GPS在石門子水庫大壩外部變形監(jiān)測中的應用

張志國,李曉飛

(1.瑪納斯縣塔西河流域管理處石門子水庫管理站,新疆 昌吉 831100)2.新疆水利水電勘測設計研究院測繪工程院,新疆 昌吉831100)

0 引 言

塔西河石門子水庫樞紐工程位于新疆昌吉州瑪納斯縣境內(nèi)，距瑪納斯縣以南約42 km處，塔西河峽谷處，主壩為混凝土雙曲拱壩，壩高109 m，副壩為土石壩。水庫庫容5400萬立方米，水庫正常蓄水位高程1390 m，樞紐主體工程于2003年完工，石門子水庫大壩外部變形監(jiān)由平面位移監(jiān)測和垂直位移監(jiān)測兩項組成。為更好的了解水庫大壩，隨水庫蓄水水位升降而發(fā)生的水平及垂直位移的變化的規(guī)律,從而確定水庫安全運行的科學管理方法，采用GPS于2003-2013年先后對石門子水庫大壩進行了17次平面變形監(jiān)測，并對變形監(jiān)測數(shù)據(jù)進行了分析、總結(jié)。

1 石門子水庫變大壩(混凝土雙曲拱壩)變形監(jiān)測

1.1 變形監(jiān)測網(wǎng)的等級的確定[1-5]

根據(jù)實際工作的要求，變形監(jiān)測網(wǎng)是為了監(jiān)測水庫大壩變形用的，因此先確定變形監(jiān)測網(wǎng)的等級，等級低了不能起到監(jiān)測的作用，等級高了監(jiān)測成本較大，根據(jù)《全球定位系統(tǒng)(GPS)測量規(guī)范》GB/T 18314-2009混凝土觀測一般選用C 級GPS網(wǎng)觀測就可以滿足精度要求，將C 級GPS網(wǎng)精度和《水利水電工程測量規(guī)范》SL197-97 GPS網(wǎng)精度對照其精度和二等GPS網(wǎng)精度相當，所以平面一般選擇二等GPS網(wǎng)進行觀測，測量誤差按《混凝土壩安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》DL/T 5178-2003中混凝土雙曲拱壩的徑體向位移和垂直位移中誤差限值為±3 mm的規(guī)定。

1.2 變形監(jiān)測點位的選擇

根據(jù)各監(jiān)測點的作用，石門子水庫變形監(jiān)測網(wǎng)中由2個控制基點(TN3、TN4)，4個工作基點(TS1、TS2、TS4、TS7)，和5個位移監(jiān)測點組成，其中工作基點和位移監(jiān)測點均是平面采用的強制對中標志。

控制基點點位選擇的原則：平面控制基點(TN3、TN4)位于主壩下游側(cè)約300 m左右穩(wěn)固山體上,其原因是使其免受大壩蓄水的影響,使其在不同蓄水水位下都保持穩(wěn)定,從而達到控制平面工作基點的作用，即要遠離水庫大壩，但距離太遠觀測不便，而且觀測誤差較大，一般選擇在離大壩300～1 000 m的不受大壩蓄水影響的穩(wěn)固巖體上較為合適。

變形監(jiān)測工作基點點位選擇的原則：工作基點(TS1、TS2、TS4、TS7)位于水庫四周的通視條件良好且便于觀測大壩的巖體上，其原因是滿足當前各種觀測方法(小角度法、三角網(wǎng)交會、邊角網(wǎng)、GPS觀測法)等觀測方法的實施。

變形監(jiān)測點點位選擇的原則：水平監(jiān)測點(5個)及垂直監(jiān)測點(5個)均勻分布在水庫大壩上，應使對其觀測的數(shù)據(jù)對大壩穩(wěn)定性分析有一定的代表性。

1.3 變形監(jiān)測點的觀測

石門子水庫大壩采用美國Trimble 5700 GPS雙頻接收機4臺 (標稱精度：5 mm+0.5 ppm×D)進行觀測，觀測參數(shù)見表1.觀測中要注意：變形監(jiān)測要求精度較高，需要消除Zephyr天線相位中心偏離誤差，要求觀測人員將Zephyr天線測量口朝北。

