GPS测量在水库大坝变形中的应用与分析

GPS测量在水库大坝变形中的应用与分析3
熊　刚1,詹景祥2
(1.广东省地质建设工程集团公司,广东广州510080;
2.广东省地质测绘院,广东广州510080)
摘　要:介绍了水库大坝变形测量的精度要求,应用静态GPS接收机测量水库大坝变形监测基站网,对其精度与误差进行分析,并提出实现毫米级或亚毫米级GPS监测网的措施。

关键词:大坝变形;GPS监测网;基线精化;多路径效应;海潮负荷改正
中图分类号:P258 文献标识码:A 文章编号:100829268(2006)0620029206
1　前言
土石水库大坝变形测量的内容有:水平位移、垂直位移(沉降与回升)、渗透(浸润线)以及裂隙观测,而前两项涉及基准点(网)测量、基准工作站测量和监测点测量,这三项测量工作对精度要求较高,为大坝变形容许误差的1/10～1/20;而对于上述三项工作的误差一般各分摊三分之一;因此供水平位移监测的基准工作站必须达到毫米级。

以往通常采用高精度边角(网)测量;垂直位移要达到毫米级,通常采用精密水准测量。

GPS测量能否代替变形基准监测网站的常规测量?精度如何?为此,我们结合台山水库大坝进行了试验,并用TCA1800全站仪(1mm 测距精度的自动照准精密型全站仪)进行检测比对,实践证明GPS测量完全可以取代高精度边角(网)测量。

我们根据有关理论对影响精度的原因进行了分析研究,并对影响精度的因素提出相应对策和措施,以保证实现高精度。

现将试验结果与分析介绍于后。

2　台山水库大坝情况
台山电厂大坑水库位于台山市赤溪镇的铜鼓河的上游,距电厂约2km。

水库汇水面积约13平方千米,总库容约60万立方米,是台山电厂配套工程。

它供应电厂的工业用水和生活用水。

水库下游一公里处除电厂外,另有铜鼓和龙颈两村。

水库于2001年8月建成。

主要建筑物为均质土坝一座,大坝高55m,坝顶长度260m,宽度8m;侧流堰式溢洪道一座,最大流量342立方米;输水涵管两条。

为保障下游大型电厂设施和万余人生命财产安全,按有关规定必须进行大坝安全监测。

大坝2001年建成前后,进行了水准基点、水平工作基点和观测点的埋设工作。

各种点的平面布置如图1所示,在大坝下游0.5千米处设置的2个水准基点,为进行小角度法和视准线法测量,依据《土石坝安全监测技术规范》设置了5条变形观测纵断面,坝顶面的临水与后背水两侧各1条;下游坝坡设置了3条,共5条,纵断面上的观测点间距约40m。

见图1。

图1　基准站与观测点略图(D为监测基准站)
在每一纵断面的两端延长线上(坝体外)分别布设一对工作基点,共10个点。

BM1、BM2为水准高程基点;D1～D10为坝面和坝外侧的水平与高程监测的基准工作站;A11～A25为大坝位移与沉降监测点,B1～B15为大坝垂直位移观测点。

除BM1、BM2水准高程基点外,其它点均有强制对中设施。

3收稿日期:2006207220
3　GPS 基准站监测网测量
我院于2005年进行为时一年12期的监测,并对水平位移图进行了分析,我们于2006年2月25-26日采用GPS 静态测量方法对基准站进行复测。

复测目的有二:1、监测基准站二年后的位移;2、与常规的变形测量方法(边角测量)进行比较,得出GPS 方法的精度,及其是否可达到变形监测要求的结论。

由于原布设水准基点和工作基站未考虑GPS 测量的要求,点位基本上都是布设在河谷两侧的山坡或山脚下,GPS 观测环境很差。

全网连同二个相距较近的高程基准点与10个工作基站点共12个点。

采用四台双频GPS 接收机(HD6000G 、N ,HD5800G 、N ),两台单频GPS 接收机(HD8200E 、G )按城市规范二等静态方法测量,每个点两个时段,每个时段90min ,单位历元为5s ,高度角15°,天线高量至0.5mm ,量测两次取中数;两台双频一台单频GPS 分别置于坝体一侧的基站,采取边联接方式迁移GPS 接收机;每时段迁移四台机,上、下午各测一个时段,两天共测量四个时段。

