GPS-RTK聯(lián)合全站儀在深水庫區(qū)吊裝平臺(tái)測(cè)量定位的應(yīng)用

王 兵，徐紅剛，賀昌海，劉 全

(1. 武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430072；2. 中國水利水電第七工程局有限公司，成都 610081)

水上測(cè)量定位一般應(yīng)用于海洋、湖泊、水庫等的水下地形測(cè)量，海道、河道及疏浚工程的測(cè)量與導(dǎo)航定位中，與陸地上的靜止測(cè)量不同，由于測(cè)量點(diǎn)在水上很難完全保持靜態(tài)，因此是一種實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位測(cè)量[1]?，F(xiàn)代測(cè)量技術(shù)主要有：光學(xué)定位、無線電定位、以衛(wèi)星定位為代表的新型無線電定位、水下聲學(xué)定位及組合定位測(cè)量技術(shù)等[2]。隨著多星群全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的快速發(fā)展，衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域正經(jīng)歷著巨大的變化。北斗、Galileo、GLONASS、GPS四大系統(tǒng)的全面發(fā)展，將給科學(xué)和工程應(yīng)用帶來巨大的機(jī)遇和挑戰(zhàn)[3]。衛(wèi)星定位目前主要采用GPS定位，而RTK技術(shù)更是一場(chǎng)技術(shù)革命，以其快速、高精度和勞動(dòng)強(qiáng)度低等優(yōu)勢(shì)在近年的工程測(cè)量中應(yīng)用廣泛[4]。特別是在水利工程方面，如進(jìn)行水下地形、航道測(cè)量[5]，海堤工程地形測(cè)量，河流綜合治理工程地形測(cè)量[6]等。組合定位將幾種定位方法組合進(jìn)行測(cè)量作業(yè)，相互補(bǔ)償，互相校核，提高定位精度。

1 工程概況

塔貝拉水電站是巴基斯坦開發(fā)印度河干流的一座綜合利用水利樞紐工程，具有灌溉、發(fā)電、防洪等效益。塔貝拉壩位于拉瓦爾品第西北約64 km，壩系斜心墻土石壩，是世界上已建填筑量最大的土石壩。工程于1968年開工，1976年正式蓄水發(fā)電。右岸布置4條隧洞，原設(shè)計(jì)1、2號(hào)隧洞用于發(fā)電，3、4號(hào)隧洞用于灌溉。建成后經(jīng)過三次擴(kuò)建，裝機(jī)容量達(dá)3 478 MW(1992年)，為巴基斯坦提供16%的電力供應(yīng)。近年來巴國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，為緩解電力缺口，同時(shí)減少對(duì)進(jìn)口能源的依賴，改善電力結(jié)構(gòu)，巴基斯坦水電開發(fā)署將塔貝拉水電站第四期擴(kuò)建項(xiàng)目作為優(yōu)先開展的低成本發(fā)電戰(zhàn)略項(xiàng)目。

四期工程通過將右岸的4號(hào)灌溉引水洞改為發(fā)電引水洞，新建裝機(jī)1 410 MW，使塔貝拉水電站裝機(jī)總?cè)萘窟_(dá)4 888 MW。4號(hào)灌溉引水洞的改造工程要求先將2套疊梁門吊入取水口門槽完成封堵。取水口距庫區(qū)陸地水平距離約200 m，無固定(或陸上)平臺(tái)可供安設(shè)吊裝設(shè)備，因此須采用水上吊裝方式；而門槽位于庫區(qū)水位下100～120 m處，近100 m無導(dǎo)軌，且門槽導(dǎo)槽容差僅±30 cm。為了確保疊梁門吊入門槽內(nèi)并避免疊梁門擱淺在門槽上方或卡槽等不利狀況出現(xiàn)，需在吊裝過程中對(duì)疊梁門進(jìn)行精確定位。然而深水庫區(qū)下能見度低且無自然光、無通視條件，不具備水面光學(xué)觀測(cè)監(jiān)控條件；深水中無GPS信號(hào)，不具備遙測(cè)條件；若采用水下聲學(xué)定位，則定位精度難以保障。