表1 二等GPS網(wǎng)觀測參數(shù)表

石門子水庫位于山谷的河槽中，在觀測前負責人對每個觀測點的精度衰減因子(DOP)值及星歷預報圖做詳細的記錄與分析，避免因衛(wèi)星狀況、高度角、障礙物等原因引起周跳發(fā)生，具體操作塔西河石門子水庫ZB5測站衛(wèi)星編輯如圖1所示、ZB4測站衛(wèi)星編輯，如圖2所示。圖1中東南部有40%左右的天空被山體遮擋，接收不到衛(wèi)星信號，說明ZB5測站有很多衛(wèi)星被遮擋，在一定時間段是無法觀測的，而圖2中顯示沒有衛(wèi)星被遮擋，ZB4測站在任何時間段均可觀測。

圖1 塔西河石門子水庫ZB5測站衛(wèi)星編輯

圖2 塔西河石門子水庫ZB4測站衛(wèi)星編輯

從ZB4測站的衛(wèi)星可見性圖，如圖3所示，可以得出ZB4測站，全天24 h都可以有5顆有效衛(wèi)星數(shù)觀測，而ZB5測站的衛(wèi)星可見性圖,如圖4所示，ZB5測站只有0∶00-2∶00、6∶00-17∶00的時間段有5顆有效衛(wèi)星數(shù)觀測，即ZB5只有在這兩個時間段能使用GPS手段觀測。

從ZB4測站的衛(wèi)星DOP值圖，如圖5所示，可以得出ZB4全天只有6∶00-7∶00、23∶00-24∶00時DOP值大于6，不能采用GPS觀測，其它時間均可以。而從ZB5測站的衛(wèi)星DOP值，如圖6所示上可以得出ZB5全天只有0∶00-2∶00、3∶00-4∶00、7∶20-9∶40、10∶40-13∶30、14∶40-17∶10的時間段DOP值小于6，可以采用GPS觀測，其它時間均可以。

綜合上述因素和觀測參數(shù)的要求及安全因素因據(jù)白天觀測的要求，確定ZB5監(jiān)測點在上午7∶20-9∶40、10∶40-13∶30進行觀測能滿足要求，而其他時間觀測的精度將無法滿足精度要求。觀測時要求觀測人員嚴格按項目負責的要求進行觀測，避免重復測量發(fā)生。

1.4 變形監(jiān)測點的數(shù)據(jù)處理

1.4.1 基線處理

1) 基線解算原始數(shù)據(jù)的錄入。采用天寶TTC軟件，新建項目導入觀測的GPS數(shù)據(jù)、輸入點名、天線高及量取方法等信息。也可以事先建立好相應的RINEX文件，其好處在于在下次使用時可以不需要再輸入測站信息，便于檢查。

2) 基線解算參數(shù)的設置。高度截止角、采樣時間間隔等參數(shù)設置必須在觀測前完成。再確定解算精度限差及所使用的模型，其他參數(shù)為默認。

3) GPS基線的處理。點擊基線處理對話框，可以對基線進行處理，處理中包括起止點名、觀測時段時間長度等信息，如圖7所示，在解算中18372340-18392340基線最差，選中基線屬性統(tǒng)計對話框，如圖8所示，可以看出其中Ratio為2.0小于3不合適，需要進行重新處理。

掃描衛(wèi)星圖如圖9所示，將觀測質(zhì)量較差的時間段禁用，或?qū)⒂^測質(zhì)量較差的衛(wèi)星星歷禁用后重新處理基線，處理完畢18372340-18392340基線的Ratio為51.0基線屬性圖(圖10)，各方向的標準差都在0.6 mm以內(nèi)，整個網(wǎng)的基線解算橢圓誤差最大為0.6 mm ,說明基線計算全部通過。GPS基線的處理是很關鍵的一步，只要操作正確且計算結(jié)果符合測量等級的要求，在基線質(zhì)量檢驗這一步也能順利通過。

