大型水利枢纽工程坝型数字化测绘技术与应用

杜丽雯，温 旋，孔德博

(江苏省工程勘测研究院有限责任公司，江苏 扬州 225002)

1 概述

水利工程是我国工程建设领域的研究重点，相比于其他工程，水利工程具有规模较大的特点。数字化测绘技术对我国水利工程的自动化以及数字化发展做出重要贡献[1]。数字化测绘技术可以提升水利工程海量数据的处理效率，使得通过测绘所获取的数字化信息更加直观和形象。

目前，我国的数字化测绘技术已较为完善[2]，应用范围有所发展，数字化测绘技术可为水利工程建设提供重要的参考依据[3]，具有集成化以及自动化水平。数字化测绘技术相比于传统的手工测量方式，可有效提升数据采集精度[4]，可将所采集的数据存储于数据处理系统中，可快速获取大型枢纽工程所需测绘的具体坐标信息[5]，将坐标信息的相应属性信息丰富于要素点中。数字化测绘技术可保障水利工程中的属性信息具有较高的精确性以及完整性[6]，为大型水利枢纽工程坝型选择提供基础。

坝型选择是大型水利枢纽工程设计的重要问题，工程造价、地形条件、地质条件、枢纽布置方案等众多因素对坝型选择具有重要影响[7]，坝型选择决定了大型水利枢纽工程的运行可靠性。目前众多研究学者对坝型选择的研究较多，罗崇宏[8]以及胡洪浩等[9]分别考虑到了坝型选择受深层风化岩体的影响，将多级灰关联方法应用于坝型优选中，对坝型选择进行了初步研究。

综上，本文研究大型水利枢纽工程坝型数字化测绘技术，将数字化测绘技术应用于大型水利枢纽工程坝型选择中，分析大型枢纽水利工程的自然条件以及不同坝型的特点，充分考虑影响坝型选择的相关因素，将数字化测绘技术获取的测量结果作为坝型选择的数据基础，获取最佳的坝型决策结果，应用于大型水利枢纽工程实际中。

2 水利枢纽工程坝型数字化测绘

2.1 GPS数字化测绘技术

GPS技术是数字化测绘技术中的重要技术，将GPS技术应用于大型水利枢纽工程坝型选择中，具有外业工作量大，不受气候影响以及无需通视即可获取测量结果的优点。差分处理和求解基线向量是GPS数字化测绘技术中数据处理分析的重要过程。

2.1.1差分处理

(1)单差

当2个GPS观测站同时观测一个卫星时，2个观测站的测量之差即单差。

此时差分观测方程如下：

(1)

(2)双差

差异GPS观测点在相同时间观测相同卫星，所获取的单差之差即双差，双差观测方程如下：

(2)

GPS技术进行数字化测绘过程中，双差可避免接收机受到钟差影响，导致误差提升[11]。

(3)三差

三差指GPS观测点在差异历元情况下，同步观测卫星，所获取的各观测量的双差之差，通过三差的差分处理方程可以删除整周未知数，但是采用三差的差分处理方法处理时，降低了观测方程数量[12]。三差的差分处理方法的观测方程表达式如下：

(3)

数字化测绘技术实际应用的过程中，首先利用三差方法对GPS观测量进行差分处理，将三差方法所获取的结果作为计算初始值，抵消测绘过程中的模糊度，再利用双差或单差方法计算，完成差分处理。

2.1.2求解基线向量

线性处理GPS数字化测绘技术的差分观测方程，实现基线向量的求解。设2个观测站sj与sk，设置sj作为参考卫星，可得线性处理双差观测方程表达式如下：

(4)

通过以上过程建立误差方程组，评定所求解基线向量的精度。

选取广播星历和TGO1.62软件实现大型水利枢纽工程坝型选择的基线解算，完成基线解算后，利用以下过程将质量较差的基线删除，删除流程如下：

(1)选取单频解提升短基线的测绘精度，基线解算过程中，存在L1浮动解情况下，可将该基线删除[13]。

完成基线检验后，选取随机点坐标作为差分处理基础，进行GPS网的三维无约束差分处理，获取网点中的各基线向量的修正信息以及精度信息，判断所获取的GPS基准网络是否满足大型水利枢纽工程坝型选择的精度需求。

2.2 大型水利枢纽工程坝型优选

依据GPS数字化测绘结果，利用灰关联综合评估方法获取坝型优选结果。大型水利枢纽工程坝型选择是可利用众多子系统体现的分层次结构问题，求解过程为：先求解分系统，再利用分系统求解结果获取最终优选结果。针对坝型选择的分系统，选取灰色关联度分析方法求解各个子系统。

2.2.1处理坝型优选影响因素

(1)白化处理非量化影响因素的灰数指标

灰数指标估计结果表达式如下：

(5)

式中，umax、umin—灰数指标最高值、最低值。

(6)

(2)均质化处理影响因素

分析灰色关联度前，需均质化处理，完成白化处理的定性指标以及定量指标。

2.2.2分析灰色关联度

依据GPS数字化测绘数据序列形成曲线的相似度，判断数据序列间是否存在紧密联系，获取不同指标的灰色关联度。

(1)确定关联系数

用X0=(x0(1)，x0(2)，…，x0(n))，X1=(x1(1)，x1(2)，…，x1(n))，Xm=(xm(1)，xm(2)，…，xm(n))表示GPS数字化测绘数据序列，当θ∈(0，1)时，可得表达式如下：

