GNSS技术在水库大坝变形监测分析中应用

袁兴明

(山东工业职业学院 建筑与信息工程系 山东淄博 256414)

0 引言

GNSS是Global Navigation Satellite System缩写，全球系统主要包括美国的GPS、俄罗斯的Glonass、欧洲的Galileo、中国的北斗卫星导航系统。主要应用于高精度测绘、道路搜索、车载导航、移动监控、智能通信、物联网、智能物流、人工智能、灾害救援以及无人操作等诸多专业领域[1-3]。

在测量工程实践科学研究中，变形观测占有十分重要的地位，如水库大坝的兴建，从施工开始到竣工截流，以及整个运营阶段都要不断地或者周期性监测大坝的变形情况。我国大部分地区四季分明，各地降雨降雪量受季节的变化影响较大，蓄水对大坝的正常使用会产生相应的变形。国内外对大坝监测采用了各种新型技术，GNSS自动观测、地面摄影测量、3D激光扫描仪、无人机监测、inSAR技术以及特殊测量手段应变测量、倾斜测量、准直测量等[4-6]。

本文主要利用GNSS技术对大坝进行常规的周期性监测，详细介绍了监测方案的设置、监测点的布设、观测墩的设置以及实测方案及注意事项。外业观测数据利用南方GNSS静态数据处理软件，进行基线处理、自由网平差、约束网平差。通过对比分析上一期的解算数据，得出大坝变形的趋势，分析出现特殊点变形的原因和影响因素，为小型水库大坝变形监测提供技术支持。

1 大坝监测线布设

控制点(GNSS监测网)设置在不受变形影响的地方，选择建立了3个控制点(工作基点)00J1、00J2、00J3，点位稳定并有利于保存。监测点沿坝体设置3条监测线，分别在坝体上方、坝体中间、坝体底端，共布设监测点18个。由于坝体施工因素1983、1986两个监测点被破坏。鉴于当时水库建设环境和技术要求限制，为了保障运营阶段的安全，2015年布设了监测点。监测点和观测点标志如图1所示，具体监测线和点位分布图如图2所示。

坝上监测线：1981-1982-1983-1984-1985-1986；

坝中监测线：2201-2202-2203-2204-2205-2206；

坝底监测线：2421-2422-2423-2424-2425-2426。

图1 00J1控制点观测墩

图2 部分监测点布设点位图

2 实测方案及网型设计

(1)GNSS数据解算要求。采用8台银河1GNSS收机，静态观测；卫星高度角≥15°；有效观测卫星数 ≥ 4；每时段观测时间60min；数据采样间隔1s；PDOP值≤6；GNSS 数据处理，包括基线解算和基线网的约束平差，接收机在野外完成数据采集工作后，南方测绘生产GNSS接收机随机商用软件对数据进行自动处理，解算出全部基线[5-6]。

(2)观测4个时段，具体时段安排和调度如下：

第1个时段：00J1-00J2-2201-1801-2202-2421；

第2个时段：2421-1981-1982-1984-2203-2204-2422-2423；

第3个时段：2423-1984-1985-2205-2206-2424-2425-2426；

第4个时段：2425-2426-2206-1985-00J3。

(3)观测要求：观测组必须遵守调度命令，按规定时间同步观测同一组卫星。当不能按计划到达点位时，及时通知其它各组，并经过观测计划编制者同意对时段作必要调整，观测组不得擅自更改观测计划；观测者到达测站后，先安置好接收机使其处于静置状态，并在关机状态下连接接收机、控制器、天线、数据链间的电缆；一般情况下，安装天线利用脚架直接对中，对中误差应小于1mm；天线高在时段前、后应各量取一次，其较差小于2mm取平均值作为最后的天线高。当较差超限时，查明原因，提出处理意见。天线高根据仪器类型，量取至厂方指定的天线高部位，并注明天线高类型(斜距、垂距)；经检查，接收机的电源电缆、天线电缆等项连接正确，接收机预置状态正常后，方能确定接收机开始观测。

接收机开始记录数据后，应及时将测站名、测站号、时段号、天线高等信息输入接收机设备。观测过程中，注意观察并记录卫星变化的升落时刻、各通道的信噪比、接收信号的类型和数量、卫星信号质量、存储器余量与电池余量等；观测员在作业期间不得擅自离开测站，防止碰到仪器或仪器受震动。注意防止行人和其它物体靠近天线遮挡卫星信号；观测时，使用对讲机应距天线10m以上，使用车载台离开天线应在50m以上。

(4)基线处理和网平差处理流程

基线处理、网平差均采用南方的随机软件进行处理，处理步骤如图3，分为基线处理、闭合环检查、WGS-84坐标系下无约束平差、1954北京坐标系下约束平差、1980西安坐标系下约束平差等。本区内无任何信号遮挡物，基线观测值较好，解算的各项指标均满足GPS测量规范及该项目技术设计书的要求。

图3 基线处理和网平差处理流程

3 监测分析

(1)数据处理网型如图4所示。

(2)解算数据，利用00J1和00J2作为解算的已知点，解算数据与00J3对比分析，具体的解算结果如表1所示。

图4 GNSS解算网型

表1 数据解算结果

(3)变形曲线分析

分析图5坝上监测点变化柱形图、 图6 坝中监测点变化柱形图、图7 坝底监测点变化柱形图、图8监测点变化曲线图和表1可以得出，X方向最大变形值21mm，最小变形值1mm，Y方向最大变形值29mm，最小变形值1mm，最大变形值同属于2203监测点，位于坝中监测线的中间。通过对实地分析，该点处于大坝的正中间，所受的压力比较大。

图5 坝上监测点变化柱形图

图6 坝中监测点变化柱形图

图7 坝底监测点变化柱形图

图8 监测点变化曲线图

通过分析3条监测线可以得出，坝中的变化大，其次是坝底，坝上变化最小；坝上监测点变化方向是往南偏移，坝底监测点变化也是往南偏移，坝中的监测点变化往北偏移；通过分析蓄水压力，坝中的压力明显大于坝底和坝上的压力，所以造成点位向北偏移趋势，坝底基础比较加固，受影响的幅度相对较小，坝上监测点离水面很远，影响也比较小。

4 结论

该水库大坝变形数据较小，基本符合静水压力对坝上、坝底和坝中的影响规律，在数据处理过程中没有采取粗差探测和噪声的处理，对监测结果会产生一定的误差，在后续的研究中可以采用高精度的数据处理软件，进行变形监测。

该方法可以有效地节约大量的人力物力和财力，对山区后续增加的监测点，分析大坝的变形规律和运营阶段的安全给予一定的技术支持。