水庫(kù)大壩變形觀測(cè)的有效措施探討

劉曉

(遼寧省白石水庫(kù)管理局，遼寧朝陽(yáng)122000)

1 GPS靜態(tài)定位的優(yōu)點(diǎn)

1)定位精準(zhǔn)度高，所需的觀測(cè)時(shí)間短。運(yùn)用載波相位觀測(cè)來做出相應(yīng)的定位，根據(jù)以往許多的實(shí)踐表明，使用GPS的相對(duì)定位精準(zhǔn)度可以在50 km以內(nèi)達(dá)到10－6，只需要有15～20 min的時(shí)間就能夠完成在20 km以內(nèi)的相對(duì)靜態(tài)定位，這是其他定為手段所不能達(dá)到的。

2)各個(gè)測(cè)試站之間不需要進(jìn)行通視。這極大地減少了對(duì)一些常規(guī)測(cè)量方法中所需要的制造標(biāo)志、掃除通視障礙等等所需要的費(fèi)用。

3)沒有時(shí)間限制。GPS系統(tǒng)可以進(jìn)行全天候觀測(cè)，不會(huì)受到陰天、黑夜、大霧、大風(fēng)、雨雪等氣候的影響。

4)為統(tǒng)一的坐標(biāo)系統(tǒng)提供3D立體信息。GPS定位對(duì)于坐標(biāo)的計(jì)算是在國(guó)際統(tǒng)一坐標(biāo)系統(tǒng)中進(jìn)行的，不同地點(diǎn)的測(cè)量成果都具有一定的關(guān)聯(lián)性，傳統(tǒng)的大地測(cè)量方法是采用不同的方法對(duì)平面和高程分別進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量出來的數(shù)據(jù)只是2D平面的，而GPS可以同時(shí)精確測(cè)量地點(diǎn)的3D坐標(biāo)。

5)操作簡(jiǎn)單便捷。隨著GPS接收機(jī)的不斷改進(jìn)，它的自動(dòng)化水平越來越高，有的接收機(jī)已經(jīng)達(dá)到了“傻瓜化”的程度;GPS接收機(jī)的體積在不斷減小，重量也隨著減輕，極大地緩解了測(cè)量工作者的緊張情緒和降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，讓測(cè)量工作者的野外工作變得輕松愉快。

6)功能多、應(yīng)用廣。GPS系統(tǒng)不僅可用于測(cè)量、導(dǎo)航，還可用于測(cè)速、測(cè)時(shí)等。

2 大壩變形因素分析

大壩變形的原因主要有以下幾種:

2.1 靜水壓力

1)在靜水壓力的作用下，壩體不同高度處受到了不同的水平推力，促使壩體形成撓曲變形。

2)由于水庫(kù)水壓及壩底揚(yáng)壓力對(duì)大壩的作用，從而使得壩體向下游方向轉(zhuǎn)動(dòng)，最終引起大壩變形。

3)由于受到水庫(kù)水體自身的重力作用，水庫(kù)庫(kù)底變形，從而使得大壩的壩基向上游方向轉(zhuǎn)動(dòng)，最終引起大壩變形。

2.2 壩體的溫度變化

大壩壩體的上下游混凝土的溫度變化不同，例如在夏季，大壩下游的混凝土整天受到太陽(yáng)的暴曬，溫度上升的快，一段時(shí)間過后，溫度高于當(dāng)天氣溫，可是在大壩的上游面，大部分的混凝土是處在水下的，太陽(yáng)無法直射，所以溫度就低于氣溫;在冬季，情況相反。這種溫度的變化使大壩產(chǎn)生了季節(jié)性的擺動(dòng)。壩體溫度變化而引發(fā)的混凝土脹縮是導(dǎo)致壩頂下陷的主要因素。另外，一些剛建成的大壩，壩體本身的混凝土也會(huì)產(chǎn)生熱脹冷縮的狀況，這也間接導(dǎo)致了壩體變形。

2.3 時(shí)效變化

由于混凝土的收縮變化等等一些建筑材料的變形，再加上基礎(chǔ)巖層在荷載作用下的變形而產(chǎn)生時(shí)效變化。時(shí)效變化的主要特點(diǎn)就是施工期間與運(yùn)營(yíng)的初期現(xiàn)象比較明顯，隨著時(shí)間的推移就會(huì)逐漸穩(wěn)定，出現(xiàn)時(shí)效變化也就越來越少。時(shí)效變化是不可避免的。

