大型水利樞紐工程壩型數(shù)字化測(cè)繪技術(shù)與應(yīng)用

杜麗雯，溫 旋，孔德博

(江蘇省工程勘測(cè)研究院有限責(zé)任公司，江蘇 揚(yáng)州 225002)

1 概述

水利工程是我國(guó)工程建設(shè)領(lǐng)域的研究重點(diǎn)，相比于其他工程，水利工程具有規(guī)模較大的特點(diǎn)。數(shù)字化測(cè)繪技術(shù)對(duì)我國(guó)水利工程的自動(dòng)化以及數(shù)字化發(fā)展做出重要貢獻(xiàn)[1]。數(shù)字化測(cè)繪技術(shù)可以提升水利工程海量數(shù)據(jù)的處理效率，使得通過(guò)測(cè)繪所獲取的數(shù)字化信息更加直觀和形象。

目前，我國(guó)的數(shù)字化測(cè)繪技術(shù)已較為完善[2]，應(yīng)用范圍有所發(fā)展，數(shù)字化測(cè)繪技術(shù)可為水利工程建設(shè)提供重要的參考依據(jù)[3]，具有集成化以及自動(dòng)化水平。數(shù)字化測(cè)繪技術(shù)相比于傳統(tǒng)的手工測(cè)量方式，可有效提升數(shù)據(jù)采集精度[4]，可將所采集的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中，可快速獲取大型樞紐工程所需測(cè)繪的具體坐標(biāo)信息[5]，將坐標(biāo)信息的相應(yīng)屬性信息豐富于要素點(diǎn)中。數(shù)字化測(cè)繪技術(shù)可保障水利工程中的屬性信息具有較高的精確性以及完整性[6]，為大型水利樞紐工程壩型選擇提供基礎(chǔ)。

壩型選擇是大型水利樞紐工程設(shè)計(jì)的重要問(wèn)題，工程造價(jià)、地形條件、地質(zhì)條件、樞紐布置方案等眾多因素對(duì)壩型選擇具有重要影響[7]，壩型選擇決定了大型水利樞紐工程的運(yùn)行可靠性。目前眾多研究學(xué)者對(duì)壩型選擇的研究較多，羅崇宏[8]以及胡洪浩等[9]分別考慮到了壩型選擇受深層風(fēng)化巖體的影響，將多級(jí)灰關(guān)聯(lián)方法應(yīng)用于壩型優(yōu)選中，對(duì)壩型選擇進(jìn)行了初步研究。

綜上，本文研究大型水利樞紐工程壩型數(shù)字化測(cè)繪技術(shù)，將數(shù)字化測(cè)繪技術(shù)應(yīng)用于大型水利樞紐工程壩型選擇中，分析大型樞紐水利工程的自然條件以及不同壩型的特點(diǎn)，充分考慮影響壩型選擇的相關(guān)因素，將數(shù)字化測(cè)繪技術(shù)獲取的測(cè)量結(jié)果作為壩型選擇的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，獲取最佳的壩型決策結(jié)果，應(yīng)用于大型水利樞紐工程實(shí)際中。

2 水利樞紐工程壩型數(shù)字化測(cè)繪

2.1 GPS數(shù)字化測(cè)繪技術(shù)

GPS技術(shù)是數(shù)字化測(cè)繪技術(shù)中的重要技術(shù)，將GPS技術(shù)應(yīng)用于大型水利樞紐工程壩型選擇中，具有外業(yè)工作量大，不受氣候影響以及無(wú)需通視即可獲取測(cè)量結(jié)果的優(yōu)點(diǎn)。差分處理和求解基線向量是GPS數(shù)字化測(cè)繪技術(shù)中數(shù)據(jù)處理分析的重要過(guò)程。

2.1.1差分處理

(1)單差

當(dāng)2個(gè)GPS觀測(cè)站同時(shí)觀測(cè)一個(gè)衛(wèi)星時(shí)，2個(gè)觀測(cè)站的測(cè)量之差即單差。

此時(shí)差分觀測(cè)方程如下：

(1)

