□武明海

南水北調(diào)中線洺河渡槽安全監(jiān)測設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)探討

□武明海

針對南水北調(diào)中線一期工程總干渠洺河渡槽的構(gòu)造和所處地形環(huán)境的特點(diǎn)，在洺河渡槽安全監(jiān)測優(yōu)化設(shè)計的基礎(chǔ)上，采用光纖傳感器、GPS一機(jī)多天線、多層控制合一、精密全站儀差分和內(nèi)外部變形相結(jié)合等新技術(shù)新方法，綜合探討由效應(yīng)量和環(huán)境量造成該渡槽變形的自動化監(jiān)測分布規(guī)律，重點(diǎn)在渡槽安全監(jiān)測自動化的實現(xiàn)。

優(yōu)化設(shè)計;安全監(jiān)測;變形監(jiān)測

洺河渡槽是南水北調(diào)中線一期工程總干渠的一座大型河渠交叉建筑物。跨河渡槽每跨長40.0m，加大流量為250m3/s。洺河渡槽安全監(jiān)測包括變形監(jiān)測，環(huán)境量監(jiān)測，滲流監(jiān)測、應(yīng)力、應(yīng)變及溫度監(jiān)測和專項監(jiān)測。洺河渡槽安全監(jiān)測系統(tǒng)包含2個層次，即1個閘管理所工作站(現(xiàn)場操作工房部分)和1個現(xiàn)地監(jiān)測站。閘管所工作站以及現(xiàn)地監(jiān)測站將人工觀測數(shù)據(jù)、巡視檢查等信息輸入到計算機(jī)內(nèi)，并通過計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)依次傳至閘管處工作站、分公司安全監(jiān)測中心、總公司安全監(jiān)測中心。洺河渡槽的滲流監(jiān)測和應(yīng)力、應(yīng)變及溫度等監(jiān)測要并入洺河渡槽工程安全監(jiān)測系統(tǒng)，以便監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行相互驗證及作用量和效應(yīng)量關(guān)系的分析。數(shù)據(jù)采集、傳輸和處理的三大部分采用局域網(wǎng)聯(lián)成一個有機(jī)的自動化系統(tǒng)。

1.外部安全監(jiān)測的優(yōu)化設(shè)計

1.1 零類設(shè)計

零類設(shè)計其含義為基準(zhǔn)設(shè)計，是解決參考系的問題，或者說是監(jiān)測網(wǎng)的定位，即為固定參數(shù)A,P和待定參數(shù)方差—協(xié)方差矩陣（QXX）及X，選擇一個最優(yōu)的參考系；就是在控制網(wǎng)的網(wǎng)型和觀測值的先驗精度已知的情況下，選擇合適的起始數(shù)據(jù)，使網(wǎng)的精度最高。GPS監(jiān)測網(wǎng)的零類設(shè)計優(yōu)化包括位置基準(zhǔn)優(yōu)化、方位基準(zhǔn)優(yōu)化和尺度基準(zhǔn)優(yōu)化。在選擇聯(lián)測點(diǎn)時，既充分參考利用了舊資料，又顧及了新建的高精度網(wǎng)不受舊資料精度較低的影響，因此通過聯(lián)測原系統(tǒng)的2個控制點(diǎn)，方位基準(zhǔn)由GPS基準(zhǔn)網(wǎng)中的MJ4和MJ3基線向量的方位確定，位置基準(zhǔn)由GPS基準(zhǔn)網(wǎng)中的MJ4確定（該點(diǎn)為基巖點(diǎn)），尺度基準(zhǔn)由ME5000(0.2mm+0.2ppm×D)電磁波測距儀測定MJ3—MJ4邊長確定。由MJ1、MJ2、MJ3和MJ4基準(zhǔn)點(diǎn)可構(gòu)成一個大地四邊形，這樣高精度獨(dú)立監(jiān)測網(wǎng)的基準(zhǔn)就形成了。

