旁多水利樞紐工程GNSS變形監(jiān)測分析*

(1.中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100048； 2.西藏旁多水利樞紐工程管理局，西藏 拉薩 850000)

1 引 言

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System，GNSS)泛指所有的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，包括全球的、區(qū)域的和增強(qiáng)的，如美國的GPS、俄羅斯的Glonass、歐洲

的Galileo、中國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)以及相關(guān)的增強(qiáng)系統(tǒng)。美國的GPS是20世紀(jì)70年代由美國國防部批準(zhǔn)，陸、海、空三軍聯(lián)合研制的空間衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。最初其主要目的是為陸、海、空三大領(lǐng)域提供導(dǎo)航服務(wù)，用于軍事目的。隨著空間技術(shù)的發(fā)展，這項(xiàng)技術(shù)也被應(yīng)用在船舶的全天候?qū)Ш健⒋蟮販y量、高精度授時(shí)等方面。由于其投入較早，硬件和軟件相關(guān)性能也相對完善，應(yīng)用相對更廣泛。但隨著各國的不斷投入和技術(shù)的成熟，GNSS技術(shù)在監(jiān)測領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。與傳統(tǒng)測量方法相比，GNSS技術(shù)憑借全天候、高分辨率、高精度、高效率、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)等優(yōu)點(diǎn)已成為變形監(jiān)測的一種重要手段。GNSS技術(shù)無論是在全球性變形監(jiān)測研究、區(qū)域性變形研究還是工程與局部性變形研究等方面，都得到了廣泛的應(yīng)用。本文重點(diǎn)討論GNSS技術(shù)在水利工程變形監(jiān)測中的應(yīng)用情況。最早把GNSS系統(tǒng)應(yīng)用在水利工程變形觀測上的是瑞士的Naret大壩[1]，研究文獻(xiàn)指出，安裝在大壩軸線上的永久固定GPS監(jiān)測儀器精度在水平方向上為1mm，垂直方向上為1～2mm。雖然短期的相關(guān)應(yīng)用分析不能揭示數(shù)據(jù)的長期分布，但仍然顯示了GNSS獲取高精度的大壩監(jiān)測數(shù)據(jù)的價(jià)值。

在中國應(yīng)用較早的是清江隔河巖大壩外觀變形GPS自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)由2個(gè)基準(zhǔn)站和5個(gè)監(jiān)測點(diǎn)組成，集數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理與分析等子系統(tǒng)為一體，1998年開始運(yùn)行。其6h解算監(jiān)測點(diǎn)水平方向精度為0.5mm，高程方向精度為1.0mm，2h的精度分別為1.0mm、1.5mm[2]。其精度完全滿足大壩監(jiān)測的需要。

2 旁多水利樞紐概況

旁多水利樞紐工程地處西藏自治區(qū)拉薩河流域中游，壩址位于林周縣旁多鄉(xiāng)下游1.5km，距下游拉薩市直線距離約63km。樞紐工程以灌溉、發(fā)電為主，兼顧防洪和供水。水庫總庫容12.3×108m3，為Ⅰ等大(1)型工程。樞紐主要由碾壓式瀝青混凝土心墻砂礫石壩、泄洪洞及泄洪兼導(dǎo)流洞、發(fā)電引水系統(tǒng)、發(fā)電廠房和灌溉輸水洞等組成。大壩壩頂高程4100.00m，防浪墻頂高程4101.00m，壩頂寬12m，最大壩高72.30m，壩頂長1052m。下游壩坡采用三級(jí)坡，在高程4076.00m和4052.00m處設(shè)有2m寬的馬道。發(fā)電廠房為引水式地面廠房，總裝機(jī)160MW，由主廠房、中控樓、220kVGIS變電站、出線場等組成，出線場布置在廠房后山坡上。

3 GNSS監(jiān)測基準(zhǔn)點(diǎn)及測點(diǎn)布置

旁多水利樞紐外部變形監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)由全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)和精密水準(zhǔn)網(wǎng)測點(diǎn)組成，GNSS 監(jiān)測系統(tǒng)選用NetR9接收機(jī)和Zephyr Geodetics 2型天線，可同時(shí)接收GPS和GLONASS雙星信號(hào)，解算軟件采用T4D處理系統(tǒng)。監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)共布設(shè)GNSS測點(diǎn)38個(gè)，其中大壩壩體布置24個(gè)，高邊坡布置14個(gè)，布設(shè)基準(zhǔn)測點(diǎn)3個(gè)，位置分別在左岸壩肩，左岸下游約1.5km，及右岸下游1.2km處。GNSS基準(zhǔn)點(diǎn)及測點(diǎn)布置示意見圖1。

