大坝GPS表面位移观测专项方案.doc

1工程概况
参照本大坝监测设计资料
2编写根据
(1) 《工程测量规范》 GB50026-
(2) 《全球定位系统(GPS)测量规范》 GB/T 18314-
(3) 《精密工程测量规范》GB/T 153-94
(4) 《国家三角测量规范》GB/T 17942-
(5) 《测绘技术总结编写规定》 CH/T 1001-
(6) 《本大坝安全监测设计方案》
(7) 《混凝土大坝安全监测技术规范》SDJ336-89
3老式表面变形监测方案及精度估算
3.1老式表面变形监测方案
当前大坝常规监测办法是将水平位移和垂直位移分开观测
3.1.1水平位移监测
   水平位移监测有如下几种办法：引张线法，视准线法，激光准直法，正/倒垂线法，前方交会法和精密导线法等。
l 引张线法
  该法采用一条不锈钢钢丝（直径0.6~1.2mm）在两端点处施加张力，使其在水平面投影为直线从而测出被测点相对于该直线偏距。引张线法特点是：受外界影响小，应用普遍。其测量精度重要取决于读数精度，人工读数精度为±0.2mm~±0.3mm，自动读数精度优于±0.1mm。但引张线两端普通要设有正倒垂线，以提供测量基准，客观上增长了系统成本。
l 视准线法
  视准线法用于测量直线型大坝水平位移，对于非直线型大坝，可采用分段视准线办法施测。
   视准线法又可分为活动砚牌法和测小角法。测小角法精度优于活动砚牌法。视准线法特点是：工程造价低，精度低，不易实现全自动观测，受外界条件影响比较大，并且变形值不能超过系统最大偏距值。
l 激光准直法
激光准直法运用激光单色性好和方向性强特点，建立起一条物理视准线作为测量基准，依照测量原理不同可分为直接准直和衍射法准直，后者精度高于前者。对于衍射法准直，依照其传播介质不同，重要有2种方式：大气激光准直和真空激光准直。
a大气激光准直
大气激光准直让激光直接在大气中传播，应用对象是坝长不大于300m`坝高较低大坝，如泉水双曲薄拱坝（坝长109m），测量相对精度为10`5—10`6。大气激光准直由于受大气折射及喘流影响而引起光束抖动，测量精度低且不易实现自动化观测。最新发展是采用CCD技术，消除了光斑随机抖动难题，实现了自动化监测，测量精度达+/-0.1mm，在南桠河闸坝顶及陕西韩城电厂等工程中有着成功应用。
b真空激光准直
真空激光准直将波带板激光准直系统置于一种真空管道中，减少了光束折射和抖动误差，综合精度高达1*10`7—2*10`7。与引张线法相称，重要用于长坝`高坝变形观测，已成功应用于太平哨`丰满`龚且`云峰`桓仁`宝珠寺等工程。激光准直法发展方向是双向位移观测（垂直位移和上下游水平位移），在两端点处安装倒垂线作为水平位移基准点，安装双金属标作为顺治位移基准以实现双向位移观测。
l 正倒垂线法
正倒垂线既可以实现水平位移监测，又可以实现土坝挠度观测。正垂线是一端固定于坝顶附近，另一端悬挂重锤，以便观测坝体各点间及坝体相对于坝基位移观测，以及坝体挠度观测。倒垂线是一端埋设在大坝基本深层基岩处，另一端浮起，来测定大坝绝对位移。
新近研制垂线观测仪采用线阵CCD传感器实现自动读数，在X，Y方向上坐标精度优于±0.1mm。
l 前方交会法
对于拱坝拱冠或下游面等观测效率比较低或观测位置不易到达点位进行观测时，可以用角度前方交会法测定其水平位移。
前方交会误差源有：测角误差，交会角及图形构造基线长度外界条件变化等因素。其实际精度普通为±1mm--±3mm，精度较低，此外其测量和计算过程复杂，因而不单独使用，而是作为备用手段或配合其她办法使用。