1.2 一類設(shè)計優(yōu)化

一類設(shè)計其含義為圖形結(jié)構(gòu)設(shè)計，是解決監(jiān)測網(wǎng)的圖形問題，其方法是固定參數(shù)為P、QXX，待定參數(shù)為A；是在考慮到進(jìn)行的專用二級網(wǎng)精度觀測值和未知數(shù)的準(zhǔn)則矩陣已定的情況下，選擇一個最優(yōu)的點(diǎn)位布置和一個最優(yōu)的觀測方案設(shè)計。包括最合理的觀測值數(shù)目。在渡槽及相關(guān)建筑物上布設(shè)變形監(jiān)測點(diǎn)88個。對洺河一個變形特征點(diǎn)，想選擇一個最優(yōu)的點(diǎn)位布置，可選擇的空間很小，只能在觀測方案中進(jìn)行優(yōu)選。測區(qū)內(nèi)相鄰點(diǎn)間距在30m～650m之間。就此特殊情況把88個變形監(jiān)測點(diǎn)按照在全測區(qū)相對均勻分布的特性南北方向共可分成4塊，每1塊22個觀測點(diǎn)。

當(dāng)變形監(jiān)測點(diǎn)采用8個在一個同步環(huán)監(jiān)測方案時，每一個同步環(huán)觀測時在每1塊中選2個變形監(jiān)測點(diǎn)，4塊共計選取8個變形監(jiān)測點(diǎn)和基準(zhǔn)點(diǎn)4個可構(gòu)成一個同步大地十二邊形，相鄰點(diǎn)間距最短為232m；同樣的順序為由南向北，共可形成11個大地十二邊形，對其疊加與基準(zhǔn)網(wǎng)共同可形成整體監(jiān)測網(wǎng)。

當(dāng)Qxx的對角線元素為qXX、qYY、qZZ以及qtt表示未知數(shù)估值的協(xié)因數(shù)時：

幾何圖形強(qiáng)度因子限制為

位置圖形強(qiáng)度因子限制為

1.3 二類設(shè)計優(yōu)化

二類設(shè)計其含義為權(quán)設(shè)計。固定參數(shù)是A,Qxx待定參數(shù)為P。即在控制網(wǎng)的網(wǎng)形和網(wǎng)的精度要求已定的情況下進(jìn)行觀測工作量的最佳分配（權(quán)分配），決定其觀測值的精度（權(quán)），使各種觀測手段得到合理組合。

若有R臺接收機(jī)同步觀測，則有（R-1）條獨(dú)立基線，對它們方差—協(xié)方差陣：

其特點(diǎn)是各條基線向量之間相關(guān)，同步觀測得到的觀測值協(xié)方差陣是一滿陣，因而其權(quán)陣也是一滿陣：

但由多組（i=2，3，…，n）同步觀測得到的全體基線向量協(xié)方差陣仍是似對角陣，因而權(quán)陣也是似對角陣

為取得好得平差結(jié)果，通過各種預(yù)平差（不同種類觀測）合理地取出了各類觀測的實際中誤差，此外還通過網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計觀測的權(quán)得到了最佳的匹配。

1.4 可靠性指標(biāo)

監(jiān)測網(wǎng)的可靠性分內(nèi)部可靠性和外部可靠性,是指監(jiān)測網(wǎng)能夠發(fā)現(xiàn)觀測值中存在的粗差和抵抗殘存粗差對平差結(jié)果的影響能力。

內(nèi)部可靠性：

式中，σ0為方差因子，δ0為非中心化參數(shù)，由顯著水平α0和檢驗功效β0表查得；ri為多余觀測分量：

當(dāng)Δoli=min且δo，i=min時，有ri= max這是最優(yōu)準(zhǔn)則并非最優(yōu)控制，由于多余觀測的增加，直接導(dǎo)致費(fèi)用的提高，就此把可靠性作為約束條件，對其指標(biāo)限制在一定的范圍內(nèi)，相當(dāng)于對多余觀測分量和總的多余觀測提出制約；采用9臺接收機(jī)的多天線系統(tǒng)觀測比傳統(tǒng)4臺多余觀測要多的多，可靠性要好，費(fèi)用相對低很多。

1.5 靈敏度指標(biāo)

