GPS技术在大坝变形监测中的应用

GPS技术在大坝变形监测中的应用

赵阳

枣庄市庄里水库管理服务中心 山东枣庄 277099

摘要：我国水利工程的发展直接关系到我国人们的生活水平和生活质量，同时也是我国经济建设发展的重要基石。随着我国水利工程建设进入到高速发展时期，对大坝等水利水电工程建设质量提出了更高要求。在大坝服役和使用过程中，由于地理环境和施工质量等原因，大坝的坝体和坝基可能会产生不同幅度的形变，对大坝水利工程正常运行和生产安全造成隐患，因此为保障大坝运行安全，强化大坝变形监测技术的应用十分重要。

关键词：GPS技术；大坝变形监测；应用

引言

随着科学技术的快速发展，我国很多行业运用高科技技术，使其发展更上一个新的台阶。在水利工程发展中，GPS技术可以大大提高水库大坝变形检测中的数据精准度，而且全程实现全自动化操作，十分便捷。技术人员可以及时获取测量结果，从而了解到滑坡的全方位动态和可能性，掌握滑坡发生发展的规律，从而解决常规测量的弊端。

1GPS在变形监测中的精度影响因素

影响大坝变形的因素主要有以下几种：（1）静水压力。其一，坝体在静水压力的作用下，不同的高度会受到不同的水平推力，最终也会改变大坝的体形，从而使得坝体的体形会有相应的变形。其二，水库水压以及坝底扬压力对大坝的作用，也使得坝体有向下游方向的转动，从而使得坝体的体形会有相应的变形。其三，水库水体自身的重量不可忽视，其重力作用也会使水库库底变形，使得大坝有向上游方向的转动，从而使得坝体的体形会有相应的变形。（2）温度变化。位于大坝上下游附近的混凝土会因为不同的季节温度的变化而有所不同。比如说在夏季里，在大坝的上游部分的混凝土因为是处在水下的，所以无法被阳光照射，温度自然就会很低；而大坝下游的混凝土每天都避免不了太阳的暴晒，因此下游的混凝土温度就会不断地上升，远远高于上游的温度。然而到了冬季，这种情况就会恰恰相反。这样的温度反差现象会引起大坝上下游的混凝土出现热胀冷缩的现象，这个现象也是导致坝顶下陷的重要因素。另外对于一些新建成的大坝来说，本身的混凝土也会因为温度的变化而产生热胀冷缩的现象，也在一定程度上影响了大坝的体形。（3）时效变化。时效变化在大坝的施工期间与运营初期现象是不可避免的，其主要是因为混凝土的收缩变化以及其他一些建筑材料的变形，还有基础岩层在荷载作用下的变形而产生的时效变化。但伴随着时间不断的推移，大坝的整体也会越趋于稳定的状态，时效变化的现象也会越来越少。

2GPS技术在大坝变形监测中的应用

2.1大坝变形监测

2.1.1大坝变形监测网的布设

山东省庄里水库工程位于山东省南四湖湖东地区的十字河流域，是国务院确定的172项节水供水重大水利工程之一。水库总库容1.33亿立方米，兴利库容8000万立方米，水库流域面积319.77平方公里，水库大坝长3124米、最大坝高43.9米，为粘土均质坝和碾压混凝土混合坝型，是一座具有供水、防洪、灌溉、发电等综合效益的大（Ⅱ）型水库。大坝变形监测项目共设21个水平竖向位移监测基点，间隔100至200米，选取其中位于基岩的三个点组为基准点，建立基准观测网。在大坝坝体设48个变形点，断面间隔300米左右，能够反映大坝的变形状况。大坝变形监测网分为三级布设，分别为基准监测网、基点监测网，以及变形点观测网。基准监测网主要目的是起算点基准值的测量，选取三个位于基岩的点以便检核，能够及时发现点位移动，其GPS监测网最好能够联测附近的（如山亭区或滕州市）内的B级GPS控制点，以便获得高精度起算数据。基点网包括21个监测基点，位于大坝坝脚下游距坝轴线50至100米处。基点网是作为工作基点的监测网，其GPS静态测量宜采用C级网监测，，以三个基准点为起算点，解算出21个工作基点的坐标值。变形网采用高精度莱卡全站仪或测量机器人测量，在工作基点上架设仪器，采用强制对中装置，用极坐标法获得48个变形点的观测坐标。通过对变形点多次观测，根据平面坐标变化，得出大坝变形趋势，以便进行安全分析。