(2)雙差

差異GPS觀測(cè)點(diǎn)在相同時(shí)間觀測(cè)相同衛(wèi)星，所獲取的單差之差即雙差，雙差觀測(cè)方程如下：

(2)

GPS技術(shù)進(jìn)行數(shù)字化測(cè)繪過(guò)程中，雙差可避免接收機(jī)受到鐘差影響，導(dǎo)致誤差提升[11]。

(3)三差

三差指GPS觀測(cè)點(diǎn)在差異歷元情況下，同步觀測(cè)衛(wèi)星，所獲取的各觀測(cè)量的雙差之差，通過(guò)三差的差分處理方程可以刪除整周未知數(shù)，但是采用三差的差分處理方法處理時(shí)，降低了觀測(cè)方程數(shù)量[12]。三差的差分處理方法的觀測(cè)方程表達(dá)式如下：

(3)

數(shù)字化測(cè)繪技術(shù)實(shí)際應(yīng)用的過(guò)程中，首先利用三差方法對(duì)GPS觀測(cè)量進(jìn)行差分處理，將三差方法所獲取的結(jié)果作為計(jì)算初始值，抵消測(cè)繪過(guò)程中的模糊度，再利用雙差或單差方法計(jì)算，完成差分處理。

2.1.2求解基線向量

線性處理GPS數(shù)字化測(cè)繪技術(shù)的差分觀測(cè)方程，實(shí)現(xiàn)基線向量的求解。設(shè)2個(gè)觀測(cè)站sj與sk，設(shè)置sj作為參考衛(wèi)星，可得線性處理雙差觀測(cè)方程表達(dá)式如下：

(4)

通過(guò)以上過(guò)程建立誤差方程組，評(píng)定所求解基線向量的精度。

選取廣播星歷和TGO1.62軟件實(shí)現(xiàn)大型水利樞紐工程壩型選擇的基線解算，完成基線解算后，利用以下過(guò)程將質(zhì)量較差的基線刪除，刪除流程如下：

(1)選取單頻解提升短基線的測(cè)繪精度，基線解算過(guò)程中，存在L1浮動(dòng)解情況下，可將該基線刪除[13]。

完成基線檢驗(yàn)后，選取隨機(jī)點(diǎn)坐標(biāo)作為差分處理基礎(chǔ)，進(jìn)行GPS網(wǎng)的三維無(wú)約束差分處理，獲取網(wǎng)點(diǎn)中的各基線向量的修正信息以及精度信息，判斷所獲取的GPS基準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)是否滿足大型水利樞紐工程壩型選擇的精度需求。

2.2 大型水利樞紐工程壩型優(yōu)選

依據(jù)GPS數(shù)字化測(cè)繪結(jié)果，利用灰關(guān)聯(lián)綜合評(píng)估方法獲取壩型優(yōu)選結(jié)果。大型水利樞紐工程壩型選擇是可利用眾多子系統(tǒng)體現(xiàn)的分層次結(jié)構(gòu)問(wèn)題，求解過(guò)程為：先求解分系統(tǒng)，再利用分系統(tǒng)求解結(jié)果獲取最終優(yōu)選結(jié)果。針對(duì)壩型選擇的分系統(tǒng)，選取灰色關(guān)聯(lián)度分析方法求解各個(gè)子系統(tǒng)。

2.2.1處理壩型優(yōu)選影響因素

(1)白化處理非量化影響因素的灰數(shù)指標(biāo)

灰數(shù)指標(biāo)估計(jì)結(jié)果表達(dá)式如下：

(5)

式中，umax、umin—灰數(shù)指標(biāo)最高值、最低值。

(6)

(2)均質(zhì)化處理影響因素

分析灰色關(guān)聯(lián)度前，需均質(zhì)化處理，完成白化處理的定性指標(biāo)以及定量指標(biāo)。

2.2.2分析灰色關(guān)聯(lián)度

依據(jù)GPS數(shù)字化測(cè)繪數(shù)據(jù)序列形成曲線的相似度，判斷數(shù)據(jù)序列間是否存在緊密聯(lián)系，獲取不同指標(biāo)的灰色關(guān)聯(lián)度。

(1)確定關(guān)聯(lián)系數(shù)

