GPS在石门子水库大坝外部变形监测中的应用

张志国,李晓飞

(1.玛纳斯县塔西河流域管理处石门子水库管理站,新疆 昌吉 831100)2.新疆水利水电勘测设计研究院测绘工程院,新疆 昌吉831100)

0 引 言

塔西河石门子水库枢纽工程位于新疆昌吉州玛纳斯县境内，距玛纳斯县以南约42 km处，塔西河峡谷处，主坝为混凝土双曲拱坝，坝高109 m，副坝为土石坝。水库库容5400万立方米，水库正常蓄水位高程1390 m，枢纽主体工程于2003年完工，石门子水库大坝外部变形监由平面位移监测和垂直位移监测两项组成。为更好的了解水库大坝，随水库蓄水水位升降而发生的水平及垂直位移的变化的规律,从而确定水库安全运行的科学管理方法，采用GPS于2003-2013年先后对石门子水库大坝进行了17次平面变形监测，并对变形监测数据进行了分析、总结。

1 石门子水库变大坝(混凝土双曲拱坝)变形监测

1.1 变形监测网的等级的确定[1-5]

根据实际工作的要求，变形监测网是为了监测水库大坝变形用的，因此先确定变形监测网的等级，等级低了不能起到监测的作用，等级高了监测成本较大，根据《全球定位系统(GPS)测量规范》GB/T 18314-2009混凝土观测一般选用C 级GPS网观测就可以满足精度要求，将C 级GPS网精度和《水利水电工程测量规范》SL197-97 GPS网精度对照其精度和二等GPS网精度相当，所以平面一般选择二等GPS网进行观测，测量误差按《混凝土坝安全监测技术规范》DL/T 5178-2003中混凝土双曲拱坝的径体向位移和垂直位移中误差限值为±3 mm的规定。

1.2 变形监测点位的选择

根据各监测点的作用，石门子水库变形监测网中由2个控制基点(TN3、TN4)，4个工作基点(TS1、TS2、TS4、TS7)，和5个位移监测点组成，其中工作基点和位移监测点均是平面采用的强制对中标志。

控制基点点位选择的原则：平面控制基点(TN3、TN4)位于主坝下游侧约300 m左右稳固山体上,其原因是使其免受大坝蓄水的影响,使其在不同蓄水水位下都保持稳定,从而达到控制平面工作基点的作用，即要远离水库大坝，但距离太远观测不便，而且观测误差较大，一般选择在离大坝300～1 000 m的不受大坝蓄水影响的稳固岩体上较为合适。

变形监测工作基点点位选择的原则：工作基点(TS1、TS2、TS4、TS7)位于水库四周的通视条件良好且便于观测大坝的岩体上，其原因是满足当前各种观测方法(小角度法、三角网交会、边角网、GPS观测法)等观测方法的实施。

变形监测点点位选择的原则：水平监测点(5个)及垂直监测点(5个)均匀分布在水库大坝上，应使对其观测的数据对大坝稳定性分析有一定的代表性。

1.3 变形监测点的观测

石门子水库大坝采用美国Trimble 5700 GPS双频接收机4台 (标称精度：5 mm+0.5 ppm×D)进行观测，观测参数见表1.观测中要注意：变形监测要求精度较高，需要消除Zephyr天线相位中心偏离误差，要求观测人员将Zephyr天线测量口朝北。

表1 二等GPS网观测参数表

石门子水库位于山谷的河槽中，在观测前负责人对每个观测点的精度衰减因子(DOP)值及星历预报图做详细的记录与分析，避免因卫星状况、高度角、障碍物等原因引起周跳发生，具体操作塔西河石门子水库ZB5测站卫星编辑如图1所示、ZB4测站卫星编辑，如图2所示。图1中东南部有40%左右的天空被山体遮挡，接收不到卫星信号，说明ZB5测站有很多卫星被遮挡，在一定时间段是无法观测的，而图2中显示没有卫星被遮挡，ZB4测站在任何时间段均可观测。

图1 塔西河石门子水库ZB5测站卫星编辑

图2 塔西河石门子水库ZB4测站卫星编辑

从ZB4测站的卫星可见性图，如图3所示，可以得出ZB4测站，全天24 h都可以有5颗有效卫星数观测，而ZB5测站的卫星可见性图,如图4所示，ZB5测站只有0∶00-2∶00、6∶00-17∶00的时间段有5颗有效卫星数观测，即ZB5只有在这两个时间段能使用GPS手段观测。

