GPS静态定位在大坝变形监测中的应用

秦啟耀 黄永锐

【摘要】随着当代科技技术的快速发展，新一代精密卫星定位系统GPS全球定位系统逐渐发展起来，各种等级和类型的控制网是由GPS静态定位在测量中建立起来的，在这些方面，GPS技术已基本上取代了常规的测量方法，成为了主要手段。本文通过对GPS快速静态定位测量技术在石凹水库大坝变形监测中的应用探讨，阐述了该技术应用的意义、原理、方法和应用中应注意的问题，并总结出GPS快速静态定位测量技术的特点。

【关键词】GPS静态定位；大坝变形；监测

1、绪论

随着GPS快速静态定位测量技术不断被广泛应用，GPS定位技术不断提高的定位精度，GPS定位技术主要在测量控制网的建立方面应用，以及大坝、桥梁、楼房等建筑的变形监测。目前在中铝山东分公司赤泥堆大坝变形监测中，该技术被测量人员广泛应用。GPS快速静态定位测量比常规GPS静态测量节省大量时间，可大大地提高工作效率。

2、GPS静态测量原理

GPS静态测量是利用测量型GPS接收机进行定位测量的一种。主要用于建立全球性或国家级大地控制网，建立地壳运动监测网、建立长距离检校基线、进行岛屿与大陆联测、钻井定位及精密工程控制网建立等。进行GPS静态测量时，认为GPS接收机的天线在整个观测过程中的位置是静比，在数据处理时，将接收机天线的位置作为一个不随时间的改变而改变的量，通过接收到的卫星数据的变化来求得待定点的坐标。在测量中GPS静态测量的具体观测模式是采用两台（或两台以上）接受设备，分别安置在一条或数条基线的两个端点，同步观测4颗以上卫星，每时段长45 min至2h或更多。基线的定位精度可达5mm+ ，D为基线长度（km）。测量时，所有己观测基线应组成一系列封闭图形，有助于进一步提高定位精度。

3、GPS静态定位在大坝变形监测中的应用实例

3.1工程概况

石凹水库工程位于广西壮族自治区西北，驮娘江上游，坝址区位于西林县普合乡那后村上游2km左右，距西林县城23 km。电站装机容量3.2万kW。水库的总库容为1.33 X 108m3，水库正常蓄水位685.00 m，坝型为碾压混凝土双曲拱坝，最大坝高77 m。

该工程混凝土拱坝为2级建筑物，设计洪水标准为100年一遇，校核洪水标准为100年一遇，其相应泄量为1860 m3/s和1320m3/s，选择两个泄洪表孔和一个中孔联合泄流的方式泄洪。坝址处，河谷相对狭窄，河谷呈“V”字形，谷底高程616.00～617.00m，两岸山脊高程大于750m，谷底宽37～52m，河床宽30～40m，两岸较对称。

拱坝坝基与坝肩出露的岩性为三迭系下统的薄层到中厚层砂岩与泥岩，少数为厚层状。坝基的混凝土有63%以上为坚硬的砂岩组成，其单层厚度一般为0.3～0.8m，最厚2.8m，最薄0.1 m； 37%左右为泥岩，其一般厚度为0.2～0.5m，最厚2.3m，最薄0.05m。坝基实际开挖揭露的断层有7条，挤压破碎带1条。

3.2大坝变形观测设计

变形观测控制网包括三部分组成，分别是变形监测网、基准点监测网、引测网。引测网是由测量区附近的两个国家的四个基准点与三角点组成，目的是将国家三角点坐标引入基准点，以便数据成果在其它工程中使用（如图1所示，外围的四个点为基准点，网中的五个点位大坝变形监测点由于保密需要，国家三角点在图中未表示）。

基准点的定位应该选择在好的地质条件，能保存永久的地方，在变形区以外，这是因为基准点一定要保证稳定和坚固，因为基准点是变形观测的基础。为检验基准点的稳定性，水平位移监测的基准点均设置成基准点组，选在距水库1.5km离开变形区的地方，三点两两通视，以便于用大地测量的方法对基准点检核。

图1石凹水库平面监测网联测示意图

在每个断面坝顶、坝坡、坝脚分别布置设有三个变形监测点，在围坝上设有5个观测断面，桩号为 3+700， 2+ 800， 2+200， 1+ 400，0+600，总共有15个监测点。水平位移观测采用布设4个GPS监测网的方法，采用边连接的方式，分别与距离大坝1.5km处的四个基准点联测，基准点与国家三角点联测。将基准点、变形监测点一并纳入主网统一观测。为提高GPS网的精度与可靠性，GPS点间构成尽量多的由GPS独立边组成的异步环，使GPS网有足够的多余观测，平均每点设站2～3次。

4 2 GPS网观测

采用3台Topcon Hiper双频GPS接收机进行观测，时段长度≥120min有效卫星数不少于4颗，PDOP≤6仪器标称精度为静态，固定误差：3mm，比例误差1mm/km，配有抑制多路经效应的扼流圈天线。作业方式采用静态相对定位方式，严格按作业规程进行操作。

43数据处理

4 31基线解算

数据处理软件采用GAM II，由于该网要求精度高，基线向量解算时必须考虑对流层的影响，测定气象要素，采用萨斯塔莫宁（Saastan o inen）模型对对流层的影响进行改正，采用精密星历进行解算，基线结果采用双差固定解。

4.3.2 GPS网平差

基线解算结束后，在WGS-84坐标系下进行三维无约束平差，并对无约束平差作参数统计检验。

（1）方差分量因子 估算检验

在平差完成后，需要进行单位权方差估值 的检验。它应与平差前的先验单位权方差 一致，判断它们是否一致可采用 检验。每次平差方差分量因子都顺利通过检验。

（2）每个改正数粗差的检验

为提高GPS测量的精度与可靠性，无约束平差结束后及時进行同步环闭合差、异步环闭合差以及复测边等项的检查计算，在基线解算质量检核的基础上，进一步评定GPS网的内部符合精度与外业观测的质量，同步环、独立闭合环、复测基线坐标闭合差均满足：

相邻点间弦长精度：

式中： 为标准差（基线向量的弦长中误差），mm；a为固定误差，a≤10mm；b为比例误差系数，b≤（D级控制网为10， E级控制网为20）； d为相邻点间距离，km。

○2三边同步环坐标分量相对闭合差 ，三边同步环环线全长相对闭合差 。对于四站以上的同步观测时段，在处理完各边观测值后，应检查一切可能的三边同步环。

○3复测基线的长度较差 。

○4异步环坐标分量闭合差和环线全长相对闭合差 ， ， ， ，式：w为环闭合差， ；n为独立环中的边数。

○5无约束平差基线向量改正数绝对值

， ，

⑥无约束平差与约束平差同名基线向量改正数较差的绝对值

， ，

⑦平差后最弱边相对中误差≤1/80000（ D级）；平差后最弱边相对中误差≤1/45000（ E级）。

网中最弱相邻点的相对点位中误差不大于 5cm。

5、结论

GPS静态测量的方法和网型有很多种，只有仔细分析测区，才能将和测量区域相适应的方法和网型。在大坝变形监测中利用GPS静态测量的过程中，关键因素也不外乎就是精度和效率两大项，把握住这两个因素联系工程项目实际需要和工程项目测区特点选取GPS静态测量的网型和方法，会更切合实际也会显得更加容易

参考文献

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[3]柳民生.GPS技术在铁路建设中的应用与前景[J].科技创业月刊.2008（10）