用X0=(x0(1)，x0(2)，…，x0(n))，X1=(x1(1)，x1(2)，…，x1(n))，Xm=(xm(1)，xm(2)，…，xm(n))表示GPS數(shù)字化測(cè)繪數(shù)據(jù)序列，當(dāng)θ∈(0，1)時(shí)，可得表達(dá)式如下：

(7)

式中，X0、θ—關(guān)聯(lián)度分析的首選參考數(shù)據(jù)序列、分辨系數(shù)，且0.1≤θ≤0.05;α(x0(k)，xi(k))表示針對(duì)因素k，x0(k)對(duì)xi(k)的關(guān)聯(lián)系數(shù)。

(2)確定權(quán)重系數(shù)

不同因素對(duì)壩型選擇的重要性程度存在較大差異[15]，用m表示評(píng)判因素?cái)?shù)量，建立權(quán)重分配矩陣表達(dá)式如下：

W=(w1，w2，…，wm，)

(8)

(3)綜合評(píng)判結(jié)果

建立大型樞紐工程壩型選擇的綜合評(píng)判表達(dá)式如下：

α(X0，Xi)=W×E=w×(θij)mn

(9)

公式(9)中，E=(α(x0(k)，xi(k)))mn，α(X0，Xi)與n分別表示X0對(duì)X的灰色關(guān)聯(lián)度以及待選擇的壩型方案數(shù)量。

以評(píng)判結(jié)果為依據(jù)，指導(dǎo)大型水利樞紐工程壩型的選擇。

3 實(shí)例分析

為驗(yàn)證本文方法將數(shù)字化測(cè)繪技術(shù)應(yīng)用于大型水利樞紐工程壩型選擇中的有效性，選取某大型水利樞紐工程作為研究對(duì)象，具備防洪、灌溉等功能。該工程包含壓力管道、溢洪洞、沖沙洞以及泄洪洞等眾多設(shè)施，屬于大(1)型一等工程。

GPS數(shù)字化測(cè)繪技術(shù)應(yīng)用于大型水利樞紐工程壩型選擇時(shí)，其測(cè)繪精度對(duì)壩型選擇具有重要影響。統(tǒng)計(jì)GPS測(cè)量技術(shù)在不同星歷誤差情況下，測(cè)量基線長(zhǎng)度的誤差，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖1所示。

圖1 星歷誤差對(duì)基線長(zhǎng)度的影響

由圖1可知，采用2個(gè)或多個(gè)GPS基站對(duì)相同的衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行同步觀測(cè)，可有效降低測(cè)量基線結(jié)果受星歷誤差的影響，將GPS數(shù)字化測(cè)繪技術(shù)應(yīng)用于大型水利樞紐工程壩型時(shí)，測(cè)繪范圍較大時(shí)，需通過(guò)精密星歷降低大型水利樞紐工程的數(shù)字化測(cè)繪的誤差。

采用靈敏度橢圓半徑作為衡量GPS數(shù)字化測(cè)繪技術(shù)靈敏性的重要指標(biāo)，靈敏性橢圓半徑越小時(shí)，GPS數(shù)字化測(cè)繪技術(shù)具有越高的靈敏性。在不同數(shù)量的獨(dú)立基線情況下，各GPS控制網(wǎng)點(diǎn)靈敏度，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖2所示。

圖2 靈敏度橢圓半徑

由圖2可知，本文方法采用GPS數(shù)字化測(cè)繪技術(shù)作為水利樞紐工程壩型選擇的測(cè)繪技術(shù)?；€數(shù)量為30條時(shí)，各GPS控制網(wǎng)點(diǎn)的靈敏度橢圓半徑低于4mm；基線數(shù)量為10條時(shí)，各GPS控制網(wǎng)點(diǎn)的靈敏度橢圓半徑均高于6mm，表明獨(dú)立基線的數(shù)量對(duì)GPS技術(shù)測(cè)量過(guò)程中的差分處理結(jié)果存在較大影響，獨(dú)立基線數(shù)量對(duì)GPS差分處理的靈敏性、可靠性以及差分處理精度均具有較高影響。本文方法將GPS技術(shù)應(yīng)用于水利樞紐工程壩型選擇時(shí)，應(yīng)選取合適的基線數(shù)量，利用合適的基線數(shù)量?jī)?yōu)化數(shù)字化測(cè)繪技術(shù)。