从ZB4测站的卫星DOP值图，如图5所示，可以得出ZB4全天只有6∶00-7∶00、23∶00-24∶00时DOP值大于6，不能采用GPS观测，其它时间均可以。而从ZB5测站的卫星DOP值，如图6所示上可以得出ZB5全天只有0∶00-2∶00、3∶00-4∶00、7∶20-9∶40、10∶40-13∶30、14∶40-17∶10的时间段DOP值小于6，可以采用GPS观测，其它时间均可以。

综合上述因素和观测参数的要求及安全因素因据白天观测的要求，确定ZB5监测点在上午7∶20-9∶40、10∶40-13∶30进行观测能满足要求，而其他时间观测的精度将无法满足精度要求。观测时要求观测人员严格按项目负责的要求进行观测，避免重复测量发生。

1.4 变形监测点的数据处理

1.4.1 基线处理

1) 基线解算原始数据的录入。采用天宝TTC软件，新建项目导入观测的GPS数据、输入点名、天线高及量取方法等信息。也可以事先建立好相应的RINEX文件，其好处在于在下次使用时可以不需要再输入测站信息，便于检查。

2) 基线解算参数的设置。高度截止角、采样时间间隔等参数设置必须在观测前完成。再确定解算精度限差及所使用的模型，其他参数为默认。

3) GPS基线的处理。点击基线处理对话框，可以对基线进行处理，处理中包括起止点名、观测时段时间长度等信息，如图7所示，在解算中18372340-18392340基线最差，选中基线属性统计对话框，如图8所示，可以看出其中Ratio为2.0小于3不合适，需要进行重新处理。

扫描卫星图如图9所示，将观测质量较差的时间段禁用，或将观测质量较差的卫星星历禁用后重新处理基线，处理完毕18372340-18392340基线的Ratio为51.0基线属性图(图10)，各方向的标准差都在0.6 mm以内，整个网的基线解算椭圆误差最大为0.6 mm ,说明基线计算全部通过。GPS基线的处理是很关键的一步，只要操作正确且计算结果符合测量等级的要求，在基线质量检验这一步也能顺利通过。

图3 塔西河石门子水库ZB4测站卫星可见性编辑

图4 塔西河石门子水库ZB4测站卫星可见性编辑

图5 塔西河石门子水库ZB4测站卫星DOP值编辑

图6 塔西河石门子水库ZB5测站卫星DOP值编辑

图7 基线处理结果图表 图8 基线属性

图9 扫描卫星图 图10 基线属性图

TTC软件有一个缺点，即会自动合并复测基线。如要检查复测基线，要对“观测时段”列中含有多个观测值的行删除后，重新添加。这时如果之前建立好了原始观测文件对应RINEX文件则会相当简单，直接导入RINEX文件即可，否则要重新输入测站信息等。

4) 基线解算的质量检验。执行“处理菜单”中的“质量”项，调出“质量控制”对话框，设置相应规范等级要求的环闭合差限差、复测基线限差、PDOP值、观测卫星数、观测时间等指标，点击执行检查，程序将自动检验将超限及不合格的基线以红色背景显示。

1.4.2 网平差处理

基线处理完毕可以在TTC直接平差，也可以将基线处理文件导出，在CosaGPS等国产网平差软件中进行平差计算。该工程按水库管理人员的要求，选用CosaGPS软件进行计算。网平差处理分三维平差、二维平差两部分，三维平差的精度是用来衡量监测网质量好坏的，但出来的坐标一般和实地没有可比性，使用起来比较麻烦。二维平差是将三维平差的坐标进行坐标转换，转换后和实地坐标相比配，使用方便。

1) 三维平差

首先默认在WG-S84坐标基准下执行“三维平差”,固定TN4起点，平差类型选择自由平差，三维无约束平差报告中精度情况见石门子水库变形监测精度统计表(表3)中三维最弱点ZB5，点位中误差为+2.2；三维最弱边W3-W2边长相对中误差长为1/195000.说明石门子水库变形监测合理，监测结果优良，满足工程需要，可进行二维平差坐标转换平差。

表2 石门子水库变形监测精度统计

2) 二维坐标转换平差

该工程采用固定工程两基准控制点坐标的方法，直接转换得出与实地相符的坐标。其计算中二维平差最弱点ZB5点位中误差±1.1，最弱边(W3-W2)的边长相对中误差为1/20400.说明坐标转换合理，其结果可以使用。