圖3 塔西河石門子水庫ZB4測站衛(wèi)星可見性編輯

圖4 塔西河石門子水庫ZB4測站衛(wèi)星可見性編輯

圖5 塔西河石門子水庫ZB4測站衛(wèi)星DOP值編輯

圖6 塔西河石門子水庫ZB5測站衛(wèi)星DOP值編輯

圖7 基線處理結(jié)果圖表 圖8 基線屬性

圖9 掃描衛(wèi)星圖 圖10 基線屬性圖

TTC軟件有一個缺點，即會自動合并復測基線。如要檢查復測基線，要對“觀測時段”列中含有多個觀測值的行刪除后，重新添加。這時如果之前建立好了原始觀測文件對應RINEX文件則會相當簡單，直接導入RINEX文件即可，否則要重新輸入測站信息等。

4) 基線解算的質(zhì)量檢驗。執(zhí)行“處理菜單”中的“質(zhì)量”項，調(diào)出“質(zhì)量控制”對話框，設置相應規(guī)范等級要求的環(huán)閉合差限差、復測基線限差、PDOP值、觀測衛(wèi)星數(shù)、觀測時間等指標，點擊執(zhí)行檢查，程序?qū)⒆詣訖z驗將超限及不合格的基線以紅色背景顯示。

1.4.2 網(wǎng)平差處理

基線處理完畢可以在TTC直接平差，也可以將基線處理文件導出，在CosaGPS等國產(chǎn)網(wǎng)平差軟件中進行平差計算。該工程按水庫管理人員的要求，選用CosaGPS軟件進行計算。網(wǎng)平差處理分三維平差、二維平差兩部分，三維平差的精度是用來衡量監(jiān)測網(wǎng)質(zhì)量好壞的，但出來的坐標一般和實地沒有可比性，使用起來比較麻煩。二維平差是將三維平差的坐標進行坐標轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后和實地坐標相比配，使用方便。

1) 三維平差

首先默認在WG-S84坐標基準下執(zhí)行“三維平差”,固定TN4起點，平差類型選擇自由平差，三維無約束平差報告中精度情況見石門子水庫變形監(jiān)測精度統(tǒng)計表(表3)中三維最弱點ZB5，點位中誤差為+2.2；三維最弱邊W3-W2邊長相對中誤差長為1/195000.說明石門子水庫變形監(jiān)測合理，監(jiān)測結(jié)果優(yōu)良，滿足工程需要，可進行二維平差坐標轉(zhuǎn)換平差。

表2 石門子水庫變形監(jiān)測精度統(tǒng)計

2) 二維坐標轉(zhuǎn)換平差

該工程采用固定工程兩基準控制點坐標的方法，直接轉(zhuǎn)換得出與實地相符的坐標。其計算中二維平差最弱點ZB5點位中誤差±1.1，最弱邊(W3-W2)的邊長相對中誤差為1/20400.說明坐標轉(zhuǎn)換合理，其結(jié)果可以使用。

2 變形監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

石門子水庫大壩先后采用GPS方法進行了17次觀測，數(shù)據(jù)統(tǒng)計見主壩水平位移矢量表，如表3所示。根據(jù)表3繪制了石門子水庫變形歷次觀測水平位移量圖，如圖11所示。

