基于GPS/BDS的大壩安全監(jiān)測試驗與分析

葛 山 運

(重慶工程職業(yè)技術學院測繪地理信息學院，重慶 402260)

0 引 言

截至2018年底，我國已建各類水庫98 460 座，水庫總庫容達到8 764 億m3，大壩作為水庫的擋水建筑物，不僅能夠調控水資源時空分布，而且對水資源的優(yōu)化配置和防洪減災起到很大作用[1]。據(jù)2018年水利部統(tǒng)計，我國大中型水庫大壩安全達標率為95.2%，盡管總體情況較好，但仍有部分水庫大壩由于受洪水、地震、滑坡等自然因素以及勘測設計缺陷、施工質量漏洞、運營管理不到位等人為因素影響而存在安全隱患或安全事故[2]。水庫大壩安全運營不僅關乎水庫工程綜合效能的發(fā)揮，而且涉及壩區(qū)下游人民的生命財產安全，一旦發(fā)生潰壩事故，將造成不可估計的損失。

大壩安全監(jiān)測，是指通過專業(yè)儀器設備和人工巡視對大壩自身及其周圍環(huán)境量進行測量和觀察的工作[3]，常用的儀器設備包括全站儀、測縫計、沉降儀、測斜儀、溫度計、壓力計及各類接收儀表等。以往水電站大壩外觀安全監(jiān)測主要采用前方交會法、視準線法、引張線法和水準測量法等傳統(tǒng)技術方法[4]，這些測量方法監(jiān)測頻率通常每月一次，具有步驟繁瑣、自動化程度低、耗時費力，易受人為因素干擾、內業(yè)數(shù)據(jù)繁冗，處理復雜易出錯等缺點，無法滿足快速、動態(tài)監(jiān)測大壩變形的要求。

近年來，隨著全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System，GNSS)的發(fā)展，GNSS技術憑借其高精度、全天候、實時動態(tài)等特性在獲取物體動態(tài)位置、監(jiān)測物體動態(tài)變化等方面具有很好的應用效果，被廣泛用于大壩安全監(jiān)測[5,6]，對確定大壩健康狀態(tài)和保證大壩安全運營具有重大意義。以往研究只是采用GPS單系統(tǒng)對大壩進行周期性靜態(tài)觀測[7,8]或基于GPS-RTK模式對大壩進行實時監(jiān)測，而BDS的衛(wèi)星性能和測距精度又與GPS基本相同[9]，但對BDS在大壩安全監(jiān)測中的應用研究甚少，且大壩具有四周多山的特點，利用單一GNSS系統(tǒng)往往會因為周圍山體遮擋而無法保證其監(jiān)測精度。此外，RTK模式由于其受限于平面1～2cm以及高程3～5cm的測量精度，致使對常規(guī)運營期大壩短期小幅度mm級變形監(jiān)測無從為力。本文基于以上問題，以瑯琊山抽水蓄能電站大壩作為研究對象，充分利用BDS資源，開展基于GPS/BDS的大壩安全監(jiān)測可行性研究，嘗試采用GPS/BDS觀測數(shù)據(jù)的連續(xù)準靜態(tài)模式對大壩進行安全監(jiān)測，并對其監(jiān)測結果進行深度分析，得出了一些有益的結論。

1 監(jiān)測點布設與監(jiān)測基準

1.1 瑯琊山抽水蓄能電站大壩概況

安徽瑯琊山抽水蓄能電站位于長江支流青弋江上，是一座以防洪、發(fā)電、供水為主，兼有航運等綜合效益的水電站，建設耗資巨大，歷經復雜地質條件、變壓器設計與安裝等重重困難成功運營，機組總容量高達60 萬kW，年發(fā)電量約8.6 億kWh，上庫主壩采用鋼筋混凝土面板堆石壩，壩頂高程174 m，壩頂長度655.5 m，最大壩高64 m。副壩采用混凝土重力壩，壩頂高程173 m，壩頂長度327 m，最大壩高19.4 m。

1.2 監(jiān)測點布設

如圖1所示為瑯琊山水電站監(jiān)測點布設示意圖，圖中LY05和LY06為監(jiān)測基準點(基準點連線與大壩的壩軸線平行)，S01和S02為上游監(jiān)測點，S03和S04為下游監(jiān)測點，JH01和JH02為校核基點。本文基于雙基準站策略進行試驗，分別將大壩穩(wěn)定的基巖點LY05、LY06作為主基準站和輔助基準站，S01、S02、S03、S04作為監(jiān)測站，為便于后期坐標轉換，在JH01、JH02同樣安置GNSS接收機，接收機類型為Lecia 1200測地型雙頻GNSS接收機，數(shù)據(jù)采樣頻率設置為1 s，衛(wèi)星截止高度角設置為15°。