实测60条独立基
线,平均每个站点有五条基线通过。

四个时段六台接收机(型号)与迁移情况:
第一时段:2BM1(HD600020556210)、2BM2(HD5800B 20556514)、2D01(HD5800G 20556513)、2D03(HD8200G 20517466)、2D02(HD600020656025)、2D04(HD8200E 20517319);第二时段:2BM1(HD600020556210)、2BM2(HD5800B 20556514)、2D05(HD5800G 20556513)、2D06(HD600020656025)、2D07(HD8200G 20517466)、2D08(HD8200E 20517319);
第三时段:2D03(HD5800G 20556513)、2D04(HD5800B 20556514)、2D05(HD8200G 20517466)、2D06(HD8200E 20517319)、2D09、(HD5800N 20556210)2D10(HD5800B 20556514);
第四时段:2D01(HD5800G 20556513)、2D02(HD600020656025)、2D07(HD600020556210)、2D08(HD5800B 20556514)、2D09(HD8200G 20517466)、2D10(HD8200E 20517319)。

野外布测图形强度很高,但同一侧相邻基站相距较近,最短仅为15m ,最长也只有79m ,相当于网中最长边的1/40～1/7。

图2为GPS
实测网图。

图2　G PS 网图
GPS数据后处理时对所有基线逐条进行手工精化解算,90%的方差比R值在80以上,最小为8.7,基线解算中误差RMS最大为5.2mm,平均在3mm 内,边长相对中误差较高,一般都在1/120000以上,个别短边如17m的边长相对中误差也在1/20000以上,其绝对误差为亚毫米。

由于原监测网点采用常规的边角测量方法,没有考虑GPS测量对点位的要求,点位都靠近山坡边脚,严重的多路径效应影响基线解的精确性,给同步环与异步环闭合差带来严峻的考检,致使X2与τ检验通过困难,在手工精化后删掉了8条误差仅数毫米的基线,但每个点仍然至少有四条以上独立基线通过,从而保证了网的高精度。

三维约束后(含大地高)点位中误差,最大为2. 4mm,平均为1.88mm;三维约束后不含大地高,点位中误差最大1.45mm,平均为0.75mm,见表1。

表1　三维坐标及其中误差
点　名纬度(D:M:S)经度(D:M:S)高程(大地高)点位中误差(m)纬度中误差经度中误差高程中误差(m)
2BM121:53:08.29938N112:54:54.03920E35.90940.0024
0.00070.00090.0021
BM221:53:10.76559N112:54:54.82506E36.56950.0014
0.00040.00050.0012
2D0121:53:18.53112N112:55:10.65956E63.06970.0018
0.00040.00050.0017
2D0221:53:19.10322N112:55:01.43521E63.17260.0019
0.00050.00050.0017
2D0321:53:18.07752N112:55:10.45597E63.13050.0015
0.00040.00050.0014
2D0421:53:18.65883N112:55:01.08197E63.11050.0023
0.0010.00090.0018
2D0521:53:16.29599N112:55:12.14169E61.03710.0025
0.00090.00120.0019
2D0621:53:16.91734N112:55:02.11365E46.61640.0019
0.00070.00090.0016
2D0721:53:14.65935N112:55:08.44575E37.49240.0015
0.00040.00070.0013
2D0821:53:15.03091N112:55:02.44965E33.35170.0013
0.00040.00050.0011
2D0921:53:12.94251N112:55:07.39951E25.65610.0014
0.00040.00050.0013
2D1021:53:13.24960N112:55:02.49227E22.72980.0022
0.00060.00090.0019
二维约束平差后边长相对中误差一般都在1/ 50000以上,最短边的相对中误差也在1/20000以上,但绝对边长的中误差仍达到了亚毫米级精度。

