大坝变形观测规范 [GPS静态定位在水库大坝变形观测中的应用]
时间：2019-05-26 03:28:52 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
摘要; 本文结合GPS静态定位技术在水库大坝变形观测中的应用,对大坝变形因素、该技术的应用方法、作业特点、精度指标等方面进行了分析，提出了一些提高测量精度的方法措施。
关键词;GPS静态定位;水库大坝;变形观测 ; 测量精度
Abstract: This paper combines the GPS static positioning technique in dam deformation observation of dam deformation, on the factors, the application method, operating characteristics, accuracy and other aspects of the analysis, put forward some methods to improve the precision measure.
Keywords: GPS static positioning of dam deformation monitoring measurement accuracy
中图分类号： P334+.5文献标识码：A文章编号：2095-2104（2012）
一、工程概况
谭庄水库北距我国长江以北的第一水城—山东聊城12公里，南依美丽的京杭大运河。总库容782万立方米，最大干旱年供水量2476.91万立方米，设计蓄水位39.20米，坝高8.3米，围坝总长4262米，上、下游坝坡1：3，采用均质土重力坝，内部采用泥浆石，抗震设防烈度为VII度，其任务主要是向东昌湖供水，兼顾发电，属平原水库。水库运营初期，大坝的沉陷与位移比较明显，对建筑物重点部位进行变形监测，准确掌握大坝的运行规律，科学地对水库进行调度非常必要。
二、所用仪器简介
本次测量使用3台套拓普康公司的TopCon HiPer双频PS接收机，HiPer接收机是当今世界上非常先进的、集成度很高的GPS＋（GPS和GLONASS－Global Navigation Satellite System）接收机。整周模糊度初始化采用OTF（L1，L1/L2）技术，静态定位精度：平面：3mm+1ppm×D。
GPS的优点：
1、定位精度高，观测时间短用载波相位观测量做相对定位，应用实践已经证明，GPS相对定位精度在50km以内可达10-6，20KM以内相对静态定位，仅需15-20 分钟，这是其它任何定位手段都难以达到的。
2、测站间无须通视免去了一些常规测量方法中需要造标、扫除通视障碍物等费用。
3、不受时间的限制GPS系统可以实现全天候观测，不受阴天黑夜、雾风、雨雪等气候的影响。
4、在统一的坐标系统中提供三维信息 GPS定位是在国际统一的坐标系统中计算的，不同点的测量成果相互关联，经典大地测量将平面与高程采用不同方法分别施测，GPS可同时精确测定测站点的三维坐标。
5、操作简便随着GPS接收机不断改进，自动化程度越来越高，有的已达“傻瓜化”的程度；接收机的体积越来越小，重量越来越轻，极大地减轻测量工作者的工作紧张程度和劳动强度，使野外工作变得轻松愉快。
6 、功能多、应用广GPS系统不仅可用于测量、导航，还可用于测速、测时等。
三、大坝变形因素分析
大坝变形的原因主要有以下几种：
1．静水压力
（1）在静水压力作用下，由于坝体不同高度处不同的水平推力的作用，使坝体产生挠曲变形
（2）由于水库水压及坝底扬压力的作用，使坝体产生向下游转动而引起的变形
（3）由于水库水体的重力作用使库底变形，引起坝基向上游转动而引起的变形
（4）由于剪应力对坝底接触带的作用，在静水压力作用下产生的滑动。对重力坝来说，滑动是绝对不允许产生的，因为滑动就意味着坝体失去稳定，有毁坏的危险。
2．坝体的温度变化