圖1 監(jiān)測點布設示意圖

1.3 監(jiān)測基準

將基準站LY05、LY06以及JH01、JH02與瑯琊山水電站附近的BJFS、XIAN、WUHN、SHAO、SUWN共5個IGS參考站進行聯(lián)測，獲取上述站點在ITRF2014框架、2019.1644(2019-03-01)歷元下的坐標，聯(lián)測的IGS參考站與基準站的相對位置如圖2所示。

圖2 監(jiān)測基準與聯(lián)測的IGS參考站分布圖

2 監(jiān)測數(shù)據(jù)處理與坐標轉換

2.1 監(jiān)測數(shù)據(jù)處理

采用GAMIT10.7軟件對大壩GNSS監(jiān)測網進行基線解算，基線解算時需在sestbl.、sittbl.、sites.defaults、process.defaults控制文件中設置解算策略[10]。以基準站LY05和LY06作為解算的起始點，通過sittbl.控制文件對基準站的X、Y、Z坐標分別設置3、3、5 cm的約束量，且對監(jiān)測點的X、Y、Z坐標也分別加入5、5、5 m的約束量；通過process.defaults控制文件將監(jiān)測點的歷元間隔與基準站的歷元間隔統(tǒng)一為10 s；在sestbl.控制文件中將衛(wèi)星截止高度角設置為15°，基線解算模型設置為RELAX松弛解(即同時解算基線和軌道)，基線解算類型設置為“2-iter”(即對測站坐標進行2次迭代)，基線觀測值類型設置為適合于中長基線的LC_HELP(即使用電離層約束求解寬巷模糊度的LC解，進而抵抗電離層折射誤差)，干濕延遲模型均采用Saastamoinen模型，干濕映射函數(shù)均采用目前精度較高的維也納映射函數(shù)1(VMF1)。此外，使用參數(shù)間隔在4～7 h范圍內的PWL分段線性法[11]對測站天頂方向的對流層濕延遲參數(shù)進行估算，估算結果可以減弱對流層折射誤差對地鐵控制網基線解算的影響；基線解算時將gpt.grid文件代入一起解算，該文件是全球氣壓和溫度模型文件，GAMIT軟件可以采用內插的方法從該模型文件中計算測區(qū)的氣壓和溫度。

基準站距離所有監(jiān)測點不超過5 km，因此上述基線解決方案理論上可以滿足大壩安全監(jiān)測mm級的精度要求，基線解算時每個監(jiān)測點都按GPS單系統(tǒng)、BDS單系統(tǒng)和GPS/BDS組合系統(tǒng)共3種方案進行數(shù)據(jù)解算，最后根據(jù)聯(lián)測的基準站坐標，結合基線解算結果計算各監(jiān)測點在ITRF2014框架下的三維空間直角坐標。

2.2 坐標轉換

監(jiān)測點坐標解算結果位于ITRF2014參考框架，大壩安全監(jiān)測分為水平位移監(jiān)測和垂直位移監(jiān)測，為更好的觀察水電站在抽水和蓄水過程中產生的幾何變形，因此分別以壩體縱向、壩軸線方向作為X軸和Y軸建立瑯琊山水電站壩軸獨立坐標系，而對于監(jiān)測點在豎方向的變化本文則直接采用WGS-84橢球大地高。

基于CGCS2000橢球參數(shù)[12]，將各監(jiān)測點在ITRF2014框架下的三維空間直角坐標(X，Y，Z)轉換為CGCS2000橢球下的大地坐標(B，L，H)：

(1)

式中：N為卯酉圈曲率半徑；e為橢球第一偏心率。

以CGCS2000橢球為基準，選擇測區(qū)平均高程作為高程投影面，利用測區(qū)中央子午線將各點坐標投影至國家標準3°帶，選用LY05、LY06基準點作為坐標轉換的公共點，通過四參數(shù)坐標轉換模型計算國家標準3°帶高斯直角坐標系與瑯琊山水電站平面控制網采用的LYHPS坐標系之間的轉換參數(shù)，事后采用JH01、JH02作為檢核點，檢核點轉換殘差均為mm級。四參數(shù)坐標轉換模型為[13]：

(2)

式中：m為尺度比縮放參數(shù)；α為旋轉參數(shù)；x0、y0為平移參數(shù)。

基于平面坐標轉換參數(shù)將監(jiān)測點的高斯直角坐標轉換為LYHPS平面坐標，而LYHPS平面坐標系與瑯琊山水電站壩軸獨立坐標系只存在一定的旋轉關系，不存在平移和尺度比關系，因此可通過下式將監(jiān)測點的LYHPS坐標轉換為壩軸坐標：

(3)