二维约束采用原独立控制网三个点约束后,点位精度平均为1.17mm,最大为1.6mm,见表2。

表2　二维约束后平面坐标及其中误差与原坐标较差
点名x x中误差(m)y y中误差(m)点位中误差(m) 2BM13091.70370.0035106.58730.00410.0054
无原坐标
2BM23167.39540.0027129.68990.00320.0041
无原坐标
2D013402.98180.002585.94690.00240.0032
原坐标/较差3402.98580.004585.94320.00370.0054 2D023422.47590.0021321.28170.00210.003
点名x x中误差(m)y y中误差(m)点位中误差(m)原坐标/较差342247420.0037321.28210.00040.0038 2D033389.07470.0022580.00090.00260.0034原坐标/较差338908130.0066580.00480.00370.0076 2D043408.87890.0019311.0440.00190.0027原坐标/较差340887680.0021311.04350.00150.0026 2D053333.92870.0035628.00360.00430.0056原坐标/较差3333.93410.0054627.99930.00430.0069 2D063355.104833333340.27143333333333
原坐标/较差起算点
2D073284.35370.0024521.54140.00310.0039原坐标/较差3284.3570.0033521.54120.00020.0033 2D083297.015633333349.50233333333333
原坐标/较差起算点
2D093231.764333333491.13273333333333
原坐标/较差起算点
2D103242.21670.0015350.33640.00170.0022原坐标/较差3242.21890.0022350.32170.01470.0149
为了进行边长比较,该期GPS监测网采用了多种投影面进行约束处理,并与精密实测边长和原三边测量边作了比较,比较情况见表3。

表中“原三边测量”投影面无记录,采用克氏椭球面北京54坐标系;表中“GPS原坐标系”以原三边测量坐标约束(为了与原坐标比较,采用原坐标系与投影面);“GPS2 WGS84系”采用WGS84坐标系椭球面;“GPS坝区重心系”,采用当地工程椭球面坐标系。

最小约束后,点位精度平均为1.320mm,最大为2.7mm;采用徕卡的高精度测距全站仪(1mm+1-6、测距精度,1秒测角精度,自动精确照准、读数)的实测边长(与GPS在同一天观测)与各种模式的边长数据进行对比,其中与原三边测量边较差最大,说明原三边测量精度较差或者点位有平移;与工程椭球坝区重心系对比较好,最大边长较差2.5mm,最小0.6mm,平均较差仅为1.5mm。

如视同等精度比较,则除以2为实际精度,中误差达到或接近亚毫米级精度,远高于常规边角网精度,完全满足大坝变形基准控制网的高精度要求。

表3　G PS各种投影与坐标系之边长与精密测距比较表
基点边名精密测距1mm原三边测量GPS原坐标系GPS2WGS84系GPS坝区重心系D1～D2265.3793265.3776265.3815265.3809265.3813
D3～D4269.6859269.6888269.6866269.6861269.6865
D5～D6288.5058288.5057288.5039288.5037288.5043
D7～D8172.5058172.5041172.5062172.5059172.5064
D9～D10141.1843141.1986141.1867141.1863141.1865
监测大坝垂直位移通常采用大地高,但为检核基准测网站点一年后的垂直相对位移,采用原网二个高程基准点和10个基准监测网站点(采用二等水准联测)高程进行比较,采用二次水准测量较差5mm以内的6个可靠的点进行曲面拟合,内符合残差最大为1.9mm;二准点间的大地高差与水准高差之差相差仅0.6mm。