坝体上、下游混凝土温度变化是不同的，例如在夏季，坝下游面混凝土由于烈日的曝晒，其温度高于气温，但在坝的上游面，大部分混凝土浸在库水面之下，其温度将低于气温。在冬季，情况恰好相反。这种现象可以使坝体产生季节性摆动。坝体温度变化引起混凝土的收缩与膨胀是坝顶沉陷的主要原因。对于运营初期的大坝，坝体本身混凝土产生的放热升温与冷却降温，也将使坝体产生不同的变形。
3．时效变化
时效变化是由于建筑材料的变形（例如混凝土的收缩、徐变）以及基础岩层在荷载作用下引起的变形所产生的。它的特点是施工期与运营初期比较大，随着时间的推移而渐趋稳定。时效变化为不可逆变化。
根据我国大坝观测资料的分析可知，对于坝基来说，库水位变化是垂直位移和倾斜变形的主要因素，而温度影响可以忽略。
观测内容大坝变形观测主要是坝体的垂直移动、水平移动与挠曲观测。垂直移动观测主要采用精密水准测量、GPS等项技术；水平移动观测主要采用前方交会、GPS等项技术；挠曲观测主要采用正、倒线观测系统。另外还应进行裂缝观测及坝体的温度变化、压力变化及浸润线等项观测。本次作业主要观测水平位移和垂直移动。
四、测量实施
1．大坝变形观测设计
基准点设计基准点是变形观测的基础，必须保证坚固和稳定，因此点位应选在变形区以外，地质条件好，又能够永久保存的地方。为检核基准点的稳定，水平和垂直位移监测的基准点均设置成基准点组。水准基准点组选在距水库1km处由三点组成等边三角形。水平位移基准点选在距水库1.5km离开变形区的地方。三点两两通视，以便于用大地测量的方法对基准点检核。
在围坝上设有5个变形观测断面，桩号分别为0+600、1+400、2+200、2+800、3+700，在每个断面上各布设3个变形点，共15个。
a、水平位移观测
水平位移观测采用布设GPS监测网的方法，在坝脚、坝坡、坝顶布设三个监测网，采用边连接的方式，分别与距离大坝1.5公里处的四个基准点联测，基准点与国家三角点联测。
将基准点、工作基点、校核基点一并纳入主网统一观测。为提高GPS网的精度与可靠性，GPS点间构成尽量多的由GPS独立边组成的异步环，使GPS网有足够的多余观测，平均每点设站2-3次。
b、垂直位移观测
垂直位移观测采用精密水准测量方法，在大坝外1km处设置3个基本水准点，利用电子水准仪索佳SDL30M观测，并与国家二等水准点连测，测定基准点高程。由基本水准点起测分别经过坝脚、坝坡、坝顶，从而形成一个闭合的水准路线，以监测水库大坝工作水准点的垂直位移。
2．GPS网观测
采用3台日本拓普康公司生产的精密TopCon HiPer 双频GPS接收机进行观测，仪器标称精度为3mm+1ppm×D，配有可抑制多路径效应的扼流圈天线。作业方式采用静态相对定位模式。
3．数据处理
基线解算由于该网要求精度高，基线向量解算时必须考虑对流层的影响，应采用特殊软件对对流层的影响进行改进，要采用精密星历进行解算，基线结果采用双差固定解。
GPS网平差基线解算结束后，在WGS-84坐标系下进行三维无约束平差，无约束平差应作以下参数统计检验：
(a)方差分量因子估值2检验
(b)每个改正数粗差的检验
为提高GPS测量的精度与可靠性，无约束平差结束后，应及时进行同步环闭合差、异步环闭合差以及复测边等项的检查计算，在基线解算质量检核的基础上，进一步评定GPS网的内部符合精度与外业观测的质量，独立闭合环坐标闭合差应满足：
WX≤3WY≤3WZ≤3WS≤3WS＝
式中：—标准差 Ws—环闭合差，n—独立环中边数
复测基线的长度较差ds≤2
基线分量的改正数绝对值应满足下式：
V≤3 V≤3V≤3为相应级别规定的基线的精度。
4.精度统计
共布设17个同步环，相对误差最大为0.9ppm，128个异步环，相对误差最大为2.3ppm。基线相对误差最大为1/493920，点位中误差最大为1.251mm。重复基线22条，相对误差最大为1.1ppm。基线分量改正数远小于限差。
垂直位移监测网的主要技术要求
五、提高精度的措施
