淺談大壩安全自動化監(jiān)測GPS系統(tǒng)技術(shù)

徐國梁

（嘉陵江亭子口水利水電開發(fā)有限公司，四川 蒼溪 628400）

淺談大壩安全自動化監(jiān)測GPS系統(tǒng)技術(shù)

徐國梁

（嘉陵江亭子口水利水電開發(fā)有限公司，四川 蒼溪 628400）

GPS測量技術(shù)相對于傳統(tǒng)的大壩檢測技術(shù)，其在自動化與準(zhǔn)確性方面存在著較高的優(yōu)勢。當(dāng)前階段利用

GPS對變形進(jìn)行檢測，是一種較為先進(jìn)的手段。

大壩；GPS；監(jiān)測；研究

0　前言

全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）是以衛(wèi)星為基礎(chǔ)的無線電定位系統(tǒng)，藉由地球軌道上的定位衛(wèi)星，可無限制地提供全球具接收裝備的使用者極精確的三維定位、速度及時間資料。該系統(tǒng)不受天氣影響，并可提供全球統(tǒng)一的經(jīng)緯度參考資料，且應(yīng)用層面非常廣泛，已屬成熟技術(shù)；由于全球衛(wèi)星定位模塊大量生產(chǎn)的關(guān)系，低廉的價格更增加全球衛(wèi)星定位計技術(shù)于邊坡災(zāi)害監(jiān)測應(yīng)用的價值。監(jiān)測系統(tǒng)除為累積足夠監(jiān)測歷史資料提供后續(xù)各項學(xué)理研究發(fā)展外，亦希望可實時掌握大壩災(zāi)害發(fā)生前兆和發(fā)生時的動態(tài)反應(yīng)，增加地區(qū)居民之應(yīng)變時間，提供防災(zāi)應(yīng)變決策數(shù)據(jù)，大幅降低災(zāi)害的發(fā)生，因此實時有效的通訊傳輸將是整體監(jiān)測系統(tǒng)重要監(jiān)測環(huán)節(jié)之一。

1　監(jiān)測使用儀器

如果需要在實際的檢測過程當(dāng)中采用全站儀進(jìn)行檢測，其必須要滿足通視條件，在中小型的斜坡當(dāng)中全站儀的使用較為廣泛，但是在大面積的斜坡當(dāng)中，由于通視條件一般較差，因此很難實現(xiàn)大規(guī)模的運用。通視其控制網(wǎng)的布置較為困難，并需要多次中轉(zhuǎn)，從而造成難度較大。

對于一般的大壩來說，都需要實行定期的測量，同時在檢測的過程當(dāng)中需要考慮的因素較多，不僅需要考慮可行性，同時還需要控制成本與精度。在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計時，需要對最大變形發(fā)生的可能地點進(jìn)行分析，并在這些地方布置控制點，從而提高準(zhǔn)確性。此時可考慮GPS靜態(tài)定位技術(shù)方案，可以在很大程度上提高監(jiān)測的準(zhǔn)確性。

GPS一機(jī)多天線系統(tǒng)，即一個GPS接收機(jī)與多個GPS天線相連接，其主要構(gòu)成要素包括：

1.1GPSmulti-antenna sw itch(GMS)

GPS多天線開關(guān)實際上是一種電子開關(guān)，其可以輸入多個天線中的信息，并可以通過一個頻道實現(xiàn)輸出。同時可以根據(jù)事情情況設(shè)置特定的時段，通過天線可以獲得該時段內(nèi)的信息，同時傳輸?shù)较乱粋€天線當(dāng)中去。

1.2GPS天線和接收儀

天線與接收機(jī)之間的連接是通過GMS電纜進(jìn)行的，但是如果電纜的長度過大，則在傳輸?shù)倪^程當(dāng)中可能會造成信號的丟失或者是強(qiáng)度的明顯減弱，在實際的監(jiān)測過程當(dāng)中，由于監(jiān)測的范圍較大，必然導(dǎo)致距離較遠(yuǎn)，從而在實際的傳輸過程當(dāng)中，造成信號的嚴(yán)重?fù)p失。因此，電纜線若超過一定的長度則要使用GPS低噪聲信號放大器，可對其他頻段的干擾信號有一定的抑制作用，也可增長傳輸?shù)木嚯x。

1.3資料聯(lián)結(jié)通訊

現(xiàn)場所測得的資料可以通過行動電話、無線電或?qū)Ｓ玫耐ㄓ嵕W(wǎng)路傳送至數(shù)據(jù)分析中心。資料處理與分析軟件使用標(biāo)準(zhǔn)或?qū)ｉT的算法和軟件處理及分析資料，繼而得到監(jiān)控點和參考站的坐標(biāo)和變形狀況。

2　GPS接收機(jī)單雙頻精度差異

GPS雙頻接收機(jī)可以連續(xù)觀測L1和L2兩個頻段的載波和數(shù)據(jù)碼，不僅使得觀測量增加，也使得因為信號傳播所導(dǎo)致的信號誤差被消除。同時，其結(jié)算的速度相對單頻來說相對較高，但是這也導(dǎo)致了成本的增加。

分別采用單頻和雙頻接收機(jī)做對比試驗，每個檢測選擇4個檢測點，在相鄰的2 d中分別在同一時段中用不同的機(jī)器進(jìn)行檢測。對比試驗的結(jié)果顯示，雙頻機(jī)的精度能達(dá)到2mm以內(nèi)，而單頻機(jī)只能達(dá)到6mm以內(nèi)，由此可見，雙頻機(jī)的效果要明顯優(yōu)于單頻機(jī)器。因此，在實際的檢測中使用雙頻機(jī)的效果較好，但是對于要求并不是非常高的監(jiān)測，出于節(jié)約成本的考慮，可以采用單頻機(jī)進(jìn)行檢測。