2.1.2GPS测量的外业实施

为了提高监测资料的连续性和一致性，必须建立与原坐标系一致的GPS变形监测坐标系，本次拟联测 GNSS连续运行参考站（CORS）作为变形监测网平面起算点，以便解算三个基准点坐标，获得高精度起算坐标。大坝变形GPS监测网接收作业通过3台Leica-SR-530GPS双频接收机完成，该型号接收机标称精度为5mm+1ppm•D，通过静态相对定位法展开GPS测量作业。施测前按照《全球定位系统GPS测量规范》（GB/T18314-2009）全面检查GPS接收机，包括一般性检查、通电检查和实测检验。GPS静态定位测量，观测数据应包含测站名称、观测单元，测站类型、日期、时段号等信息，具体命名方法依据采用的GPS静态定位软件而定。

GPS静态测量B级网主要技术指标如下：卫星截至高度角为10°，同时观测有效卫星数≥4，有效观测卫星总数≥9，观测时段数≥4，静态观测时间≥240min，采样间隔为30s，时段中任一卫星有效观测时间≥15min。B级观测时段分布尽可能日夜均匀，且夜间观测时段所占比例不应小于25%。GPS静态测量C级网主要技术指标如下：卫星截至高度角为15°，同时观测有效卫星数≥4，有效观测卫星总数≥6，观测时段数≥2，静态观测时间≥60min，采样间隔为10-30s，时段中任一卫星有效观测时间≥15min。

根据《水利水电工程施工测量规范》SL52-2015、《水利水电工程测量规范》SL197-2013 规定，变形观测网首次观测至少连续、独立观测两次，合格后取其平均值作为首次观测值。变形监测基准网，应 1 年复测一次。变形点监测网，宜为 1~3个月复测一次。遇水库蓄水、明显有感地震或变形速率加快等特殊情形下，应加密测次。

2.1.3 GPS网数据处理

GPS网的内页处理总体上分为以下几个部分：数据导入、基线结算、剔除不合格基线、三维无约束平差、输入控制点坐标进行约束平差、精度检查等。

数据导入后，应检查相应点的点名、仪器高、天线类型等，对于有问题的数据要及时更改。平差处理应选定坐标系统并根据当地实际设置中央子午线。基线处理完毕应检查成果报告中的“τ(Tau)检验直方图”，要求分布在“-1—+1”之间，基线向量的改正数在用户要求范围内。如果基线修改后仍然无法达到要求，可以使其不参加平差，以免影响整个网精度。删除不合格基线后，再一次平差，直至数据全部合格。

2.3对GPS观测技术的发展探究

GPS技术凭借其突出的优势在各个领域得到应用和肯定，随着GPS技术监测技术的发展和精益求精，将对其未来的发展做出一些研究和探讨。首先是采取强制对中的观测墩。采用强制对中观测墩的目的是为了达到保护水库大坝的目的，最大化的避免水库大坝变形或损坏。因为在观测中，把GPS天线安装在三脚架上时，不可避免会出现对中的误差，误差值通常在3mm之内；同时GPS观测的时间长，会引起三脚架暴露在外受日照和风吹，从而导致精确度受影响。其次，要选择和采用抗干扰能力强的天线。GPS测量技术采用抗干扰能力较强的天线，把天线按指北方向线作有效定向。目的是为了能够最大化的降低误差。因为GPS天线相位中心通常不可避免得会出现一定程度的偏差。因此，出于减少偏差对基线向量影响的考虑，需要在各个观测墩上明确标识出指北方向线，观测时将天线按定向线进行设置。最后一步是要选取足够的观测时间以及恰当的观测窗口。之所以如此，原因是GPS基线要受到卫星星历误差很大的影响。不同时刻接收到的广播星历，会出现2度左右的坐标方向偏差。所以可以得出结论，运用GPS技术监测水库大坝的时候，偏差问题不可避免，就必须具备充足的观测时间为条件。尤其是对基线向量长的大坝，增加观测时间，对于减少误差造成的影响，从而提高水库大坝变形监测的精度十分奏效。

结语

研究结果表明，水库大坝变形监测时间越长，则所搜集的参加拟合的观测资料必须充足，才能提高监测结果的精确度，满足大坝变形监测需要，为此GPS技术在水库大坝变形监测应用时必须延长监测时间，以减少随机误差产生的可能性，并拟定科学合理的观测方案，确保足够的多余观测次数，以便降低误差，有效控制误差的积累而影响监测结果。

参考文献：

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［4］倪志华，王庆勇.GPS技术在某水库大坝变形监测中的应用[J].新疆水利，2021（05）：32-35.

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