大壩壩體的24個(gè)GNSS監(jiān)測點(diǎn)分別同JZ01和JZ03兩個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)組網(wǎng)進(jìn)行觀測，每一個(gè)測點(diǎn)同兩個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)組成的網(wǎng)形邊長約1km，且三角形邊長大致相當(dāng)，網(wǎng)形較好。廠房后邊坡的12個(gè)GNSS監(jiān)測點(diǎn)分別同JZ01和JZ02兩個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)組網(wǎng)進(jìn)行觀察，其網(wǎng)形邊長約1.2km，網(wǎng)形也較好。在解算過程中，每一個(gè)測點(diǎn)和相應(yīng)的基準(zhǔn)點(diǎn)(基線)構(gòu)成獨(dú)立網(wǎng)，網(wǎng)中基準(zhǔn)點(diǎn)坐標(biāo)固定，通過附合網(wǎng)平差來確定網(wǎng)的位置基淮。

圖1 旁多水利樞紐GNSS基準(zhǔn)點(diǎn)及測點(diǎn)布置示意

本項(xiàng)目大壩壩體GNSS測點(diǎn)根據(jù)主體工程施工進(jìn)度分兩批安裝，安裝時(shí)間分別是2013年12月和2015年12月，以24h觀測時(shí)長進(jìn)行解算，根據(jù)所選網(wǎng)形、基線、基點(diǎn)及參與計(jì)算的閉合圖形數(shù)量等條件，推算出其水平方向平差后精度約為1mm，垂直方向平差后精度約為2mm。

4 GNSS變形監(jiān)測成果分析

為便于分析，將水平位移分解為壩軸線方向和順?biāo)鞣较颍⒁?guī)定向下游位移為“﹢”，反之為“-”，向左岸位移為“+”，反之為“-”。垂直位移沉降為“+”，抬升為“-”。壩體的24個(gè)GNSS測點(diǎn)中，BT01～BT09布置于壩頂(高程約4100m)，間距為85～120m，BT10～BT17布置于4076馬道(高程約4076m)，間距為90～120m，BT18～BT24布置于4052馬道(高程約4052m)，間距為90～120m。4052m高程和4076m高程比較早具備了安裝條件，故BT10～BT24測點(diǎn)于2013年11月初安裝調(diào)試完畢，開始正常觀測。BT01～BT09由于防浪墻和壩頂公路的修建，在2015年12月才具備安裝條件，故在2015年12月完成安裝調(diào)試，開始正常觀測。

GNSS測點(diǎn)布置的典型斷面(0+755斷面)示意見圖2。分別選擇位于大壩兩端的0+311斷面和0+955斷面，以及位于大壩中部原主河床的0+755斷面進(jìn)行監(jiān)測數(shù)據(jù)分析。

三個(gè)監(jiān)測斷面共九個(gè)GNSS測點(diǎn)當(dāng)前位移測值見表1。

圖2 GNSS測點(diǎn)布置的典型斷面(0+755斷面)示意

斷面樁號(hào)GNSS測點(diǎn)編號(hào)位 移/mm水平(壩軸線方向)水平(順流向)垂 直測點(diǎn)處壩高/m觀 測 時(shí) 段0+311BT03-3.257.64-21.09602015/12/15～2017/12/31BT11-12.4961.19-85.98362013/11/9～2017/12/31BT18-4.5229.89-31.75122013/11/9～2017/12/310+755BT075.8919.44-43.11672015/12/15～2017/12/31BT1531.08133.05-304.60432013/11/9～2017/12/31BT2217.46122.89-211.80192013/11/9～2017/12/310+955BT099.752.24-16.57702015/12/15～2017/12/31BT1754.2165.06-73.32462013/11/9～2017/12/31BT2417.7129.40-22.10222013/11/9～2017/12/31

4.1 順?biāo)鞣较蛩轿灰?/h3>

GNSS測點(diǎn)順?biāo)鞣较蛩轿灰七^程線與庫水位關(guān)系曲線見圖3，壩體順?biāo)鞣较蛩轿灰普w表現(xiàn)為向下游方向位移，但各測點(diǎn)位移都表現(xiàn)出與庫水位有較強(qiáng)的相關(guān)性，順?biāo)鞣较蛩轿灰齐S著庫水位的升降而變化。位于壩體中部的BT15和BT22水平位移值最大，由于BT07安裝較晚，其順流向水平位移遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其他兩個(gè)點(diǎn)。位于壩頂?shù)腂T03、BT07和BT09三個(gè)測點(diǎn)，順?biāo)鞣较蛩轿灰谱兓瑤焖幻芮邢嚓P(guān)，其相關(guān)性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他兩個(gè)高程的測點(diǎn)，庫水位的微小變化就會(huì)引起順?biāo)鞣较蛩轿灰浦档淖兓Ｔ撊齻€(gè)測點(diǎn)順?biāo)鞣较蛩轿灰飘?dāng)前值相對較小，是由于測點(diǎn)安裝較晚所造成的，在測點(diǎn)安裝時(shí)，庫水位已經(jīng)基本達(dá)到最高水位，庫水位上升全過程導(dǎo)致的壩體水平位移未能捕捉到。而位于4076m和4052m兩個(gè)高程的測點(diǎn)，只有在庫水位有較大變化時(shí)才會(huì)有水平位移的較小變化。目前各測點(diǎn)順流向水平位移除隨庫水位波動(dòng)變化外，向下游變化的趨勢已經(jīng)減緩，有逐步趨于穩(wěn)定的跡象。

