甘孝清，鄒雙朝，馬 祥

（1.長江科學院工程安全與災害防治研究所，湖北武漢，430010；2.湖北白蓮河抽水蓄能有限公司，湖北羅田，438617）

湖北白蓮河抽水蓄能電站變形監(jiān)測網(wǎng)觀測與數(shù)據(jù)處理

甘孝清1，鄒雙朝1，馬 祥2

（1.長江科學院工程安全與災害防治研究所，湖北武漢，430010；2.湖北白蓮河抽水蓄能有限公司，湖北羅田，438617）

首先介紹了湖北白蓮河抽水蓄能電站變形監(jiān)測網(wǎng)的布置概況及觀測精度要求。在對現(xiàn)有的變形監(jiān)測網(wǎng)觀測方法進行對比分析的基礎上，選擇測量機器人與GPS方法同時應用于該工程的變形監(jiān)測控制網(wǎng)觀測中。處理結果表明兩種方法的觀測成果一致性很好，均能夠達到二等變形監(jiān)測網(wǎng)的精度要求，在觀測效率和氣候條件的影響上，GPS方法更具有優(yōu)勢。

白蓮河抽水蓄能電站；變形控制網(wǎng)；測量機器人；GPS

1 變形監(jiān)測網(wǎng)布置概況

湖北白蓮河抽水蓄能電站位于湖北省黃岡市羅田縣白蓮河鄉(xiāng)境內的白蓮河水庫右壩頭上游側，電站裝機容量1 200 MW，其主要任務是承擔華中電網(wǎng)的調峰、填谷、調頻、調相與事故備用。電站上水庫主要建筑物有1座主壩、3座副壩、1條環(huán)庫路與上水庫進/出水口等。為了監(jiān)測電站上水庫及建筑物的變形情況，在上水庫庫周布置了1個平面變形監(jiān)測控制網(wǎng)（由8個網(wǎng)點組成），其中BL211和BL214為已知點，具體分布見圖1。該控制網(wǎng)為二等邊角網(wǎng)，要求每年至少復測一次，上水庫蓄水前復測一次。

根據(jù)設計文件要求，變形監(jiān)測控制網(wǎng)采用方向觀測法進行觀測，每個方向觀測12測回，并且保證12個測回分別在上午、下午兩個時間段完成。為了保證變形控制網(wǎng)的觀測精度，必須在成像清晰、穩(wěn)定的條件下進行觀測，且觀測過程中，待儀器溫度與外界氣溫一致時才能開始觀測。外業(yè)觀測時，需要記錄測站和各個目標點的氣溫、氣壓、濕度；外業(yè)結束后，對各條觀測視線的氣溫、氣壓、濕度進行平均，再利用氣象改正模型，對測量距離進行改正。具體各項觀測技術要求見表1。

2 變形控制網(wǎng)觀測方法選擇

目前變形監(jiān)測控制網(wǎng)常用的觀測方法主要采用三角網(wǎng)法、邊角網(wǎng)法和靜態(tài)相對定位方法等，常用的觀測設備主要為高精度的經(jīng)緯儀、測距儀、全站儀、測量機器人及GPS靜態(tài)相對定位系統(tǒng)。各觀測方法和觀測設備的測量指標、技術實用范圍及特點統(tǒng)計如表2所示。

表1 上水庫平面變形監(jiān)測網(wǎng)觀測技術要求Table 1 Technical requirements for upper-reservoir deformation monitoring

表2 現(xiàn)有變形監(jiān)測網(wǎng)觀測方法對比Table 2 Comparison of the observation methods by the existing deformation monitoring network

圖1 上水庫變形控制測網(wǎng)網(wǎng)圖Fig.1 Deformation monitoring control network for the upper res?ervoir

經(jīng)緯儀觀測變形控制網(wǎng)時通常與測距儀配合使用，經(jīng)緯儀測量各個控制網(wǎng)點之間的角度，測距儀測量兩個控制網(wǎng)點之間的距離。測距儀觀測對作業(yè)條件要求非常苛刻，特別是氣象因素、溫度因素等使得目標影像發(fā)生抖動，極大影響測量數(shù)據(jù)的精度。雨天和大壩泄洪期間，受雨滴和泄洪產(chǎn)生的水氣霧化的干擾，傳統(tǒng)的光學儀器測量方法無法實施變形觀測。

測量機器人集成了伺服馬達、CCD影像傳感器、智能化控制軟件，可自動尋找目標、自動調焦、自動照準、自動讀數(shù)，可實現(xiàn)變形控制網(wǎng)觀測全過程自動化。水電站大多位于高山峽谷間，兩岸邊坡較高，上午容易出現(xiàn)大霧天氣，中午太陽直射山谷時日光強烈，影響外業(yè)施測精度。測量機器人進行邊長觀測時應盡量選擇在日出后30～180 min，下午日落前180～30 min。應用測量機器人進行邊角網(wǎng)觀測需要選擇合適的時間段，尤其應避開強光及大霧影響。

