GPS技术在水库大坝变形监测中的应用

GPS技术在水库大坝变形监测中的应用
发布时间：2021-02-04T10:56:52.183Z 来源：《城镇建设》2020年11月31期作者：刘伟
[导读] 据统计，我国已建大坝超过10万座。

水库大坝在水负荷的作用下会产生变形
刘伟
山东智绘伟业测绘科技有限公司山东烟台264010
摘要：据统计，我国已建大坝超过10万座。

水库大坝在水负荷的作用下会产生变形，当变形过大时，大坝会处于疲劳状态，严重时有溃坝的危险。

仅1954年至2009年56年间我国就有3504座水库发生溃坝，其中1975年河南省板桥水库溃坝致使26座水库相继溃决，致24万人丧生，造成了34．97亿经济损失，在大坝安全管理中造成重大影响。

由此可见，大坝的变形监测工作不仅关系到工程自身安危，而且关系到下游人民的生命、财产安全，有效开展大坝变形监测具有重要意义。

关键词：GPS; 水库大坝; 变形监测
引言
随着科技技术的快速发展，GPS技术趋于成熟，也开始在更为广泛的领域里发挥作用。

GPS技术凭借其高效率、高精度和简单易于操作等优势广受好评。

特别是城市化进程明显加快，工程建设项目日益增多，工程测绘的精准度引起了工程界的广泛关注。

借助GPS测绘技术的高精度，能够有效避免传统测量技术方法出现的人为误差，确保了工程项目的建设质量。

1GPS测绘技术在工程测绘中应用的工作原理
GPS为“GlobalPositioningSystem”的缩写，意为“全球定位系统”。

该技术主要以地外人造卫星为基础，在全球范围内进行动态化、实时化的定位与导航。

在此背景下，GPS测绘技术就是基于GPS衍生出的现代测绘技术。

在应用实践中，GPS测绘技术的工作原理为：首先，根据工程方案，在目标区域内设置出若干个测绘点，并装设接收机，以此建立与GPS卫星的通信交互。

然后，运用数据运算、三维建模等计算机技术，对接收机所接收到的卫星导航电文进行整合、处理与利用，从而建立起目标区域的三维坐标模型。

在此过程中，平面坐标可直接通过GPS卫星的定位导航信息获得，高程坐标可通过运算接收机与卫星之间的距离获得。

最后，在确定基本的三维坐标模型后，相关人员再对测绘点进行灵活控制，并进一步提高主要测绘点或测绘区段的数据精确性，最终绘制出符合预期的工程测绘资料。

2在工程测量中使用GPS测绘技术的优势
2.1提升数据信息的精准度
在工程测绘中，精度要求历来较高。

精度越精确，后续的工程建设方案越准确，避免返工等现象。

在工程测绘中运用GPS技术时，一般需要地面监测站、空间卫星和用户设备等3个要素。

测绘人员将空间卫星收集到的信息数据，通过多角度的接触，排除掉大气折射、卫星轨道变化等外在不利因素，确保收集到的信息数据的准确性，最大限度地降低测绘误差。

可以说，将GPS测绘技术运用到工程测绘中，其体现出来的高精度是毋庸置疑的，也是推动工程建设顺利开展的重要基础。

2.2操作更便捷
在传统时期，人们若采取人工化的测绘方法，需要亲身进入到目标区域当中，并开展长周期、持续性的信息采集与位置分析工作。

在信息采集、分析完成后，手绘图纸也会耗费人员大量的时间与精力，且成品精度很难保证。

相比之下，GPS测绘技术以接收机、传感器、计算机等设备为依托，可表现出很强的去人工化特性，实现便捷、高效的数据采集与数据反馈。

同时，在测绘数据传入计算机系统后，相关人员可通过GIS、CAD等软件工具，直接进行三维坐标模型的建立生成，并通过调整局部参数、编辑模型要素的方式，便捷地实现绘图精度的进一步提高。

