jīng)濟效益高。選用GPS進行沉降觀測時，只需要將天線準確地設(shè)置在機器上，啟動接收單元，接收機即自動開始工作，自動存儲數(shù)據(jù)不需要人為干涉，能夠節(jié)省大量人力和物力。

3 工程運用探討

基于上述GPS技術(shù)的各種優(yōu)點，GPS在工程監(jiān)測上已經(jīng)得到了大量的應(yīng)用，如大壩、橋梁的變形監(jiān)測以及地面的沉陷監(jiān)測。20世紀90年代，美國、瑞士就開始利用GPS技術(shù)對大壩進行變形監(jiān)測；2002年，香港開始利用GPS技術(shù)對青馬大橋、汲水門大橋和汀九大橋進行全天候的全自動連續(xù)實時變形監(jiān)測[4]。以下根據(jù)GPS的工作原理對換流站工程中閥廳與輔控樓的沉降觀測運用進行探討。

GPS的工作原理是通過GPS衛(wèi)星發(fā)送的載波相位作為觀測量，列出載波相位觀測方程，并通過相對靜態(tài)定位模式對所列觀測方程進行求差運算，得到基線向量進而求解出雙差固定解[5]。簡單而言，就是根據(jù)已知點的坐標，確定位置基準，進行約束平差，求得定位點在當?shù)刈鴺讼档淖鴺耍瑥亩玫匠两底冃螖?shù)據(jù)，達到沉降觀測的目的。

根據(jù)GPS的工作原理，將其運用于換流站工程對閥廳及輔控樓等關(guān)鍵部位的沉降觀測工作可以分為以下步驟。

（1）對測點進行平面規(guī)劃。根據(jù)觀測目的，初步找準建筑物關(guān)鍵沉降部位，在圖上選點，然后到現(xiàn)場踏勘，保證現(xiàn)場能夠達到布置條件，確定工作點位。

（2）確定檢查點位。根據(jù)換流站平面布置總圖，先初步找出可以長期設(shè)置檢查觀測點的空置區(qū)域，再前往現(xiàn)場踏勘，對地質(zhì)信息進行復(fù)核，找到地質(zhì)條件最穩(wěn)定的點作為檢查點位。

（3）對觀測時間和觀測時段進行設(shè)計。針對施工階段和運營階段對沉降觀測的不同需求，設(shè)置合理的觀測時間和觀測周期，分別將間斷觀測下或整段觀測下所獲得的連續(xù)數(shù)據(jù)進行提取計算。

（4）對觀測值進行處理分析，作為換流站工程建設(shè)或后期運營維護的重要參考數(shù)據(jù)。

以某換流站工程中輔控樓與高端閥廳為例，輔控樓（23.7m×27.4m）與高端閥廳（91.5m×37.5m）相連，長度方向約115m，位于站內(nèi)道路旁，若采用傳統(tǒng)沉降觀測法十分不便。若引進GPS技術(shù)用于沉降觀測，可假定于兩建筑物關(guān)鍵部位（如柱腳點、拐點）設(shè)置沉降工作點（三角形標志），再于道路外側(cè)空間允許且地質(zhì)情況穩(wěn)定的地方設(shè)置檢查點（圓形標志），這樣就形成了虛線范圍內(nèi)的觀測網(wǎng)，如圖1所示。實際情況可根據(jù)觀測需求以及現(xiàn)場實際空間狀況進行調(diào)整。

圖1 某換流站GPS觀測網(wǎng)理想布置圖

4 結(jié)束語

在沉降觀測領(lǐng)域，GPS技術(shù)具有穩(wěn)定、成熟和實時等優(yōu)點，已經(jīng)在一些工程中得到應(yīng)用。在換流站工程中，尤其是閥廳和輔控樓等對沉降敏感的建筑物，引入GPS沉降觀測技術(shù)，合理布置觀測網(wǎng)點，能夠?qū)崿F(xiàn)三維的實時變形監(jiān)控，這對未來換流站工程的前期建設(shè)、后期運營都能帶來極大的便利。