GPS作為現(xiàn)代大地測量的一種技術手段，可以實現(xiàn)三維大地測量，作業(yè)簡單方便，具有測站間無需通視、能同時測定點的三維位移、不受氣候條件的限制、易于實現(xiàn)全系統(tǒng)的自動化、可消除或削弱系統(tǒng)誤差的影響和可直接用大地高進行垂直形變測量等優(yōu)點。特別是應用于變形控制網(wǎng)觀測時，主要關注兩期所求得監(jiān)測點坐標之間的差異，而不是監(jiān)測點本身的坐標。這樣兩期監(jiān)測中所含的共同系統(tǒng)誤差只會分別影響兩期的坐標值，但卻不會影響所求得的變形量。目前利用GPS進行變形監(jiān)測的最好精度約為±0.5 mm。

根據(jù)湖北白蓮河抽水蓄能電站的現(xiàn)場條件和控制網(wǎng)觀測精度要求，最終選擇GPS觀測方法和測量機器人觀測方法對變形控制網(wǎng)進行觀測。

3 GPS觀測與數(shù)據(jù)處理

2011年10月，采用6臺徠卡公司高精度雙頻GPS接收機對白蓮河抽水蓄能電站變形監(jiān)測控制網(wǎng)進行靜態(tài)相對定位觀測。將8個變形控制網(wǎng)網(wǎng)點分3個時段進行觀測，每個時段長度大于4 h，保證不同時段有4臺接收機同步，保證變形控制網(wǎng)中每個網(wǎng)點與其他網(wǎng)點均有基線連接，這樣可提高控制網(wǎng)的可靠性和精度。

GPS數(shù)據(jù)處理過程大致分為原始數(shù)據(jù)下載、數(shù)據(jù)檢查及預處理、基線解算、基線檢核、三維無約束

網(wǎng)平差、二維約束網(wǎng)平差、平差精度統(tǒng)計等。外業(yè)觀測完成后，采用徠卡公司的LGO 6.0基線計算軟件進行基線處理。其中，TB06、TB01網(wǎng)點的周圍有樹枝遮擋，凈空不是很好，需要刪除部分衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)，提高變形控制網(wǎng)的基線質量。然后采用武漢大學科傻GPS數(shù)據(jù)處理軟件進行三維無約束平差和二維約束平差，最后對平差的結果進行精度統(tǒng)計。

變形監(jiān)測控制網(wǎng)參與平差的基線數(shù)39條，構成異步閉合環(huán)21個，同步環(huán)和異步環(huán)均不超限。環(huán)閉合差、三維基線向量無約束平差的點位誤差統(tǒng)計見表3和表4。平均邊長相對中誤差為1/374405，最弱邊TB05-TB06邊長相對中誤差為1/194000，達到二等變形監(jiān)測控制網(wǎng)邊長測量的精度要求。

表3 環(huán)閉合差精度統(tǒng)計表Table 3 Statistic of the precision of the ring closure error

表4 三維基線向量無約束平差的點位誤差統(tǒng)計表Table 4 Statistics of point measurement error of unconstrained adjustment of 3D base line vector quantity

4 測量機器人觀測與數(shù)據(jù)處理

GPS方法觀測完成后，采用瑞士Leica公司高精度全站儀TCA2003，并配備6套圓棱鏡對變形監(jiān)測控制網(wǎng)進行水平角、邊長觀測。全站儀測角精度為0.5"，測距精度為1 mm+1 ppm，系統(tǒng)帶有CCD技術、馬達驅動技術，可實現(xiàn)棱鏡目標自動識別與照準。在伺服馬達驅動和機載自動化觀測軟件控制下，實現(xiàn)自動重復性觀測，如多測回測距、測角、正倒鏡等，避免了人工觀測和人工照準的隨機誤差。同時采用7支通風干濕溫度計和7臺空盒氣壓表對測站與測點的溫度、濕度和氣壓進行觀測。

在每個測回始末，分別在測線兩端點上測定溫度、濕度和氣壓數(shù)據(jù)，溫度讀至0.1℃，氣壓讀至0.1 hPa。讀取氣象元素時，氣壓表應置平，防止指針擱滯；溫度計須懸掛在離地面約1.5 m左右或與測距儀近似同高、不受陽光直射、受輻射影響小和通風良好的地方。每條測距邊往返觀測各16次，邊長觀測時段差（或往返測互差）不得大于21+D2mm（式中D為測線長度，按km計）。

觀測數(shù)據(jù)處理采用大地綜合數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。首先設置控制網(wǎng)參數(shù)，包括坐標系統(tǒng)、投影高程面、儀器的加乘常數(shù)、大氣折光系數(shù)、角度距離觀測的各種限差等，將自動記錄的觀測數(shù)據(jù)按照規(guī)范表格生成水平角、天頂距、距離觀測記錄文件，并對角度觀測數(shù)據(jù)質量進行統(tǒng)計。然后對邊長觀測數(shù)據(jù)進行氣象改正、加乘常數(shù)改正、傾斜改正、投影改正、周期誤差改正等。當角度觀測、往返邊長、往返測高差、三角形條件、極條件、正余弦條件等統(tǒng)計符合規(guī)范要求后，將已知數(shù)據(jù)、角度觀測、邊長觀測數(shù)據(jù)組合成平差準備文件，最后進行經(jīng)典控制網(wǎng)平差，平差成果精度統(tǒng)計見表5。統(tǒng)計結果表明，測量機器人觀測能夠滿足湖北白蓮河抽水蓄能電站變形監(jiān)測網(wǎng)精度設計要求。

