换流站阀厅及辅控楼沉降观测GPS技术应用探讨

李 昱，陆海天

（1.国家电网有限公司直流建设分公司，北京 100054；2.四川电力设计咨询有限责任公司，四川 成都 610000）

随着电力行业的发展，特高压已经成为新时代下推动我国经济增长的核心之一。在此背景下，换流站作为实现特高压输送的枢纽之一，在将来必将不断出现。在换流站工程中，沉降是影响施工安全、质量但又无法避免的问题，尤其是作为换流站核心的阀厅，不均匀沉降不仅影响施工过程中的质量安全，而且在后期运行时沉降差还很有可能影响到其全金属屏蔽状态，削弱外部电磁和所产生的对外无线电抗干扰能力。因此，在施工及运行过程中对关键部位的沉降观测是必不可少的工作。传统的沉降监测方法主要为两大类：一是常规测量方法（大地测量法），二是物理学传感器法。而近年来迅速发展的GPS测量技术具有高精度的三维定位能力，为监测地壳形变及各种工程变形的监测提供了有效的手段。随着GPS定位精度的不断提高，尤其是高程分量精度的不断提高，以其观测时间周期短、布网灵活、自动化程度高、观测点间无需保持通视、全天候作业，并能同时观测点的三维坐标等优点，使得GPS技术在建立地面形变三维监测网、直接测定测区的三维空间变形上的能力得到了认可，也为GPS在换流站阀厅及辅控楼沉降观测上的应用提供了可能性。

1 传统沉降观测方法及其特点

沉降观测属于高程方向的位移监测范畴，传统的监测技术主要沿用测量技术，通过选用精密几何水准测量方法来进行定期的观测。具体方法是根据现场的地形地貌以及地质条件，合理设置沉降变形控制网点；在观测范围外的某个沉降稳固地点埋设基准点，将其作为实施和检测的检查点；在建构筑物关键部位设置沉降标志作为工作点，根据已知点（检查点）的高程，对沉降标志（工作点）进行定期的观测，得到不同时间内所需关键部位的沉降量。检查点和工作点一般都将组成一定的网形，通过精密水准测量的方法来实施观测与监测。

上述的传统观测法是目前最常用也是最成熟的方法，但也存在很多遗憾和不足。

（1）受温度影响较大。沉降观测所用的精密水准仪属于光学测量仪器，温度的变化对光学的传感有着极大的影响，仪器设备的i角会随温度的提高而变大[1]，因此观测时间受温度变化情况约束，观测时长得不到保证。对于换流站工程，选址常位于野外，温度变化情况更为严重。

（2）受大气垂直折光的影响。大气垂直折光会引起视线弯曲从而使读数产生一定的误差。尤其是在具有一定坡度的路线上测量时，每一站的后视视线比前视视线距地面更近（或更远），大气垂直折光对前后视的读数的影响有差异，因此将会在高差中形成系统误差[2]。换流站现场建构筑物相对紧凑，在观测时很难保证前后视距相同，因此很难消除对沉降观测的误差影响。

（3）测点间视线必须畅通。传统观测方法必须保证测站间的视线畅通，但在换流站工程中，阀厅和辅控楼建筑体积规模较大，现场施工环境复杂，这为沉降观测带来了不便。

（4）无法实现连续、实时的监测。传统沉降观测法都只能对观测标志点进行定期的观测，不能进行长时间、连续地观测。换流站基本建设在城乡外，定期观测需耗费大量人力和物力。此外，连续和实时的观测数据对出现质量安全问题的预测有着重要意义，这也是传统方法的缺陷。

综上所述，传统的沉降观测方法受换流站建设的特殊性影响，很难满足测量的精度要求，尤其是对阀厅与辅控楼等变形监测精度要求较大的建筑物，其沉降趋势往往得不到及时的反映，并且花费的人力物力也较多。

