GPS在石門子水庫大壩外部變形監測中的應用

張志國,李曉飛

(1.瑪納斯縣塔西河流域管理處石門子水庫管理站,新疆 昌吉 831100)2.新疆水利水電勘測設計研究院測繪工程院,新疆 昌吉831100)

0 引 言

塔西河石門子水庫樞紐工程位于新疆昌吉州瑪納斯縣境內，距瑪納斯縣以南約42 km處，塔西河峽谷處，主壩為混凝土雙曲拱壩，壩高109 m，副壩為土石壩。水庫庫容5400萬立方米，水庫正常蓄水位高程1390 m，樞紐主體工程于2003年完工，石門子水庫大壩外部變形監由平面位移監測和垂直位移監測兩項組成。為更好的了解水庫大壩，隨水庫蓄水水位升降而發生的水平及垂直位移的變化的規律,從而確定水庫安全運行的科學管理方法，采用GPS于2003-2013年先后對石門子水庫大壩進行了17次平面變形監測，并對變形監測數據進行了分析、總結。

1 石門子水庫變大壩(混凝土雙曲拱壩)變形監測

1.1 變形監測網的等級的確定[1-5]

根據實際工作的要求，變形監測網是為了監測水庫大壩變形用的，因此先確定變形監測網的等級，等級低了不能起到監測的作用，等級高了監測成本較大，根據《全球定位系統(GPS)測量規范》GB/T 18314-2009混凝土觀測一般選用C 級GPS網觀測就可以滿足精度要求，將C 級GPS網精度和《水利水電工程測量規范》SL197-97 GPS網精度對照其精度和二等GPS網精度相當，所以平面一般選擇二等GPS網進行觀測，測量誤差按《混凝土壩安全監測技術規范》DL/T 5178-2003中混凝土雙曲拱壩的徑體向位移和垂直位移中誤差限值為±3 mm的規定。

1.2 變形監測點位的選擇

根據各監測點的作用，石門子水庫變形監測網中由2個控制基點(TN3、TN4)，4個工作基點(TS1、TS2、TS4、TS7)，和5個位移監測點組成，其中工作基點和位移監測點均是平面采用的強制對中標志。

控制基點點位選擇的原則：平面控制基點(TN3、TN4)位于主壩下游側約300 m左右穩固山體上,其原因是使其免受大壩蓄水的影響,使其在不同蓄水水位下都保持穩定,從而達到控制平面工作基點的作用，即要遠離水庫大壩，但距離太遠觀測不便，而且觀測誤差較大，一般選擇在離大壩300～1 000 m的不受大壩蓄水影響的穩固巖體上較為合適。

變形監測工作基點點位選擇的原則：工作基點(TS1、TS2、TS4、TS7)位于水庫四周的通視條件良好且便于觀測大壩的巖體上，其原因是滿足當前各種觀測方法(小角度法、三角網交會、邊角網、GPS觀測法)等觀測方法的實施。

變形監測點點位選擇的原則：水平監測點(5個)及垂直監測點(5個)均勻分布在水庫大壩上，應使對其觀測的數據對大壩穩定性分析有一定的代表性。

1.3 變形監測點的觀測

石門子水庫大壩采用美國Trimble 5700 GPS雙頻接收機4臺 (標稱精度：5 mm+0.5 ppm×D)進行觀測，觀測參數見表1.觀測中要注意：變形監測要求精度較高，需要消除Zephyr天線相位中心偏離誤差，要求觀測人員將Zephyr天線測量口朝北。

表1 二等GPS網觀測參數表

石門子水庫位于山谷的河槽中，在觀測前負責人對每個觀測點的精度衰減因子(DOP)值及星歷預報圖做詳細的記錄與分析，避免因衛星狀況、高度角、障礙物等原因引起周跳發生，具體操作塔西河石門子水庫ZB5測站衛星編輯如圖1所示、ZB4測站衛星編輯，如圖2所示。圖1中東南部有40%左右的天空被山體遮擋，接收不到衛星信號，說明ZB5測站有很多衛星被遮擋，在一定時間段是無法觀測的，而圖2中顯示沒有衛星被遮擋，ZB4測站在任何時間段均可觀測。

圖1 塔西河石門子水庫ZB5測站衛星編輯

圖2 塔西河石門子水庫ZB4測站衛星編輯

從ZB4測站的衛星可見性圖，如圖3所示，可以得出ZB4測站，全天24 h都可以有5顆有效衛星數觀測，而ZB5測站的衛星可見性圖,如圖4所示，ZB5測站只有0∶00-2∶00、6∶00-17∶00的時間段有5顆有效衛星數觀測，即ZB5只有在這兩個時間段能使用GPS手段觀測。

