GPS測量技術在烏拉泊水庫大壩變形監測中的應用

(烏魯木齊水業集團有限公司，新疆 烏魯木齊 830049)

大壩是水庫工程的主要建筑物，由于水庫攔水體積和河流沖擊力的作用，壩體受力往往很大，一旦壩體變形程度超過允許限值，會造成裂縫、滲漏甚至潰壩的危險。因此，需要對壩體變形進行實時監測，在危險發生之前進行補強。而隨著科技的發展，目前GPS測量技術在壩體變形監測中被廣泛應用。

1 工程概況

烏拉泊水庫位于烏魯木齊市上游17km處，是烏魯木齊河中游的一座攔河水庫，比烏魯木齊市中心高出約223m，因此，被稱為“烏市頭上一盆水”。水庫淹沒面積6.40km2，控制流域面積2596km2，大壩為碾壓式均質土壩，壩頂高程1088.00m，最大壩高26m，壩頂寬6m，壩長1050m。設計庫容4000萬m3，蘭新鐵路、312國道均從水庫下游通過。烏拉泊水庫是一座集防洪、灌溉和城市供水等功能于一體的中型水庫。烏拉泊水庫始建于1959年，1978年進行除險加固和擴建，為監測大壩運行狀態，2018年相關部門對大壩進行變形監測。

2 GPS測量技術的基本原理及誤差分析

2.1 GPS測量技術的基本原理

GPS測量技術的本質是應用了“測距交會”的定位原理，雖然測距衛星在天空不停運動，但依然可以利用固定在地面上三個已知點的衛星激光測距儀來同時測定某一時刻至該衛星的距離，應用“測距交會”原理便可確定該時刻衛星的空間位置，應用這類方法可以測定三顆以上衛星的空間位置。如果第四個地面點(坐標未知)的衛星測距儀也參與到測定該點到三顆衛星的空間距離，則利用所測定的三個空間距離可以交會出該地面點的坐標，見圖1[1]。

圖1 GPS實時動態定位示意

2.2 GPS測量技術的誤差分析

2.2.1 信號傳輸誤差

2.2.1.1 對流層折射

衛星傳輸信號形式為電磁波，而非電離大氣，會對電磁波產生折射而發生延遲。對流層折射強度與大氣壓力、溫度、濕度有關，減小對流層折射影響的方法一般有以下兩類：?當基線較短時，可采用“雙差觀測”來消除影響；?當基線較長或兩端高差很大時，可利用Hopfield改正模型[2]消除影響。

2.2.1.2 電離層折射

大氣中的電離層會使電磁波傳輸中受彌散性影響，傳播路徑發生偏差，減小電離層折射影響方法有以下三類：?利用雙頻觀測，但要避開中午和太陽黑子活躍時刻；?利用導航電文提供的電離層改正模型可降低50%以上偏差；?當基線較短時，可利用“同步觀測值求差法”。

2.2.1.3 多路徑效應

如果天線附近有反射體，衛星信號在傳輸中會因反射而產生疊加信號，進而產生附加時延量，這叫作多路徑效應。減小誤差方法一般為以下三種：?消除天線周圍反射體；?加強天線接收信號能力；?適當延長觀測時間[3]。

2.2.2 GPS自身誤差

2.2.2.1 衛星軌道誤差

衛星運行受多種作用力影響，一旦產生細微偏差也會在長距離上造成較大誤差。一般可以采用“軌道改進法”和“同步觀測值求差法”來降低衛星軌道誤差。

2.2.2.2 鐘差

衛星上的高精度原子鐘與GPS標準時之間會存在偏差和漂移，這叫作衛星鐘差。可以通過對衛星連續監測來測定鐘差值，進而消除剩余衛星鐘差。接收機上的高精度石英鐘鐘差可采用“差分技術”(載波相位相對定位)和“外接頻標法”(高精度定位)進行修正[4]。

3 GPS測量技術在大壩變形監測中的應用分析

3.1 建立大壩水平位移監測網

為了獲得大壩變形監測網的準確基準(位置基準和高程起始基準)，將平面坐標系和高程系聯合測試，同時進行一次布網。但需注意在進行水平位移數據統計時，應將坐標系轉換為壩軸線坐標系。本項目以“北京54坐標系”為標準來求取虛擬庫中心坐標，并以此坐標y值和壩面高程1088.00m為參數，按照式(1)經過一系列換算最終得出水庫抵償高程面值[5]。