2 GPS技术的优势

全球定位系统（GPS）是20世纪末出现的最具影响力的科技成果之一，并且随着近几年来技术的不断成熟与发展，GPS在变形检测方面的应用前景越发宽广。将GPS空间定位技术用于沉降观测，能同时监测工作点的三维坐标，并且使用时各测站间无需保持视线畅通，可全天候观测，能有效减少系统误差的影响，是一种能够有效改进现阶段换流站沉降观测方法的新手段。运用上，GPS较传统方法主要有以下优势。

（1）定位精度高。国内外大量实验表明，GPS有着很高的定位精度，在300～1500m工程的精密定位中，1h以上观测的解平面位置误差小于1mm[3]。因此，利用GPS技术于换流站工程能够满足对阀厅及辅控楼等建筑物的沉降观测要求。

（2）实现全天候实时观测。GPS自动化程度极高，能够在一天24h内的任何时间进行，不受温度、光线等环境气候的影响。

（3）经济效益高。选用GPS进行沉降观测时，只需要将天线准确地设置在机器上，启动接收单元，接收机即自动开始工作，自动存储数据不需要人为干涉，能够节省大量人力和物力。

3 工程运用探讨

基于上述GPS技术的各种优点，GPS在工程监测上已经得到了大量的应用，如大坝、桥梁的变形监测以及地面的沉陷监测。20世纪90年代，美国、瑞士就开始利用GPS技术对大坝进行变形监测；2002年，香港开始利用GPS技术对青马大桥、汲水门大桥和汀九大桥进行全天候的全自动连续实时变形监测[4]。以下根据GPS的工作原理对换流站工程中阀厅与辅控楼的沉降观测运用进行探讨。

GPS的工作原理是通过GPS卫星发送的载波相位作为观测量，列出载波相位观测方程，并通过相对静态定位模式对所列观测方程进行求差运算，得到基线向量进而求解出双差固定解[5]。简单而言，就是根据已知点的坐标，确定位置基准，进行约束平差，求得定位点在当地坐标系的坐标，从而得到沉降变形数据，达到沉降观测的目的。

根据GPS的工作原理，将其运用于换流站工程对阀厅及辅控楼等关键部位的沉降观测工作可以分为以下步骤。

（1）对测点进行平面规划。根据观测目的，初步找准建筑物关键沉降部位，在图上选点，然后到现场踏勘，保证现场能够达到布置条件，确定工作点位。

（2）确定检查点位。根据换流站平面布置总图，先初步找出可以长期设置检查观测点的空置区域，再前往现场踏勘，对地质信息进行复核，找到地质条件最稳定的点作为检查点位。

（3）对观测时间和观测时段进行设计。针对施工阶段和运营阶段对沉降观测的不同需求，设置合理的观测时间和观测周期，分别将间断观测下或整段观测下所获得的连续数据进行提取计算。

（4）对观测值进行处理分析，作为换流站工程建设或后期运营维护的重要参考数据。

以某换流站工程中辅控楼与高端阀厅为例，辅控楼（23.7m×27.4m）与高端阀厅（91.5m×37.5m）相连，长度方向约115m，位于站内道路旁，若采用传统沉降观测法十分不便。若引进GPS技术用于沉降观测，可假定于两建筑物关键部位（如柱脚点、拐点）设置沉降工作点（三角形标志），再于道路外侧空间允许且地质情况稳定的地方设置检查点（圆形标志），这样就形成了虚线范围内的观测网，如图1所示。实际情况可根据观测需求以及现场实际空间状况进行调整。

图1 某换流站GPS观测网理想布置图

4 结束语

在沉降观测领域，GPS技术具有稳定、成熟和实时等优点，已经在一些工程中得到应用。在换流站工程中，尤其是阀厅和辅控楼等对沉降敏感的建筑物，引入GPS沉降观测技术，合理布置观测网点，能够实现三维的实时变形监控，这对未来换流站工程的前期建设、后期运营都能带来极大的便利。