根據(jù)上述特點(diǎn)，采用將水下定位轉(zhuǎn)化為水面定位的方法，即通過對(duì)疊梁門運(yùn)吊裝一體化平臺(tái)的位置調(diào)整下放疊梁門在水中的位置，確保疊梁門精確入槽，避免疊梁門擱淺在門槽上方或卡槽等不利狀況。然而疊梁門槽正上方庫水面開闊，吊裝平臺(tái)必然受水面風(fēng)浪影響，從而使疊梁門在吊裝過程中隨平臺(tái)發(fā)生擺動(dòng)；隧洞軸線距離僅96.7和144.6 m的1、2號(hào)洞仍在引水，水庫層流影響明顯，吊裝區(qū)水流條件復(fù)雜，閘門自由度大，吊裝過程歷時(shí)較長，須多次重定位，定位精度要求高、難度大。針對(duì)這一難題，必須構(gòu)建一套疊梁門吊裝平臺(tái)快速高精度水上測(cè)量的技術(shù)方案。

2 方案選擇與分析

綜合考慮塔貝拉水電站現(xiàn)場(chǎng)施工條件和設(shè)備采購、運(yùn)輸條件等因素，疊梁門吊裝測(cè)量定位主要考慮以下幾種技術(shù)方案。

2.1 全站儀

全站儀(Electronic Total Station)，是一種集光、機(jī)、電為一體的高科技測(cè)量儀器，是集水平角、垂直角、距離、高差測(cè)量功能于一體的測(cè)繪儀器系統(tǒng)。

全站儀選點(diǎn)與布點(diǎn)靈活、地形適應(yīng)性強(qiáng)、測(cè)量精度達(dá)亞毫米級(jí)，在交通工程、建筑工程、測(cè)繪工程、水利工程等領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用，是目前最為常用的測(cè)量儀器[7]。

疊梁門吊裝位置處于開闊的庫水面上，受風(fēng)浪和平臺(tái)上吊裝作業(yè)的影響，平臺(tái)自身穩(wěn)固性較低，且在運(yùn)吊裝過程中需進(jìn)行多次測(cè)量與校核，因此使用全站儀定位測(cè)量耗時(shí)較長；同時(shí)庫區(qū)水面蒸汽將直接影響測(cè)量的精度。

2.2 GPS-RTK系統(tǒng)

RTK(Real Time Kinematic)也即實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量，是基于載波相位觀測(cè)值的一種GPS實(shí)時(shí)定位測(cè)量技術(shù)，它能夠?qū)崟r(shí)地提供測(cè)站點(diǎn)在指定坐標(biāo)系中的三維坐標(biāo)。在測(cè)站穩(wěn)定、測(cè)量時(shí)間較長的條件下，可以達(dá)到毫米級(jí)精度。在RTK作業(yè)模式下，基準(zhǔn)站通過數(shù)據(jù)鏈將其觀測(cè)值和測(cè)站坐標(biāo)信息傳遞給流動(dòng)站。流動(dòng)站接收來自基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)，同時(shí)采集GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)，并在系統(tǒng)內(nèi)組成差分觀測(cè)值進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，解算整周模糊度未知數(shù)，從而得出定位結(jié)果[8]。流動(dòng)站可處于靜止?fàn)顟B(tài)，也可處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，利用RTK技術(shù)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)測(cè)量。

GPS-RTK具有操作簡便快捷、自動(dòng)化程度高、直觀、實(shí)時(shí)性強(qiáng)而極大提高作業(yè)效率、定位精度較高、不受天氣與通視條件的限制等優(yōu)點(diǎn)[9]。但是，由于GPS-RTK測(cè)量屬于無線電遙測(cè)技術(shù)，在無線電信號(hào)干擾區(qū)，其測(cè)量穩(wěn)定性和誤差均受影響。

由于在庫區(qū)水面上對(duì)吊裝進(jìn)行定位，流動(dòng)站的位置不斷變化，坐標(biāo)解算是動(dòng)態(tài)的，存在系統(tǒng)誤差，降低了測(cè)量精度。大面積水面將對(duì)電磁波信號(hào)產(chǎn)生強(qiáng)反射作用，使得天線同時(shí)接收有直接從衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)和從水面反射的電磁波信號(hào)，這兩種信號(hào)疊加形成的觀測(cè)量，將對(duì)定位結(jié)果產(chǎn)生影響，也即多路徑誤差。在高反射環(huán)境下多路徑誤差可達(dá)10 cm 以上，嚴(yán)重時(shí)可引起GPS信號(hào)失鎖，對(duì)GPS-RTK測(cè)量精度產(chǎn)生嚴(yán)重影響[10]。

