GPS在汾河水库自动监测系统中的应用

李泽平 温杰 李腊梅 尹文广

摘要：结合汾河水库的特点，介绍了GPS在水库自动监测系统中的应用，重点阐述GPS监测系统的设计方案，并对数据结果进行分析评价。

关键词：GPS 水库 自动监测系统

中图分类号：P2 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2012）10（b）-0020-02

1 测区概况

汾河水库位于山西省最大的河流——汾河干流上游娄烦县境内，是山西省的第一座大（Ⅱ）型水库，兼有供水、发电、旅游等综合效益的大型水利枢纽工程，控制流域面积5268km2，总库容7.21亿m3，最大回水长度18km，最大回水面积32km2。

汾河水库枢纽工程由大坝、溢洪道、泄洪排沙洞、输水洞和水电站五部分组成。大坝坝高61.4m，坝顶高程1131.4m（大沽高程系），坝顶宽6m，长1002m，大坝总长1002m，其中主坝长420m，左副坝长440m，右副坝长142m；主坝和左副坝顶设有2m高砼防浪墙，右副坝顶有2m高的自溃土坝。溢洪道位于右岸，总长345m，堰顶高程1122m，净宽24m，堰型为开敞式实用断面堰，设两扇7m×12m弧形钢闸门，最大泄量1298m3/s。泄洪洞洞径8m，总长1050m，进口高程1086.2m，出口高程1072.18m，进口设4.872m×8.1m的两扇平板事故钢闸门，出口设7m×6.5m的一扇弧形钢闸门，最大泄量820m3/s。输水洞位于大坝右岸，进口高程1089.4m，出口高程1071.8m，洞径4m，长598m，出口设有3.6m×3.6m弧形钢闸门，最大泄量116m3/s，系挑流消能。水电站为坝后引水式季节性电站，装机容量为2×6500kW。

2 自动监测系统方案设计

随着科学技术、电子技术的飞速发展，新的监测技术也不断引入到大坝的变形监测中。全球定位系统（GPS）监测系统已经被成功地应用到一些大坝、特大型建筑物等的防灾减灾中。

2.1选点的原则与要求

一般来说，监测点位接收GPS卫星的能力与测站周围的观测环境有很大关系，监测精度与观测时长息息相关。所以，在选点时，综合考虑坝体结构及观测环境等因素，拟采用如下两种类型的点位。

（1）基准点，该类点离坝较远，是水库坝体及库岸边坡表面变形监测中的参考点，目的是作为变形监测的基准，作为连续运行基准站；位于地质条件良好、点位稳定、能提供电源且适合进行GPS观测的地方。每个基准点上需设置坚固稳定的观测墩，建有钢质强制对中装置，且有盖板和GPS保护罩保护。

（2）监测点，该类点位于主坝坝顶、左副坝顶及右副坝顶，四周无遮挡，目的是监测主坝面、左副坝体表面、右副坝体表面的形变，作为工程安全控制性测点的连续运行监测站；和基准点一样，接收机天线用强制对中器对中并进行整平、定向、量取仪器高后固定安放在观测墩上，然后在天线外安装了专用的玻璃钢保护罩。天线与接收机之间用专用电缆联接，外用套管保护。

2.2方案设计

依据实地勘测与相关地质资料，在库区的东岸和西岸高（山）坡上选择2个GPS监测系统的基准点（GPS1、GPS2），在距库区较远的上游区域设置1个基准点（GPS0），作为GPS1、GPS2的校测基准点，GPS0不需要固定安装GPS接收机，只要进行定期的观测即可。GPS监测系统的监测点主要集中在坝顶（包括主坝、左副坝、右副坝）表面，初步设计布置5个监测点（GPS3～GPS7），各点位置如图1所示。

3 自动监测系统方案实施

3.1仪器设备选配

根据设计方案，在GPS0～GPS7共8个布设点上分别安装了GMX902GG接收机。为保证通讯质量，现场采用架设有线通讯的通讯形式，5个监测点和2个基准点的GPS监测数据采用有线方式，通过RS486和TCP/IP协议，以单模光纤方式，发送到机房内的Spider服务器上，再通过GeoMoS监测系统软件实现数据处理、展示和分析，实现了GPS监测数据和变化过程的可视化。

3.2方案实施

对2个基准点和5个监测点进行两个时段的观测数据的质量分析，其中一个观测时段为24h；另一个观测时段为12h。

对于所观测的两个时段的数据分别按照1h、2h、4h和6h四种解算模式进行了处理解算。

采用最小二乘配置原理，针对误差方程

的协因数阵为：

其中L为观测向量；为非随机参数；为随机参数；B、A为相应系数；n+m为观测总数；t+m为未知参数数。

可得如下结论（如表1）。

为达到高精度数据，汾河水库监测系统依靠GPS卫星定位系统，通过采集6h数据，进行静态后处理解算，得到各点在6h内发生的位移和沉降，对汾河水库变形区域进行地表监测，得到的位移和沉降结果。

3.3GPS自动监测系统网络结构

4 结语

汾河水库大坝，属于大型人工水中填黄土均质坝，在变形监测方面实行自动化安全监测十分必要。而GPS监测系统具有监测精度高、自动化程度高、速度快、全天候、实时、连续、不受气候影响、不受通视条件影响等诸多优点，使其在监测系统中的应用越来越广泛，做到真正的安全监测。

参考文献

[1] GB/T18314-2001，全球定位系统（GPS）测量规范[S].

[2] DL/T5211-2005，大坝安全监测自动化技术规范[S].