水庫大壩變形觀測過程GPS-RTK技術的有效運用

□劉偉強（廣東省水利電力規劃勘測設計研究院測繪工程分院）

水庫大壩變形觀測過程GPS-RTK技術的有效運用

□劉偉強（廣東省水利電力規劃勘測設計研究院測繪工程分院）

將G PS-RTK技術有效運用于水庫大壩變形觀測過程中是近年來水利工程科技發展的必然趨勢。因為G PS-RTK作為現代測量技術的代表，已經逐漸適應了水利水電工程變形監測領域的各項需求，提高了大壩在高邊坡、滑坡等監測技術環節的自動化程度與測量精度。文章基于G PS-RTK的周跳載波相位測量技術所衍生的小波變換理論，詳細分析了在水庫大壩變形監測數據處理中的具體計算應用。

水庫大壩變形監測；G PS-RTK；數據處理；小波變換理論

0 引言

中國擁有10萬余座水利堤壩，它們在防洪、灌溉、發電、供水及航運等方面為國家建設帶來極大經濟效益，是國民經濟的重要基礎設施。但伴隨高壩大庫的越來越多以及水利堤壩的長期病害老化問題，水利大壩的變形監測監控就成為現如今工程的重大課題。目前所常見的水電工程滑坡、海上建筑物沉陷等等都會導致大壩變形，嚴重時還會造成大量非計劃泄放庫水的瞬間爆發，為大壩下游地區帶來不可估量的嚴重損失。所以一定要做好水庫大壩的變形監測工作，確保大壩時刻安全，使其更好為工農業生產服務。

1 GPS-RTK技術在水利工程變形監測中的技術應用現狀

水庫大壩在大型土建建設過程中為確保工程穩定運營，會在周邊修建一些臨時或永久的邊坡工程，對于這些邊坡工程必須要做好有效的變形監測及計算，防止它們出現塌陷問題進而影響這個水庫大壩穩定性。其主要做法就是依據邊坡工程變形規律與發展趨勢來進行合理加固，保證工程安全穩定運行。一般來說，可以通過GPS-RTK載波相位差分技術來實時獲取大壩變形體動態唯一信息，借助信息預測其變形規律以及適時預警變形體的具體安危狀況。變形監測主要涉及3個基本屬性：實時性、事前性和可靠性，監測的主要內容也包括3方面：對大壩變形體精度指標的監測確定、對監測技術與方法的確定及實施以及對監測數據的處理分析和對大壩安全狀況的診斷預警。在監測過程中，其核心問題就是如何根據變形體來確定所允許變形值，再圍繞監測數據信息獲得真實變形值這一過程。可以說變形值就是評判變形體安全的主要指標，也是確定監測方法的關鍵依據。在工程中，大壩變形值與設計圖紙、地質條件、施工質量以及工況都有關系，是綜合指標。常規監測精度指標要求其允許變形值應該在1/10～1/20范圍內，但在實際工程測量中也允許參考基準來確定，在此基礎上消除誤差。就目前來看，基于GPS-RTK技術的變形預報數學模型就包括灰色系統模型、時間序列模型、小波模型以及神經網絡模型等。這些模型各有優勢，但水電工程運行過程中存在多種影響因素且復雜不確定性強，所以在實施數學模型變形預測時應該對預報過程做出充分的、全面的分析，以確定選擇哪一種數學模型。

對于水庫大壩這樣的巨型且結構精密的建筑物，必須對其進行實時信息數據掌握以確保其穩定性。這里選擇采用GPS-RTK技術可以對水壩進行有效實時動態監測，構建數據傳輸系統，實現高精度監測行為。目前中國對水庫大壩所采用的是壩頂監測，不但滿足了GPS-RTK對天開闊監測的基本要求，而且能夠實現連續自動監測，連續長期獲取大壩運行信息，是對大壩常規觀測外的理想技術補充。

2 基于GPS-RTK周跳探測的小波變換技術

2.1 周跳探測

GPS-RTK接收機所接收信號是根據時間而變化的變量，它的載波相位觀測值就是其中最重要的時間函數。該函數會隨時間變化而成為一條連續光滑曲線，當出現周跳時，光滑曲線就會被破壞。同時，周跳也具備繼承性，讓所有載波觀測值都保持相同周跳，所以說周跳可以被視為是GPS載波觀測值中的異常值，具體情況如圖1。

