淺談新疆卡拉貝利水庫壩區構建GPS形變監測網的設計方案

趙 陽

（新疆卡拉貝利水利樞紐工程建設管理局 新疆 喀什 844000）

根據斷層失穩的機制，水庫的建設與使用期是否會誘發較大的地震關鍵在于其水體附近是否存在一定規模的斷層，且其應力狀態是否已接近破壞強度。因此，為了有效地對卡拉貝利水利樞紐工程庫區進行安全性監測，研究水庫建設和使用過程中對附近地區地震活動的影響，必須對庫區的主要活動斷裂、庫區斷層性質及其與水庫的關系進行研究，分析水庫蓄水對附近斷層的應力狀態的影響。

1 GPS形變測量技術

在目前的跨斷層形變測量技術中，GPS（Global Positioning System全球定位系統）技術與常規大地測量手段相比，具有全天候、站間無需保持通視、可同時測定點的三維坐標、精度高、費用省等優點。隨著GPS靜態定位技術的不斷發展與完善，其測量精度越來越高，平差后的點位精度能達到毫米量級。目前GPS技術己普遍用于各種用途的控制點測量，并在各種類型和等級的控制網建立中逐步取代常規的測量方法，如全站儀、水準儀等。

靜態相對定位是GPS測量中精度最高的定位方法，因此廣泛應用于形變監測、大地測量、城市與工程控制領域。靜態相對定位是用兩臺接收機分別裝在基線兩個測站上，在同一時段內同步觀測不少于4顆的衛星信號，通過相應的數據處理軟件確定基線兩端點在某一坐標系中的三維坐標差，根據其中一點的坐標可推算出另一點的坐標。目前，在大于800km的基線上，靜態相對定位精度可達到或優于10-8，在100km～500km的基線上，靜態相對定位精度可達10-6～10-7，在小于50km的基線上，靜態相對定位精度可達1×10-6～2×10-6。

2 GPS形變監測網設計方案

2.1 設計依據

（1）GB/T18314—2001《全球定位系統（GPS）測量規范》；

（2）DB/T19—2006《地震臺站建設規范全球定位系統連續觀測臺站》；

（3）JGJ/T23—2001《回彈法檢測混凝土抗壓強度技術規程》。

2.2 精度設計

根據中華人民共和國國家標準GB/T 18314-2001《全球定位系統（GPS）測量規范》，利用GPS定位技術建立的測量控制網按其規模和用途，可分為AA、A、B、C、D、E六個精度等級。

實際工作中，應根據測區大小、GPS網的用途及接收機所能達到的精度來設計網的等級和精度標準。參照卡拉貝利水里樞紐工程庫區的具體情況，GPS各測量點平均距離約8km，可建立D級GPS網，但根據任務書要求及水庫建設安全性考慮，對外業施測和內業數據處理等技術環節均適當提高技術指標，最終參照規范中的B級精度等級進行設計。

GPS測量的精度標準通常用網中相鄰點之間的距離標準差表示，其形式為：

式中，σ——標準差（基線向量的弦長中誤差），mm；

ɑ——固定誤差，mm；

b——比例誤差系數，ppm；

d——相鄰點之間的距離，km。

2.3 密度設計

GPS控制網的密度設計應滿足：相鄰點間的最小距離可為平均距離的1/3～1/2；最大距離可為平均距離的2～3倍。在特殊情況下，個別點的間距也可結合任務和具體情況，對GPS點分布要求做出具體的規定。

2.4 基準設計

由于本項目的GPS測量主要是監測卡拉貝利庫區活動斷層的活動性，只需要考慮GPS網內各測點間的相對距離變化即可，并不需要確定測點在某一已有參考坐標系中的準確坐標。因此根據測區地形、交通狀況以及作業效率等綜合考慮，本項目中的GPS測網不與已有的國家高等級GPS點進行聯測，坐標系使用WGS-1984坐標系統，時間系統選擇北京時間或UTC時間系統。

2.5 布網原則

由于GPS控制網點間不需要通視，并且網的精度主要取決于觀測時衛星與測站間的幾何圖形、觀測數據的質量、數據處理方法，與網形關系不大。因此在GPS布網時，與常規網相比較更為靈活方便，網的布設主要取決于用戶的要求和用途。在網形設計時，根據規范要求應遵循以下原則：

（1）GPS網應根據測區實際需要和交通狀況進行設計，使其既滿足一定精度、可靠性要求，又有較高的經濟指標。GPS網的點與點間不要求通視，但應考慮常規測量方法加密時的應用，每點應有一個以上的通視方向。保證一定的觀測時段數和重復設站次數，以及保證每個測站至少與三條以上的獨立基線相連，可以有效地提高網的可靠性。在滿足一定效率的前提下，盡量多的增設長時間、多時段的基線向量能有效地提高網的尺寸精度。

