GPS测量技术在水库大坝监测应用探究

1、gps测量技术在水库大坝监测应用探究摘要：gps测量以其全天候、速度快、精度高等 优点，成为当今最先进的形变监测手段。在大坝安全监测实 施中，受gps测量数据处理技术繁琐与监测系统成本高的影 响，gps测量技术在该领域应用较少。本文就某碾压混凝土 重力坝的gps监测进行应用研究，提出了 gps多天线技术应 用，研究了在不同高度截止角、不同观测时间段的测量数据 处理后的定位精度，并给出了在水库大坝监测的应用研究成 果。关键词：gps；形变监测；gps多天线技术abstract： gps measurements to its weatherproof, high speed and high p

2、recision, becoming today" s most advanced deformation monitoring instruments. in implementation of dam safety monitoring, gps measurements and data processing technologies and ineffective monitoring system cost and high impact, fewer gps measurement technology application in the field. this art

3、icle on a gps monitor application of roller compacted concrete gravity dam, made the application of gps multi-antenna technology, research in different high cutoff angle, observa. tion positioning accuracy of measurement data processing for that time period, and gives the reservoir dam monitoring ap

4、plication of research results.key words: gps； deformation monitoring； gps multi antenna technology中图分类号：文献标识码：a文章编号：2095-2104(2012)1、引言我国目前已建成的水库大坝约86000座，坝高在15米 以上的约有19000座1。据初步统计，在已建的这些水库 大坝中，被列为病险的大中型水库有620余座，被列为病险 的小型水库有33600余座3。对部分大坝存在的缺陷或隐 患，如不及时发现和处理，将直接影响大坝的安全，甚至演 变为溃坝的灾难性事故。据报道，我国在50年代末60年代

5、 初曾发生过溃坝。滑坡大部分分布在河流的两岸，其数量之 多难以统计。仅三峡库区就有滑坡2490处，自1980年以来, 有30多处发生崩塌、滑坡，造成重大损失1。由此可见， 对大坝、滑坡的安全监测非常重要。传统的形变监测是在监测区建立控制网，使用精密测距 仪和经纬仪为主要手段，选择网中高等级点建立统一基准， 将这些监控网点用可靠的方法高精度地与各部位的独立基 准点联测，将独立基准点各部位倒垂、正垂、引张线等监测 系统联系起来，形成整体的监测网络系统。监测网的精度和 可靠性要求高，观测周期多，所需费用高，而且需要大量的 人力物力。全球定位系统（gps）精密定位技术已在大地测量、地 壳形变监测、精密

6、工程测量等诸多领域得到了广泛的应用和 普及。与观测边角相对几何关系的传统测量方法相比，gps 监测具有很大的优点1。它可以实现高度自动化，大大减 轻外业强度，同时又能够迅速得到高效可靠的三维点位监测 数据。2、gps在大坝、滑坡形变监测中的应用gps用于形变监测，监测的区域一般不是很大，但变形 监测点布设比较密集。当gps用于大坝形变监测或滑坡监测 时，往往是对一定范围内具有代表性的区域建立变形观测 点，在远距离监测点合适的位置（如稳固的基岩上）建立基 准点。在基准点架设gps接收机，根据其高精度的已知的三 维坐标，经过几期观测从而得到变形点坐标（或基线）的变 化量。根据观测点的形变量，建立安

7、全监测模型，从而分析 滑坡、大坝等的变形规律并实现及时的反馈。事实上，为了 建立一个更接近实际情况的安全监测模型，合理的密集分布 监测点是需要的。使用常规的全站仪，虽然可以降低成本，但是需要更多 的人力完成观测操作；而使用gps观测则简化了外业操作， 但是多个监测点需要使用更多的高精度接收机同时观测，仪 器费用也随之提高。因此，降低成本是gps观测需要解决的 问题。大坝和滑坡在短时间内不会出现很大的位移，要通过观 测整体的微小变形量，构造统计分析模型，预测变形体长期 的变化趋势，为以后的分析决策提供依据。为了进行形变分 析，需要获得监测点高精度位置坐标数据，通常要求监测点 的观测数据达到毫米级

8、的精度，这也是gps定位技术能否应 用于变形观测的一个关键性问题。与普通的工程测量不同，滑坡及大坝形变监测需要实时 传送数据，并不断更新，达到监控的目的。普通的全站仪由 于其内部的电器、光学特性使得它不能工作在雨雪天气，夜 里也无法完成测量作业，gps技术由于其全天候作业的特点 不但可以取代传统的测量作业方式，而且可以将gps信号传 输到控制中心，实现数据自动化传输、管理和分析处理。gps用于变形监测虽具有突出的优点，但由于每个监测 点上都需要安装gps接收机，尤其是当监测点很多时，造价 十分昂贵3。针对这个问题，我们提出了 gps 一机多天线 技术方法，即一台接收机联接多个天线，每个监测点上

9、只安 装gps天线，多个监测点共用一台接收机，这样监测系统的 成本可大幅度下降。基于上述设计思路，我们设计使用"gps 一机多天线控制器”，一台gps接收机能联接8个天线。该 项技术为大坝、髙边坡及滑坡的gps安全监测创造了极为良 好的条件，这一 gps技术在水利水电工程中有了广阔的应用 刖景。3、gps大坝形变监测实施某抽水蓄能电厂枢纽包括上水库、下水库、输水系统和 厂房等部分，处于山区中部的崇山峻岭中，河道落差很大， 下水库位于支流大溪上，上水库位于一条小支沟的沟源洼 地，输水系统和厂房均设在地下，上、下水库库底天然高差 约590m,筑坝形成水库后平均水头约570m,两个水库的水