l 精密导线法
 精密导线作为监测拱坝水平位移办法，应用比较广泛，但量边工作量大，测角旁折光影响大。为克服这些问题，宜布设成类似于高能物理加速器工程中测高直伸环形网，通过测量狭长三角形边长和高途径来间接提高测角精度。从而避免旁折光影响。该法精度取决于量边精度，如果用铟瓦尺量边，精度完全可以达到亚毫米级。但观测办法繁琐，计算复杂，误差逐点累加，可靠性差，工作效率低。
3.1.2垂直位移监测
垂直位移监测重要有几何水准法和流体静力水准法。
l 几何水准法
 几何水准法是垂直位移监测重要办法，精度容易满足。重要测量工作有：
a. 由水准基准点校测各工作基点，对混凝土大坝和土坝分别用一、二等水准测量；
b. 用工作基点测定各变形点，较上述规定可减少一种级别。
 几何水准法可以满足大某些规定，重要问题是观测自动化问题，当前可考虑采用电子水准仪（每公里来回测高差误差为±0.3mm--±0.4mm），可以明显工作效率。
l 流体静力水准法 
流体静力水准法测量原理是连通管原理。用连通管法测定垂直位移，普通可采用移动式连通管，依照起测基点高程，通过连通管测得高差，来引测标点高程。连通管由胶管`玻璃管及刻划尺等构成。该法不受大气折光影响，很容易实现读数及传播自动化，测量精度优于±0.1mm，在垂直位移监测中有着广泛应用。但连通管法受温度影响较大，不够稳定，并且测点基本上要处在同一水平位置，高差测量范畴较小。近年来研制开发出了通过压力传感器测量液体压力变化来计算高差变化仪器，扩大了测量范畴。
3.2老式观测方案误差来源
测量误差总体上分为三类：与操作者关于误差、与仪器关于误差以及与环境关于误差。
随着当前仪器逐渐进步以及观测办法改进，观测者只要认真按照规范操作，与观测者关于误差可以降至很小，而与环境有关误差如果能精准测定环境温度，气压及湿度，再避免在大气环境激烈变化等不利环境下观测，与观测有关误差同样可以降到可以接受限度。当前，制约观测精度提高瓶颈依然是观测仪器自身稳定性及精度。
4老式方案局限性
由于受现场观测条件限制以及常规仪器自身不可避免缺陷，老式观测方案存在如下缺陷：
4.1观测精度低
由于现场条件限制，工作基点大都离监测点数公里远。距离增长，各类误差如目的照准误差，大气改正误差，特别是测角和测距误差对点位综合误差明显增大。
4.2 受通视条件限制
常规仪器观测规定观测点与工作基点之间，工作基点与工作基点之间通视，这是制约现场观测一种很大瓶颈。现场条件复杂，某些监测点设立在较高危岩体边沿，很难找到比较适当工作基点能与所有监测点通视。
通视条件限制同样是导致观测距离增长重要因素。由于某些监测点所在高程较高，导致工作基点选在较远山头，导致仰角过大，大气折光差增大。
4.3 受气候影响大
受制于光电测距原理，全站仪等常规只能在光照不太强或者阴天状况下工作，而一旦阳光强烈则会对全站仪自动寻找目的产生严重干扰，无法观测。晴天时，一天之中只有早上10点前，下午4点半后几种小时有利观测时段。
同样在阴雨天气和有雾天气也无法观测，而阴雨天体却是边坡变形最严重时期，此时无法观测导致光学仪器方案变形监测无法很及时地发现边坡变形。
4.4劳动强度大
老式方案需要进行多测回测角、测距并且要精准测定大气改正参数并进行多项误差改正才干达到相应观测精度，这导致外业劳动强度大、实际作业中效率非常低。
常规监测办法在很长一段时间内为大坝，大型建筑物等形变监测作出了贡献，但其监测办法时效性低，测量成果不具备同步性，减少了成果科学性和使用价值，并且采用常规办法观测周期长，无法实时地理解建筑物变形状况。
