GPS技术在岗南水库大坝水平位移监测中的应用及发现的问题

【摘要】主要介绍了岗南水库大坝水平位移监测中的GPS技术应用，及在应用过程中发现的问题，并通过有效分析，找到解决方案。

【关键词】水平位移；GPS；应用；发现问题；有效分析；解决方案

1、前言

岗南水库位于河北省平山县岗南镇附近的滹沱河干流上，是海河流域子牙河水系两大支流之一滹沱河中下游重要的大（1）型水利枢纽工程，控制流域面积15900km2，总库容15.71亿m3。水库以防洪、供水、灌溉为主，结合发电，与下游28km处的黄壁庄水库联合控制流域面积23400km2。

水库于1958年3月动工兴建，1959年拦洪，1962年停工待建，1966年续建，1969年竣工， 1978年开始扩建加固，至1990年竣工。岗南水库工程经过初建、续建后，仍存在着许多遗留问题，2003年11月岗南水库除险加固工程正式开工建设，与2008年6月竣工。

随着大坝除险加固工程的完成，对变形观测系统进行完善，重新布设了坝上的监测控制点，并将GPS技术应用于大坝水平位移监测。

2、 GPS技术应用于水平位移监测的优势

GPS技术应用于大坝监测的可行性已得到充分验证，在国内外已较为成熟，国内许多大型水电站已有成功的经验，水平方向精度可达毫米级或亚毫米级。因此，相对于传统的测量方法，GPS技术有着传统方法不可比拟的优势，主要如下：

2.1 测站间无需通视

GPS测量不需要点间通视，布网灵活，对所构网形的图形强度要求不高，可有效克服气象条件对观测的影响；而常规测量所构成网形的一条边的两端点间必须通视，布网局限性大，对所构网形的图形强度要求高，且受周围气象环境影响大，很难保证检测精度。

2.2 全天候作业，观测时间短

可进行全天候作业，观测速度快，工作量减少；而常规测量必须在天气状况良好时才能观测，且观测周期长，工作量大。尤其对平原或丘陵水库，当坝体较长呈带状时，用常规测量的布网方法难以构成理想的网形，更能体现出GPS技术的明显优势。

2.3 操作简单

随着GPS接收机的不断改进，自动化程度越来越高，有的已达“智能化”程度，接收机的体积越来越小，重量越来越轻，极大地减轻测量工作者的工作紧张程度和劳动强度。结合计算机技术，应用gnss软件，使数据处理方面也变得简单快捷。

3、 GPS技术在岗南水库大坝水平位移监测中的应用情况

3.1外业操作

3.1.1观测设施布置

本次除险加固恢复了主坝的水平位移观测，并在左岸新副坝增加了水平位移观测项目。主坝共设5个断面，21个监测标点。新副坝布设2个观测断面，4个监测标点。新布设水平位移观测工作基点分别为岗基01、岗基02、岗基05、岗基06，分别用来观测主坝及新副坝的水平位移。

3.1.2观测方案

测量仪器采用三台南方灵锐S82 GPS接收机进行E级GPS静态定位，采用监测点周期观测方案。

主坝水平位移首期监测在岗基01和岗基02为固定重复基线，新副坝水平位移首期监测在岗基05和岗基06为固定重复基线，与各监测点组成GPS网按照E级GPS网观测规范，完成监测点的周期性观测。

主坝采用岗基01、岗基02对位移标点进行约束控制观测，新副坝由岗基05、岗基06对位移标点约束观测。

3.2数据处理

3.2.1水平位移采集数据的解算及平差

3.2.1.1 基线解算

将测量完成后的采集数据，根据基点和观测标点的原始记录，利用南方测绘的gnss数据处理软件，分别由GPS接收机导入电脑指定文件中。

打开数据解算软件，新建工作项目，在新建项目界面内将导入的数据调入，然后将全部数据进行解算，解算按GPS的E级解算标准进行，解算全部通过，证明达到精度要求。在基线的解算过程中，为了确保基线的质量可靠，提高成果的精度，根据实际情况，删除一些残差比较大的、周跳比较严重的时段。然后对基线进行再处理，分析比率、参考变量及RMS值，直至取得基线的最优解。