10、 平距离仅lkm左右。因此，建立先进可靠的gps形变监测系 统，对于实时监控枢纽的安全运行，具有特别重大的意义。将gps应用于抽水蓄能电厂大坝的形变监测，工程实践 中要考虑gps的一些限制因素及其对定位精度的影响，我们 考虑如下问题：在大坝的高边坡上设置的变形监测点，由于受高边坡的 遮挡，就要合理设置卫星观测的高度截止角，不同的截止角 对变形监测有无显著的影响。使用gps定位首先要求接收机跟踪锁定足够数目的卫 星，以便进行整周模糊度解算。在大坝的变形监测中需要多 长的观测时间达到形变观测的精度要求。针对以上问题，受某电站总公司的委托，我们在抽水蓄 能电厂的坝区进行了应用研究。(1) 选择不同高

11、度截止角对受边坡遮挡的监测点，变换不同的高度角，观测各条 基线长，与当地的常规全站仪测量得出的坐标(假定为真值) 反算得出的基线长进行比较。选择6个坝坡的观测墩架设天 线，使用trimble双频接收机按15°、20°、25°、30°、 35°高度截止角分期进行观测。使用trimble的随机基线解 算软件tbc算得基线长如表1所示：表1不同高度截止角观测结果从以上的观测结果比较表可以看出，在15。到35°的 变化区间上，观测结果的外符合误差基本上是在几个厘米的 变化范围上浮动，取15。到20°左右可以达到最好的观测 效果。因此

12、，在对较高的建筑物进行形变监测过程中，一定 要考虑是否有其他地物遮挡的问题。但是对于普通的滑坡位 移监测，这样的精度已经能够满足要求，可以容许高度截止 角在一定范围内的变化来避开被遮挡的空间。(2) 选择观测时段考虑到用gps观测不同于普通的全站仪，需要先对可见 卫星进行信号锁定，计算出卫星的整周模糊度，根据卫星的 分布计算几何精度因子，评价gps定位的精度。当接收机失 去对卫星的锁定时(比如遮挡或者卫星飞离可视空间)，需 要重新锁定新出现的卫星，比较并使用最优卫星空间结构计 算天线位置。因此，就观测时段，我们作了相关的比较分析。 在下水库，选取c6、c7、c4作为基准点，因其具有良好的 环境

13、条件和稳定性，将边坡上dll、d7、d1作为变形监测点, 使用双频接收机分别连续观测15、30、45、60、90分钟， 并使用tbc随机软件经过基线解算及网平差处理结果如表2 所示：表2不同gps观测时段平差结果从以上表2中三个监测点的坐标分量中误差可以看出，15分钟观测精度只能达到厘米级的精度，最小是lcm,最大 达到7cm。因此，15分钟的时间不适合用gps监测大坝的形 变。观测时间大于45分钟，精度稳定在23毫米，90分 钟与45分钟观测结果相差已经不很明显。从工作效率考虑, 45分钟的gps测量时间已经满足滑坡及大坝形变监测的要 求。3、gps多天线技术在滑坡及大坝监测中的应用前面已经

14、提到，制约gps大范围应用的一个关键因素是 它的费用高。当进行自动变形监测时，每一个变形监测点都 需要配备一套gps接收机，这使得监测系统的费用相当昂贵。 gps -机多天线系统作为gps应用领域的一个创新，它的研 制目的在于大大减少用于滑坡监测中使用的gps接收机的数 量。我们利用gps -机多天线控制器，使一台接收机联接8个天线，每个监测点上只安装gps天线，8个监测点共用一 台接收机，这样监测系统的成本可大幅度下降。gps 一机多 天线系统原理见文献2,由控制中心、数据通信、gps多天 线接收单元和供电系统构成。我们在某水电站的上水库采用gps 一机多天线系统进行 了应用研究。取c7作为

15、基准点，d8、dio、d11为观测点， 这三个观测点共用一台接收机。事先设置多天线各通道工作 相同时间，及其它相关参数，监测点布置如图1所示。图1gps多天线监测网布局不同于常规gps观测结果处理，由于gps-机多天线系 统其分时操作的特点，对观测文件需要按时间进行切割，用 设备厂家开发的程序对接收机采集的数据进行处理。经过切割生成的文件与普通的观测文件一样，将基准点连同三个监测点一起进行基线解结果如表3所示。表3基线长度及中误差从表中看出，使用gps 机多天线系统，观测精度达到 23mm,这与前面常规静态gps测量得到的成果精度相当， 但是使用接收机的数量大大减少，从而减少了监测系统的成 本。4、结语在抽水蓄能电站水库坝区的监测应用研究表明，gps测 量技术完全可以应用于滑坡及大坝形变监测，而且由于其全 天候工作、简单的操作、高精度的成果，具有传统测量无法 比拟的优势。利用gps多天线技术，不但解决了费用高的问题，而且可实现数据采集、预处理自动化，这使gps测量技术在水利 水电工程中有着越来越广阔的应用前景。参考文献1徐绍栓等。gps在大坝和滑坡安全监测中应用的研究，水力发电，vol29, no. 1, 2003, pp61-64.2何秀凤等“gps 机多天线变形监测系统”，水电