南水北調東線工程山東段變形監測網測設技術研究

張緒朋 于欽 朱利超 于志龍 蘇旭

摘要：南水北調東線工程一期山東段主體已經建成，建設期布設的測量控制網級別較低，且在施工過程中測量基點破壞較為嚴重。為滿足工程運行初期渠道及主要建筑物安全監測要求，在南水北調東線一期工程山東境內測設了全線統一的變形監測網。以該監測網魯南段為例，采用GNSS方法與高等級幾何水準測量方法獲取數據，系統論述了建設變形監測網的觀測方案、技術指標、數據處理以及平差精度分析等內容。結果表明：高等級、高精度變形監測網的建成，為工程運行管理、變形監測提供了統一的控制基準，采用GNSS方法建設變形監測網，在作業精度、工作效率，監測連續性、實時性、受外界干擾小等方面體現出很大的優越性。南水北調東線一期工程山東段變形監測網的測設技術可為類似大型輸水工程變形監測項目提供參考。

關 鍵 詞：變形監測網;測量基準點;GNSS;南水北調東線工程

中圖法分類號：P22

文獻標志碼：A

文章編號：1001-4179（2021）09-0136-07

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.09.022

0 引 言

南水北調工程是解決中國北方地區水資源嚴重短缺問題的戰略性工程，東線工程跨長江、淮河、黃河和海河四大流域，京杭運河將其聯通。南水北調東線工程山東段從長江下游江蘇揚州江都抽引長江水，利用京杭大運河及與其平行的河道以及洪澤湖、駱馬湖輸水至山東省的南四湖、東平湖。出東平湖后，分為南北、東西兩條輸水干線，一條向北，穿過黃河，輸水到魯北地區、河北東部及天津地區;另一條向東，通過膠東地區輸水干線經濟南輸水到煙臺、威海，南北、東西兩條線路形成“T”型輸水大動脈，全長

1 191 km，其中南北干線長487 km，東西干線長704 km。

對南水北調東線一期工程山東段展開安全監測工作是監控輸水渠道及主要水工建筑物安全、掌握調水運行規律、指導施工、反饋設計的重要手段之一[1]，高精度的變形監測網也是確保監測成果可靠有效的基礎。南水北調東線一期山東段工程主體已經于2013年底完工，目前處于工程運行初期。由于山東段工程設計階段缺乏全線統一的高精度控制網，各設計單元之間沒有高精度基準點或者基準點點位選擇離建筑物太近，導致工作基點無法校核，不能按安全監測相關技術要求開展安全監測工作，因此有必要進行變形監測網建設工作[2-4]。本文主要對南水北調東線一期工程山東段變形監測網的監測點布設、水平與垂直位移觀測數據獲取、精密數據處理計算等進行闡述與研究，以期能為類似大型輸水工程變形監測項目提供參考與借鑒作用。

1 監測范圍與要求

1.1 監測范圍

南水北調東線一期工程山東段變形監測網范圍主要為工程沿線新建的3座大型水庫、7座泵站、1座穿黃河樞紐工程，以及渠道上重點水工建筑物（閘、倒虹吸）等近90余座。

1.2 監測內容

監測網測設的主要內容包括基準網、工作網以及監測網建設3部分。基準網建設內容涉及基準點選點、埋石、觀測與復測等;工作網建設內容包括工作基點的補充、改造、觀測與復測等;監測網建設包括監測點的改造、完善及初始值獲取觀測等內容。

1.3 精度要求

變形監測的等級與精度要求取決于變形體設計時允許的變形值的大小和進行變形測量的目的。目前一般認為，如果觀測目的是為了變形值不超過某一允許的數值從而確保建筑物的安全，則其觀測的中誤差應小于允許變形值的1/10～1/20[5];如果觀測目的是為了研究其變形過程，則其觀測精度還應更高。該工程水平位移網基準點采用B級GNSS精度觀測;工作基點采用C級GNSS精度觀測;監測點采用雙測站極坐標法觀測，觀測等級為變形監測二等。垂直位移網國家高等級水準起算點至基準點、工作基點之間的聯測按一等水準測量等級觀測;基準點、工作基點至渠道及其他建筑物監測點按二等水準測量等級觀測[6]。