5 GPS变形监测必要性、可行性及其优势
5.1 GPS变形监测必要性
前面已经指出，在大坝采用常规仪器进行变形监测精度有限，受天气环境影响较大，且受到现场通视条件差严重制约，不能较好地满足大坝安全监测规定。因而，寻找一种高精度、高效率且不受通视条所限新办法对大坝变面位移进行安全监测显得尤为必要。国内外诸多成功案例表白：GPS变形监测办法被以为是在边坡、大坝变形监测领域最有发展前景一种新办法。

5.2 GPS全球定位系统简介及应用于变形监测可行性
5.2.1 GPS全球定位系统简介
GPS（Global Positioning System）全球定位系统是由美国国防部牵头研发并负责运营管理一套卫星导航定位、授时系统。该系统由布设在太空中24颗GPS导航卫星构成空中某些、一种地面控制中心、三个注入站、五个监测站构成地面控制系统，以及顾客接受机三大某些构成。系统于1973年获批准建设，1993年7月初步实现全球定位能力，1996年4月系统具备完全全球定位能力。
GPS自建成以来，其在军事、交通、测绘、农业等诸多领域得到了广泛应用。
5.2.2 GPS全球定位系统在测绘领域中应用
GPS技术自应用在测绘领域以来，已经对整个测绘技术产生了革命性影响，直接导致三角测量等老式测绘办法走入历史，当前在测绘领域中应用重要有：
（1）建立和维持全球性参照框架
当前GPS已经成为建立、维持全球性参照框架重要手段。以高精度、测站数最多国际地球参照框架ITRF为例，该坐标框架枢纽站地心坐标优于4mm，比例尺精度优于0.5ppb。
（2）建立各级国家控制网
由于GPS定位技术具备高精度、全天候、测站间无需通视等长处，因而已基本取代老式办法而成为建立各级平面控制网重要手段。用GPS技术建立起国家控制网有两种，一种是仿照老式办法在全国范畴内布设A级网和B级网，然后再加密C级网和D级网。另一种办法是建立起全国性持续运营参照站，再在此基本上布设GPS点来构成国家平面控制网。
（3）布设都市控制网、工程测量控制网，进行各种工程测量
国内外资料表白，运用GPS来布设国家控制网、都市控制网、工程测量控制网时，所需要时间约为常规办法1/6,所需费用约为常规办法1/3，并且精度也比常规办法好，因而得到了广泛应用。
（4）在航空照相测量中应用
在老式航空照相测量作业模式中，需要在测区终布设一定数量大地控制点，在困难地区这是一项十分艰巨任务。而运用安顿在航测飞机上GPS接受机来测量航空照相仪光学中心在曝光瞬间三维坐标，就可以大量减少甚至不需要地面控制点。
5.3 GPS技术应用于变形监测可行性
GPS自应用到测绘领域以来，人们就始终在努力摸索其在变形监测领域可行性，并取较大进展。当前GPS应用在变形监测领域成功案例不胜枚举，理论及办法已经得到完善且趋于成熟。隔河岩大坝外观变形监测系统和龙羊峡水电站近坝库岸滑坡监测系统这两个工程成功应用实例可以说是国内将GPS技术应用在大坝变形监测领域先驱。南方测绘于近年在变形监测领域获得巨大突破，已成功实行大冶铁矿GPS变形监测系统、以中华人民共和国安全生产研究院合伙北京首云铁矿GPS变形监测系统、张河湾抽水蓄能电站上水库GPS表面位移监测系统等项目。下面从宏观上简介隔河岩、龙羊峡两个典型变形监测项目，再从微观上简介南方测绘在张河湾抽水蓄能电站上水库GPS变形监测系统采用技术手段和办法。
5.3.1隔河岩大坝外观变形监测系统及长期持续监测模式