式中：β為LYHPS坐標系與瑯琊山水電站壩軸獨立坐標系之間的旋轉角，可以通過基準點LY05、LY06在LYHPS坐標系下的坐標反算其坐標方位角而得。

3 大壩安全監(jiān)測結果與分析

3.1 衛(wèi)星連續(xù)可用性與PDOP值分析

圖3為2019年3月1日S01監(jiān)測點GPS、BDS、GPS/BDS共3種模式下的可見衛(wèi)星數(shù)量，圖4為3種模式下的PDOP值。分析圖3和圖4可知，與BDS單系統(tǒng)和GPS單系統(tǒng)相比，GPS/BDS組合系統(tǒng)增加了衛(wèi)星數(shù)量、降低了PDOP值，有效提高了觀測精度。同時，大壩上空BDS含有與GPS相當?shù)?顆可見衛(wèi)星，但BDS的PDOP值卻大于GPS，究其原因是現(xiàn)階段北斗系統(tǒng)的GEO/IGSO、GEO和IGSO主要覆蓋亞太地區(qū)，其監(jiān)測站的開放度分布相對不及GPS。由圖4可知BDS單系統(tǒng)的PDOP值存在較大抖動，主要原因是相應時間內的所有IGSO都位于觀測站點的南部。

圖3 S01監(jiān)測點單系統(tǒng)與組合系統(tǒng)可見衛(wèi)星數(shù)量

圖4 單系統(tǒng)與組合系統(tǒng)PDOP值

3.2 單日有效解時段數(shù)分析

圖5給出了2019年3月1日所有監(jiān)測點GPS、BDS、GPS/BDS共3種方案一天內的有效解時段數(shù)。分析圖5可知，GPS/BDS組合系統(tǒng)的有效解時段數(shù)與GPS單系統(tǒng)的有效解時段數(shù)相當，除S02監(jiān)測點外，其余監(jiān)測點的GPS/BDS有效解時段數(shù)量均超過93%，而BDS單系統(tǒng)有效解時段數(shù)最大僅為S01監(jiān)測點的79%，最小為S02監(jiān)測點的24%，究其原因是S02監(jiān)測點的天線一側被山體遮擋，因此接收衛(wèi)星信號時受到了嚴重影響，但此時采用GPS/BDS組合定位對大壩進行安全監(jiān)測的優(yōu)勢是顯而易見的。對于其他衛(wèi)星信號接收良好的監(jiān)測點，GPS/BDS組合系統(tǒng)和GPS單系統(tǒng)的有效解時段數(shù)大致相同。

圖5 監(jiān)測點GPS、BDS、GPS/BDS單日有效解時段數(shù)量對比

3.3 安全監(jiān)測坐標序列分析

為了分析GPS/BDS組合定位在大壩安全監(jiān)測中的應用效果，計算所有監(jiān)測點在GPS/BDS組合定位連續(xù)準靜態(tài)模式下的坐標序列，限于篇幅，本文以S01監(jiān)測點在第60年積日的監(jiān)測數(shù)據(jù)作為研究對象，以1 s采樣間隔通過上文所述方法解算該點第1 h內監(jiān)測的3600組位于壩軸坐標系下的坐標序列，只保留監(jiān)測點坐標mm位的X、Y、H坐標序列結果如圖6所示。分析圖6可知，與Y、H方向相比，監(jiān)測點X方向在初始階段的波動幅度小，但經過30 min的初始測量后，監(jiān)測點在X、Y、H三個方向均只存在mm級波動，坐標序列趨于穩(wěn)定。

圖6 監(jiān)測點第1 h內的監(jiān)測坐標序列

對S01監(jiān)測點第60年積日24 h觀測數(shù)據(jù)進行粗差剔除[14]與卡爾曼濾波[15]，如圖7所示為取單個小時數(shù)據(jù)均值作為1 h監(jiān)測結果的坐標序列。分析圖7可知，監(jiān)測點在X、Y、H方向的1 h坐標序列均在mm級范圍內波動，其中X方向最小值為-11.5 mm、最大值為-3.4 mm，最大互差優(yōu)于8.1 mm；Y方向最小值為-7.9 mm、最大值為5.3 mm，最大互差優(yōu)于13.2 mm；H方向最小值為-7.4 mm、最大值為4.7 mm，最大互差優(yōu)于12.1 mm。

圖7 S01監(jiān)測點1 h均值坐標序列

為了探究基于GPS/BDS組合定位的大壩安全監(jiān)測穩(wěn)定性與時間的關系，計算S01監(jiān)測點第60年積日從第1 h到第24 h的均值，結果如圖8所示。分析圖8可知，基于GPS/BDS組合定位獲得的大壩安全監(jiān)測坐標在初始時間內會存在一定的波動現(xiàn)象，但在達到2 h的穩(wěn)定監(jiān)測時長后便可獲得2 mm左右的點位精度，且組合定位精度隨著觀測時間的增長也在不斷提高，X方向監(jiān)測結果在從第1 h取至第4 h時的均值可以穩(wěn)定在1 mm，而Y方向和H方向則需從第1 h取至第10 h時的均值方可穩(wěn)定在1 mm。