1.4 儀器要求

水平位移網觀測采用徠卡GS15型雙頻三星GNSS接收機，其標稱精度為±（5 mm+1×10-6D），其中D為兩點間的距離，km。垂直位移網觀測采用徠卡DNA03型±0.3 mm/km電子水準儀觀測，監測點水平位移觀測采用測角精度為0.5″的徠卡TS30、TS50型測量機器人觀測。

2 監測網布設

變形監測網由基準點、工作基點、變形監測點組成，可以分監測基準網和監測工作網2個層次布設[7]。

2.1 基準點布設

為方便使用，節約經費，該工程中水平位移基準點與垂直位移基準點共用，觀測標志分別設置[8-9]。水庫、泵站、穿黃河樞紐工程基準點各建設一組，每組3個;渠道建筑物每處新建設一個基準點，整個工程共布設新建基準點49座。一般規范規定，基準點應建立在變形區外穩固的基巖或堅實的原狀土基上[8]，基于南水北調山東線工程東段水工建筑物附近回填土較深的現狀，該工程升級了規范要求的基準點埋設深度，要求基準點底座埋入土層深度不小于3.0 m，原則上不建議埋設在回填土上。根據查勘結果，該工程基準點大部分選在水庫、泵站或者穿黃樞紐及水工建筑物附近0.5～3.0 km范圍內易于保存的南水北調東線管理機構院內[10-11];基準點按GNSS基本標石規格建設，頂部安裝了強制歸心裝置。基準點建設規格斷面見圖1，建成樣品見圖2。

2.2 工作基點布設

工作基點一般宜設置在靠近觀測區的相對穩定區域[8]，該工程工作基點均設置于水工建筑物附近范圍內，其底座埋入土層深度大于3.0 m，位置選擇一般使其點位與監測點構成對觀測精度有利的觀測圖形，并方便觀測。該工程工作基點新建8座，改造已有工作基點128座。

2.3 監測點布設

監測點分水平位移監測點、垂直位移監測點和水平垂直位移結合監測點，觀測點的設置應代表該處巖土體的變化特征，垂直位移監測點與水平位移監測點同點布設。該工程中變形監測點位原則上不再重新布設，直接使用工程建設期建造的監測點，個別不適合觀測的點進行現場改造使用，共計改造變形監測點486個。

3 監測網觀測

3.1 水平位移網觀測（以魯南段為例）

3.1.1 觀測方案

（1）水平位移基準網布設為B級GNSS控制網，在泵站、穿黃河樞紐工程和渠道建筑物附近布設基準點，用以聯測國家IGS基準站。由于南水北調東線一期工程魯南段輸水線路較長，各設計單元工程間距近的約10 km，遠的有20～30 km，而各設計單元工程監測基準點間距在1 km左右，如果同時聯合觀測，邊長相差懸殊，圖形結構強度較弱，對網的相對精度影響較大。因此，該工程中水平位移監測基準網按設計單元工程分區，以魯南段工程為例，臺兒莊泵站與大泛口節制閘合為一區，潘莊引河閘與韓莊泵站合為一區，其他各個單元工程各自為一區。各區獨立組網，聯測設計單元工程附近的國家IGS基準站點作為起算點，共組建8個水平位移監測基準網，按GNSS B級網精度施測。