清江隔河岩大坝外观变形GPS持续监测系统是由武汉大学测绘学院（原武汉测绘科技大学大地测量系）承担一项前瞻性科研项目及工程实践。该系统是国内最早将GPS技术应用在大坝变形监测工程实例。
4.3.1.1隔河岩大坝外观变形监测系统构成
隔河岩大坝外观变形监测系统由数据采集、数据传播和数据解决分析管理等三个某些构成。
（1）数据采集某些
隔河岩大坝外观变形GPS自动监测系统数据采集工作是在GPS1- GPS7这7个站上进行。其中GPS1和GPS2为位于大坝下游清江两岸两个基准点。它们是整个大坝变形监测中参照基准，位于地质条件良好，点位稳定，能提供电源且适合进行GPS观测地方。GPS3-GPS7位于大坝坝面上有代表性重要部位上，均与大坝上原变形监测点重叠。
(b)数据传播某些
及时精确地传播观测资料及其他关于信息是GPS自动监测系统中一种重要环节。在坝面观测室中设立一台工控机。该工控机通过RS-232多串口远距离通讯方式将坝面上5台接受机面板信息实时传送至总控室微机中，同步又通过多路开关按总控室设立时间间隔定期将上述5台接受机所采集到数据(观测值和卫星星历等)传回(卸载至)服务器中，传播介质均采用光纤。
基准站离总控室较远，GPS2又位于清江对岸，加上受地形地貌条件限制，铺设光纤难度很大，故采用无线通讯方式。为提高抗干扰能力，采用了DS扩频技术。无线通讯频率为2. 4G，数据传播速率为2M bps。通过数据传播某些可以把监测系统中各种设备联成一种整体。从总控室中可以实时监测各台GPS接受机工作状况，并可发布指令控制各接受机运营(如采样间隔，截止高度角，时段长度等)。
(c)数据解决分析管理某些
这某些是整个系统能自动运营核心，重要由总控，数据解决，变形分析和数据库管理等四个软件和服务器、工作站、微机等设备构成。
总控任务除了对各接受机运营状况进行监测和控制外，尚有:
·从服务器中获得各接受机观测资料并发送给数据解决模块进行自动解决，然后从它那里获得计算成果。
·将计算成果送给变形分析模块进行变形分析。
·将观测资料，基线解决和网平差成果以及变形分析成果装人数据库，供数据库管理模块使用。
5.3.2龙羊峡水电站滑坡GPS监测及定期复测模式
4.3.2.1龙羊峡水电站GPS滑坡监测简介
龙羊峡水电站近坝库岸滑坡由6号地段和7号地段构成，共设有50各种变形监测点。由于范畴大点位多;接受机等设备安全无保证;长期持续供电问题难以解决且监测精度也较低等因素，不适当也无必要采用长期持续自动监测模式，定期复测模式比较适当。
由于滑坡坡度很陡，故在多数状况下需从水库对岸基准点上进行观测。这就导致了距离过长((6号地段平均边长为6. 5km，7号地段平均边长为4km)，监测精度偏低(平面位置中误差为2.2cm，三角高程中误差为5. 7cm)。依照方案设计，GPS定位精度定为:平面位置5mm，高程(大地高) l Omm。上述精度较常规监测办法精度有较大幅度提高(中误差已降为本来1/5左右)，并且付出代价也较低，预计经短时间GPS观测后即可获得满足规定观测成果。
5.3.3两种监测模式优缺陷
(1)长期持续监测方式具备下列长处:
a)可以较完善地消除接受机天线安顿误差(如对中误差，整平误差，定向误差，量测天线高误差等)影响。
b)由于数据量特别多，故可通过滤波及平滑等技术来消除噪声，提取大坝变形信息，获得高精度成果。
c)易于实现自动化，提高系统响应速度和作业效率。
(2)长期持续监测模式缺陷是:
a)每个变形监测点上均需长期安顿一台CPS接受机，监测成本较高。
b)需提供长期稳定电源.
