GPS在大坝变形监测中的应用探讨

曹慧君　杜晨晖

摘要：现代测绘科技在当今社会得到快速发展，GPS技术的应用渗入到各个领域。文章探讨了GPS在大坝变形监测中的实践，介绍了GPS在短时观测方面的方法和应用手段，以此来对库区清坡、大坝变形进行适时的监测。

关键词：GPS技术；大坝变形监测；卫星导航定位系统；水利工程；GPS监测网 文献标识码：A

中图分类号：TV42 文章编号：1009-2374（2017）05-0182-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.05.088

GPS的全称是全球定位系统，它产生于20世纪70年代的美国，是由美国海陆空三军联合研制的新一代空间卫星导航定位系统。该卫星系统由空间部分、用户接收机部分和地面监控部分三大部分组成。该系统经过一步步的研究和试验，1994年在各个领域完全投入使用。GPS的重要作用就在于它可以为每一个用户不断提供地球上的任何时刻、各个位置的动态信息。

GPS技术的优点有操作简单、效率高、全天候、精度高、功能多。正因为这些优点，该技术最近几年在地壳变形监测、城市测量、石油勘探、大地测量、资源调查、精密工作测量等领域都有应用。随着GPS系统一步步完善，其接收机性能和解算软件也在不断改進和完善，常规的测量方法逐渐被GPS取代，并应用于比较精密的变形监测，目前大多数的大坝变形监测都应用了GPS技术，比较典型的当属我国新疆地区的部分水库大坝，在此就以新疆克拉玛依的三坪水库为例，叙述GPS在水库大坝变形监测中起到的作用。

1 工程概况

该三坪水库位于克拉玛依市三坪镇西北方向5千米处，离农业灌溉区大约15千米，距离市区约15千米。该地区拥有典型的大陆性气候，年降水量不足，常年干旱，昼夜温差也相对比较大。该水库利用自身位置优势采用南、东、北三面围坝的方式注入水库。水库容量达3300万立方米，最大的水域面积可达2.67平方千米，该水库属于黏土性墙土石坝，高达35米，坝顶高程约为400米，坝顶的长度为3886米，宽为6米，上、下游的坝坡分别为1∶2.5和1∶2～1∶2.25，农业灌溉区的流水量为15立方米/秒。

因为对大坝变形监测的精确度要求越来越高，所以使用GPS进行监测的同时要建立GPS监测网，建立大坝变形监测合理并且可行的方案，采取合适的措施和方法应用于GPS观测以及观测数据处理等方面，满足大坝变形监测的要求。为了了解三坪水库大坝的变形程度，保证其安全渡汛，工作人员把带有8个位移标点的视准线安装在水库上游来进行监测，与此同时把这8个水准点设置在位移标点的下方，进行沉陷的监测，进行寻常变形监测的同时，利用GPS接收机进行同步监测。

2 三坪水库主坝外部变形监测的设计方案

坝顶以及上、下游坝坡上安装28个工作基点、15条视准线和150个表面位移标点，以此对主坝的变形程度进行监测。在刚开始的设计方案中，有4个倒垂装置来配合外部变形监测控制网检测工作基点的基准值，但是由于施工难度大，成本也相对比较高，也很难满足变形要求，最后经过专家组的讨论后取消了该方案，然后把该方案设计为常规测量与GPS技术相结合，定期监测工作基点的基准值或者是运用GPS技术对表面标点的水平位移与垂直沉陷位移进行监测，按照规定执行观测方法和进度要求。

3 GPS变形监测试验基准网的设计和实施

3.1 基准网的设计方案

设计基准网的目的是为了提高变形监测基准值的精确度，方便引入精确地心坐标，并且减少基准点坐标误差产生的影响。把我国一些大型水库大坝的GPS变形监测方案作为参考，对变形监测试验基准的观测方案、布设形势进行设计，最终确定了三坪水库变形监测试验基准网。

从方便监测、减少成本的角度出发，考虑三坪水库大坝的优点和缺点，建立两级布设水平位移监测网，把一个专三级GPS网安装在首级基准网上，该网包括两个工作基点和三个基准点。

3.2 基准网外业观测

3.2.1 设备仪器以及观测计划。在仪器设备方面采用四台徕卡350型GPS接收机和AT303扼流圈天线，还有瑞士伯尔尼大学的BERNESE软件和徕卡GPS处理软件。在进行大坝监测之前，先根据三坪水库地区的水平高度和经纬度，编制卫星几何图形强度GDOP预报表和卫星可见性预报表，确定大坝的观测时段。并利用现有的4套GPS接收机，同时监测5个站上的时间段，并重点注意每个时间段的观测时间应该大于8个小时。

GPS接收机原理图如下：

3.2.2 处理观测数据得出结果。（1）处理观测数据。首先利用徕卡SKI软件处理外业的监测数据，等到正常确认数据观测记录，并且没有严重的周跳和其他异常，然后再利用伯尔尼软件进行深一步的数据处理和分析；（2）数据解算。为了减少基准线解算的误差影响，提高起算数据的精确度，获取高精确度的地心坐标，而这需要乌鲁木齐市徕卡技术中心的帮助，得到克拉玛依市IGS跟踪站的准确坐标以及该跟踪站的观测数据。利用该水库基准网的P101点和克拉玛依市IGS跟踪站，解算长基线，确保得到精确度高的P101点的地心坐标，把P101点为起算点进行基准网所有事物基线解算。

