南水北调中线洺河渡槽安全监测设计关键技术探讨

□武明海

南水北调中线洺河渡槽安全监测设计关键技术探讨

□武明海

针对南水北调中线一期工程总干渠洺河渡槽的构造和所处地形环境的特点，在洺河渡槽安全监测优化设计的基础上，采用光纤传感器、GPS一机多天线、多层控制合一、精密全站仪差分和内外部变形相结合等新技术新方法，综合探讨由效应量和环境量造成该渡槽变形的自动化监测分布规律，重点在渡槽安全监测自动化的实现。

优化设计;安全监测;变形监测

洺河渡槽是南水北调中线一期工程总干渠的一座大型河渠交叉建筑物。跨河渡槽每跨长40.0m，加大流量为250m3/s。洺河渡槽安全监测包括变形监测，环境量监测，渗流监测、应力、应变及温度监测和专项监测。洺河渡槽安全监测系统包含2个层次，即1个闸管理所工作站(现场操作工房部分)和1个现地监测站。闸管所工作站以及现地监测站将人工观测数据、巡视检查等信息输入到计算机内，并通过计算机网络依次传至闸管处工作站、分公司安全监测中心、总公司安全监测中心。洺河渡槽的渗流监测和应力、应变及温度等监测要并入洺河渡槽工程安全监测系统，以便监测数据进行相互验证及作用量和效应量关系的分析。数据采集、传输和处理的三大部分采用局域网联成一个有机的自动化系统。

1.外部安全监测的优化设计

1.1 零类设计

零类设计其含义为基准设计，是解决参考系的问题，或者说是监测网的定位，即为固定参数A,P和待定参数方差—协方差矩阵（QXX）及X，选择一个最优的参考系；就是在控制网的网型和观测值的先验精度已知的情况下，选择合适的起始数据，使网的精度最高。GPS监测网的零类设计优化包括位置基准优化、方位基准优化和尺度基准优化。在选择联测点时，既充分参考利用了旧资料，又顾及了新建的高精度网不受旧资料精度较低的影响，因此通过联测原系统的2个控制点，方位基准由GPS基准网中的MJ4和MJ3基线向量的方位确定，位置基准由GPS基准网中的MJ4确定（该点为基岩点），尺度基准由ME5000(0.2mm+0.2ppm×D)电磁波测距仪测定MJ3—MJ4边长确定。由MJ1、MJ2、MJ3和MJ4基准点可构成一个大地四边形，这样高精度独立监测网的基准就形成了。

1.2 一类设计优化

一类设计其含义为图形结构设计，是解决监测网的图形问题，其方法是固定参数为P、QXX，待定参数为A；是在考虑到进行的专用二级网精度观测值和未知数的准则矩阵已定的情况下，选择一个最优的点位布置和一个最优的观测方案设计。包括最合理的观测值数目。在渡槽及相关建筑物上布设变形监测点88个。对洺河一个变形特征点，想选择一个最优的点位布置，可选择的空间很小，只能在观测方案中进行优选。测区内相邻点间距在30m～650m之间。就此特殊情况把88个变形监测点按照在全测区相对均匀分布的特性南北方向共可分成4块，每1块22个观测点。

当变形监测点采用8个在一个同步环监测方案时，每一个同步环观测时在每1块中选2个变形监测点，4块共计选取8个变形监测点和基准点4个可构成一个同步大地十二边形，相邻点间距最短为232m；同样的顺序为由南向北，共可形成11个大地十二边形，对其叠加与基准网共同可形成整体监测网。

当Qxx的对角线元素为qXX、qYY、qZZ以及qtt表示未知数估值的协因数时：

几何图形强度因子限制为

位置图形强度因子限制为

1.3 二类设计优化

二类设计其含义为权设计。固定参数是A,Qxx待定参数为P。即在控制网的网形和网的精度要求已定的情况下进行观测工作量的最佳分配（权分配），决定其观测值的精度（权），使各种观测手段得到合理组合。

若有R台接收机同步观测，则有（R-1）条独立基线，对它们方差—协方差阵：

其特点是各条基线向量之间相关，同步观测得到的观测值协方差阵是一满阵，因而其权阵也是一满阵：

但由多组（i=2，3，…，n）同步观测得到的全体基线向量协方差阵仍是似对角阵，因而权阵也是似对角阵

为取得好得平差结果，通过各种预平差（不同种类观测）合理地取出了各类观测的实际中误差，此外还通过网的优化设计观测的权得到了最佳的匹配。

1.4 可靠性指标

监测网的可靠性分内部可靠性和外部可靠性,是指监测网能够发现观测值中存在的粗差和抵抗残存粗差对平差结果的影响能力。

内部可靠性：

式中，σ0为方差因子，δ0为非中心化参数，由显著水平α0和检验功效β0表查得；ri为多余观测分量：

当Δoli=min且δo，i=min时，有ri= max这是最优准则并非最优控制，由于多余观测的增加，直接导致费用的提高，就此把可靠性作为约束条件，对其指标限制在一定的范围内，相当于对多余观测分量和总的多余观测提出制约；采用9台接收机的多天线系统观测比传统4台多余观测要多的多，可靠性要好，费用相对低很多。