可见大地高、正常高是兼容的。

但拟合后与未参拟合起算的原水准联测点高程一般相差3～4cm,其中误差详见表4。

其主要原因在本文第4节中进行讨论。

表4　高程拟合后中误差表
点　名高程中误差原水准高程(m)
2BM128.9118〈已知〉
2BM229.5713〈已知〉
2D0156.0625〈已知〉
2D0256.1775〈已知〉
2D0356.130.001456.169
2D0456.11560.001856.1484
2D0554.09710.001953.9983
2D0639.6085〈已知〉
2D0730.541〈已知〉
2D0826.34970.001126.3368
2D0918.73030.001318.6999
2D1015.74370.001915.7747
4　GPS监测网高程精度分析
通过本工程实践与分析,我们有以下体会与认识:
实践证明GPS水库大坝监测边长较短,监测网按城市二等GPS测量精度要求作业,完全可以达到毫米级甚至亚毫米级精度,可以替代繁锁的常规边、角测量,实现高于常规测量精度的目标。

并具有以下特点:
1)网点之间无需通视,监测基准站布设更灵活;
2)基准点可设置在坝体与库区较远和更稳定的地点;
3)双频接收机对于小范围短距离的大坝监测网,没有消除电离层误差影响的优势,相反对多路径效应更为敏感,因一个频率的问题不得不删掉不必要删掉的另一频率观测数据,对基线解算有害无益。

因此采用单频接收机完全可以解决大坝监测网的需要。

而单频接收机的仪器费用相对较少(数量4台,约四万多元左右);
4)静态GPS操作简单,效率高,精度较常规仪器更容易保证。

5)此次水库大坝监测网的三维与二维坐标的平面精度很高,二准点间的大地高差与水准高差之差相差仅0.6mm(详见表1与表3原始数据),但以大地高拟合后的正常高与原水准高程比较相差稍大,其原因除原水准点位置相距较近且位于一侧外,主要是多路径效应与潮汐修正的影响。

5　保证监测网高精度应注意的问题与要采取的措施
1)基线精化
基线精化是静态GPS后处理与保证基线高精度的重要关键,也是保证各项检验通过的重要环节,必须逐条基线精益求精的处理,不能满足一般符合限差的规定,因为要达到毫米或亚毫米级精度就是在基线处理中的毫米之“争”。

2)大地高代替正(常)高进行垂直位移监测
大地高是以橢球面起算在法线上度量的几何高,正(常)高是以(似)大地水准面起算在垂线上度量的物理高。

两者之间相差一个ζ高程异常(或N 大地水准面)差值。

但对于水库形变测量,采用大地高较正(常)高更有利,一是大坝监测仅是了解监测点相对某个基面相关高程,与重力场无关,又不需要高程作其它用途,因此不需转换为正(常)高。

由于不考虑与重力有关ζ高程异常(或N)的变化,減少了转换误差,精度更高,因此变形观测的垂直位移以GPS方法测量应采用大地高为好。

本项目为了与水准高程进行比较,采用曲面拟合求出正常高,从表中看出大地高精度远远大于GPS分量(X、Y、H)的1∶2∶4的比例,精度较差。

其原因是下面要分析的多径效应和海潮影响所致。

3)多径效应问题
监测基准点应尽量选在远离山坡和多路径影响较小的地点。

据文献1的理论和大量资料的分析与研究,认为小于10km边的主要误差是多径效应引起的误差,一般情况下为±1～5cm,在高反射环境下(山坡、大河、湖泊、海洋…)可达±19cm。

本次试验,高程拟合范围不足1平方km,高程异常差甚微,大地高的(表面)误差也很小,水准为二等精度较高,其分布位置也很好,但拟合后的高程内符合误差以及与实测水准高程比较,较差在3cm左右,完全证实文献1的理论与资料分析。

因此大坝监测网点位的选设必须充分重视,否则高程精度远低于平面精度,只能达到厘米级,不是平面精度的2～3倍的毫米级,因此监测基准与监测工作基站应避免选在山坡与山脚下,确实难以避免时,应选用抗多径效应好的天线或扼流圈天线。

在缺乏上述条件情况下,每次有效的观测时段应大于多径效应的周期长度,即不得少于30min而不是规范规定的15min;最好适当延长观测时间,并将观测时段均匀分布在一天的不同时间段。