对GPS实时监测点，由于在变形体上做长时间观测，除要求GPS观测满足不阻挡卫星信号、远离电磁波干扰源等一般要求外，还必须采取进一步提高GPS观测精度的措施。主要有：
（1）采用强制对中的观测墩。若将GPS天线安置在三脚架上进行观测，对中误差一般在1~3mm，且当GPS观测时间较长时，脚架因受到风吹和日照等因素的影响，在观测过程中可能会发生变形，因此，在GPS形变监测点上应具有强制对中装置的观测墩。观测墩应作为测量标志妥善加以保护，防止受到破坏。
（2）采用抗干扰能力强的天线，并在观测中将天线按指北方向线进行定向。GPS天线相位中心的偏差一般为数毫米，为减弱天线的定向误差对GPS基线向量的影响，必须在各观测墩上标出指北方向线，观测时应将天线按定向线进行安置。
（3）选择足够的观测时间和恰当的观测窗口。卫星星历的误差对GPS基线有较大的影响，当采用广播星历且受到SA（选择可用性技术）影响时，不同时刻收到的广播星历在其坐标框架中，方向偏差可达2"，尺度偏差可达10-6～10-7。这种偏差对于形变监测是不容忽视的。研究试验表明，若观测时间较长，对收到的多组星历进行拟合，可以提高星历精度，从而能满足形变监测的要求。因此，用GPS技术进行形变监测必须有足够的观测时间，同时，延长观测时间还可减弱其他随机误差的影响，提高观测精度，对于较长的基线向量更应延长观测时间。
（4）与已有WGS—84系坐标的点进行联测，通过联测得到的精度±m左右的起算点的WGS—84系的坐标，以减少其对基线解算的影响。
（5）制定合理的观测方案。应注意保证有足够的多余观测，以利于粗差的剔除，防止误差的积累。
GPS监测网数据处理的一般原则
在制定数据处理方案时，应主要考虑参考框架、星历、软件、参考基准、约束条件的确定、精度分析方法等，而最重要的是参考基准的选择和约束条件的确定。对于已有多期观测成果的GPS监测网，一般应遵循以下原则：
（1）采用一自洽的地球参考框架和常数系统
参考框架是GPS数据处理的基础，在进行数据处理之前首先要确定采用什么参考框架。由于地球的岩石圈处在运动、变化之中，GPS监测网中各点的位置时刻都在变化。因此，采用的坐标框架必须是全球统一的、连续自洽的、不断精化的框架。而目前只有国际地球参考框架—ITRF（International Terrestrial Reference Frame）参考框架具有这些条件。ITRF参考框架是由国际地球自转服务局推荐的以国际参考子午面和国际参考极为定向基准，以IERS YY天文常数为基础所定义的一种地球参考系和地心（地球）坐标系。
（2）采用精度最高的同一种精密星历和相应的地球自转参数
采用不同的精密星历，得到的处理结果会产生一定的差异。为了便于分析研究，对于不同期的GPS观测成果在处理时应采用一种精密星历和相应的地球自转参数。
（3）采用先进的同一种处理软件系统
为了得到最好的处理结果，应采用最先进的GPS处理软件。为了保持处理成果的统一，对于不同期的GPS观测成果，在处理时应采用同一种处理软件系统。
（4）采用同一的参考基准和约束条件
在处理GPS监测网的观测数据时，有多种处理方案，不同的处理方案之间不可避免地存在系统误差。为了求各期观测成果所反映的形变，必须采用“同一的”方案。
六、结束语
实践证明，用GPS定位技术进行大坝变形观测，如果网形设计合理，测量仪器、解算软件先进，在外业观测和数据处理过程中采取适当的措施和方法，其精度完全能满足变形观测的要求，能用于大坝变形观测。
参考文献：
[1]栾元重 曹丁涛 徐乐年 冯尊德编著《变形观测与动态预报》.气象出版社.2001
[2.]绍铨 张华海 杨志强 王泽民编著. GPS测量原理及应用. 武汉大学出版社，2002
[3]陈文健 申大鹏 GPS静态定位在防洪堤变形观测中的应用研究 水利水电测绘 2001.04
[4]《全球定位系统（GPS）测量规范》 GB／T 18314—2009
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