圖1 基于原始觀測與一、二差觀測的周跳值曲線函數圖

2.2 小波變換

從圖1的觀測函數值可以看出，周跳能夠表現出不同特征。但在傳統GPS-RTK技術對周跳進行測量時，某些細小周跳會被系統誤差或噪聲所掩蓋，因此要采用小波變換對周跳信號特征效果進行進一步監測，根據周跳混雜于系統中的系統誤差及偶然誤差來觀測數據變化。

在水庫大壩變形監測過程中，小波變換是實施信號時頻分析與處理的最佳工具，因為精確監測數據及可以有效預測大壩變形，分析水庫工程運行的健康狀況。考慮到水庫大壩變形受多種因素影響，且這些因素具有很大的隨機性與非線性，所以必須根據變形本身所產生的歷史數據時間序列來進行深度分析，選擇時間序列分解模型來對大壩變形進行有效預測。

對水庫大壩變形體監測過程而言，基于GPS-RTK與小波變換理論的監測特征主要要歸納為以下2點。第一，GPS-RTK結合小波變換監測是具有趨勢性變化的，當水庫大壩建成運行時期，水壩在自重及水壓荷載共同作用下會發生徐變現象，它會導致壩體向上游或向下游的時效變形。由于大型水庫在庫水位會保持在正常高準且不放空，所以水壓力作用會在壩體上產生彈性變量，導致水位逐漸上升。此時趨勢項分量就能夠判斷大壩位移是否穩定，不過由于大壩變形存在復雜性，所以趨勢項一般反映的都是大壩的基本性態。第二，GPS-RTK結合小波變換監測是具有隨機波動特征的，這一點主要與影響大壩變形的溫度、水壓、地震等荷載客觀因素有關，由于這些這些因素是時刻變化的，所以說它們在大壩變形過程中是隨機波動的。利用GPS-RTK結合小波變換監測大壩變形體不存在確定性函數，所以無法完全準確描述其變形函數曲線，因此這就導致了監測過程存在無法避免的誤差。但如果能合理利用小波理論綜合預測模型來分析大壩變形體的時間序列有點、對趨勢項以及周期項的有效分離，就能夠將上述因素分離后的剩余殘差序列進行重整時序分析，同時提取弱信號信息進而提高變形監測精度。

3 案例簡析

以某水利大壩的一壩段為例，對其水位與5個層面壩體溫度進行監測測量，以下圖2為該壩段的具體水位位移過程線。

基于GPS-RTK技術首先對該水壩位移過程線進行實時監測，再利用小波理論配合回歸分析來分析大壩水位位移過程，提升監測信息預報精度。經過回歸分析的擬合曲線計算得出水位位移誤差為0.70 mm，它的預測模型為：

圖2 水利大壩壩段水位位移過程線圖

用該模型進行回歸分析可以提高監測精度，以下為該水壩在5次實測值后的回歸時序分析預報結果，具體情況如表1。

表1 某水壩變形體回歸時序分析預測數據結果表

對上述監測數據進行小波變換分析，配合經驗趨勢項部分對大壩的水位時間變化進行計算，模擬水位的時間回歸結果，證明水位變化的位移周期性。然后再對位移周期性下的水位層面溫度進行基于GPS-RTK的實時觀測和小波分解，發現它的唯一周期與溫度變化趨勢是一致的，這主要是受到了大壩本體的溫度影響。通過小波分析后的趨勢項、周期項也得到明顯顯示，這非常有利于對監測數據的精確分析。

總結來看，基于GPS-RTK周跳探測的小波變換分析技術能夠很好的監測大壩變形體的觀測值序列，發現平滑信號中的奇異信號部分，進而解決該技術觀測中可能存在的周跳探測問題。所以選擇小波分析并建立預測模型，能夠更好預報大壩變形體變形過程甚至結果，為變形觀測給出了更為豐富的相關信息，提高了變形觀測的穩定性。

4 總結

伴隨著中國大型水利水電工程技術的日新月異，像 GPSRTK這樣的載波相位差分技術也越來越受到項目歡迎和采納，積極的運用于各種工程運行安全監測問題中。文章所提到的小波變換技術，正是GPS-RTK所延展出的新技術環境，它為水庫大壩工程變形監測提供了高水平基準，也為工程監測本身獲取了大量變形信息序列，使得水庫大壩工程推進更加安全可靠。

（責任編輯：邢博輝）

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2016-10-24