基于GPS的位移測量系統在填筑壩監測中的應用

崔弘毅編 譯

（國家電力監管委員會大壩安全監察中心，浙江杭州310014）

1 概述

在填筑壩竣工以后的安全管理中，壩體位移是除滲流之外最重要的測量項目之一。通常，位移測量都采用傳統的測量技術，即采用全站儀測量和水準測量。但如今，從節約勞動力、降低成本和保證非常規事件發生后測量工作的安全性等角度考慮，要求應用更快速和更成熟的測量方式。

全球定位系統（Global Positioning System，GPS）技術作為測量地表位移的手段，已應用到了多個巖土工程領域中（Kondo等，1993；Masunari等，2003）。基于GPS的位移測量系統有許多優勢，它能自動、快速、連續地測量多個測點的三維位移。并且，無論天氣如何，都可以使用，測點之間也不需要視線，這對傳統測量技術來說則不行。基于GPS的位移測量系統已在填筑壩運行管理中驗證了其可用性（Yamaguchi等，2005），目前，該技術已在日本的幾座大壩上得到應用。

Majimegawa大壩（土壩）和Taiho副壩（土石壩）都引進了基于GPS的位移測量系統來測量壩體位移。表1為這兩座填筑壩的數據。文章呈列了觀測成果，通過與傳統測量和沉降儀的位移數據結果進行比較，驗證了該位移監測系統的有效性。另外，根據GPS位移數據，也將對壩體不同部位位移性態的區別進行討論。

2 GPS位移監測系統

圖1為Majimegawa大壩和Taiho副壩采用的GPS接收器和監測系統的示意圖。該系統包括GPS接收器（L1波段）和控制盒。使用靜態定位技術，對比其原始與固定參照點的相對位置，每小時對測點的三維坐標進行測量。

表1 Majimegawa大壩和Taiho副壩的相關數據Table 1 :Dimensions of the Majimegawa Dam and the Taiho Sub-dam

圖1 GPS位移監測系統示意圖Fig.1 Schematic drawing of a GPS receiver and the monitoring system

原始的GPS位移數據包含了隨機噪音，其精確度由使用的衛星數量、阻礙情況、多路徑效應、大氣條件及其它相關因素決定。即使應用精密的靜態相對定位方法，在水平方向，大致精度為5～10 mm，在垂直方向，其精度為10～20 mm，因此，需要進行統計處理來評估真實的位移情況。在本系統中，使用趨勢模型。趨勢模型是基于通過引進一個概率結構改進過的多項式回歸模型的平滑模型的一種（Kitagawa，1993；Shimizu，1999）。

3 GPS測量在Majimegawa大壩中的應用

3.1 Majimegawa大壩概況

Majimegawa大壩是一座小土壩，壩高21.9 m，位于日本山口縣的Majime河上，其平面圖和剖面圖見圖2。基巖大部分為中度風化的花崗巖，大部分基巖透水率小于5 Lu，接近表面的局部地方為10～20 Lu。因基巖剛度和可灌性等問題，采取了以下結構處理措施（Kawasaki等，2010）：

（1）考慮到基巖的低承載能力，大壩上游面采用了比通常小的坡度（30.3%）；

（2）為控制滲流，沒采用帷幕灌漿，而是在心墻中設置了一條溝槽；

（3）設置了垂直排水溝來降低壩體下游的浸潤線；

（4）考慮到基巖的薄弱，未設置檢查廊道。

關于填筑材料，心墻材料為花崗巖土壤、花崗石和粘土質片巖，土壩填筑材料為馬薩砂和花崗石。

圖2 Majimegawa大壩示意圖和GPS接收器布置Fig.2 Schematic of the Majimegawa Dam and layout of the GPS receivers

3.2 GPS測量情況

如圖2所示，在大壩表面布置9個GPS接收器作為測點，位置分別在上游面、壩頂和下游面。固定參照點M-K1布置在左岸下游面。該大壩使用GPS測量始于2007年9月，這是大壩首次蓄水的3個月后。

同時，也使用了傳統的測量方式，采用的全站儀其測距精度為±(2 mm+2 ppm)，測角精度為5''，自動水平精度為±1.5 mm/km。

為測量大壩心墻的壓縮量，安裝一個多層沉降儀，其精度為±1 mm。

3.3 測量結果和討論

3.3.1 GPS測量的精度

圖3為GPS水平位移測值和傳統測量方法測值（全站儀測值）的對比。其在M-Ec點展開測量，M-Ec是布置在最大斷面壩頂上的一個測點。GPS測量數值是經趨勢模型平滑后的結果。從數值來看，對庫水位變化的響應，GPS測量和傳統測量顯示出了幾乎相同的趨勢。但傳統測量測值顯示出了較大的變化，如果只看測量結果，很難清晰地看出趨勢。另一方面，GPS測量則平滑地顯示出了位移趨勢，且對庫水位變化很敏感。