從ZB4測站的衛星DOP值圖，如圖5所示，可以得出ZB4全天只有6∶00-7∶00、23∶00-24∶00時DOP值大于6，不能采用GPS觀測，其它時間均可以。而從ZB5測站的衛星DOP值，如圖6所示上可以得出ZB5全天只有0∶00-2∶00、3∶00-4∶00、7∶20-9∶40、10∶40-13∶30、14∶40-17∶10的時間段DOP值小于6，可以采用GPS觀測，其它時間均可以。

綜合上述因素和觀測參數的要求及安全因素因據白天觀測的要求，確定ZB5監測點在上午7∶20-9∶40、10∶40-13∶30進行觀測能滿足要求，而其他時間觀測的精度將無法滿足精度要求。觀測時要求觀測人員嚴格按項目負責的要求進行觀測，避免重復測量發生。

1.4 變形監測點的數據處理

1.4.1 基線處理

1) 基線解算原始數據的錄入。采用天寶TTC軟件，新建項目導入觀測的GPS數據、輸入點名、天線高及量取方法等信息。也可以事先建立好相應的RINEX文件，其好處在于在下次使用時可以不需要再輸入測站信息，便于檢查。

2) 基線解算參數的設置。高度截止角、采樣時間間隔等參數設置必須在觀測前完成。再確定解算精度限差及所使用的模型，其他參數為默認。

3) GPS基線的處理。點擊基線處理對話框，可以對基線進行處理，處理中包括起止點名、觀測時段時間長度等信息，如圖7所示，在解算中18372340-18392340基線最差，選中基線屬性統計對話框，如圖8所示，可以看出其中Ratio為2.0小于3不合適，需要進行重新處理。

掃描衛星圖如圖9所示，將觀測質量較差的時間段禁用，或將觀測質量較差的衛星星歷禁用后重新處理基線，處理完畢18372340-18392340基線的Ratio為51.0基線屬性圖(圖10)，各方向的標準差都在0.6 mm以內，整個網的基線解算橢圓誤差最大為0.6 mm ,說明基線計算全部通過。GPS基線的處理是很關鍵的一步，只要操作正確且計算結果符合測量等級的要求，在基線質量檢驗這一步也能順利通過。

圖3 塔西河石門子水庫ZB4測站衛星可見性編輯

圖4 塔西河石門子水庫ZB4測站衛星可見性編輯

圖5 塔西河石門子水庫ZB4測站衛星DOP值編輯

圖6 塔西河石門子水庫ZB5測站衛星DOP值編輯

圖7 基線處理結果圖表 圖8 基線屬性

圖9 掃描衛星圖 圖10 基線屬性圖

TTC軟件有一個缺點，即會自動合并復測基線。如要檢查復測基線，要對“觀測時段”列中含有多個觀測值的行刪除后，重新添加。這時如果之前建立好了原始觀測文件對應RINEX文件則會相當簡單，直接導入RINEX文件即可，否則要重新輸入測站信息等。

4) 基線解算的質量檢驗。執行“處理菜單”中的“質量”項，調出“質量控制”對話框，設置相應規范等級要求的環閉合差限差、復測基線限差、PDOP值、觀測衛星數、觀測時間等指標，點擊執行檢查，程序將自動檢驗將超限及不合格的基線以紅色背景顯示。

1.4.2 網平差處理

基線處理完畢可以在TTC直接平差，也可以將基線處理文件導出，在CosaGPS等國產網平差軟件中進行平差計算。該工程按水庫管理人員的要求，選用CosaGPS軟件進行計算。網平差處理分三維平差、二維平差兩部分，三維平差的精度是用來衡量監測網質量好壞的，但出來的坐標一般和實地沒有可比性，使用起來比較麻煩。二維平差是將三維平差的坐標進行坐標轉換，轉換后和實地坐標相比配，使用方便。

1) 三維平差

首先默認在WG-S84坐標基準下執行“三維平差”,固定TN4起點，平差類型選擇自由平差，三維無約束平差報告中精度情況見石門子水庫變形監測精度統計表(表3)中三維最弱點ZB5，點位中誤差為+2.2；三維最弱邊W3-W2邊長相對中誤差長為1/195000.說明石門子水庫變形監測合理，監測結果優良，滿足工程需要，可進行二維平差坐標轉換平差。

表2 石門子水庫變形監測精度統計

2) 二維坐標轉換平差

該工程采用固定工程兩基準控制點坐標的方法，直接轉換得出與實地相符的坐標。其計算中二維平差最弱點ZB5點位中誤差±1.1，最弱邊(W3-W2)的邊長相對中誤差為1/20400.說明坐標轉換合理，其結果可以使用。