表5 變形監(jiān)測控制網(wǎng)平差成果統(tǒng)計表Table 5 Statistics of adjustment rusults for deformation monitor?ing control network

5 測量機器人與GPS觀測成果對比

為了驗證GPS技術與測量機器人測量成果的

一致性，起算數(shù)據(jù)都采用固定B211和B214兩個監(jiān)測點進行約束平差，對兩種觀測方式數(shù)據(jù)處理后的平面邊長、點位精度和點位較差進行了比較，結果見表6、表7和表8。

從表6、表7和表8可以看出，GPS測定的邊長和點位精度與TCA2003相當。從兩種不同測量方式計算結果較差統(tǒng)計來看，GPS靜態(tài)相對定位觀測與測量機器人觀測的成果基本一致，兩者成果較差在3 mm左右，不超過點位誤差2倍準許范圍，兩者吻合性較好。

根據(jù)白蓮河變形控制網(wǎng)的現(xiàn)場條件，分別對GPS和測量機器人的作業(yè)時間進行統(tǒng)計，見表9。從表9可以看出：采用測量機器人進行變形控制網(wǎng)觀測時，外業(yè)需要總人天數(shù)為24 d，前提條件是在4 d的工作時間內，氣象條件非常適宜光學儀器觀測，如果遇到不良氣侯條件，觀測時間將需要更多。采用GPS技術進行觀測時外業(yè)需要總人天數(shù)則較少，約為測量機器人的1/5，且人為干預少，不受氣候條件影響，從數(shù)據(jù)采集到處理自動化程度較高，能及時、準確地得到可靠的觀測成果。由此可以看出，GPS方法的觀測效率明顯優(yōu)于測量機器人。

表6 邊長較差表Table 6 Difference of side length

表7 點位精度比較表Table 7 Comparison of point precision

表8 平差成果較差表Table 8 Difference of adjustment results

表9 GPS與測量機器人作業(yè)時間比較表Table 9 Comparison of the working hours between the GPS and Georobot

6 結語

GPS觀測方法與測量機器人觀測方法在白蓮河抽水蓄能電站變形監(jiān)測網(wǎng)觀測及數(shù)據(jù)處理中的應用表明，兩者的觀測成果比較吻合，均能達到二等變形監(jiān)測網(wǎng)的精度要求，其中GPS觀測方法不受氣候條件影響，觀測效率更高。如果電站運行期變形監(jiān)測網(wǎng)復測采用GPS進行觀測，固定相應的坐標框架、起算數(shù)據(jù)、處理軟件模型，每次復測成果之間的較差也可以很好地反映出網(wǎng)點的位移量。雖然衛(wèi)星信號被遮擋及多路徑效應會影響GPS觀測精度和可靠性，但隨著各種全球定位系統(tǒng)衛(wèi)星數(shù)量的增加，各種誤差模型因素考慮得更加完善，GPS將能更好地滿足變形監(jiān)測網(wǎng)觀測的精度要求。 ■

[1]李征航.GPS定位技術在變形監(jiān)測中的應用[J].全球定位系統(tǒng),2001(2):18-25.

[2]鄒雙朝，甘孝清，周武.GPS在湖北白蓮河抽水蓄能電站變形監(jiān)測網(wǎng)中的應用[J].長江科學院院報，2012（6）:90-94.

[3]李征航，張小紅，徐曉華.隔河巖大壩外觀變形GPS自動監(jiān)測系統(tǒng)的精度評定[J].哈爾濱工程高等專科學校學報，2000，11(3):1-6.

This paper describes basic situation and observation accuracy requirements of deformation monitoring network of Bailianhe pumped storage station.According to comparative analysis on existing observation technology,Georobot and GPS technology were applied to deformation monitoring control network in the Bailianhe Project.The observation results showed good consistency between GPS technol?ogy and Georobot,and both satisfied the accuracy requirement of second deformation monitoring control network,while GPS was of better observation efficiency and suffered less environmental influence.

Bailianhe pumped storage power station;deformation control network;Georobot;GPS

TV698.1

B

1671-1092（2014）04-0053-05

2013-09-27；

2013-11-12

甘孝清（1972-），男，湖北潛江人，博士研究生，主要從事巖土工程與水工結構安全監(jiān)測、安全評價工作。

Title:Deformation monitoring network of Bailianhe PSPS and its data processing//by GAN Xiao-qing, ZOU Shuang-chao and MA Xiang//Engineering Safety and Disaster Prevention Research Department of Yangtze River Scientific Institute