□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，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?？绾佣刹勖靠玳L40.0m，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內(nèi)，并通過計算機網(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，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（該點為基巖點），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)點可構(gòu)成一個大地四邊形，這樣高精度獨立監(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88個。對洺河一個變形特征點，想選擇一個最優(yōu)的點位布置，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)相鄰點間距在30m～650m之間。就此特殊情況把88個變形監(jiān)測點按照在全測區(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。

當(dāng)變形監(jiān)測點采用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，4塊共計選取8個變形監(jiān)測點和基準(zhǔn)點4個可構(gòu)成一個同步大地十二邊形，相鄰點間距最短為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：

幾何圖形強度因子限制為

位置圖形強度因子限制為

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

其特點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)到點位精度在軸線垂直方向相對較高的目的。

1.6 費用標(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用問題尤其是在講究經(jīng)濟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，使費用支出最小。

布網(wǎng)費用可表達(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，下標(biāo)表示經(jīng)費使用的項目。優(yōu)化設(shè)計中，主要考慮是觀測費。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，按上圖方式布設(shè)了監(jiān)測網(wǎng)。本設(shè)計側(cè)重自動化，建立費用比非自動化成本略高，運行費用相比頗低。

2.變形監(jiān)測

2.1 外部安全監(jiān)測點的觀測方案

一是水平位移變形點和基準(zhǔn)點觀測方案。平面控制按基準(zhǔn)網(wǎng)(點)和工作網(wǎng)(點)分級布設(shè)?；鶞?zhǔn)網(wǎng)(點)由4個基準(zhǔn)點和5個工作基點組成；5個工作基點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(4個)和工作基點(5個)共9個點構(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)點位置為標(biāo)準(zhǔn)的，故基準(zhǔn)點的穩(wěn)定性事關(guān)重大，4個基準(zhǔn)點要定期復(fù)測，4個基準(zhǔn)點擬布設(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)星和接收機天線相位中心進(jìn)行改正，接收機天線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)點相對位置的變化，來分析4個基準(zhǔn)點的穩(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)行測點觀測。在河兩岸各設(shè)一組(3點)高程基準(zhǔn)點。為保證基點的可靠性，每3點之間互為校核；點間距離不超過100m，校核高差用一等水準(zhǔn)測定；兩組基點之間的監(jiān)測點用二等水準(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)測點采用GPS一機多天線系統(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。