3 測(cè)量實(shí)施

根據(jù)我國(guó)現(xiàn)有的對(duì)于大壩的觀測(cè)資料來看，壩基發(fā)生變形主要是由于垂直位置的移動(dòng)和傾斜方面的變化，受到溫度的影響可以忽略不計(jì)。對(duì)于大壩變形觀測(cè)的主要內(nèi)容是壩體的垂直和水平移動(dòng)以及撓曲方面的觀測(cè)。對(duì)于垂直移動(dòng)觀測(cè)，主要使用的是:①精準(zhǔn)水準(zhǔn)測(cè)量、GPS等等技術(shù);②水平移動(dòng)的觀測(cè)是采用前方交會(huì)、GPS等項(xiàng)技術(shù);③對(duì)撓曲情況的觀測(cè)主要采用正、倒線觀測(cè)系統(tǒng)。另外還會(huì)對(duì)大壩進(jìn)行裂縫監(jiān)測(cè)，以及大壩壩體的溫度、壓力的變化也都需要進(jìn)行觀測(cè)。本文主要是對(duì)水平和垂直位移進(jìn)行觀測(cè)。

3.1 大壩變形觀測(cè)設(shè)計(jì)

在大壩變形觀測(cè)中最基礎(chǔ)的就是要設(shè)計(jì)基準(zhǔn)點(diǎn)，并且必須要保證基準(zhǔn)點(diǎn)的堅(jiān)固和穩(wěn)定。所以基準(zhǔn)點(diǎn)應(yīng)該要選擇大壩變形區(qū)以外的地址較好，又能夠永久保存的地方。為了對(duì)基準(zhǔn)點(diǎn)的穩(wěn)定進(jìn)行檢驗(yàn)核準(zhǔn)，在水平和垂直位移監(jiān)測(cè)的基準(zhǔn)點(diǎn)都是以組的形式存在。水準(zhǔn)基點(diǎn)組都是選在距離水庫(kù)1 km的地方，有3個(gè)點(diǎn)組成一個(gè)等邊三角形。水平位移的基準(zhǔn)點(diǎn)是選在距離水庫(kù)約1.5 km的遠(yuǎn)離變形區(qū)的地方。3個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，兩兩互相通視，這樣方便使用大地測(cè)量方法來對(duì)所設(shè)立的每個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行檢核。

3.1.1 水平位移觀測(cè)

水平位移觀測(cè)方法是采用布設(shè)GPS監(jiān)測(cè)網(wǎng)，在大壩的壩腳、壩坡以及壩頂布設(shè)3個(gè)監(jiān)測(cè)網(wǎng)，用連接的方式分別將這3個(gè)監(jiān)測(cè)網(wǎng)與已經(jīng)設(shè)定的，距離大壩有1.5 km的4個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)測(cè)。將基準(zhǔn)點(diǎn)、工作基點(diǎn)以及校核基點(diǎn)都列入主網(wǎng)的范圍，進(jìn)行統(tǒng)一觀測(cè)。為了能夠提高GPS網(wǎng)的精確度與可靠度，GPS的每個(gè)點(diǎn)與點(diǎn)之間要構(gòu)成盡量多的異步環(huán)，這個(gè)異步環(huán)是由GPS獨(dú)立邊組成的，能夠讓GPS網(wǎng)具有足夠的多余觀測(cè)。

3.1.2 垂直位移觀測(cè)

垂直位移觀測(cè)采用精密水準(zhǔn)測(cè)量法，在大壩開外1 km的地方設(shè)置3個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，使用電子水準(zhǔn)儀進(jìn)行觀測(cè)，并且與國(guó)家所建立的二等水準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)合觀測(cè)，來測(cè)定基準(zhǔn)點(diǎn)的高程。從基本水準(zhǔn)點(diǎn)開始進(jìn)行測(cè)量，然后依次經(jīng)過大壩的壩腳、壩坡以及壩頂，這樣就能夠形成一個(gè)閉合的觀測(cè)路線，從而對(duì)大壩的垂直位移進(jìn)行觀測(cè)。

3.2 GPS網(wǎng)觀測(cè)

采用3臺(tái)由日本托普康公司所生產(chǎn)的精密Top Con Hi Per雙頻GPS接收機(jī)來對(duì)大壩變形進(jìn)行觀測(cè)，該儀器配備有可以抑制多路徑效應(yīng)的扼流圈天線，作業(yè)采取的方式是用靜態(tài)相對(duì)定位的方法來進(jìn)行觀測(cè)。