(7)

式中，X0、θ—关联度分析的首选参考数据序列、分辨系数，且0.1≤θ≤0.05;α(x0(k)，xi(k))表示针对因素k，x0(k)对xi(k)的关联系数。

(2)确定权重系数

不同因素对坝型选择的重要性程度存在较大差异[15]，用m表示评判因素数量，建立权重分配矩阵表达式如下：

W=(w1，w2，…，wm，)

(8)

(3)综合评判结果

建立大型枢纽工程坝型选择的综合评判表达式如下：

α(X0，Xi)=W×E=w×(θij)mn

(9)

公式(9)中，E=(α(x0(k)，xi(k)))mn，α(X0，Xi)与n分别表示X0对X的灰色关联度以及待选择的坝型方案数量。

以评判结果为依据，指导大型水利枢纽工程坝型的选择。

3 实例分析

为验证本文方法将数字化测绘技术应用于大型水利枢纽工程坝型选择中的有效性，选取某大型水利枢纽工程作为研究对象，具备防洪、灌溉等功能。该工程包含压力管道、溢洪洞、冲沙洞以及泄洪洞等众多设施，属于大(1)型一等工程。

GPS数字化测绘技术应用于大型水利枢纽工程坝型选择时，其测绘精度对坝型选择具有重要影响。统计GPS测量技术在不同星历误差情况下，测量基线长度的误差，统计结果如图1所示。

图1 星历误差对基线长度的影响

由图1可知，采用2个或多个GPS基站对相同的卫星信号进行同步观测，可有效降低测量基线结果受星历误差的影响，将GPS数字化测绘技术应用于大型水利枢纽工程坝型时，测绘范围较大时，需通过精密星历降低大型水利枢纽工程的数字化测绘的误差。

采用灵敏度椭圆半径作为衡量GPS数字化测绘技术灵敏性的重要指标，灵敏性椭圆半径越小时，GPS数字化测绘技术具有越高的灵敏性。在不同数量的独立基线情况下，各GPS控制网点灵敏度，统计结果如图2所示。

图2 灵敏度椭圆半径

由图2可知，本文方法采用GPS数字化测绘技术作为水利枢纽工程坝型选择的测绘技术。基线数量为30条时，各GPS控制网点的灵敏度椭圆半径低于4mm；基线数量为10条时，各GPS控制网点的灵敏度椭圆半径均高于6mm，表明独立基线的数量对GPS技术测量过程中的差分处理结果存在较大影响，独立基线数量对GPS差分处理的灵敏性、可靠性以及差分处理精度均具有较高影响。本文方法将GPS技术应用于水利枢纽工程坝型选择时，应选取合适的基线数量，利用合适的基线数量优化数字化测绘技术。

设置基线数量为30条，统计采用本文方法经过3次差分处理后的不同监测点不同坐标方向的测量误差，统计结果如图3所示。

图3 差分处理后误差变化

由图3可知，本文方法采用GPS实现大型水利枢纽工程的数字化测绘时，经过3次差分处理后，可有效将不同坐标轴方向的测量误差调整至低于10mm，满足大型水利枢纽工程坝型选择的数据测量精度需求，说明本文方法所采用的GPS数字化测绘技术中的差分处理技术具有较高有效性。

依据通过GPS数字化测绘技术所获取的各项测量数据，采用本文方法综合考虑不同坝型对大型水利枢纽工程的影响，结合工程实际情况以及坝址，获取不同坝型方案的灰色关联度，灰色关联度统计结果如图4所示。

图4 灰色关联度统计结果

由图4可知，相比于其它坝型，碾压混凝土重力拱坝具有较高的灰色关联度，说明将碾压混凝土重力拱坝应用于研究区域的大型水利枢纽工程中，有助于大型水利枢纽工程的良好运行。

选取灰色关联度排名较为靠前的3种坝型作为对比方案，通过不同坝型的性能对比结果确定应用于大型水利枢纽工程中的最终坝型。不同坝型的性能对比结果见表1。

表1 不同坝型性能对比结果

由表1可知，本文方法利用数字化测绘技术获取的坝型选取结果，具有较高的实用性。采用本文方法选取的坝型具有工程工期短、投资少，施工简单以及抗震性能高、易于维护的优势，相比于灰色关联度排名第2以及第3的沥青混凝土心墙坝以及粘土心墙坝，本文方法所选取的碾压混凝土重力拱坝更加适用于研究区域的大型水利枢纽工程中，实用性更高。

4 结论

数字化测绘技术可有效缩短水利工程的建设周期，有效控制运营成本，提升水利工程的工程效率以及工程质量，将数字化测绘技术应用于大型水利枢纽工程坝型选择中，选取合适的基线数量，将不同坐标轴方向的测量误差调整至低于10mm，满足大型水利枢纽工程坝型选择的数据测量精度需求，且选取的坝型具有工程工期短、投资少，为大型水利枢纽工程的施工作业提供保障，通过高效、精准的坝型选择决策结果提升水利工程的工程质量，推广意义深远。

但是各个大型水利枢纽工程的设计特点与运行情况不一致，观测站设置过程受限，应力应变分析效果存在差距。因此，在未来的研究中，应该注重隐式参数化的应用，结合相关智能化监测技术，以提升坝型优化的有效性与准确性。