圖3 典型監(jiān)測斷面GNSS測點(diǎn)順?biāo)鞣较蛩轿灰七^程線與庫水位關(guān)系曲線

4.2 壩軸線方向水平位移

GNSS測點(diǎn)壩軸線方向水平位移過程線與庫水位關(guān)系曲線見圖4，壩體壩軸線方向的水平位移呈現(xiàn)出一定的對稱性，即位于壩體中部的BT07、BT15和BT22三個(gè)測點(diǎn)壩軸線方向的水平位移過程線基本呈一條直線，位移值變化較小。而位于壩體左側(cè)的BT03、BT11和BT18三個(gè)測點(diǎn)壩軸線方向的水平位移則表現(xiàn)為一致地向壩中，也就是右岸方向位移；位于壩體右側(cè)的BT09、BT17和BT24三個(gè)測點(diǎn)壩軸線方向的水平位移則向左岸方向位移。壩軸線方向水平位移除安裝較早的BT17測點(diǎn)位移值相對較大外，其他測點(diǎn)測值都不大，并隨著工程的運(yùn)行逐步趨于穩(wěn)定。

圖4 典型監(jiān)測斷面GNSS測點(diǎn)壩軸線方向水平位移過程線與庫水位關(guān)系曲線

4.3 垂直位移

GNSS測點(diǎn)垂直位移過程線與庫水位關(guān)系曲線見圖5，壩體垂直位移(沉降)最大的部位位于4076馬道，BT11、BT15和BT17三個(gè)測點(diǎn)垂直位移(沉降)量分別達(dá)到了85.98mm、304.60mm和73.32mm，最大沉降率達(dá)到了壩高的0.71%，呈現(xiàn)出壩體中部遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于兩端的特點(diǎn)。沉降速率在工程運(yùn)行初期較大，后期逐漸減小，并趨于穩(wěn)定，符合土石壩固結(jié)沉降一般規(guī)律。根據(jù)垂直位移過程線圖分析，在放空水庫(庫水位急劇下降)后沉降位移有一個(gè)明顯加速的表現(xiàn)，經(jīng)分析壩后滲流監(jiān)測數(shù)據(jù)，在庫水位下降時(shí)，壩基滲透水位也相應(yīng)下降，壩基砂礫料含水量相應(yīng)減小，便造成沉降加速這一現(xiàn)象。位于壩頂?shù)腂T03、BT07和BT09三個(gè)測點(diǎn)由于安裝較晚，壩體運(yùn)行前期的垂直位移(沉降)未能測得，故而沉降測值較小，位于壩體中部的BT07最大測值為43.11mm，目前變化趨于穩(wěn)定。各測點(diǎn)沉降速率和量值都逐步減小并趨于穩(wěn)定。

圖5 典型監(jiān)測斷面GNSS測點(diǎn)垂直位移過程線與庫水位關(guān)系曲線

5 結(jié) 語

在土石壩外部變形監(jiān)測中，常規(guī)的監(jiān)測方法是采用全站儀和精密水準(zhǔn)儀進(jìn)行邊角網(wǎng)測量和精密水準(zhǔn)測量，屬于大地測量方法。這些方法由于工作量大、勞動(dòng)強(qiáng)度較高，無法進(jìn)行實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)測，通常觀測頻率為1月～1季度1次。這樣的觀測頻率無法準(zhǔn)確掌握工程運(yùn)行工況同變形之間的對應(yīng)關(guān)系。通過本項(xiàng)目GNSS變形監(jiān)測結(jié)果可知，在土石壩中庫水位的變化對水平位移有很大影響，且隨著壩高增加影響更大。可為土石壩壩體及填料設(shè)計(jì)和安全驗(yàn)算、抗滑穩(wěn)定計(jì)算提供實(shí)測資料。本項(xiàng)目水平位移和垂直位移監(jiān)測結(jié)果均較好地反映了工程運(yùn)行實(shí)際情況，符合土石壩變形一般規(guī)律，有力證明了GNSS變形監(jiān)測可以在大中型水電工程中推廣應(yīng)用。