靈敏度應(yīng)作為監(jiān)測網(wǎng)的重要技術(shù)指標(biāo)，設(shè)計時不僅要求位移向量d的協(xié)因數(shù)陣Qdd的最大特征值λmax為最小，還要滿足所對應(yīng)的特征向量的方向與被監(jiān)測的變形向量的方向正交。對于渡槽的特殊性其特征向量的方向為軸線方向。就此控制點(diǎn)位相對誤差橢圓短軸方向盡量接近軸線垂直方向，且控制短半經(jīng)盡量小，來達(dá)到點(diǎn)位精度在軸線垂直方向相對較高的目的。

1.6 費(fèi)用標(biāo)準(zhǔn)

布設(shè)任何監(jiān)測網(wǎng)都不可一味追求高精度和高可靠性而不考慮費(fèi)用問題尤其是在講究經(jīng)濟(jì)效益的今天更是如此。監(jiān)測網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計,就是得出在費(fèi)用最小(或不超過洺河一限度)的情況下，使其他質(zhì)量指標(biāo)能滿足要求的布網(wǎng)方案。

該監(jiān)測網(wǎng)采用最小原則即在使精度和可靠性指標(biāo)達(dá)到一定的條件下，使費(fèi)用支出最小。

布網(wǎng)費(fèi)用可表達(dá)為：C總=C設(shè)計+ C選埋+C觀測+C計算+C分析

式中：C表示經(jīng)費(fèi)，下標(biāo)表示經(jīng)費(fèi)使用的項目。優(yōu)化設(shè)計中，主要考慮是觀測費(fèi)。由于各種不同觀測量，采用不同的儀器，其計算均不一樣，很難有一完整的表達(dá)式表達(dá)出來，只能視具體情況，采用不同的計算公式。

由上述可以看出，從最優(yōu)設(shè)計的意義來講，網(wǎng)的各類設(shè)計分開進(jìn)行只能是局部概念上的最優(yōu)，因各類設(shè)計相互影響，故最終設(shè)計可能并非整體上最優(yōu)。該監(jiān)測網(wǎng)在各類設(shè)計同時進(jìn)行時并顧及質(zhì)量指標(biāo)，最終采用了9臺雙頻GPS接收機(jī)，按上圖方式布設(shè)了監(jiān)測網(wǎng)。本設(shè)計側(cè)重自動化，建立費(fèi)用比非自動化成本略高，運(yùn)行費(fèi)用相比頗低。

2.變形監(jiān)測

2.1 外部安全監(jiān)測點(diǎn)的觀測方案

一是水平位移變形點(diǎn)和基準(zhǔn)點(diǎn)觀測方案。平面控制按基準(zhǔn)網(wǎng)(點(diǎn))和工作網(wǎng)(點(diǎn))分級布設(shè)。基準(zhǔn)網(wǎng)(點(diǎn))由4個基準(zhǔn)點(diǎn)和5個工作基點(diǎn)組成；5個工作基點(diǎn)分布于槽頂外觀肩上2個、進(jìn)口漸變段、節(jié)制閘上1個、退水閘、排冰閘上1個和出口段及檢修閘上1個。由基準(zhǔn)點(diǎn)(4個)和工作基點(diǎn)(5個)共9個點(diǎn)構(gòu)成1個同步大地九邊形，組成平面基準(zhǔn)網(wǎng)。數(shù)據(jù)采集：全系統(tǒng)由9臺GPS組成。