（2）水平位移工作網布設為C級GNSS控制網，聯測部分基準點和全部工作基點。為提高工作基點觀測效率，觀測方式采用與基準網點同步觀測的點模式進行。

（3）根據建筑物級別的精度要求，監測點水平位移觀測方法采用雙測站極坐標法，不能滿足雙測站極坐標法觀測的點采用單測站極坐標法觀測，觀測等級為變形監測二等。

3.1.2 技術指標要求

（1）所有GNSS控制點須組成空間三角形及空間大地四邊形，以加強GNSS網的幾何強度。B、C級GNSS基準網測量觀測技術要求見表1。

（2）為確保GNSS原始數據觀測質量可靠有效，該工程數據質量檢查采用了專用軟件TEQC進行，檢查內容主要包括了觀測衛星總數、中斷次數、有效觀測時間、同步觀測時間、數據可利用率、L1，L2頻率的多路徑效應影響MP1/MP2、GNSS接收機鐘飄率等，確保外業觀測數據合格可使用。

（3）該工程B級GNSS網基線數據處理采用精密星歷解算、高精度數據處理專用軟件GAMIT，C級GNSS網基線解算采用廣播星歷、隨接收機配備的商用軟件LGO。

（4）監測點水平位移觀測基本技術要求如下：

3.1.3 數據處理與平差精度

（1）水平位移基準網B級GNSS數據處理采用美國麻省理工學院的GAMIT/GLOBK軟件10.60版本。依據外業觀測資料，將觀測數據按年積日及觀測時段整理后，數據格式統一轉成GNSS 通用格式Rinex。基線解算收集了測區周邊的LNDD、LNHL、BJFS、HELY、HAHB、HAQS、AHAQ、TAIN、JSLY、SDRC共10個國家IGS基準站作為起算基準站。經過同步環Nrms值統計、同步環閉合差、復測基線等核驗，基線整體解算精度較高。

在2000國家大地坐標系下，約束該工程所選取的LNDD、LNHL、BJFS、HELY、HAHB、HAQS、AHAQ、TAIN、JSLY、SDRC 10個國家基準站，做三維約束平差，獲得該工程B級GNSS點2000國家大地坐標系坐標。

水平位移基準網兩次獨立觀測平差精度評定見表2。由表2可知：① B級GNSS點第1次觀測平差后南北分量的中誤差平均值為±0.5 mm，最大值為±0.8 mm;東西分量的中誤差平均值為±0.5 mm，最大值為±0.7 mm;垂直分量的中誤差平均值為±2.1 mm，最大值為±3.2 mm。 ② B級GNSS點第2次觀測平差后南北分量的中誤差平均值為±0.5 mm，最大值為±0.8 mm;東西分量的中誤差平均值為±0.5 mm，最大值為±0.7 mm;垂直分量的中誤差平均值為±2.1 mm，最大值為±3.2 mm。可見，水平位移基準網兩次觀測成果精度均能夠滿足規程規范和技術設計書要求。

（2）水平位移工作網C級GNSS數據處理采用徠卡Leica Geo Office（V7.0）數據處理軟件和武漢大學COSA GNSS數據處理軟件共同對算完成。在數據進行預處理后，將工程分為8個獨立網分別進行解算。選取27個基準點作為起算點，在2000國家大地坐標系下，進行三維約束平差，各分部工程采用單點解算的方法獲得每個工程范圍內的工作基點的成果。統計兩次獨立觀測各工作基點的點位中誤差精度，如表3所列。

由表3可知：① C級GNSS點第1次觀測平差后的CGCS2000坐標X分量的中誤差平均值為±2.4 mm，最大值為±3.4 mm;Y分量的中誤差平均值為±2.0 mm，最大值為±2.8 mm;大地高的中誤差平均值為±5.8 mm，最大值為±8.4 mm。② C級GNSS點第2次觀測平差后的CGCS2000坐標X分量的中誤差平均值為±2.4 mm，最大值為±3.2 mm;Y分量的中誤差平均值為±2.0 mm，最大值為±2.7 mm;大地高的中誤差平均值為±5.8 mm，最大值為±7.8 mm。由此可見，水平位移工作網觀測精度能滿足相應規程規范要求。

