旁多水利枢纽工程GNSS变形监测分析*

(1.中国水利水电科学研究院，北京 100048； 2.西藏旁多水利枢纽工程管理局，西藏 拉萨 850000)

1 引 言

全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System，GNSS)泛指所有的卫星导航系统，包括全球的、区域的和增强的，如美国的GPS、俄罗斯的Glonass、欧洲

的Galileo、中国的北斗卫星导航系统以及相关的增强系统。美国的GPS是20世纪70年代由美国国防部批准，陆、海、空三军联合研制的空间卫星导航系统。最初其主要目的是为陆、海、空三大领域提供导航服务，用于军事目的。随着空间技术的发展，这项技术也被应用在船舶的全天候导航、大地测量、高精度授时等方面。由于其投入较早，硬件和软件相关性能也相对完善，应用相对更广泛。但随着各国的不断投入和技术的成熟，GNSS技术在监测领域得到了广泛的应用。与传统测量方法相比，GNSS技术凭借全天候、高分辨率、高精度、高效率、实时动态等优点已成为变形监测的一种重要手段。GNSS技术无论是在全球性变形监测研究、区域性变形研究还是工程与局部性变形研究等方面，都得到了广泛的应用。本文重点讨论GNSS技术在水利工程变形监测中的应用情况。最早把GNSS系统应用在水利工程变形观测上的是瑞士的Naret大坝[1]，研究文献指出，安装在大坝轴线上的永久固定GPS监测仪器精度在水平方向上为1mm，垂直方向上为1～2mm。虽然短期的相关应用分析不能揭示数据的长期分布，但仍然显示了GNSS获取高精度的大坝监测数据的价值。

在中国应用较早的是清江隔河岩大坝外观变形GPS自动化监测系统，该系统由2个基准站和5个监测点组成，集数据采集、传输、处理与分析等子系统为一体，1998年开始运行。其6h解算监测点水平方向精度为0.5mm，高程方向精度为1.0mm，2h的精度分别为1.0mm、1.5mm[2]。其精度完全满足大坝监测的需要。

2 旁多水利枢纽概况

旁多水利枢纽工程地处西藏自治区拉萨河流域中游，坝址位于林周县旁多乡下游1.5km，距下游拉萨市直线距离约63km。枢纽工程以灌溉、发电为主，兼顾防洪和供水。水库总库容12.3×108m3，为Ⅰ等大(1)型工程。枢纽主要由碾压式沥青混凝土心墙砂砾石坝、泄洪洞及泄洪兼导流洞、发电引水系统、发电厂房和灌溉输水洞等组成。大坝坝顶高程4100.00m，防浪墙顶高程4101.00m，坝顶宽12m，最大坝高72.30m，坝顶长1052m。下游坝坡采用三级坡，在高程4076.00m和4052.00m处设有2m宽的马道。发电厂房为引水式地面厂房，总装机160MW，由主厂房、中控楼、220kVGIS变电站、出线场等组成，出线场布置在厂房后山坡上。

3 GNSS监测基准点及测点布置

旁多水利枢纽外部变形监测网络由全球卫星导航系统(GNSS)和精密水准网测点组成，GNSS 监测系统选用NetR9接收机和Zephyr Geodetics 2型天线，可同时接收GPS和GLONASS双星信号，解算软件采用T4D处理系统。监测网络共布设GNSS测点38个，其中大坝坝体布置24个，高边坡布置14个，布设基准测点3个，位置分别在左岸坝肩，左岸下游约1.5km，及右岸下游1.2km处。GNSS基准点及测点布置示意见图1。

大坝坝体的24个GNSS监测点分别同JZ01和JZ03两个基准点组网进行观测，每一个测点同两个基准点组成的网形边长约1km，且三角形边长大致相当，网形较好。厂房后边坡的12个GNSS监测点分别同JZ01和JZ02两个基准点组网进行观察，其网形边长约1.2km，网形也较好。在解算过程中，每一个测点和相应的基准点(基线)构成独立网，网中基准点坐标固定，通过附合网平差来确定网的位置基淮。

图1 旁多水利枢纽GNSS基准点及测点布置示意

本项目大坝坝体GNSS测点根据主体工程施工进度分两批安装，安装时间分别是2013年12月和2015年12月，以24h观测时长进行解算，根据所选网形、基线、基点及参与计算的闭合图形数量等条件，推算出其水平方向平差后精度约为1mm，垂直方向平差后精度约为2mm。

4 GNSS变形监测成果分析

为便于分析，将水平位移分解为坝轴线方向和顺水流方向，并规定向下游位移为“﹢”，反之为“-”，向左岸位移为“+”，反之为“-”。垂直位移沉降为“+”，抬升为“-”。坝体的24个GNSS测点中，BT01～BT09布置于坝顶(高程约4100m)，间距为85～120m，BT10～BT17布置于4076马道(高程约4076m)，间距为90～120m，BT18～BT24布置于4052马道(高程约4052m)，间距为90～120m。4052m高程和4076m高程比较早具备了安装条件，故BT10～BT24测点于2013年11月初安装调试完毕，开始正常观测。BT01～BT09由于防浪墙和坝顶公路的修建，在2015年12月才具备安装条件，故在2015年12月完成安装调试，开始正常观测。