4 克拉玛依市三坪水库大坝围堰监测实施GPS

把GPS试验基准网中的P101当作基准点进行大坝变形监测。为了用最短的时间得到最好的测量结果，处理基准网观测数据，参考相关资料，观测时间采用25分钟，在实施过程中，在P101点上安装一台仪器架设，把它当作参考站，在1、2、3、4、5、6、7、8号标点上依次架设其余的3台仪器，每个点的站点设置要重复一次，常规观测也要同时进行。进行基准网基线解算要将得到的P101点的WGS84坐标作为已知坐标，进行基准网平差也要在P101点。

5 GPS在大坝变形监测中的应用

GPS定位技术进行大坝变形监测是一种先进的高科技手段。目前世界上很多国家都十分重视这种检测方法，投入人力物力进行研究和试验。利用GPS技术进行大坝变形监测是GPS技术变形监测的一种很典型的应用，如果利用GPS进行大坝变形监测，通常有两种方法：第一种监测方法：采用GPS接收机。定时定点到指定的监测点上进行观测，对获取的数据进行处理和分析；第二种监测方法：在监测站上安装无人值守的GPS观测系统。再由软件的控制，完成实时监测和变形分析。

第一种方法费用比较低，但是劳动强度相对比较大，自动化程度比较低不能实时监测；第二种方法不但能实时监测，而且自动化程度也很高，但是由于GPS接收机要安装在每个监测点上，这样就造成了系统的建设费用大大提高。

在我们国家除了以上两种方法，还自主开发了GPS多天线大坝变形监测系统，让一台GPS接收机连接多台天线，这样既提高了自动化程度、降低了劳动强度，以此来实现实时监测，同时也降低了成本费用，因为该GPS多天线大坝变形监测系统的优点突出。

6 GPS短时间段进行监测的优势

6.1 精确度

与常规的观测位移量相比较，GPS位移的差值误差要相对比较小，更能满足常规观测技术的规范要求，只有位移量的差值小，结果才能比较稳定。

6.2 沉陷量

与常规观测工作的沉陷量相比较，GPS沉陷量的差值误差要相对比较小，满足了大坝沉陷量观测技术所需要的高精确度要求，在三坪水库大坝的监测差值中，有26个获取值小于中间误差值，所占总数的比例为62%，不过也有3个值大于2倍中间误差，但是结果算是较为稳定。

6.3 工作强度和作业效率

与常规的工作强度和作业效率相比较，人为干涉GPS观测的比较少，全是自动化完成数据采集和数据处理，也不受天气的影响，所以最后获取的结果比较可靠、准确和及时。

7 GPS技术在监测时产生的误差和补救措施

大多数的研究成果虽然表明，GPS定位技术拥有高精确度，但是在大坝变形监测的作业中，GPS实际测量成果很难达到所预计的精度高要求，原因就在于大坝的特殊地理位置和不利条件影响了GPS技术进行大坝变形监测，加大了检测误差，因此降低了精确度，利用GPS技术进行大坝变形监测，其误差来源主要有三个方面：一是与对流层误差、电高层的误差、载波相位的周跳信号传播的有关误差；二是与观测值的噪声、接收機等误差、测站坐标有关的误差；三是与卫星钟差和轨道误差等卫星有关的误差。为了将以上的误差尽可能地减少，可以采用自动化程度高、稳定性高、精确度高的GPS接收机进行监测，并且再采用静态差分观测的相对定位技术来提高GPS观测精确度。除此之外，适当地延长大坝变形观测时间，也要选择合适正确的观测时间段，然后开采一定的合理措施，这样就可以将卫星的钟差接收机、观测值的噪声误差尽可能地降到最低。

8 结语

GPS一机多天线系统需要多个天线间歇不停的转换，在使用数据处理软件中应该特别注意削弱和消除相位周跳的误差。只要合理地解算，GPS多天线的测量结果的精确度完全可以与常规的GPS测量结果相当。总而言之，GPS技术不仅能明显降低监测系统的成本费用，它也具有高效率、高精确度、全天候、功能多、操作便捷等众多特点。科学技术的飞速发展，测绘技术的日渐成熟，GPS技术的应用范围也越来越广阔，未来也一定会出现更好的大坝GPS自动化变形监测系统，该技术有着较好的应用前景。

参考文献

[1] 杨光，王新洲，华锡生，何秀风.基于GPS-机多天线的大坝变形检测系统[J].导航，2014，38（3）.

[2] 王泽明，李征航，刘志赵.利用GPS定位技术进行大坝变形观测的研究[J].武汉水利电力大学学报，2012，29（6）.

[3] 徐绍全.GPS测量原理及应用[M].武汉：武汉测绘科技大学出版社，2013.

[4] 陈龙飞.工程测量[M].上海：同济大学出版社，2012.

作者简介：曹慧君（1981-），女，安徽太湖人，供职于国网江西省电力公司柘林水电厂，研究方向：大坝安全监测。

（责任编辑：小 燕）