由于渡槽變形是以基準(zhǔn)點(diǎn)位置為標(biāo)準(zhǔn)的，故基準(zhǔn)點(diǎn)的穩(wěn)定性事關(guān)重大，4個基準(zhǔn)點(diǎn)要定期復(fù)測，4個基準(zhǔn)點(diǎn)擬布設(shè)為大地四邊形，在ITRF97坐標(biāo)框架下，為了高精度地確定該基準(zhǔn)點(diǎn)坐標(biāo),采用了GAMIT軟件進(jìn)行基線計算。每個時段求解時，衛(wèi)星鐘差的模型改正，采用精密星歷中的鐘差參數(shù)；接收機(jī)鐘差的模型改正，采用根據(jù)偽距觀測值計算出的鐘差進(jìn)行改正；電離層折射延遲，用LC觀測值消除；對流層延遲，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)大氣模型用Saastamoinen模型改正，采用分段線性的方法估算折射量偏差參數(shù)，每4個小時估計1個參數(shù)(相當(dāng)于每天選7個結(jié)點(diǎn)參數(shù))，映射函數(shù)采用Niell模型，該模型在高度角小于15時精度較其他模型好。衛(wèi)星和接收機(jī)天線相位中心進(jìn)行改正，接收機(jī)天線L1,L2相位中心偏差采用GAMIT軟件的設(shè)定值；測站位置的潮汐改正，按照GAMIT軟件中的模塊進(jìn)行?？紤]到衛(wèi)星軌道精度很高(優(yōu)于5cm)，故固定IGS軌道。首先根據(jù)基準(zhǔn)點(diǎn)的坐標(biāo)通過與5個IGS跟蹤站(武漢、北京、拉薩、昆明和上海等)的同步聯(lián)測數(shù)據(jù),計算出所有單天解結(jié)果,然后再將18個單天解的基線結(jié)果用GAMIT/GLOBK軟件進(jìn)行平差。平差時只固定武漢跟蹤站的坐標(biāo),而其他站的坐標(biāo)加以適當(dāng)?shù)募s束,平差后獲得基準(zhǔn)點(diǎn)在ITRF97坐標(biāo)框架下的準(zhǔn)確坐標(biāo)。通過與周圍IGS跟蹤站點(diǎn)的聯(lián)測，還可監(jiān)測其本身穩(wěn)定性。通過基線解算比較定期復(fù)測間的基準(zhǔn)點(diǎn)相對位置的變化，來分析4個基準(zhǔn)點(diǎn)的穩(wěn)定性。數(shù)據(jù)傳輸：為實現(xiàn)GPS數(shù)據(jù)自動化傳輸，GPS觀測的數(shù)據(jù)自動、準(zhǔn)確地傳輸是系統(tǒng)的關(guān)鍵。

二是垂直位移基準(zhǔn)點(diǎn)的布置。高程控制只設(shè)基準(zhǔn)網(wǎng)，由基準(zhǔn)網(wǎng)直接進(jìn)行測點(diǎn)觀測。在河兩岸各設(shè)一組(3點(diǎn))高程基準(zhǔn)點(diǎn)。為保證基點(diǎn)的可靠性，每3點(diǎn)之間互為校核；點(diǎn)間距離不超過100m，校核高差用一等水準(zhǔn)測定；兩組基點(diǎn)之間的監(jiān)測點(diǎn)用二等水準(zhǔn)進(jìn)行連測，組成基準(zhǔn)網(wǎng)。

2.2 洺河渡槽外部安全監(jiān)測方案綜述

洺河渡槽附屬建筑物部分：進(jìn)口漸變段、節(jié)制閘、檢修閘、退水閘、排冰閘和出口漸變段的頂部監(jiān)測點(diǎn)采用GPS一機(jī)多天線系統(tǒng)進(jìn)行自動化監(jiān)測。洺河渡槽槽墩頂上監(jiān)測點(diǎn)采用精密全站儀坐標(biāo)法監(jiān)測。核心是精密自動全站儀的變形監(jiān)測系統(tǒng)。

為了安全可靠在洺河渡槽部分構(gòu)件上采用一種或兩種對比方案進(jìn)行檢核，可根據(jù)綜合成果進(jìn)行科學(xué)篩選運(yùn)用：視準(zhǔn)線觀測方案設(shè)計，是針對槽梁頂上和槽墩頂上的水平位移而專門設(shè)計的；洺河渡槽區(qū)域內(nèi)全部被監(jiān)測體頂面的可通視變形監(jiān)測點(diǎn)皆可采用精密全站儀坐標(biāo)法監(jiān)測；全部垂直位移監(jiān)測點(diǎn)可采用二等水準(zhǔn)進(jìn)行連測。

2017-02-08

武明海，男，漢族，河北省水利水電第二勘測設(shè)計研究院，正高級工程師。