GNSS测点布置的典型断面(0+755断面)示意见图2。分别选择位于大坝两端的0+311断面和0+955断面，以及位于大坝中部原主河床的0+755断面进行监测数据分析。

三个监测断面共九个GNSS测点当前位移测值见表1。

图2 GNSS测点布置的典型断面(0+755断面)示意

断面桩号GNSS测点编号位 移/mm水平(坝轴线方向)水平(顺流向)垂 直测点处坝高/m观 测 时 段0+311BT03-3.257.64-21.09602015/12/15～2017/12/31BT11-12.4961.19-85.98362013/11/9～2017/12/31BT18-4.5229.89-31.75122013/11/9～2017/12/310+755BT075.8919.44-43.11672015/12/15～2017/12/31BT1531.08133.05-304.60432013/11/9～2017/12/31BT2217.46122.89-211.80192013/11/9～2017/12/310+955BT099.752.24-16.57702015/12/15～2017/12/31BT1754.2165.06-73.32462013/11/9～2017/12/31BT2417.7129.40-22.10222013/11/9～2017/12/31

4.1 顺水流方向水平位移

GNSS测点顺水流方向水平位移过程线与库水位关系曲线见图3，坝体顺水流方向水平位移整体表现为向下游方向位移，但各测点位移都表现出与库水位有较强的相关性，顺水流方向水平位移随着库水位的升降而变化。位于坝体中部的BT15和BT22水平位移值最大，由于BT07安装较晚，其顺流向水平位移远远小于其他两个点。位于坝顶的BT03、BT07和BT09三个测点，顺水流方向水平位移变化同库水位密切相关，其相关性远远高于其他两个高程的测点，库水位的微小变化就会引起顺水流方向水平位移值的变化。该三个测点顺水流方向水平位移当前值相对较小，是由于测点安装较晚所造成的，在测点安装时，库水位已经基本达到最高水位，库水位上升全过程导致的坝体水平位移未能捕捉到。而位于4076m和4052m两个高程的测点，只有在库水位有较大变化时才会有水平位移的较小变化。目前各测点顺流向水平位移除随库水位波动变化外，向下游变化的趋势已经减缓，有逐步趋于稳定的迹象。

图3 典型监测断面GNSS测点顺水流方向水平位移过程线与库水位关系曲线

4.2 坝轴线方向水平位移

GNSS测点坝轴线方向水平位移过程线与库水位关系曲线见图4，坝体坝轴线方向的水平位移呈现出一定的对称性，即位于坝体中部的BT07、BT15和BT22三个测点坝轴线方向的水平位移过程线基本呈一条直线，位移值变化较小。而位于坝体左侧的BT03、BT11和BT18三个测点坝轴线方向的水平位移则表现为一致地向坝中，也就是右岸方向位移；位于坝体右侧的BT09、BT17和BT24三个测点坝轴线方向的水平位移则向左岸方向位移。坝轴线方向水平位移除安装较早的BT17测点位移值相对较大外，其他测点测值都不大，并随着工程的运行逐步趋于稳定。

图4 典型监测断面GNSS测点坝轴线方向水平位移过程线与库水位关系曲线

4.3 垂直位移

GNSS测点垂直位移过程线与库水位关系曲线见图5，坝体垂直位移(沉降)最大的部位位于4076马道，BT11、BT15和BT17三个测点垂直位移(沉降)量分别达到了85.98mm、304.60mm和73.32mm，最大沉降率达到了坝高的0.71%，呈现出坝体中部远远大于两端的特点。沉降速率在工程运行初期较大，后期逐渐减小，并趋于稳定，符合土石坝固结沉降一般规律。根据垂直位移过程线图分析，在放空水库(库水位急剧下降)后沉降位移有一个明显加速的表现，经分析坝后渗流监测数据，在库水位下降时，坝基渗透水位也相应下降，坝基砂砾料含水量相应减小，便造成沉降加速这一现象。位于坝顶的BT03、BT07和BT09三个测点由于安装较晚，坝体运行前期的垂直位移(沉降)未能测得，故而沉降测值较小，位于坝体中部的BT07最大测值为43.11mm，目前变化趋于稳定。各测点沉降速率和量值都逐步减小并趋于稳定。

图5 典型监测断面GNSS测点垂直位移过程线与库水位关系曲线

5 结 语

在土石坝外部变形监测中，常规的监测方法是采用全站仪和精密水准仪进行边角网测量和精密水准测量，属于大地测量方法。这些方法由于工作量大、劳动强度较高，无法进行实时连续监测，通常观测频率为1月～1季度1次。这样的观测频率无法准确掌握工程运行工况同变形之间的对应关系。通过本项目GNSS变形监测结果可知，在土石坝中库水位的变化对水平位移有很大影响，且随着坝高增加影响更大。可为土石坝坝体及填料设计和安全验算、抗滑稳定计算提供实测资料。本项目水平位移和垂直位移监测结果均较好地反映了工程运行实际情况，符合土石坝变形一般规律，有力证明了GNSS变形监测可以在大中型水电工程中推广应用。