GPS在汾河水庫自動監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用

李澤平 溫杰 李臘梅 尹文廣

摘要：結(jié)合汾河水庫的特點，介紹了GPS在水庫自動監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用，重點闡述GPS監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計方案，并對數(shù)據(jù)結(jié)果進行分析評價。

關(guān)鍵詞：GPS 水庫 自動監(jiān)測系統(tǒng)

中圖分類號：P2 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2012）10（b）-0020-02

1 測區(qū)概況

汾河水庫位于山西省最大的河流——汾河干流上游婁煩縣境內(nèi)，是山西省的第一座大（Ⅱ）型水庫，兼有供水、發(fā)電、旅游等綜合效益的大型水利樞紐工程，控制流域面積5268km2，總庫容7.21億m3，最大回水長度18km，最大回水面積32km2。

汾河水庫樞紐工程由大壩、溢洪道、泄洪排沙洞、輸水洞和水電站五部分組成。大壩壩高61.4m，壩頂高程1131.4m（大沽高程系），壩頂寬6m，長1002m，大壩總長1002m，其中主壩長420m，左副壩長440m，右副壩長142m；主壩和左副壩頂設(shè)有2m高砼防浪墻，右副壩頂有2m高的自潰土壩。溢洪道位于右岸，總長345m，堰頂高程1122m，凈寬24m，堰型為開敞式實用斷面堰，設(shè)兩扇7m×12m弧形鋼閘門，最大泄量1298m3/s。泄洪洞洞徑8m，總長1050m，進口高程1086.2m，出口高程1072.18m，進口設(shè)4.872m×8.1m的兩扇平板事故鋼閘門，出口設(shè)7m×6.5m的一扇弧形鋼閘門，最大泄量820m3/s。輸水洞位于大壩右岸，進口高程1089.4m，出口高程1071.8m，洞徑4m，長598m，出口設(shè)有3.6m×3.6m弧形鋼閘門，最大泄量116m3/s，系挑流消能。水電站為壩后引水式季節(jié)性電站，裝機容量為2×6500kW。

2 自動監(jiān)測系統(tǒng)方案設(shè)計

隨著科學技術(shù)、電子技術(shù)的飛速發(fā)展，新的監(jiān)測技術(shù)也不斷引入到大壩的變形監(jiān)測中。全球定位系統(tǒng)（GPS）監(jiān)測系統(tǒng)已經(jīng)被成功地應(yīng)用到一些大壩、特大型建筑物等的防災(zāi)減災(zāi)中。

2.1選點的原則與要求

一般來說，監(jiān)測點位接收GPS衛(wèi)星的能力與測站周圍的觀測環(huán)境有很大關(guān)系，監(jiān)測精度與觀測時長息息相關(guān)。所以，在選點時，綜合考慮壩體結(jié)構(gòu)及觀測環(huán)境等因素，擬采用如下兩種類型的點位。

（1）基準點，該類點離壩較遠，是水庫壩體及庫岸邊坡表面變形監(jiān)測中的參考點，目的是作為變形監(jiān)測的基準，作為連續(xù)運行基準站；位于地質(zhì)條件良好、點位穩(wěn)定、能提供電源且適合進行GPS觀測的地方。每個基準點上需設(shè)置堅固穩(wěn)定的觀測墩，建有鋼質(zhì)強制對中裝置，且有蓋板和GPS保護罩保護。

（2）監(jiān)測點，該類點位于主壩壩頂、左副壩頂及右副壩頂，四周無遮擋，目的是監(jiān)測主壩面、左副壩體表面、右副壩體表面的形變，作為工程安全控制性測點的連續(xù)運行監(jiān)測站；和基準點一樣，接收機天線用強制對中器對中并進行整平、定向、量取儀器高后固定安放在觀測墩上，然后在天線外安裝了專用的玻璃鋼保護罩。天線與接收機之間用專用電纜聯(lián)接，外用套管保護。

2.2方案設(shè)計

依據(jù)實地勘測與相關(guān)地質(zhì)資料，在庫區(qū)的東岸和西岸高（山）坡上選擇2個GPS監(jiān)測系統(tǒng)的基準點（GPS1、GPS2），在距庫區(qū)較遠的上游區(qū)域設(shè)置1個基準點（GPS0），作為GPS1、GPS2的校測基準點，GPS0不需要固定安裝GPS接收機，只要進行定期的觀測即可。GPS監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測點主要集中在壩頂（包括主壩、左副壩、右副壩）表面，初步設(shè)計布置5個監(jiān)測點（GPS3～GPS7），各點位置如圖1所示。

3 自動監(jiān)測系統(tǒng)方案實施

3.1儀器設(shè)備選配

根據(jù)設(shè)計方案，在GPS0～GPS7共8個布設(shè)點上分別安裝了GMX902GG接收機。為保證通訊質(zhì)量，現(xiàn)場采用架設(shè)有線通訊的通訊形式，5個監(jiān)測點和2個基準點的GPS監(jiān)測數(shù)據(jù)采用有線方式，通過RS486和TCP/IP協(xié)議，以單模光纖方式，發(fā)送到機房內(nèi)的Spider服務(wù)器上，再通過GeoMoS監(jiān)測系統(tǒng)軟件實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、展示和分析，實現(xiàn)了GPS監(jiān)測數(shù)據(jù)和變化過程的可視化。

3.2方案實施

對2個基準點和5個監(jiān)測點進行兩個時段的觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量分析，其中一個觀測時段為24h；另一個觀測時段為12h。

對于所觀測的兩個時段的數(shù)據(jù)分別按照1h、2h、4h和6h四種解算模式進行了處理解算。

采用最小二乘配置原理，針對誤差方程

的協(xié)因數(shù)陣為：

其中L為觀測向量；為非隨機參數(shù)；為隨機參數(shù)；B、A為相應(yīng)系數(shù)；n+m為觀測總數(shù)；t+m為未知參數(shù)數(shù)。

可得如下結(jié)論（如表1）。

為達到高精度數(shù)據(jù)，汾河水庫監(jiān)測系統(tǒng)依靠GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)，通過采集6h數(shù)據(jù)，進行靜態(tài)后處理解算，得到各點在6h內(nèi)發(fā)生的位移和沉降，對汾河水庫變形區(qū)域進行地表監(jiān)測，得到的位移和沉降結(jié)果。

3.3GPS自動監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

4 結(jié)語

汾河水庫大壩，屬于大型人工水中填黃土均質(zhì)壩，在變形監(jiān)測方面實行自動化安全監(jiān)測十分必要。而GPS監(jiān)測系統(tǒng)具有監(jiān)測精度高、自動化程度高、速度快、全天候、實時、連續(xù)、不受氣候影響、不受通視條件影響等諸多優(yōu)點，使其在監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越廣泛，做到真正的安全監(jiān)測。

參考文獻

[1] GB/T18314-2001，全球定位系統(tǒng)（GPS）測量規(guī)范[S].

[2] DL/T5211-2005，大壩安全監(jiān)測自動化技術(shù)規(guī)范[S].