(3)定期(或不定期)复测模式长处为:
a)不长期占用GPS接受机。复测期外接受机可用于其他用途，运用率高。
b)仪器设备安全及供电等问题容易解决。
(4) 定期(或不定期)复测模式缺陷是:
a)仪器安顿误差难以完全消除，加之数据量又较少，规定达到精度时(特别是高程)需要较长观测时间。
b)劳动强度较长期模式大，响应速度较慢。
5.3.4 张河湾抽水蓄能电站上水库GPS表面变形监测系统
4.3.4.1张河湾抽水蓄能电站上水库GPS表面变形监测系统简介
上水库表面位移监测点分布于上水库坝体下游坡面、防浪墙、库岸边坡及近坝址岩坡表面等部位，总共59个间断性监测点，其中防浪墙顶（ST）表面测点13个，坝顶下游侧表面测点5(GPS)个，下游坝坡面表面测点19(LD)个，坝坡面观测房顶表面测点4(TD)个，库周基岩表面测点18(LR)个。
由于上库监测点位较多、分布广，采用长期持续运营模式电源等问题不好解决；而定期复测模式由于周期长，工作量较长期模式较大，因而咱们在上库采用了“半自动”观测方案。
详细实现方案为：选用某些核心点采用长期持续运营办法，对某些监测点采用定期复测模式。“半自动”观测方案较好解决了上述提出问题。
4.3.4.2 系统整体简介
系统由数据采集某些、数据传播某些、监控中心三某些构成

1、数据采集某些
在库区周边地质条件好、覆盖层较薄山坡新鲜基岩上设立2个基准点，运用2台GPS接受机进行持续跟踪测量，基站如图2.1，监测站在分别位于坝顶、坝坡、坝基上如图2.2.数据采集工作在所有59个监测点中进行。

图2.1 基准站 图2.2 观测站
2、数据通讯某些
无线网桥，普通是用于各种网络连接，作用距离从几百米到几十公里。它广泛应用在不同建筑物间网络互联。依照合同不同，无线网桥又可以分为2.4GHz频段802.11b或802.11G以及采用5.8GHz频段802.11a无线网桥。无线网桥有三种工作方式，点对点，点对多点，中继连接。
无线网桥普通是用于室外，重要用于连接两个网络，使用无线网桥不也许只使用一种，必须两个以上。无线网桥功率大，传播距离远（最大可达约50km），抗干扰能力强等，不自带天线，普通配备抛物面天线实现长距离点对点连接。
张河湾抽水蓄能电站上水库GPS监测系统数据传播引入了无线网桥技术。无线网桥技术引入抛弃了老式铜线或光纤，运用无线通讯技术，以空气作为媒介进行网络数据传播，实现GPS接受机数据自动传播到监控中心服务器目。
上水库监测点分布较广且地形复杂、位置偏僻，与监控中心相距较远，运用老式有线连接方式，不但成本高昂、施工周期长，且因障碍而难以架设线缆。更重要是，有线传播抗灾性比较差，在大风、暴雨、决口等恶劣环境下，有线线路极易遭到破坏，GPS数据将无法及时传递，难以满足水库大坝监测高可靠性规定。
无线网桥在各种恶劣天气状况下，都能正常运营；安装以便，无需铺设网络电缆，可大量节约投资；具备极强灵活性和可扩充性，全面实现采集自动化、智能化和网络化。

图3.1固定在控制中心楼顶无线AP

图3.2监测站无线网桥搭建
3、监控中心
监控中心负责数据解决、分析、管理、发布等工作。工监控中心布置在值班楼一楼监测办公室内，如图4.1

图4.1 控制中心

5.4 GPS技术应用于变形监测优势
相比较于老式测量手段，GPS技术有着老式办法不可比拟优势，重要如下：
5.4.1定位精度高
应用实践表白已经表白，GPS相对定位精度在50km以内可达到，100-500km可达到，1000km以上可以达到。在300-1500m工程精密定位中，一小时以上观测解其平面位置误差不大于3mm。