設(shè)置基線數(shù)量為30條，統(tǒng)計(jì)采用本文方法經(jīng)過(guò)3次差分處理后的不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)不同坐標(biāo)方向的測(cè)量誤差，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖3所示。

圖3 差分處理后誤差變化

由圖3可知，本文方法采用GPS實(shí)現(xiàn)大型水利樞紐工程的數(shù)字化測(cè)繪時(shí)，經(jīng)過(guò)3次差分處理后，可有效將不同坐標(biāo)軸方向的測(cè)量誤差調(diào)整至低于10mm，滿足大型水利樞紐工程壩型選擇的數(shù)據(jù)測(cè)量精度需求，說(shuō)明本文方法所采用的GPS數(shù)字化測(cè)繪技術(shù)中的差分處理技術(shù)具有較高有效性。

依據(jù)通過(guò)GPS數(shù)字化測(cè)繪技術(shù)所獲取的各項(xiàng)測(cè)量數(shù)據(jù)，采用本文方法綜合考慮不同壩型對(duì)大型水利樞紐工程的影響，結(jié)合工程實(shí)際情況以及壩址，獲取不同壩型方案的灰色關(guān)聯(lián)度，灰色關(guān)聯(lián)度統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖4所示。

圖4 灰色關(guān)聯(lián)度統(tǒng)計(jì)結(jié)果

由圖4可知，相比于其它壩型，碾壓混凝土重力拱壩具有較高的灰色關(guān)聯(lián)度，說(shuō)明將碾壓混凝土重力拱壩應(yīng)用于研究區(qū)域的大型水利樞紐工程中，有助于大型水利樞紐工程的良好運(yùn)行。

選取灰色關(guān)聯(lián)度排名較為靠前的3種壩型作為對(duì)比方案，通過(guò)不同壩型的性能對(duì)比結(jié)果確定應(yīng)用于大型水利樞紐工程中的最終壩型。不同壩型的性能對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 不同壩型性能對(duì)比結(jié)果

由表1可知，本文方法利用數(shù)字化測(cè)繪技術(shù)獲取的壩型選取結(jié)果，具有較高的實(shí)用性。采用本文方法選取的壩型具有工程工期短、投資少，施工簡(jiǎn)單以及抗震性能高、易于維護(hù)的優(yōu)勢(shì)，相比于灰色關(guān)聯(lián)度排名第2以及第3的瀝青混凝土心墻壩以及粘土心墻壩，本文方法所選取的碾壓混凝土重力拱壩更加適用于研究區(qū)域的大型水利樞紐工程中，實(shí)用性更高。

4 結(jié)論

數(shù)字化測(cè)繪技術(shù)可有效縮短水利工程的建設(shè)周期，有效控制運(yùn)營(yíng)成本，提升水利工程的工程效率以及工程質(zhì)量，將數(shù)字化測(cè)繪技術(shù)應(yīng)用于大型水利樞紐工程壩型選擇中，選取合適的基線數(shù)量，將不同坐標(biāo)軸方向的測(cè)量誤差調(diào)整至低于10mm，滿足大型水利樞紐工程壩型選擇的數(shù)據(jù)測(cè)量精度需求，且選取的壩型具有工程工期短、投資少，為大型水利樞紐工程的施工作業(yè)提供保障，通過(guò)高效、精準(zhǔn)的壩型選擇決策結(jié)果提升水利工程的工程質(zhì)量，推廣意義深遠(yuǎn)。

但是各個(gè)大型水利樞紐工程的設(shè)計(jì)特點(diǎn)與運(yùn)行情況不一致，觀測(cè)站設(shè)置過(guò)程受限，應(yīng)力應(yīng)變分析效果存在差距。因此，在未來(lái)的研究中，應(yīng)該注重隱式參數(shù)化的應(yīng)用，結(jié)合相關(guān)智能化監(jiān)測(cè)技術(shù)，以提升壩型優(yōu)化的有效性與準(zhǔn)確性。