（3）變形監測點水平位移數據處理軟件采用了徠卡商用變形數據管理系統、清華三維數據處理系統等。水平位移監測點外業數據必須經過高斯投影邊長改化后方可調入數據處理軟件，以監測點位附近的基準點和工作基點作為起算點，通過極坐標法進行平差計算，以雙測站觀測成果進行精度評定，統計結果如表4所列。通過表4分析可見：采用全站儀雙測站獲取的水平位移監測點坐標精度除個別點受觀測距離長、起算點精度引起的誤差較大外，其他點精度較好。

3.2 垂直位移網觀測（以魯南段為例）

3.2.1 觀測方案

根據南水北調工程相關規程，垂直位移基準網建設成與國家高等級水準點聯測的獨立高程網，基準點、工作基點至泵站、穿黃河樞紐工程建筑物監測點按一等水準測量等級觀測;基準點、工作基點至渠道及其他建筑物監測點按二等水準測量等級觀測。因為魯南段7個泵站和穿黃河樞紐工程中垂直位移監測點均采用一等水準測量方法觀測，故本文只介紹一等水準觀測相關內容。該工程以山東省測繪基準體系優化升級的成果（2017年）為起算數據進行與國家水準網的聯測，聯測前對國家等級水準點成果進行了必要的校核檢測。

魯南段以萬年閘泵站為例，垂直位移監測網觀測方案與路線如圖3所示。距離該泵站最近的水準點是離泵站約18.0 km的國家II1604（B044）臺兒莊下，可以作為起算點進行高程獨立網觀測，聯測校標點為國家I徐臨19上，其概略路線如圖3所示。

3.2.2 技術指標要求

（1）觀測方式采用一、二等水準測量采用單路線往返測。

（2）觀測的時間與氣象條件應確保水準觀測在標尺分劃線成像清晰而穩定時進行。

（3）設站測量中的各項規定主要包括儀器設置、測站限差參數設置、作業設置、通訊設置等。

（4）為提高觀測效率與成果精度，本工程水準外業測量使用了測距輪進行距離測量，水準尺使用了支撐桿、尺樁等輔助測量工具。

（5）主要精度指標如表5～6所列。

3.2.3 數據處理與平差精度

（1）觀測數據預處理。該工程外業記錄采用設備固化軟件自動記錄，測段小結、高差表、每千米水準測量偶然中誤差的計算均采用軟件程序自動完成。編算外業高差和概略高程表加入的改正數有：水準標尺長度改正數、水準標尺溫度改正、正常水準面不平行改正數、環線閉合差改正。使用高差改正后的數據，按線路進行附合路線閉合差計算、按環線進行閉合差計算。計算的每千米水準測量的偶然中誤差MΔ和每千米水準測量的全中誤差Mω應符合表6規定。

（2）數據整理。一等水準網內業數據劃分為18條路線進行整理，數據整理程序直接讀取外業概略高差表文件，需要注意的是，數據整理應該隨時與外業資料進行核對。

（3）水準概算。水準概算概略高程的目的是為了給后續計算各項改正數提供概略高程，推算時高差中數中應加入水準標尺長度改正。為此，施工單位在進行一等水準測量時，使用的水準標尺必須在測前、測后兩次在國家計量檢定單位進行標尺檢定以獲取檢定值。之后是進行水準標尺長度改正、正常水準面不平行改正、重力異常改正、固體潮改正、海潮負荷改正等各種改正數計算。

用一等水準路線高差不符值計算的每千米水準測量偶然中誤差，第1次獨立觀測為±0.27 mm，第2次觀測為±0.26 mm。

環閉合差計算及每千米水準測量全中誤差計算：魯南段一等水準網18條路線共形成9個閉合環，環閉（附）合差計算見表7～8。

（4）平差計算。該工程一等水準路線平差時以聯測的國家一等水準點和山東省測繪基準體系優化升級工程高程控制網二等水準點為起算點，共使用了1604（B044）（臺兒莊）下、Ⅱ成官32、Ⅱ東濟12、Ⅰ徐臨19上、Ⅰ兗徐37、Ⅱ黑濟10-1、Ⅱ黑安9-2、Ⅰ邯兗55-1、Ⅰ兗徐45基（06）上等9個點作為起算數據。