GPS大地高测量替代毫米级水准正(常)高测量,对大坝垂直位移监测精度与可行性有待进一步试验。

4)海潮影响与改正
从表3所列高程比较可以看出:高程精度低于平面精度,除了上述多径效应的影响外,还由于大坝与海边相距不足2km,海潮负荷影响较大。

据文献2阐述的海潮是指在日月等天体引力作用下实际海面相对于平均海平面的周期涨落变化。

根据海潮负荷改正原理和文献实际算例说明,海潮对高精度GPS的影响在1-5cm,主要反映在垂直量即高程上,不容忽视。

我们由于缺乏海潮系数和软件,未能加入此项改正,使网的高程精度受到一定影响,也是本监测网高程精度不尽人意的原因之一。

为了避免或减少海潮影响的一个办法是将观测时段分配在一个24h内,可以在很大程度上消除周日潮汐影响。

但这就加大了观测工作量。

5)为了避免天线相位高的不同而引起的误差,
尽量采用相同品牌与同类型的仪器。

6)基准点与基准监测站点必须具有强制对中设施,减少对中误差对点位精度和数据处理的影响。

7)天线高量取保证达到0.5mm以上精度,否则不仅影响高程精度,更重要是由于边长相对较短,难以保证τ检验和异步环检验顺利通过,给基线精化处理通过检验造成困难,因而不得不删掉不必要的基线,削弱了网的精度。

6　结　语
综上所述,不低于二等精度的GPS控制网,应用在短边监测网如水库大坝监测中,完全可以替代常规边、角监测网,而且可以取得毫米甚至亚毫米级精度的绝对平面位移与相对垂直监测数据;在有条件(解决多径效应,如采用扼流圈天线)的情况下,小范围内以大地高取代高精度的水淮测量的正常高也是有可能的。

这有待选择多径效应小和远离海边海潮负荷改正小的地区,进行变形监测网的GPS实践来进一步验证。

感谢高级工程师束焕然给予本次工程(广东台山大坑水库大坝)监测的指导。

参考文献
[1]　李青岳1工程测量[M],测绘出版社,1984.6
[2]　谢世杰,等.论GPS测量中的多径误差[J]。

测绘通
报,2003,(5):1～51
[3]　赵庆海,等.海潮对高精度GPS网的影响[J]。

中国全
球定位系统技术应用协会第八次年会论文集2005.12 187～1891
作者简历:熊　刚　(1971-),男,华东地质学院工程测量专业本科毕业,学士学位;广东省地质建设工程集团公司测量技术负责人、工程师;主要从事GPS 大地测量、地质、地形、工程测绘、城市建筑变形监测等工作。

Application and A nalysis for the G PS Surveying
in the R eservoir Dam Deform ation
XI ONG G ang1,ZH AN Jing2xiang2
(1.Geological Construction Engineering Group Corporation of GuangDong Province,
Guangdong Guangz hou510080;21Institute of Geological S urveying&Map ping
of GuangDong Province,Guangdong Guangz hou510080).
Abstract:This paper briefly discussed the required accuracy about reservoir dam deformation surveying,and the analysed precision and error of the reservoir dam deformation measurent of the base station network by static GPS receiver.Finally put forward some measures for achieving minimeter level accuracy monitor network.
K ey w ords:Dam deformation;GPS monitor network;base line precisization;multipath effect;tide burthen correction.
GNSS系统
T rimble公司新近推出一种名为T rimble R8GNSS系统。

该系统是一种多通道、无线电数据链和多频GNSS接收机,它由一加强型实时动态测量引擎驱动。

T rimble R跟踪技术可踪踪新式的GPS L2C和L5信号,并可跟踪G LONASS L1/L2信号。

它还可根据测绘工作的需要,用作基站或流动站。

该系统机内设有一个450M Hz的无线电装置,它可用作一无线基站,内置的GSM/GPRS选择方案可供互联网使用。

机上的450M Hz无线电装置也可用作T rimble虚拟参考站网络的流动站。

该系统采用一个先进的T rimble麦克斯韦常规测绘的G NSS芯片和一个供G NSS伪随机测量使用的高精度多路相关器。