5.4.2观测时间短
随着GPS系统不断完善，软件不断更新，当前20km以内相对静态定位，仅需15-20分钟，迅速静态相对定位测量时，当每个流动站与基准站相距在15km以内时，流动站观测时间只需1-2分钟；动态相对定位测量时，流动站出发时观测1-2分钟，然后可随时定位，每站仅需几秒钟。
对于大坝变形监测领域，通过实践表白1小时解相对定位就可以到3mm平面精度，这是老式办法很难企及。
5.4.3测站间无需通视
GPS测量不规定测站之间互相通视，只需测站上空开阔即可，因而可节约大量造标费用。由于无需点间通视，点位位置可依照需要，可稀可密，使选点工作甚为灵活，也可以省去典型大地网中传算点，过度点测量工作.从而节约监测成本。
5.4.4可提供三维坐标
典型大地测量将平面与高程采用不同办法分别施测。GPS可以通视精准拟定站点三维坐标。对于变形监测领域，大多时候甚至可以直接采用GPS定位WGS84坐标系下三维坐标，做到真正三维监测。
5.4.5操作简便
随着GPS接受机不断改进，自动化限度越来越高，有已达‘傻瓜化’限度，接受机体积越来越小，重量越来越轻，极大地减轻测量工作者工作紧张限度和劳动强度。使野外工作变得轻松。
5.4.6全天候作业
当前GPS观测可在一天24小时任何时间进行，不受阴天，黑夜，起雾刮风，下雨下雪等气候影响。这对于变形监测来说尤为重要。而降雨是诱发边坡变形重要因素之一，但老式办法在雨天很难观测，无法做到及时监测边坡体表面位移。
6 GPS监测系统带来社会经济效益
6.1 社会效益
1、系统建成后，为大坝安全提供重要参照根据。可以合理进行管理，保证人民生命与财产安全，保障大坝安全运营。
2、系统验收和技术鉴定会。拟邀请在GPS和监测方面知名专家专家、市领导、省行业管理部门领导出席，会议将对监测系统做出技术评估，并形成验收结论，届时将邀请电视台等媒体做有关报道。
3、形象宣传片制作。我公司将在系统收集管理单位有关资料状况下，制作出宣传资料，作为管理单位和南方测绘宣传推广媒介。
4、科技项目申报。必要时，管理部门单位申请科技进步奖项。
5、电视台和报纸有关传媒宣传。系统验收后可邀请电视台和报纸等有关传媒管理单位进行采访报道，做进一步宣传推广，增进GPS监测技术推广发展。

6.2 经济效益
当前国内诸多矿山、尾矿库、大坝已经建立了GPS监测系统，为其安全运营提供了重要根据。从它们运营状况来看，GPS监测系统在带来巨大社会效益同步也将为监测管理部门带来一定经济效益。由于GPS技术先进性，可以极大提高监测工作效率。常规监测方案大量人工工作及人员投入在GPS监测系统中已经成为历史，且GPS技术短时间即可以达到大坝监测所规定精度，极大提高了监测工作效率。人员投入减少及工作效率提高，势必减少监测成本，为管理部门带来了一定经济效益。

7结论及建议
7.1结论
a)老式全站仪边角交会方案存在精度低、测点通视难、受天气影响大、作业效率低、劳动强度大等诸多先天缺陷。
b)GPS技术应用在大坝、边坡安全监测可行性已经得到了充分验证，国内外有关工程应用实例已经屡见不鲜，有关技术已经较为成熟。
c)有关研究以及工程实践表白，应用GPS技术进行大坝、边坡安全监测精度可以完全达到毫米级，满足有关技术规定。
d)采用GPS技术进行大坝、边坡安全监测具备老式办法无法比拟优势，其定位精度高、操作简便、测站间不需要通视、可以提供三维位置信息、全天候作业等等。
7.2建议
大坝监测重要性不言而喻，鉴于老式全站仪边角交会等办法已经无法较好满足当前有关监测技术需求，建议采用GPS技术进行大坝安全监测。