圖3 Majimegawa大壩壩頂（M-Ec測點）上下游方向水平位移的GPS測值和傳統測量方法測值（全站儀）Fig.3 Horizontal displacements at the crest(M-Ec)in the up-downstream direction in the Majimegawa Dam,measured with GPS and the conventional survey(total station)

圖4為垂直位移GPS測值與傳統測量方法（水準測量）和沉降儀測值的對比。其中，沉降儀測點HLV-5剛好安裝在壩頂下。從數值看，GPS測量所得垂直位移與沉降儀的測值完全吻合。這就說明當前的GPS系統測量垂直位移可達到與沉降儀相同的精度。如上所述，如果看原始數據的話，GPS測量的垂直精度為10～20 mm，但可以通過提高測量頻率和采取合理的平滑處理將精度提高到毫米級。這些數據結果證實了GPS位移監測系統測量填筑壩靜態變形的有效性。

3.3.2 GPS位移的時效變化

圖5顯示了Majimegawa大壩GPS位移的時效變化。圖5（a）為上下游方向的位移。當庫水位上升時，測點移向下游，當庫水位降低時，測點回到上游。這一移動主要受作用于上游面的水壓力產生的水平荷載變化的影響。

圖5（b）為橫河向位移。從數值看，壩體在兩年半時間里向左岸移動了少許。

圖4 Majimegawa大壩壩頂（M-Ec測點）的GPS垂直位移測值，傳統測量（水準測量）和沉降儀的垂直位移測值Fig.4 Vertical displacements at the crest(M-Ec)in the Majimegawa Dam with GPS,the conventional survey(leveling),and the settlement meter

圖5 Majimegawa大壩上游面（M-Eu）、壩頂（M-Ec）和下游面（M-Ed）GPS位移的時效變化Fig.5 Temporal changes in the GPS displacements at the upstream face(M-Eu),the crest(M-Ec),and the downstream face(M-Ed)of the Majimegawa Dam

圖5（c）顯示了垂直位移。因庫水位上升和下降，上游面（M-Eu）對應地向上和向下移動，假設這一移動是因為浮力的增大和減小所致。但整個過程中，壩頂（M-Ec）向下游移動，且在2008年7月庫水位快速、大幅下降時發生了特別大的沉降。M-Ec這一垂直移動似乎是由于自重固結作用和大壩心墻的持水作用。

直至現在，Majimegawa大壩的位移也不出幾毫米，但就是這么小的位移，GPS測量系統還是清楚順利地觀測到了。

3.3.3 位移矢量

圖6顯示了2007年9月～2010年2月的位移矢量。矢量記錄了庫水位每米的變化。矢量的顏色，淺和深分別表示庫水位的上漲和下降。從數值來看，上游面主要是垂直移動，且基本是回彈的。對壩頂，沉降是主要的，同時，因庫水位變化導致的前后移動也很顯著。在初次蓄水和其后的泄水過程中，下游面（M-Ed）沿邊坡移動，但第一次泄水之后，矢量方向轉向與邊坡垂直。

圖6 Majimegawa大壩2007年9月～2010年2月的位移矢量（淺和深分別表示庫水位的上漲和下降）Fig.6 Displacement vectors in the Majimegawa Dam from Sept.2007 to Feb.2010.The light and dark colours indicate the rising and drawdown of the reservoir level,respectively

根據施測至今的GPS測量，可粗略假設影響該填筑壩變形的主要因素為：（1）因庫水位變化而引起的水平向力的變化；（2）因庫水位變化而引起的浮力的變化；（3）自重固結作用和大壩心墻的持水作用。

4 GPS測量在Taiho副壩中的應用

4.1 Taiho副壩的概況

Taiho副壩是一座土石壩，壩高66.0 m，位于日本沖繩縣的Taiho河上。大壩平面圖和剖面圖見圖7。大壩基巖深處大部分為裂隙千枚巖，其上覆蓋沖積層，厚度超過20 m，在其下游側含有一砂礫石透水層。另外，原地下水水位高度幾乎達到了壩高的一半。為解決這些地質和水文問題，設計中，為控制滲流和保證大壩穩定性，設計采取了以下措施：（1）沿壩軸線布置帷幕灌漿；（2）心墻趾下游面鋪設粘土鋪蓋（圖7（b）中的承臺區）；（3）在下游壩坡修建平衡壩（圖7（b）中的隨機區域）。因地下水水位很高，未修建檢查廊道。

圖7 Taiho副壩示意圖和GPS接收器的布置Fig.7 Schematic of the Taiho Sub-dam and layout of the GPS receivers