圖8 S01監(jiān)測點由1至24 h內的均值坐標序列

3.4 GPS/BDS監(jiān)測靈敏度分析

為了研究GPS/BDS組合定位在大壩安全監(jiān)測中的靈敏度，設計了如圖9所示的帶有游標卡尺的可移動基座架，該基座架相當于一個可移動的觀測墩，通過將基座向某一方向滑動特定的距離實現(xiàn)監(jiān)測點的變化。

圖9 可移動基座架

將可移動基座架安置在S01監(jiān)測點附近的巖體處，共進行6次特定距離的基座架滑動實驗，滑動基座架時通過游標卡尺記錄其滑動距離，分別為1.00、6.70、9.40、21.95、37.50和57.10 mm，滑動時以1 s采樣間隔連續(xù)不斷的接收24 h數(shù)據(jù)，觀測結束后對單天24 h監(jiān)測數(shù)據(jù)進行濾波處理，取其均值作為滑動特定距離后的(X，Y，H)坐標值，然后計算初始未滑動基座架時的監(jiān)測點坐標與滑動基座架特定距離后的監(jiān)測點坐標的差值，進而獲得距離變化量，其結果統(tǒng)計如表1所示。

表1 靈敏度測量統(tǒng)計結果

注：***代表監(jiān)測點坐標的前3位數(shù)字，且前3位數(shù)字保持一致。

表1中的滑動距離是指用游標卡尺測量的可移動基座架滑動距離，實測變化量是指將可移動基座架滑動后測量的三維坐標值與初始坐標作差而得到的距離變化量。分析表1可知，除第6次試驗外，其余試驗的實測變化量與設計值的差值優(yōu)于1 mm，表明GPS/BDS組合定位在大壩安全監(jiān)測中具有很好的靈敏度，而對于第6次試驗的差值1.30 mm，究其原因是當天測量環(huán)境風雨交加，在一定程度上對支架的穩(wěn)定性產生了影響。

為了探究基于GPS/BDS組合定位的大壩安全監(jiān)測靈敏度與時間的關系，以1 h作為間隔計算24 h內的實測距離與滑動距離，結果如圖10所示。

圖10 靈敏度測量統(tǒng)計結果

分析圖10可知，前7 h的監(jiān)測結果數(shù)據(jù)有所波動，但與實際滑動距離相比監(jiān)測結果仍可保持mm級精度，而第7 h后的實測距離和設計滑動距離基本吻合，差異優(yōu)于1 mm。

4 結 論

本文以瑯琊山水電站實測動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)作為研究對象，驗證了基于GPS/BDS組合定位的連續(xù)準靜態(tài)模式在大壩安全監(jiān)測中的可行性和可靠性，主要研究結果如下：

(1)基于GPS/BDS組合定位的大壩安全監(jiān)測結合了GPS和BDS系統(tǒng)豐富的數(shù)據(jù)資源，改善了大壩天頂衛(wèi)星空間分布的幾何結構。

(2)當大壩處于復雜環(huán)境條件下，特別是當衛(wèi)星信號受到嚴重影響時，基于GPS/BDS組合定位進行大壩安全監(jiān)測與單系統(tǒng)相比具有明顯的優(yōu)勢，能實現(xiàn)快速、準確獲取高精度大壩監(jiān)測點三維空間位置信息。

(3)基于GPS/BDS組合定位獲取的大壩監(jiān)測點坐標序列存在規(guī)律性的波動，通過一段時間的初始測量可獲得mm級的穩(wěn)定監(jiān)測數(shù)據(jù)。此外，通過對監(jiān)測坐標序列進行均值處理，X方向在4 h后可收斂至1 mm，Y方向和H方向在10 h后可收斂至1 mm。

(4)通過設計的可移動基座架探究了GPS/BDS組合定位在大壩安全監(jiān)測中的靈敏度，試驗結果表明基于GPS/BDS組合定位的大壩安全監(jiān)測靈敏度可達到mm級，當在連續(xù)準靜態(tài)模式下觀測7小時后其靈敏度優(yōu)于1 mm，因此基于GPS/BDS系統(tǒng)的大壩安全監(jiān)測應以7 h作為控制。

以上研究成果驗證了GPS/BDS組合定位在連續(xù)準靜態(tài)模式下通過一段初始測量后可以實時獲取穩(wěn)定的大壩監(jiān)測數(shù)據(jù)，滿足大壩變形mm級的監(jiān)測要求，且能如實反映大壩監(jiān)測點的變形情況，具有很強的推廣應用價值。

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