一等水準網數據處理采用自然資源部大地測量數據處理中心自主開發的“精密水準測量數據處理軟件”，一等水準網平差采用間接平差法，以加過標尺長度改正、正常水準面不平行改正、重力異常改正、固體潮改正、海潮負荷改正后的往返測高差中數為元素、待定結點高程為未知數，按路線測站數定權進行結點平差。當結點高程及路線高差平差改正量計算完成后，采用附合路線平差的方法推求其它各水準點的高程。

（5）精度評定。一等水準網平差路線條數NC=18，已知點總個數NA=9，水準結點總個數NB=18，未知結點總個數N=9。高程控制網平差后每公里中誤差和最弱點高程中誤差統計結果如表9所列。

通過平差結果精度分析，該工程垂直位移監測網的兩次觀測高程較差均在2mm以內，根據規范要求，最終取兩次觀測的平均值作為該工程基準點和工作基點的高程成果。

3.2.4 成果分析

2019年度山東省水利勘測設計院對該項目基準網進行了復測，復測技術要求與2018年度初始值觀測完全一致，得到的基準點與工作基點垂直位移較差如表10所列。

由表10兩期成果分析可知，5處水工建筑物2018年和2019年兩個年度監測的基準點與工作基點垂直位移成果絕大多數較差在5 mm以內，可以認為該較差屬于測量本身誤差。其中八里灣泵站工程中7座監測基點有6座抬升達到cm級，1座下沉6 mm。綜合分析認為，因為整個南水北調工程山東段施工建設均是同期進行，在其它建筑物都監測穩定的情況下，僅該處建筑物出現垂直位移整體抬升的可能性較小，且該處地質條件較好，因此判定該處建筑物起算點下沉導致監測點抬升的可能性較大（該結論尚待我院于2020年度第二次基網復測時進一步驗證）。另外，其中1座監測基點下沉6 mm，通過綜合分析，認為該點是由于雨季地基出現問題（該點屬借用已有基礎改造點位），導致其整體下沉量超出起算點下沉量所致。由此可見，各級監測點的建設規格以及建成以后是否經過雨季或者凍融期，會直接影響變形監測成果的穩定性分析及結論判定。

4 結論與建議

（1）高等級、高精度的GNSS技術應用于南水北調東線一期工程山東段變形監測工程，極大提高了監測網的水平位移精度與工作效率，同時在監測的連續性、實時性以及受外界干擾小等方面也體現出了很大的優越性。

（2）高等級、高精度的精密幾何水準測量仍然是大型精密工程變形監測網垂直位移獲取最值得信賴的技術手段，最新的數字化水準測量設備與全自動數據處理系統是提高外業工作效率，減少人為誤差積累的有效保障。

（3）雖然基準點與工作基點的建設規格與形式較規范相比進行了創新性的升級改造，但是根據監測結果顯示，個別監測點垂直位移方向仍發生了高程抬升現象，分析原因可能是起算點或者工作基點發生了沉降所致。因此，起算點成果的驗證分析，各級監測點建成后經過一個雨季或者凍融季的穩定期后再進行外業測量，對于提高變形監測成果的穩定性與真實性非常重要。

（4）長期多次的監測數據對于建筑物的變形分析更加準確也更加合理。因此根據建筑物變形監測規范要求及工程運行情況，進行長期周期性的觀測是很有必要的。

（5）南水北調東線一期工程山東段變形監測網的建成，必將為南水北調東線一期山東段工程運行管理、變形監測提供統一的坐標系統，統一的高程系統，統一的控制基準，為調度運行實現對水位及流量的精確控制，同時也為即將開展的東線二期工程改擴建打下良好的基礎，極大的發揮“一網多用”的作用。

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（編輯：劉 媛）