3.3 數(shù)據(jù)處理

3.3.1 基線解算

由于GPS網(wǎng)對(duì)于數(shù)據(jù)的要求較高，所以在進(jìn)行基線向量解算時(shí)一定要將對(duì)流層對(duì)數(shù)據(jù)的影響納入考慮范圍，采用特殊的軟件對(duì)對(duì)流層所產(chǎn)生的影響進(jìn)行改進(jìn)解決，還需要采用精密星歷的方法來進(jìn)行解算，得出的基線結(jié)果要用雙差固定解。

3.3.2 GPS網(wǎng)平差

在完成基線解算之后，在WGS－84坐標(biāo)系下進(jìn)行3D無約束平差，對(duì)于無約束平差需要對(duì)其參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn):

1)方差分量因子估值σ2檢驗(yàn);

2)每個(gè)改正數(shù)粗差的檢驗(yàn)。

為了能夠提高GPS測(cè)量的精確度與可靠性，在完成無約束平差計(jì)算之后，還應(yīng)該及時(shí)對(duì)同步環(huán)閉合差、異步環(huán)閉合差以及復(fù)測(cè)邊等項(xiàng)進(jìn)行檢查計(jì)算，在基線解算質(zhì)量檢核的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對(duì)GPS網(wǎng)內(nèi)部符合精度與外業(yè)觀測(cè)的質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)，產(chǎn)生的獨(dú)立閉合環(huán)坐標(biāo)閉合差應(yīng)滿足以下條件:

式中:σ為標(biāo)準(zhǔn)差;Ws為環(huán)閉合差，n為獨(dú)立環(huán)中邊數(shù)。

基線分量的改正數(shù)絕對(duì)值應(yīng)滿足下式:

V△x≤3σ V△y≤3σ V△z≤3σ σ為相應(yīng)級(jí)別規(guī)定的基線的精度。

4 提高精度的措施

1)采用強(qiáng)制對(duì)中的觀測(cè)墩。如果將GPS天安裝在三腳架上進(jìn)行觀測(cè)，那么產(chǎn)生的對(duì)中誤差一般是在1～3 mm，并且當(dāng)GPS觀測(cè)的時(shí)間比較長(zhǎng)的時(shí)候，三腳架的腳架就會(huì)因?yàn)槭艿斤L(fēng)水以及日曬而發(fā)生變形，從而影響測(cè)量的精準(zhǔn)度，所以，在GPS變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)上應(yīng)該采用強(qiáng)制對(duì)中的觀測(cè)墩，把觀測(cè)墩作為測(cè)量標(biāo)志，并且要妥善保護(hù)，防止它受到破壞。

2)采用具有強(qiáng)抗干擾能力的天線，并在觀測(cè)中將天線朝北進(jìn)行定向。GPS天線的相位中心的偏差一般都只有幾mm，為了能夠減少天線所存在的定向誤差對(duì)GPS基線向量的影響，需要在每個(gè)觀測(cè)墩上標(biāo)出指向北方的標(biāo)志，在進(jìn)行觀測(cè)時(shí)要將天線按照定向線的位置進(jìn)行安置。

3)安排足夠的觀測(cè)時(shí)間以及選擇恰當(dāng)?shù)拇翱谶M(jìn)行觀測(cè)。衛(wèi)星星歷所造成的誤差對(duì)于GPS的基線具有一定的影響，在采用廣播星歷受到可用性技術(shù)干擾時(shí)，不同時(shí)刻所收集到的廣播星歷在坐標(biāo)框架中的方向偏差就會(huì)有2″，尺度偏差范圍在10－6～10－7，這種偏差對(duì)大壩變形觀測(cè)的結(jié)果具有較大的影響。

研究表明，如果觀測(cè)的時(shí)間較長(zhǎng)，那么只要對(duì)收到的星歷進(jìn)行擬合，就可以提高星歷的精確度，還能夠滿足大壩變形觀測(cè)的需求。所以，在采用GPS技術(shù)對(duì)大壩進(jìn)行形變監(jiān)測(cè)時(shí)，一定要有的足夠的時(shí)間來觀測(cè)，與此同時(shí)，延長(zhǎng)觀測(cè)時(shí)間還能夠減少隨機(jī)誤差的產(chǎn)生，進(jìn)一步提高觀測(cè)精確度。

4)制定合理的觀測(cè)方案。方案中需要注意的是，一定要保證有足夠的多余觀測(cè)，以便于剔除粗差，減少誤差的積累。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展與進(jìn)步，測(cè)繪技術(shù)也是在不斷發(fā)展，GPS系統(tǒng)的應(yīng)用范圍將更加廣闊，也必定會(huì)出現(xiàn)更好的水庫(kù)大壩GPS自動(dòng)化變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

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