（2）GPS網應由一個或若干個獨立觀測環構成，也可采用附合線路形式構成。各等級GPS網中每個閉合環或附合線路中的邊數應符合表1的規定。

（3）在布網設計中應顧及原有測繪成果資料以及各種大比例尺地形圖的沿用，宜采用原有坐標系統。對凡符合GPS網布點要求的舊有控制點，應充分利用其標石。

2.6 選點

點位的選擇對于觀測工作的順利進行和保證測量結果的可靠性有著重要的意義，選點工作應遵守以下原則：

（1）點位應設在易于安裝接收設備、視野開闊的較高點上。地面基礎穩定，易于點的保存。

（2）點位目標要顯著，視場周圍15°以上不應有障礙物，以減少GPS信號被遮擋或障礙物吸收。

（3）點位應遠離大功率無線電發射源（如電臺、微波站等），其距離不少于200m；遠離高壓輸電線，其距離不得少于50m，以避免電磁場對GPS信號的干擾。

（4）點位附近不應有大面積水域或強烈干擾衛星信號接收的物體，以減弱多路徑效應的影響。

（5）點位應選在交通方便，有利于其它觀測手段擴展與聯測的地方。

（6）應盡可能使所選點位附近的小環境（指地形、地貌、植被等）與周圍的大環境保持一致，以避免或減少氣象元素的代表性誤差。

2.7 埋標

GPS網點應埋設具有中心標志的標石或天線墩，以精確標志點位，天線墩或標石必須穩定、堅固以利長久保存和利用。根據本項目具體情況，標石類型選用天線墩，埋石作業應符合以下要求：

（1）觀測墩基為深埋的剛性基礎，觀測墩應采用鋼筋混凝土，其強度等級不低于C25，應現場澆筑。觀測墩示意圖見圖1。

（2）觀測墩應有強制對中裝置（如圖2所示），埋造時應使用置平工具安平。在點之記備注欄中應注明歸心孔的深度、孔徑。

（3）天線墩建成后，至少需經過一個月后方可用于觀測。

2.8 布網方案及網結構特征測算

GPS網一般應采用獨立觀測邊構成閉合圖形，如三角形、多邊形或附合線路，以增加檢核條件，提高網的可靠性。GPS控制網的布設就是如何將各同步圖形合理地銜接成一個整體，使其達到精度高、可靠性強、效率高、經濟實用的目的。GPS網的圖形布設通常有星形連接、點連式、邊連式、網連式及邊點混合連接等。根據工程要求精度、測區地形和交通狀況、現有接收機類型和數量等因素，本次任務將同時使用三臺接收機進行同步測量，同步圖形為三角形，各同步圖形的連接采用邊連接式，以同時保證GPS網同時具有較高的圖形強度和較高的作業效率。

表1 最簡獨立閉合環或附合路線邊數的規定

圖1 觀測墩剖面圖

圖2 預埋件尺寸圖

圖3 GPS網圖形布設方案圖

GPS網的具體圖形布設如圖3所示，包括01、02、03、04、05、06共6個監測點，每次使用3臺接收機進行一個同步環的測量，觀測時段數為S=6，平均重復設站數為R=3。根據GPS網特征條件的計算公式，本GPS網的總基線數為18，獨立基線數為12，必要的獨立基線數為5，多余的獨立基線數為7，理論最少觀測時段數為2。根據以上結果可得：GPS網的效率指標e=理論最少觀測時段數/設計觀測時段數=0.33，整網的平均可靠性指標η=多余的獨立基線數/獨立基線數=0.58。一般來說，在GPS網設計時，可靠性指標要達到0.3左右，效率指標要達到0.6左右，可以看到，由于重復設站次數R取得較大，因此本GPS網的可靠性很高，而效率偏低。考慮到卡拉貝利庫區水利樞紐工程規模較小，僅有6個監測點，因此雖然GPS網設計的效率較低，但并不會增加很多工作量。

GPS網各相鄰測點的平均距離為8km，最長邊為02～05邊（12.8km），最短邊為02～06邊（2.4km），滿足規范中GPS網密度設計要求。

在工作區內沒有其它的舊有控制點，根據工程的具體情況，也無需與附近已有的國家高等級GPS點進行聯測，因此，在網平差時，將02號監測點做為已知約束點進行平差計算，以后每期測量時02號監測點都使用固定的BLH坐標作為起算點，以02號監測點為基準分析整個網的相對變化。※

[1]新疆水利水電勘測設計研究院.新疆卡拉貝利水利樞紐工程項目建議書[R].2008(2).

[2]新疆水利水電勘測設計研究院.新疆卡拉貝利水利樞紐工程可行性研究報告[R].2011(6).

[3]中國地震局地震工程研究中心.新疆喀什卡拉貝利水利樞紐工程場地地震安全性評價報告[R].2006(12).