GPS在碼頭水平位移監(jiān)測中的應(yīng)用研究

楊富春,黃張裕,洪 毅,郭騰龍

(河海大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 南京 210098)

傳統(tǒng)的碼頭水平位移監(jiān)測方法有很多,主要有視準線法、支距法、引張線法、前方交會法、極坐標法以及小角法等[1],這些方法有其各自的優(yōu)點,如投資小,作業(yè)方便靈活等,但也會受場地通視條件、大氣折光及碼頭附近地形條件的限制,實際施測不是很方便。而GPS具有觀測精度高、不受通視條件限制及全天候作業(yè)等優(yōu)點[2],可以很好的應(yīng)用于碼頭的位移監(jiān)測中。隨著GPS系統(tǒng)的不斷完善,數(shù)據(jù)處理軟件性能不斷得到改進,測量的精度得到了很大的提高,平面精度可以達到毫米級甚至亞毫米級,高程精度也可以達到厘米級甚至毫米級,完全可以滿足常規(guī)監(jiān)測要求,高精度的GPS正越來越多的被應(yīng)用到精密工程測量中[3-5]。依據(jù)《水運工程測量規(guī)范》(JTJ203-2001),碼頭屬于對變形比較敏感的水工建筑物,變形監(jiān)測點應(yīng)滿足二等精度要求,即平面點位誤差不大于±3mm,高程中誤差不大于±1mm[6]。采用GPS進行平面位移監(jiān)測,施測方便,測驗精度完全可以滿足實際監(jiān)測要求。本文針對某一碼頭的監(jiān)測實例,分析了GPS用于碼頭水平位移監(jiān)測的方法和施測流程,并進行精度分析和監(jiān)測資料分析,表明GPS完全可以滿足碼頭水平位移監(jiān)測的要求。

1 碼頭監(jiān)測網(wǎng)布設(shè)

1.1 監(jiān)測概況

長江沿岸某碼頭為高樁梁板結(jié)構(gòu),碼頭長745 m,寬 35 m,建設(shè) 2個50000 t級雜貨泊位,1個40000 t級多用途泊位,引橋4座。碼頭上部為現(xiàn)澆下橫梁、上橫梁,預(yù)制安裝縱梁和碼頭面板,現(xiàn)澆碼頭面層,施工已經(jīng)完成。該碼頭大部分建筑物位于水中,按照設(shè)計監(jiān)測要求,整個監(jiān)測網(wǎng)共布設(shè)34個點,其中遠離碼頭變形區(qū)域外布設(shè)2個基準點,碼頭4個引橋上各布設(shè)2個監(jiān)測點,整個碼頭上布設(shè)24個監(jiān)測點,如圖1所示。

圖1 碼頭基準點及監(jiān)測點布置圖

1.2 基準點布設(shè)

基準點是整個碼頭監(jiān)測系統(tǒng)起算的基準,其精度直接決定后續(xù)每期解算的成果精度,所以基準點布設(shè)應(yīng)滿足穩(wěn)定可靠、方便作業(yè)及觀測條件好等基本條件[7]。基準點布設(shè)個數(shù)至少2個,最好是3個,以防止在其中一個基準點遭到破壞后可以用第三個點代替,保證基準的穩(wěn)定性分析?；鶞庶c建造觀測墩,并安裝強制對中裝置,且基準點布設(shè)應(yīng)盡量與碼頭平行,如圖1所示。

1.3 監(jiān)測點布設(shè)

碼頭監(jiān)測點的布設(shè)位置選擇在能反映變形體形變特征又便于監(jiān)測的位置。GPS測量雖然對通視條件沒有要求,但對周圍環(huán)境還是有要求的。由于碼頭上情況復(fù)雜,通常都有大型的機器作業(yè),在碼頭兩側(cè)一般堆放有很多物品。所以在監(jiān)測點布設(shè)時盡量避開這些大型機器,減少多路徑效應(yīng)的影響,有良好的天空視角,保證GPS接收機能跟蹤到更多的衛(wèi)星。對于該碼頭監(jiān)測點布設(shè)在每一塊伸縮縫附近,且碼頭兩側(cè)各布設(shè)一個,監(jiān)測點大致在一條直線上,如圖1所示。

2 GPS觀測方法

水平位移外業(yè)觀測采用4臺Topcon HiperⅡG型雙頻GPS接收機,儀器標稱精度為3mm+0.5 ppm,以靜態(tài)模式進行同步觀測。作業(yè)方式嚴格按照表1所示的GPS測量作業(yè)技術(shù)指標進行,作業(yè)前進行測區(qū)衛(wèi)星預(yù)報,確保衛(wèi)星狀態(tài)滿足測量要求。

表1 GPS測量作業(yè)規(guī)范要求

外業(yè)觀測作業(yè)嚴格按照GPS操作規(guī)程進行操作,在每點設(shè)站精確對中整平,對中誤差小于1mm,在間隔120°三個方向處各量取一次天線高,三個方向量取值之差不得超過2mm,取平均值作為天線高;若三個方向量取的天線高之差超過2mm,則需重新整平儀器。觀測時A、B兩臺接收機分別架設(shè)在兩個基準點上,C、D兩臺接收機分別架設(shè)在兩個監(jiān)測點上;一個觀測時段結(jié)束后,A、B兩臺接收機不動,保持基準的一致性,C、D兩臺接收機移到另外兩個監(jiān)測點上,直至整個監(jiān)測網(wǎng)所有監(jiān)測點觀測完畢。首期觀測由于3號引橋上臨時停放很多機器設(shè)備,兩個監(jiān)測點無法觀測,所以第一期數(shù)據(jù)中缺失YQ3-1和YQ3-2這兩個點的數(shù)據(jù),這兩個點將會在后續(xù)的各期觀測中添加進來。