(1)

式中H——兩端點高出橢球體面的高程,m；

R——地球曲率,m；

y——虛擬中心橫坐標值,m。

3.2 各基點的布設及要求分析

3.2.1 基點位置選勘要求

為保證測量工作的順利進行，必須對各基點位置進行挑選，具體要求如下：點位基礎堅實穩固，標記易于長期保存；視野開闊，保證觀測點周圍高度角大于15°時無遮擋物；為避免干擾，基點要遠離大功率無線發射源，距大功率無線發射源不得小于250m(距高壓線不得低于50m)。

3.2.2 基點布設

為有效監測大壩水平位移情況，本項目設計布置了基準點(B級點)、工作基點(C級點)、變形監測點(D級點)三級監測網。各類點具體布設方案如下：B級點布置在水庫大壩東西兩側沉降區以外，距壩體軸線1.0km，共布置4個，近似組成一個四邊形，見圖2；C級點均勻布置在壩體四周位置，距壩體軸線不大于400m，與B級點形成網絡狀，見圖3；D級點在壩面迎水坡、背水坡各布置一排，然后在壩腳布置一排[6]。

圖2 基準點空間布置示意

圖3 工作基點空間布置示意

3.2.3 各類監測點觀測要求

本項目對各個點的觀測要求具體如下：觀測儀天線基座的兩個氣泡要求嚴格居中，偏差不大于3′，天線定向(正北)誤差不大于±3°；每個時段開機前，技術人員必須要量取天線高度，精確至1mm，并詳細記錄測站編號、時間、時段號。關機前再校核一下天線高度，前后差值不得大于2mm，否則測量結果作廢；水平位移觀測點相對于其他基點的坐標誤差不得大于±3mm，各類觀測點的觀測要求見表1。

表1 烏拉泊水庫大壩基準點、工作基點、變形監測點觀測要求

3.3 變形點觀測結果分析

3.3.1 水平位移基準點穩定性分析

通過測量，得出在兩次觀測中布置在烏拉泊水庫大壩周邊4個基準點的邊長變化，見圖4。通過分析可知：B001到其他三點的邊長變化均較小；B002分別到B003和B004的長度變化為+7.2258mm和+4.5395mm，數值較大，穩定性較差，所以刪除該點；B003到B004點的長度變化為-1.3050mm，數值較小。所以本項目最終將B001、B003、B004三點作為烏拉泊水庫大壩變形監測網起算數據。

圖4 烏拉泊水庫大壩4個基準點邊長變化(單位：mm)

3.3.2 水平位移變形監測點穩定性分析

在此主要觀測壩腳處的變形監測點的運動情況，結果(部分)見圖5。根據觀測點X和Y的坐標變化，發現以下結果：Z343、Z345、Z349的X坐標較差最大；Z245、Z1411、Z1413、Z1415的Y坐標較差最大，較差值大，說明這些點相對于初始位置產生了較大的水平位移；由圖5可知Z341到Z3411范圍內所有點向西產生位移，Z245到Z1411范圍內所有點向東產生位移。究其原因是烏拉泊水庫大壩為碾壓式均質土壩，主壩段壩基沉降超過因水滲入造成的壩面抬高和膨脹，而主壩段膨脹向壩體兩端部擴展，進而引起布置在大壩兩端的監測點出現東、西向運動量較大情況。綜合分析可知：烏拉泊水庫大壩壩基存在水平位移、沉降、滲水等問題。

圖5 烏拉泊水庫大壩工作基點和變形監測點位移變化

綜合分析：經過近1個月的監測分析，烏拉泊水庫大壩總位移量在5mm以內，并且隨著水位變化可恢復一定程度，穩定性滿足運行要求，但壩體存在一定的滲漏問題，若不及時處理，可能會影響壩體的安全穩定性。

4 結 語

GPS測量技術相關配套軟件完善，數據處理全部由計算機完成。相對于傳統測量方法具有精度高、節省時間、速度快等優點，但需要注意首先保證選取基準點的穩定性。為監測烏拉泊水庫大壩變形問題，本項目建立了B、C、D三級監測網，之后通過比較，刪除了一些穩定性較差的點，通過觀測點的位移來分析壩體的位移問題。烏拉泊水庫大壩監測結果顯示：其安全穩定性滿足運行要求，但壩基存在水平位移、沉降、滲水等一些問題，需要進行一定的防滲處理。