4.2 GPS測量情況

大壩上游面、壩頂和下游面共布置了22個GPS接收器，如圖7所示。固定參照點T-K1設于右邊坡上游側。

如圖8（b）所示，Taiho副壩的地下GPS天線位于人孔中，該天線被用于壩頂測點的測試。利用玻璃鋼蓋來使無線電波衰減最小化。

圖8 Taiho副壩的GPS接收器Fig.8 GPS receivers in the Taiho Sub-dam

4.3 測量結果和討論

4.3.1 GPS位移的時效變化

圖9顯示了Taiho副壩初次蓄水期間GPS位移測值的時效變化。從圖9（a）可以看出，不考慮測點位置，庫水位變化對上下游方向的水平位移影響很大，庫水位上升時向下游位移，庫水位下降時移回上游。從圖9（b）可以看出，在橫河向，壩體似乎稍微移向左岸，其原因是右岸地下水水位比左岸地下水水位高。

從圖9（c）可以看出，在垂直方向，由于心墻固結，壩頂（T-Dc）和下游面（T-Dd）單調沉降。另一方面，響應庫水位的上升和下降，上游面（T-Du）表現為上抬和沉降。這與圖5（c）所示的Majimegawa大壩的位移規律相同。從圖9（c）還可以看出，壩頂（T-Dc）的垂直位移顯示出比其它測點更多的短波不規則性，假定其原因為人孔蓋引起的無線電波衰減。

4.3.2 庫水位與GPS位移間的關系

圖10顯示了Taiho副壩GPS位移與庫水位的關系。從圖10（a）可以看出，不考慮測點位置，和前文所述一樣，庫水位變化對上下游方向的位移影響很大。另外，在庫水位上升和下降過程中，位移變化規律也和前文所述一樣，說明壩體在上下游方向彈性移動。從圖10可以看出，當庫水位超過45 m高程時，位移對庫水位變化很敏感，其原因是下游面地下水水位高程大約為45 m，假定壩體在庫水位超過下游地下水水位后才會因庫水位變化引起明顯位移。

圖9 Taiho副壩上游面（T-Du）、壩頂（T-Dc）和下游面（T-Dd）GPS位移的時效變化Fig.9 Temporal changes in the GPS displacements at the upstream face(T-Du),the crest(T-Dc),and the downstream face(T-Dd)of the Taiho Sub-dam

4.3.3 位移矢量

圖11顯示了2009年4月～2011年2月初次蓄水期間GPS測量的位移矢量。矢量記錄了庫水位每10 m的變化。矢量顏色淺和深分別代表庫水位的上漲和下降。

在水平方向，受庫水位變化影響，根據庫水位的上漲和下降，所有測點都彈性地向下游和上游移動。從平面矢量場可看出，上下游方向的位移量在最大斷面處（D和E斷面）更大，在靠近壩肩處變小。在橫河向方向，大壩在庫水位上升期稍微移向左岸，但它會回彈恢復至原來的位置。

垂直方向，受心墻自重固結和因淹沒而導致的沉降的影響，整個過程中，測點基本表現為下沉，但上游面的測點在庫水位上升時向上移動。這樣的移動同樣也發生在Majimegawa大壩上，如圖6所示。

圖10 Taiho副壩水平和垂直位移與庫水位之間的關系Fig.10 Relationship between horizontal and vertical displacements and reservoir level in the Taiho Sub-dam

5 結語

本項研究中，兩座填筑壩，即Majimegawa大壩和Taiho副壩采用了基于GPS的位移測量系統來測量其外部變形。在約兩年半的觀測期內，雖然Majimegawa大壩的變形僅幾毫米，但基于GPS的位移測量系統仍準確而順利地捕捉到了這些因庫水位上漲和下降以及因心墻自重固結作用而產生的微小變形。傳統的測量方式最多每周測量一次，若基于GPS的測量系統每小時測量一次，結合采用趨勢模型合理地處理數據，則能得到比傳統測量方式更可靠的數據。通過與沉降儀進行比較，結果證明GPS系統能在垂直方向取得較高的測量精度。

GPS位移監測系統的突出優點是在常規工作中可節省勞動力，在緊急情況下可實現快速測量，因為整個測量過程，從數據收集到數據處理都采用自動化。本項研究證明了GPS位移測量系統在填筑壩運行管理中的有效性。GPS監測系統不僅僅應發展成簡單好用的安全監測工具，還應發展成壩體內部無損或無接觸的可視化工具。

圖11 Taiho副壩2009年4月～2011年2月的位移矢量圖（淺和深色分別代表庫水位的上漲和下降）Fig.11 Displacement vectors in the Taiho Sub-dam from April 2009 to Feb.2011.The light and dark colours indicate the rising and the drawdown of the reservoir level,respectively

[1]S.Nakashima,H.Kawasaki and N.Shimizu.Monitoring of Fill Dams Using GPS-based Displacement Measurement System[C].International Symposium on Dams For A Changing World.