2 变形监测数据分析

石门子水库大坝先后采用GPS方法进行了17次观测，数据统计见主坝水平位移矢量表，如表3所示。根据表3绘制了石门子水库变形历次观测水平位移量图，如图11所示。

图11 石门子水库变形历次观测水平位移量图

表3主坝水平位移矢量表

观测时间/(年·月·日)水位ZB1ZB2ZB3ZB4ZB5水平位移/mm水平位移/mm水平位移/mm水平位移/mm水平位移/mm2003.8.8-8.111 356.6 000002003.8.24-8.261 344.7 1.75.17.13.61.92003.9.3-9.51 348.0 1.23.56.85.42.42003.9.13-9.161 362.0 0.93.43.53.31.62003.9.25-9.271 365.2 0.13.51.81.74.32003.10.5-10.71 368.5 3.31.22.22.62.72005.7.28-8.11 349.3 0.92.64.64.31.52005.8.9-8.131 346.8 0.75.67.21.12.62007.8.6-8.101 386.1 2.22.34.60.70.42009.9.2-9.61 363.3 1.53.06.55.95.52010.4.26-5.11 381.7 0.213.119.610.25.72010.11.25-11.301 385.6 1.98.722.41.63.92011.04.10-04.151 388.0 2.814.424.69.96.02011.08.18-08.221 346.0 0.44.05.23.92.82012.04.16-04.211 385.5 4.09.519.94.11.62012.12.07-12.081 384.1 4.312.616.97.89.82013.03.19-03.221 386.7 5.012.524.412.48.2

注：本表以主坝为轴线及建立大坝坐标为准，位移向下游为正，位移向上游为负。

从以上图表可以看出：

1) 石门子水库主坝为混凝土双曲拱坝，在建成蓄水的11年里大坝水平位移在26 mm以内，大坝运行安全。

2) 从GPS观测的各监测点位移量全部是正的，说明大坝有向下游方向的位移，但水库蓄水水位下降后大坝有向上游方向的回弹，这说明此位移是大坝承载到水的压力后向下游方向的位移。

3) GPS观测还测出ZB1、ZB5位于大坝两侧山体附近监测点，有山体支撑位移矢量较小在10 mm以内；ZB2、ZB4位于位于大坝两边靠中央位置，位移矢量较大在14 mm以内；ZB3位于位于大坝中央，位移矢量较大在26 mm以内，说明大坝中央的位移量较大。

4) 从观测时间和水位上看前10次观测(即2009.9.2以前观测)的各监测点水平位移矢量受水库的水位高低影响较小； 11次观测(即2010.4.26观测)和13次观测(即2011.8.18观测)各监测点位水平移量矢量与水库的水位高低影响较大，究其原因是在2010年4月、2011年7月水库运行时有两次突然性的放水水位降到1 350 m以下，而后又很快的蓄水至1 380 m以上，这时大坝的水平位移矢量变化较大，从而可以得出结论：混凝土双曲拱坝的水平位移矢量与水库蓄水水位高低的影响较小，而与水库水位上升下降的速度有很大关系。

3 结束语

与其他的测量方法相比较，GPS测量法具有以下优势：一是精度高。与目前市面上其他测量仪器相比较，GPS的测量精度是最精确的。二是测量时受外界环境影响小。其他仪器观测时要随气象、温度等因素进行改正计算，而GPS观测不需进行改正计算。三是操作简单，采用强制对中法测量可以消除人为误差。因此，用GPS观测给变形监测工作带来了很多的便利，而且随着我国北斗卫星导航系统的民用化，GPS的成本将大大降低，GPS将在未来监测中发挥更重要的作用。

[1] 黄声享,伊 辉,蒋 征.变形监测数据处理[M].武汉：武汉大学出版社 2003.

[2] 黄声享.小浪底水利枢扭外部变形规律研究[M].北京：测绘出版社，2008.

[3] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫局，中国国家标准化管理委员会.全球定位系统(GPS)测量规范.中华人民共和国国家标准，GB/T 18314-2009 [M].北京：中国标准出版社，2009.

[4] 中华人民共和国电力行业标准.混凝土坝安全监测技术规范DL/T 5178-2003[M]. 北京：中国电力出版社，2004.

[5] 中华人民共和国水利部，电力工业部发布.水利水电工程测量规范(规划阶段).中华人民共和国国家标准，L197-97[M].北京:中国水利水电出版社，1998.