如對某露天礦滑坡和巖移、礦震、地裂縫、局部構(gòu)造滑動等監(jiān)測，需要建立一套完整的監(jiān)測系統(tǒng)時，可以選用單頻接收機(jī)來進(jìn)行試驗。試驗數(shù)據(jù)分析結(jié)論顯示，在基線長度不大于10 km時，單頻接收機(jī)可達(dá)到毫米級的形變量精度。

某大學(xué)進(jìn)行了相關(guān)的試驗，試驗連續(xù)進(jìn)行3 d，每日1次，同時每次的觀測點以及基點之間的距離都逐漸增大，從而檢測單頻機(jī)在不同距離范圍中的檢測精度，在進(jìn)行處理分析中采用基線以及坐標(biāo)結(jié)算技術(shù)進(jìn)行。實驗的結(jié)果表明，在5km的范圍之內(nèi)采用單頻機(jī)能夠達(dá)到很好的效果，其精度能控制在毫米的范圍之內(nèi)。但是如果距離超過8km，基準(zhǔn)站必須要要用雙頻接收機(jī)才能夠使得精度控制在毫米之內(nèi)。

3　GPS多天線系統(tǒng)監(jiān)測優(yōu)點

與傳統(tǒng)的GPS檢測方法相比，多天線GPS系統(tǒng)，在檢測點并不需要配備接收機(jī)，因此，在整個檢測系統(tǒng)當(dāng)中，雙頻接收機(jī)的數(shù)量會被大大減少，這就必然導(dǎo)致整體的成本會在很大程度上被降低，同時在總體的造價中檢測點數(shù)量的增加并不會對整體造價造成一定的影響。因此，在大規(guī)模的檢測中采用多天線的檢測方法有著廣泛的運用。雖然一機(jī)多天線的檢測系統(tǒng)減少了硬件的數(shù)量，但是其監(jiān)測的精確程度卻完全沒有在很大程度上降低，此外，它還使得檢測點的布置更加的靈敏，并且還有利于系統(tǒng)的升級與維護(hù)。

如,浦東新區(qū)海塘采用GPS一機(jī)多天線系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測，其地處長江入海口南岸，西臨黃浦江。該海塘大壩是防御臺風(fēng)、潮水侵襲的防護(hù)墻。根據(jù)現(xiàn)場的監(jiān)測結(jié)果顯示，多天線控制器并不會對基線結(jié)算的殘差產(chǎn)生影響，其精度能控制在4mm之內(nèi)。完全能夠滿足使用的要求。

小浪底水力樞紐工程是中國一項重點工程，大壩總庫容126.5億m3，是一座以防洪、減淤為主，且兼顧發(fā)電、灌溉、供水等綜合利用的水利樞紐工程。將傳統(tǒng)的GPS監(jiān)測方法與一機(jī)多天線的監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行對比與分析之后可以發(fā)現(xiàn)，相比于傳統(tǒng)的GPS監(jiān)測而言，GPS一機(jī)多天線系統(tǒng)具有較高的精度，同時其監(jiān)測也維持在較為穩(wěn)定的狀態(tài)當(dāng)中，精度約為3mm左右。

如某大壩，壩體基礎(chǔ)高程是42m，最終堆積高程為180m，壩體堆積高度將近140m。主壩下方300m左右有居民居住，一旦潰壩即會造成重大人員傷亡。采用一機(jī)多天線GPS系統(tǒng)對壩體進(jìn)行監(jiān)測，使用GPS一機(jī)多天線控制器，以1臺接收機(jī)連接8個監(jiān)測點的天線，發(fā)揮了多天線系統(tǒng)優(yōu)勢，大大節(jié)約了監(jiān)測成本并確保監(jiān)測的定位精度。

4　總結(jié)

使用Excel軟件，進(jìn)行回歸模式的分析，并以3種不同的研究方式分析以多天線GPS系統(tǒng)來監(jiān)測大壩。參照監(jiān)測地區(qū)的雨量數(shù)據(jù)，并嘗試?yán)没貧w模式來預(yù)測未來滑動狀況。

第1個方式就是利用監(jiān)測大壩的多天線監(jiān)測資料，在降雨之后，擬合其位移速度與時間，則會呈現(xiàn)出一元二次方程式函數(shù)趨勢。

在降雨之后，以前兩個月的監(jiān)測資料進(jìn)行擬合，并以此函數(shù)推估其未來一個月位移量的大小。再比較推估位移量與實際位移量，以兩者之間的誤差，來評估此推估精度。

第2個方式是多天線系統(tǒng)在進(jìn)行監(jiān)測時，有兩個時段，架設(shè)的多天線系統(tǒng)，因為其坐標(biāo)資料的規(guī)律性不同于前面時段的坐標(biāo)規(guī)律性，前往現(xiàn)地檢查時，發(fā)現(xiàn)多天線監(jiān)測點上的設(shè)備倒塌。事后，比較前面坐標(biāo)資料整齊的時段與坐標(biāo)產(chǎn)生規(guī)律性不一致的時段，使用線性回歸的模式，求得位移速度。

第3個方式則是將多天線系統(tǒng)各監(jiān)測點的監(jiān)測資料，利用線性回歸的方式，求得其各時段的位移速度。根據(jù)各監(jiān)測點布設(shè)的資料，顯示出越靠近邊坡的監(jiān)測點，其位移速度相對較大。

TV738

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1672-5387（2016）11-0048-02

10.13599/j.cnki.11-5130.2016.11.017

2016-09-01

徐國梁（1990-），男，助理工程師，從事水利水電工程管理工作。