这样一来，不仅可有效节省时间、人力等成本，还能降低工程测绘中误差风险的出现几率。

3在工程变形监测中应用
工程项目建设中，工程变形历来广受关注。

一旦工程出现变形现象，势必影响工程项目的最终建设质量，还存在一定的安全隐患。

因此，在工程建设中，做好工程项目的变形监测尤为关键。

导致工程项目变形的因素众多，设计和工艺除外，地质环境也是不可忽视的重要原因。

因此，施工过程中必须做好工程结构以及地形环境的监测工作。

具体而言，利用GPS测绘技术，对工程建筑的结构进行三维模拟，以此来判断建筑结构的稳定性和变形风险。

此外在水利工程项目建设中，也可以将GPS信号接收装置安装在大坝上，借助GPS定位系统，对大坝不同位置的变化状况予以实时监测，并将大坝结构可能发生的变形状况进行模拟。

工程技术人员便可以依据该变化规律，对大坝的安全性和稳定性进行预判，及时发现安全和质量隐患，以便于尽早进行处置。

此外，在部分水利工程建设中，可以将GPS测绘系统和大坝安全预警系统结合到一起，从而对大坝的变形趋势进行预测，以此来科学预警大坝的安全隐患。

3.1建立变形监测网坐标系
1)坐标系与高程基准。

起算数据为变形监测引测网中的基准点的坐标、高程数据。

平面坐标系统为挂靠1954年北京坐标系相联系的红雁池水库外部变形坐标系，3°分带29带，相应中央子午线为87°，投影面高程1009m;高程系统为1985国家高程基准。

换算公式:X=Xi+(Xi－Xo)×H/Ｒm;Y=Yi+(Yi－Yo)×H/ＲX，Y为计算抵偿面坐标;Xi，Yi为1980西安坐标系坐标;Xo，Yo为测段区域的原点坐标;H为抵偿面的高程;Ｒ为测区平均的曲率半径。

2)点位精度。

依据《土石坝安全监测技术规范:SL551－2012》中的规定，监测点精度(水平位移监测点和垂直位移监测点)相对于邻近工作基点中误差不大于±3．5mm，每公里水准测量的偶然中误差M△≤±3．0mm，水平位移监测和垂直位移监测观测等级按三等观测。

我们对大坝共进行3期监测，本次监测为大坝外部变形第3期监测。

本项目大坝外部变形监测中，水平位移监测使用GPS静态相对定位方法观测。

变形监测点由3个水平位移监测基准点和10个变形监测点组成，基准点分布于坝体两侧，变形监测点分布在坝顶上。

3.2控网布设
控网布设是测绘工程开展的基础内容，只有提高GPS布网的合理性才能保障测绘工程测量线路的合理性，进而提高测绘的准确性。

GPS 控网布设是利用点链接、线链接的方式，来绘制测绘工程的三交所同步图形，进而完成GPS测绘网的布控。

GPS控网布设主要是利用双频接收机，通过静态定位测量技术观测测量点。

在GPS测绘技术当中，控网布设要求在考察测绘区域的地形情况和信息网络之后，开展后续的测量和分析工作，从而优化GPS布设结构。

3.3水平位移观测
水平位移观测使用GPS静态相对定位方法观测，水平位移观测将所有的工作基点和监测点一起组网观测，边连式观测，观测等级三等。

GPS变形监测网一般没有图形的限制，长短边可以相差很大，点的布设主要是考虑工程需要、易于保存、便于到达、顶空条件好、电
磁干扰小及多路径影响小等。

GPS网的施测应根据有关规范，对于特高精度变形监测GPS网，可在规范的基础上再提高一些，如可以增加时段长和时段数;也可以对某些边作长时段的精密测量;还可以用很多台接收机同时观测，并采用有足够多余观测的边连式布网，这样可以提高GPS网的精度。

对于观测周期的设计，应综合分析影响变形监测的各种因素，以选择有利于成果分析和监测目的的观测周期。

GPS网在观测前应做好星历预报，并根据测区的地形和交通情况，认真编制观测计划表，并按该表对作业组下达相应阶段的作业调度，同时依据实际作业的进展情况，及时地做出必要调整。

结束语
总而言之，将GPS测绘技术应用于工程测绘领域中，能有效解决传统时期人工测绘的长周期、低精度问题，以及专业设备的应用难、投入大问题，进而显著提升工程测绘的经济性、便捷性与可靠性，为后续工程活动创设出优质的资料基础。

参考文献
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