2.3 GPS-RTK聯(lián)合全站儀的組合動(dòng)態(tài)測(cè)量技術(shù)

目前，GPS-RTK與全站儀聯(lián)合作業(yè)的模式在道路工程、油田工程及數(shù)字測(cè)圖等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用與肯定。在水利工程中，GPS-RTK與全站儀聯(lián)合作業(yè)多用于地形測(cè)圖，如渭河干流綜合整治工程數(shù)字地形采集[11]、羅家店水電站庫區(qū)地形測(cè)量[12]、潮白河斷面測(cè)量[13]等均采用這種組合模式。而在水上高精度定位控制方面的應(yīng)用則較罕見。用GPS-RTK施測(cè)寬闊地帶的放樣點(diǎn)，而在GPS-RTK失鎖或定位精度要求高的情況下，用全站儀施測(cè)。兩種測(cè)量技術(shù)相得益彰，實(shí)時(shí)和高精度優(yōu)勢(shì)兼得；既避免了GPS-RTK測(cè)量中部分情況下的精度欠缺，又避免了全站儀放樣的低效，有效地提高了作業(yè)效率。

上述3種測(cè)量方案運(yùn)用于本次水上疊梁門吊裝施工中，其技術(shù)指標(biāo)及比較如表1所示。

表1 各測(cè)量定位方案技術(shù)指標(biāo)及比較Tab.1 Technical indicators and comparison of the surveying positioning schemes

綜上所述，GPS-RTK與全站儀聯(lián)合作業(yè)的組合動(dòng)態(tài)測(cè)量技術(shù)在本次疊梁門吊裝平臺(tái)快速高精度水上定位測(cè)量中優(yōu)勢(shì)明顯。與“南海一號(hào)”打撈定位所采用的超短基線水下定位系統(tǒng)[14]相比，本技術(shù)所需相關(guān)儀器設(shè)備較為常用、成本較低、經(jīng)濟(jì)合理，因此選用此方案。

由于目前的GPS-RTK遙測(cè)技術(shù)和全站儀光學(xué)測(cè)量技術(shù)主要應(yīng)用在陸地測(cè)量，需要針對(duì)水上施工平臺(tái)，建立測(cè)量周期短、可靠性強(qiáng)、精度高的水上吊裝定位測(cè)量系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 測(cè)量系統(tǒng)原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of surveying system

3 GPS-RTK與全站儀聯(lián)合測(cè)量定位

3.1 選用和布設(shè)合適的GPS- RTK平面控制網(wǎng)點(diǎn)

根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)的作業(yè)范圍和環(huán)境，以及測(cè)量需求，遠(yuǎn)離無線電干擾源，在4號(hào)引水洞進(jìn)口附近陸地或上游進(jìn)水口圍堰上選取已知點(diǎn)，建立坐標(biāo)參考基準(zhǔn)站。

3.2 GPS- RTK流動(dòng)站布置

疊梁門運(yùn)吊裝一體化平臺(tái)的定位要求疊梁門起吊中心線與進(jìn)水口門槽中心線重合，因此吊裝平臺(tái)上至少需要設(shè)兩個(gè)流動(dòng)站。

考慮GPS流動(dòng)站與起吊點(diǎn)在吊裝平臺(tái)上的相對(duì)位置關(guān)系，為方便測(cè)出的GPS坐標(biāo)數(shù)據(jù)能直觀地指導(dǎo)錨定系統(tǒng)調(diào)整吊裝平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)高精度快速定位；同時(shí)考慮不影響水上吊裝施工，選取吊裝平臺(tái)長度方向的兩個(gè)角點(diǎn)架設(shè)流動(dòng)站，如圖2所示。兩角點(diǎn)的位置即為根據(jù)門槽平面坐標(biāo)換算出的疊梁門起吊與門槽對(duì)位時(shí)的控制點(diǎn)。