3.2.1.2 GPS网平差

GPS基线解算完成后，在WGS84坐标系下对GPS网进行平差。在平差的过程中对一些含有粗差的边进行了剔除，平差后分析平差报告，直到报告中的各项限差都满足要求。

3.2.2水平位移监测标点的数据转换

利用GPS观测水平位移解算所得为大地坐标，需要通过大地坐标计算出标点的施工坐标，以便更直观的监测到坝体在坝轴线和垂直于坝轴线方向的位移。利用南方测绘的CASS绘图软件进行数据的转换，然后跟以往数据进行比较，来监测大坝的水平位移。

4、数据处理过程中发现的问题

自2008年利用GPS技术对岗南水库大坝水平位移进行检测以来，在基线解算过程中总是出现解算不合格的问题。

为了解决此问题，进行了以下两方面的分析：

4.1 问题分析一：标点过多导致解算不合格

首先考虑观测标点过多，产生的异步环太多，容易导致解算不合格。于是分断面进行基线解算，这样异步环减少。但结果出现部分断面仍然有异步环不合格现象。说明不是因为标点过多造成的解算不合格现象。

4.2 问题分析二：对中误差导致解算不合格

在分析问题过程中，发现新副坝水平位移监测数据没有出现过解算不合格现象。其标点只有4个，在同一天即可完成外业测量。而主坝水平位移监测有21个标点，需4天才能完成外业测量。主坝水平位移监测是以岗基01和岗基02为固定重复基线，每天都要重新将接收机利用三脚架架设在工作基点上。因此考虑是对中出现误差或是由于GPS的观测时间较长，三脚架被日照和风吹出现相应的问题。于是将每一天的数据分别进行基线解算。结果没有出现异步环不合格现象。说明问题出现的原因就是将接收机利用三脚架架设在工作基点上的对中误差造成的。

5、改进方案

考虑到位移标点上采取的是强制对中的观测墩，可以解决人为的对中误差和三脚架被日照和风出现的相应问题。决定不再以工作基点岗基01和岗基02为固定重复基线，在第一天结束观测前，将重复基线控制点移到位移标点，这样第二天利用位移标点的强制对中原理，解决对中误差问题。

5.1 观测步骤

岗南水库主坝水平位移监测改进方案观测步骤如下：

（1）先将三台接收机分别架设在工作基点岗基01、岗基02和一个位移标点A1上，完成一个时段的观测。

（2）岗基01上的接收机移到另一个位移标点A5上，利用岗基02和A1形成的重复基线进行A5的监测。

（3）岗基02上的接收机移到B1上，利用A1和A5这条基线对B1进行监测，这样就将重复基线控制点移到了能强制对中的位移标点上。依次再完成其他标点的监测。

5.2 结论

在利用改进方案进行水平位移采集数据的解算过程中，不再出现异步环不合格现象，说明这种方法可行。

6、结语

GPS技术在岗南水库大坝水平位移监测中具备速度快、精度高和时间短等特点，在一定程度上实现了水库大坝监测自动化。但GPS技术测量应用也还不够完善，应该根据工程的实际情况来进行有效的分析，从而有效地提高监测的精度。

参考文献：

[1]刘大杰，施一民，等.全球定位系统（GPS）的原理与数据处理[M].上海：同济大学出版社，1996.

[2]李红连，黄丁发，陈宪东.大坝变形监测的研究现状与发展趋势[J].中国农村水利水电，2006

[3]孙建朝；刘亚超；；岗南水库大坝除险加固后新增水平位移监测网布置和观测方法[A]；中国水利学会2008学术年会论文集（上册）[C]；2008年

[4]王丽蕊，张志，等.岗南水库观测技术手册

[5]熊刚，詹景祥.GPS测量在水库大坝变形中的应用与分析[J].全球定位系统，2006