3 數(shù)據(jù)處理和精度分析

3.1 基線解算及外業(yè)數(shù)據(jù)檢核

GPS觀測數(shù)據(jù)處理采用拓普康公司的隨機軟件Topcon Tools進行基線解算和平差處理。基線解算采用雙差固定解,進行單基線解算,對解算后基線向量進行殘差分析,對殘差較大的基線進行相應(yīng)解算處理,剔除不合格基線向量,保證基線向量觀測值偶然中誤差不大于±1cm。

GPS觀測解算總共得到79條基線,基線解算精度都達到毫米級,最大基線邊長中誤差為4.2mm,最小基線邊長中誤差為1.4mm。受篇幅限制,本文只給出典型的20條基線的解算精度進行統(tǒng)計。

表2 GPS監(jiān)測網(wǎng)基線邊長中誤差和相對中誤差

3.2 GPS網(wǎng)平差處理

首先在WGS-84坐標系下,對GPS網(wǎng)進行整體無約束平差,此時所有觀測基線向量都參與平差,以此來檢測外業(yè)觀測成果內(nèi)符合精度。經(jīng)檢驗,基線向量改正數(shù) VΔ x、VΔ y、VΔ z均小于等于 3σ(對應(yīng)等級的單位權(quán)中誤差),未出現(xiàn)異常,因此觀測成果具有較高的內(nèi)符合精度,不存在明顯粗差。

然后再選取獨立基線的最優(yōu)解進行構(gòu)網(wǎng)約束平差,僅固定T1點(T1點為業(yè)主提供的已知坐標點),將WGS-84基線向量歸化到北京54坐標系橢球面上,通過高斯正形投影,經(jīng)平移旋轉(zhuǎn)變換,得到中央子午線經(jīng)度為120°的平面直角坐標成果。經(jīng)過整體平差,得到各監(jiān)測點和基準點坐標值。表3給出了兩個基準點、所有監(jiān)測點的精度統(tǒng)計。

表3 基準點及監(jiān)測點的精度統(tǒng)計 單位:mm

從表3基準點和監(jiān)測點的中誤差可以看出, GPS在高程(U)方向的精度要比南北(N)和東西(E)方向的低一些,但都沒有超過3mm,水平位移監(jiān)測滿足碼頭監(jiān)測精度要求,高程位移不能滿足碼頭監(jiān)測高程的精度要求,所以GPS測得的高程數(shù)據(jù)只能作為一種參考數(shù)據(jù),監(jiān)測點的高程測量還是要用傳統(tǒng)的二等幾何水準測量來完成。從表3中也可以看出監(jiān)測點的平面點位中誤差都在3mm以內(nèi),滿足碼頭監(jiān)測的精度要求,監(jiān)測成果合格,數(shù)據(jù)有效。

本次GPS網(wǎng)平差得到的數(shù)據(jù)作為第一期監(jiān)測數(shù)據(jù),其中基準點T1、T2點坐標將作為后面各期觀測數(shù)據(jù)平差時的約束點,后面各期觀測都進約束平差,測得的數(shù)據(jù)分別與第一期數(shù)據(jù)求差,得到各監(jiān)測點的水平位移值,從而分析碼頭的平面變形情況。

4 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

該碼頭的監(jiān)測工作從2011年1月15日開始,至2011年10月底已進行了10期變形觀測。由于碼頭監(jiān)測點比較多,現(xiàn)只選取典型的6個點為例進行形變分析。圖2、圖3分別給出了碼頭上這6個監(jiān)測點在南北向(N)、東西向(E)的點位水平位移變化。表4為6個監(jiān)測點的累計變化量。

圖2 6個監(jiān)測點在南北向(N)的位移值

圖3 6個監(jiān)測點在東西向(E)的位移值

從圖2、圖3、表4可以看出6個監(jiān)測點在南北向(N)和東西向(E)有小范圍的位移變化,到2011年10月底(施工完成近1年)為止,累計的位移量也只在4mm以內(nèi),平面位移累計不超過5mm?？紤]到碼頭受到荷載、風(fēng)力、江水漲潮落潮的影響,可以認為整個碼頭沒有發(fā)生整體大趨勢性偏移,碼頭的穩(wěn)定性良好,結(jié)構(gòu)安全。

表4 監(jiān)測點累計位移量 單位:mm

5 結(jié) 論

傳統(tǒng)的碼頭水平位移監(jiān)測方法很多,各有適用條件,高精度GPS應(yīng)用到碼頭監(jiān)測中有很多優(yōu)勢,不但精度高,而且施測方便,可以滿足實際監(jiān)測要求,從而大大改善了變形監(jiān)測的作業(yè)方式及數(shù)據(jù)處理過程。

(1)通過某碼頭監(jiān)測實例分析,表明利用GPS進行測量,監(jiān)測點的平面精度完全可以滿足碼頭二等精度的要求。

(2)GPS高程方向的精度要比平面精度差一些,碼頭平面位移監(jiān)測和沉降監(jiān)測要分開進行,平面位移監(jiān)測用GPS,沉降監(jiān)測仍然用二等水準進行測量。

(3)每個碼頭自身環(huán)境的復(fù)雜情況不同,在埋點時要根據(jù)不同的情況選出最有利于GPS觀測的位置,受遮擋的點位可以通過適當延長觀測時間來提高點位精度。

(4)對碼頭進行的10期監(jiān)測數(shù)據(jù)分析得出該碼頭整體穩(wěn)定性良好。

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