2 變形監測數據分析

石門子水庫大壩先后采用GPS方法進行了17次觀測，數據統計見主壩水平位移矢量表，如表3所示。根據表3繪制了石門子水庫變形歷次觀測水平位移量圖，如圖11所示。

圖11 石門子水庫變形歷次觀測水平位移量圖

表3主壩水平位移矢量表

觀測時間/(年·月·日)水位ZB1ZB2ZB3ZB4ZB5水平位移/mm水平位移/mm水平位移/mm水平位移/mm水平位移/mm2003.8.8-8.111 356.6 000002003.8.24-8.261 344.7 1.75.17.13.61.92003.9.3-9.51 348.0 1.23.56.85.42.42003.9.13-9.161 362.0 0.93.43.53.31.62003.9.25-9.271 365.2 0.13.51.81.74.32003.10.5-10.71 368.5 3.31.22.22.62.72005.7.28-8.11 349.3 0.92.64.64.31.52005.8.9-8.131 346.8 0.75.67.21.12.62007.8.6-8.101 386.1 2.22.34.60.70.42009.9.2-9.61 363.3 1.53.06.55.95.52010.4.26-5.11 381.7 0.213.119.610.25.72010.11.25-11.301 385.6 1.98.722.41.63.92011.04.10-04.151 388.0 2.814.424.69.96.02011.08.18-08.221 346.0 0.44.05.23.92.82012.04.16-04.211 385.5 4.09.519.94.11.62012.12.07-12.081 384.1 4.312.616.97.89.82013.03.19-03.221 386.7 5.012.524.412.48.2

注：本表以主壩為軸線及建立大壩坐標為準，位移向下游為正，位移向上游為負。

從以上圖表可以看出：

1) 石門子水庫主壩為混凝土雙曲拱壩，在建成蓄水的11年里大壩水平位移在26 mm以內，大壩運行安全。

2) 從GPS觀測的各監測點位移量全部是正的，說明大壩有向下游方向的位移，但水庫蓄水水位下降后大壩有向上游方向的回彈，這說明此位移是大壩承載到水的壓力后向下游方向的位移。

3) GPS觀測還測出ZB1、ZB5位于大壩兩側山體附近監測點，有山體支撐位移矢量較小在10 mm以內；ZB2、ZB4位于位于大壩兩邊靠中央位置，位移矢量較大在14 mm以內；ZB3位于位于大壩中央，位移矢量較大在26 mm以內，說明大壩中央的位移量較大。

4) 從觀測時間和水位上看前10次觀測(即2009.9.2以前觀測)的各監測點水平位移矢量受水庫的水位高低影響較小； 11次觀測(即2010.4.26觀測)和13次觀測(即2011.8.18觀測)各監測點位水平移量矢量與水庫的水位高低影響較大，究其原因是在2010年4月、2011年7月水庫運行時有兩次突然性的放水水位降到1 350 m以下，而后又很快的蓄水至1 380 m以上，這時大壩的水平位移矢量變化較大，從而可以得出結論：混凝土雙曲拱壩的水平位移矢量與水庫蓄水水位高低的影響較小，而與水庫水位上升下降的速度有很大關系。

3 結束語

與其他的測量方法相比較，GPS測量法具有以下優勢：一是精度高。與目前市面上其他測量儀器相比較，GPS的測量精度是最精確的。二是測量時受外界環境影響小。其他儀器觀測時要隨氣象、溫度等因素進行改正計算，而GPS觀測不需進行改正計算。三是操作簡單，采用強制對中法測量可以消除人為誤差。因此，用GPS觀測給變形監測工作帶來了很多的便利，而且隨著我國北斗衛星導航系統的民用化，GPS的成本將大大降低，GPS將在未來監測中發揮更重要的作用。

[1] 黃聲享,伊 輝,蔣 征.變形監測數據處理[M].武漢：武漢大學出版社 2003.

[2] 黃聲享.小浪底水利樞扭外部變形規律研究[M].北京：測繪出版社，2008.

[3] 中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫局，中國國家標準化管理委員會.全球定位系統(GPS)測量規范.中華人民共和國國家標準，GB/T 18314-2009 [M].北京：中國標準出版社，2009.

[4] 中華人民共和國電力行業標準.混凝土壩安全監測技術規范DL/T 5178-2003[M]. 北京：中國電力出版社，2004.

[5] 中華人民共和國水利部，電力工業部發布.水利水電工程測量規范(規劃階段).中華人民共和國國家標準，L197-97[M].北京:中國水利水電出版社，1998.