1.5 灵敏度指标

灵敏度应作为监测网的重要技术指标，设计时不仅要求位移向量d的协因数阵Qdd的最大特征值λmax为最小，还要满足所对应的特征向量的方向与被监测的变形向量的方向正交。对于渡槽的特殊性其特征向量的方向为轴线方向。就此控制点位相对误差椭圆短轴方向尽量接近轴线垂直方向，且控制短半经尽量小，来达到点位精度在轴线垂直方向相对较高的目的。

1.6 费用标准

布设任何监测网都不可一味追求高精度和高可靠性而不考虑费用问题尤其是在讲究经济效益的今天更是如此。监测网的优化设计,就是得出在费用最小(或不超过洺河一限度)的情况下，使其他质量指标能满足要求的布网方案。

该监测网采用最小原则即在使精度和可靠性指标达到一定的条件下，使费用支出最小。

布网费用可表达为：C总=C设计+ C选埋+C观测+C计算+C分析

式中：C表示经费，下标表示经费使用的项目。优化设计中，主要考虑是观测费。由于各种不同观测量，采用不同的仪器，其计算均不一样，很难有一完整的表达式表达出来，只能视具体情况，采用不同的计算公式。

由上述可以看出，从最优设计的意义来讲，网的各类设计分开进行只能是局部概念上的最优，因各类设计相互影响，故最终设计可能并非整体上最优。该监测网在各类设计同时进行时并顾及质量指标，最终采用了9台双频GPS接收机，按上图方式布设了监测网。本设计侧重自动化，建立费用比非自动化成本略高，运行费用相比颇低。

2.变形监测

2.1 外部安全监测点的观测方案

一是水平位移变形点和基准点观测方案。平面控制按基准网(点)和工作网(点)分级布设。基准网(点)由4个基准点和5个工作基点组成；5个工作基点分布于槽顶外观肩上2个、进口渐变段、节制闸上1个、退水闸、排冰闸上1个和出口段及检修闸上1个。由基准点(4个)和工作基点(5个)共9个点构成1个同步大地九边形，组成平面基准网。数据采集：全系统由9台GPS组成。

由于渡槽变形是以基准点位置为标准的，故基准点的稳定性事关重大，4个基准点要定期复测，4个基准点拟布设为大地四边形，在ITRF97坐标框架下，为了高精度地确定该基准点坐标,采用了GAMIT软件进行基线计算。每个时段求解时，卫星钟差的模型改正，采用精密星历中的钟差参数；接收机钟差的模型改正，采用根据伪距观测值计算出的钟差进行改正；电离层折射延迟，用LC观测值消除；对流层延迟，根据标准大气模型用Saastamoinen模型改正，采用分段线性的方法估算折射量偏差参数，每4个小时估计1个参数(相当于每天选7个结点参数)，映射函数采用Niell模型，该模型在高度角小于15时精度较其他模型好。卫星和接收机天线相位中心进行改正，接收机天线L1,L2相位中心偏差采用GAMIT软件的设定值；测站位置的潮汐改正，按照GAMIT软件中的模块进行。考虑到卫星轨道精度很高(优于5cm)，故固定IGS轨道。首先根据基准点的坐标通过与5个IGS跟踪站(武汉、北京、拉萨、昆明和上海等)的同步联测数据,计算出所有单天解结果,然后再将18个单天解的基线结果用GAMIT/GLOBK软件进行平差。平差时只固定武汉跟踪站的坐标,而其他站的坐标加以适当的约束,平差后获得基准点在ITRF97坐标框架下的准确坐标。通过与周围IGS跟踪站点的联测，还可监测其本身稳定性。通过基线解算比较定期复测间的基准点相对位置的变化，来分析4个基准点的稳定性。数据传输：为实现GPS数据自动化传输，GPS观测的数据自动、准确地传输是系统的关键。

二是垂直位移基准点的布置。高程控制只设基准网，由基准网直接进行测点观测。在河两岸各设一组(3点)高程基准点。为保证基点的可靠性，每3点之间互为校核；点间距离不超过100m，校核高差用一等水准测定；两组基点之间的监测点用二等水准进行连测，组成基准网。

2.2 洺河渡槽外部安全监测方案综述

洺河渡槽附属建筑物部分：进口渐变段、节制闸、检修闸、退水闸、排冰闸和出口渐变段的顶部监测点采用GPS一机多天线系统进行自动化监测。洺河渡槽槽墩顶上监测点采用精密全站仪坐标法监测。核心是精密自动全站仪的变形监测系统。

为了安全可靠在洺河渡槽部分构件上采用一种或两种对比方案进行检核，可根据综合成果进行科学筛选运用：视准线观测方案设计，是针对槽梁顶上和槽墩顶上的水平位移而专门设计的；洺河渡槽区域内全部被监测体顶面的可通视变形监测点皆可采用精密全站仪坐标法监测；全部垂直位移监测点可采用二等水准进行连测。

2017-02-08

武明海，男，汉族，河北省水利水电第二勘测设计研究院，正高级工程师。