圖11 石門子水庫變形歷次觀測水平位移量圖

表3主壩水平位移矢量表

觀測時間/(年·月·日)水位ZB1ZB2ZB3ZB4ZB5水平位移/mm水平位移/mm水平位移/mm水平位移/mm水平位移/mm2003.8.8-8.111 356.6 000002003.8.24-8.261 344.7 1.75.17.13.61.92003.9.3-9.51 348.0 1.23.56.85.42.42003.9.13-9.161 362.0 0.93.43.53.31.62003.9.25-9.271 365.2 0.13.51.81.74.32003.10.5-10.71 368.5 3.31.22.22.62.72005.7.28-8.11 349.3 0.92.64.64.31.52005.8.9-8.131 346.8 0.75.67.21.12.62007.8.6-8.101 386.1 2.22.34.60.70.42009.9.2-9.61 363.3 1.53.06.55.95.52010.4.26-5.11 381.7 0.213.119.610.25.72010.11.25-11.301 385.6 1.98.722.41.63.92011.04.10-04.151 388.0 2.814.424.69.96.02011.08.18-08.221 346.0 0.44.05.23.92.82012.04.16-04.211 385.5 4.09.519.94.11.62012.12.07-12.081 384.1 4.312.616.97.89.82013.03.19-03.221 386.7 5.012.524.412.48.2

注：本表以主壩為軸線及建立大壩坐標為準，位移向下游為正，位移向上游為負。

從以上圖表可以看出：

1) 石門子水庫主壩為混凝土雙曲拱壩，在建成蓄水的11年里大壩水平位移在26 mm以內(nèi)，大壩運行安全。

2) 從GPS觀測的各監(jiān)測點位移量全部是正的，說明大壩有向下游方向的位移，但水庫蓄水水位下降后大壩有向上游方向的回彈，這說明此位移是大壩承載到水的壓力后向下游方向的位移。

3) GPS觀測還測出ZB1、ZB5位于大壩兩側(cè)山體附近監(jiān)測點，有山體支撐位移矢量較小在10 mm以內(nèi)；ZB2、ZB4位于位于大壩兩邊靠中央位置，位移矢量較大在14 mm以內(nèi)；ZB3位于位于大壩中央，位移矢量較大在26 mm以內(nèi)，說明大壩中央的位移量較大。

4) 從觀測時間和水位上看前10次觀測(即2009.9.2以前觀測)的各監(jiān)測點水平位移矢量受水庫的水位高低影響較??； 11次觀測(即2010.4.26觀測)和13次觀測(即2011.8.18觀測)各監(jiān)測點位水平移量矢量與水庫的水位高低影響較大，究其原因是在2010年4月、2011年7月水庫運行時有兩次突然性的放水水位降到1 350 m以下，而后又很快的蓄水至1 380 m以上，這時大壩的水平位移矢量變化較大，從而可以得出結(jié)論：混凝土雙曲拱壩的水平位移矢量與水庫蓄水水位高低的影響較小，而與水庫水位上升下降的速度有很大關系。

3 結(jié)束語

與其他的測量方法相比較，GPS測量法具有以下優(yōu)勢：一是精度高。與目前市面上其他測量儀器相比較，GPS的測量精度是最精確的。二是測量時受外界環(huán)境影響小。其他儀器觀測時要隨氣象、溫度等因素進行改正計算，而GPS觀測不需進行改正計算。三是操作簡單，采用強制對中法測量可以消除人為誤差。因此，用GPS觀測給變形監(jiān)測工作帶來了很多的便利，而且隨著我國北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的民用化，GPS的成本將大大降低，GPS將在未來監(jiān)測中發(fā)揮更重要的作用。

[1] 黃聲享,伊 輝,蔣 征.變形監(jiān)測數(shù)據(jù)處理[M].武漢：武漢大學出版社 2003.

[2] 黃聲享.小浪底水利樞扭外部變形規(guī)律研究[M].北京：測繪出版社，2008.

[3] 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫局，中國國家標準化管理委員會.全球定位系統(tǒng)(GPS)測量規(guī)范.中華人民共和國國家標準，GB/T 18314-2009 [M].北京：中國標準出版社，2009.

[4] 中華人民共和國電力行業(yè)標準.混凝土壩安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范DL/T 5178-2003[M]. 北京：中國電力出版社，2004.

[5] 中華人民共和國水利部，電力工業(yè)部發(fā)布.水利水電工程測量規(guī)范(規(guī)劃階段).中華人民共和國國家標準，L197-97[M].北京:中國水利水電出版社，1998.