3.3 全站儀測(cè)控網(wǎng)的布置

為滿足全站儀通視性的需求，避免障礙物遮擋影響通視性等問題，提高測(cè)量效率，在右岸和上游圍堰開闊處分別選取1個(gè)已知坐標(biāo)點(diǎn)安置全站儀；在浮箱平臺(tái)上靠近下游一側(cè)兩角點(diǎn)設(shè)置測(cè)站點(diǎn)放置棱鏡，根據(jù)全站儀顯示的角度和距離參數(shù)，控制疊梁門吊裝平臺(tái)的位置和方向，如圖3所示。

圖3 全站儀與吊裝平臺(tái)測(cè)控網(wǎng)布置圖Fig.3 The survey and control network between Electronic Total Stations and lifting platform

3.4 測(cè)量定位實(shí)施效果

庫區(qū)4號(hào)隧洞取水口疊梁門吊裝采用整套運(yùn)輸、逐節(jié)吊裝的方式，將疊梁門的4節(jié)門葉安裝到100 m深水下的門槽內(nèi)。如圖4所示，首先，在岸邊用汽車吊將一套4節(jié)疊梁門裝載到疊梁門運(yùn)吊裝一體化平臺(tái)上，用駁船驅(qū)動(dòng)浮箱平臺(tái)至安裝區(qū)域附近并進(jìn)行錨定。測(cè)量人員利用平臺(tái)上已安裝的GPS接收機(jī)讀取坐標(biāo)信息，指揮平臺(tái)的移動(dòng)和方向調(diào)整，至疊梁門槽頂部附近。再使用岸邊全站儀分別對(duì)平臺(tái)上的2個(gè)測(cè)站點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量復(fù)核，根據(jù)屏幕顯示的數(shù)據(jù)對(duì)平臺(tái)的方位進(jìn)行微調(diào)，GPS-RTK輔助，直至平臺(tái)上的吊點(diǎn)中心與疊梁門門槽中心線重合且方向一致。通過浮箱平臺(tái)上的吊孔，利用門機(jī)將疊梁門吊入水中，直至其底部距門槽入口0.5 m時(shí)停止。再次利用測(cè)量系統(tǒng)對(duì)平臺(tái)和疊梁門姿態(tài)進(jìn)行測(cè)控，使疊梁門起吊操控中心線與門槽中心線重合，繼續(xù)下放疊梁門至門槽底部。如法，完成其他門葉及另一套疊梁門吊裝。

圖4 GPS-RTK與全站儀聯(lián)合作業(yè)流程圖Fig.4 Flow chart of GPS-RTK and Electronic Total Stations combined operation

采用上述測(cè)量定位方案，工程于2014年12月成功吊裝2套、共8節(jié)疊梁門。每節(jié)疊梁門吊裝循環(huán)大約耗時(shí)2 h。由于全站儀與GPS-RTK聯(lián)合作業(yè)效率高，定位測(cè)量精度高，吊裝過程進(jìn)展順利，未發(fā)生疊梁門擱淺在門槽上方及卡槽等不利狀況。

之后，在GPS-RTK與全站儀聯(lián)合作業(yè)的定位測(cè)量條件下，又對(duì)兩套疊梁門進(jìn)行了一次起吊出槽、改造并再次吊裝入槽的操作。起吊出槽和再次吊裝入槽過程順利，作業(yè)嫻熟高效。

4 結(jié) 語

本工程百米級(jí)深水高精度疊梁門無導(dǎo)軌吊裝作業(yè)，在水面無定位參考、水面風(fēng)浪、水下層流等不利條件下，主要依靠水面的疊梁門運(yùn)吊裝一體化平臺(tái)解決定位問題。研究采用GPS-RTK與全站儀聯(lián)合作業(yè)的測(cè)量定位手段，完成了兩套疊梁門的兩輪吊裝作業(yè)。在深水庫區(qū)吊裝定位現(xiàn)有文獻(xiàn)資料中，鮮見GPS-RTK聯(lián)合全站儀測(cè)量定位的應(yīng)用，本工程尚屬首次應(yīng)用。本水面測(cè)量方案測(cè)量效率與成本兼顧，可操作性強(qiáng)，便于工期控制，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益，可為庫區(qū)水上和水下定位提供參考。

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