葛 山 運(yùn)

(重慶工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院測繪地理信息學(xué)院，重慶 402260)

0 引 言

截至2018年底，我國已建各類水庫98 460 座，水庫總庫容達(dá)到8 764 億m3，大壩作為水庫的擋水建筑物，不僅能夠調(diào)控水資源時(shí)空分布，而且對水資源的優(yōu)化配置和防洪減災(zāi)起到很大作用[1]。據(jù)2018年水利部統(tǒng)計(jì)，我國大中型水庫大壩安全達(dá)標(biāo)率為95.2%，盡管總體情況較好，但仍有部分水庫大壩由于受洪水、地震、滑坡等自然因素以及勘測設(shè)計(jì)缺陷、施工質(zhì)量漏洞、運(yùn)營管理不到位等人為因素影響而存在安全隱患或安全事故[2]。水庫大壩安全運(yùn)營不僅關(guān)乎水庫工程綜合效能的發(fā)揮，而且涉及壩區(qū)下游人民的生命財(cái)產(chǎn)安全，一旦發(fā)生潰壩事故，將造成不可估計(jì)的損失。

大壩安全監(jiān)測，是指通過專業(yè)儀器設(shè)備和人工巡視對大壩自身及其周圍環(huán)境量進(jìn)行測量和觀察的工作[3]，常用的儀器設(shè)備包括全站儀、測縫計(jì)、沉降儀、測斜儀、溫度計(jì)、壓力計(jì)及各類接收儀表等。以往水電站大壩外觀安全監(jiān)測主要采用前方交會(huì)法、視準(zhǔn)線法、引張線法和水準(zhǔn)測量法等傳統(tǒng)技術(shù)方法[4]，這些測量方法監(jiān)測頻率通常每月一次，具有步驟繁瑣、自動(dòng)化程度低、耗時(shí)費(fèi)力，易受人為因素干擾、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)繁冗，處理復(fù)雜易出錯(cuò)等缺點(diǎn)，無法滿足快速、動(dòng)態(tài)監(jiān)測大壩變形的要求。

近年來，隨著全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System，GNSS)的發(fā)展，GNSS技術(shù)憑借其高精度、全天候、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)等特性在獲取物體動(dòng)態(tài)位置、監(jiān)測物體動(dòng)態(tài)變化等方面具有很好的應(yīng)用效果，被廣泛用于大壩安全監(jiān)測[5,6]，對確定大壩健康狀態(tài)和保證大壩安全運(yùn)營具有重大意義。以往研究只是采用GPS單系統(tǒng)對大壩進(jìn)行周期性靜態(tài)觀測[7,8]或基于GPS-RTK模式對大壩進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，而BDS的衛(wèi)星性能和測距精度又與GPS基本相同[9]，但對BDS在大壩安全監(jiān)測中的應(yīng)用研究甚少，且大壩具有四周多山的特點(diǎn)，利用單一GNSS系統(tǒng)往往會(huì)因?yàn)橹車襟w遮擋而無法保證其監(jiān)測精度。此外，RTK模式由于其受限于平面1～2cm以及高程3～5cm的測量精度，致使對常規(guī)運(yùn)營期大壩短期小幅度mm級變形監(jiān)測無從為力。本文基于以上問題，以瑯琊山抽水蓄能電站大壩作為研究對象，充分利用BDS資源，開展基于GPS/BDS的大壩安全監(jiān)測可行性研究，嘗試采用GPS/BDS觀測數(shù)據(jù)的連續(xù)準(zhǔn)靜態(tài)模式對大壩進(jìn)行安全監(jiān)測，并對其監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行深度分析，得出了一些有益的結(jié)論。

1 監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)與監(jiān)測基準(zhǔn)

1.1 瑯琊山抽水蓄能電站大壩概況

安徽瑯琊山抽水蓄能電站位于長江支流青弋江上，是一座以防洪、發(fā)電、供水為主，兼有航運(yùn)等綜合效益的水電站，建設(shè)耗資巨大，歷經(jīng)復(fù)雜地質(zhì)條件、變壓器設(shè)計(jì)與安裝等重重困難成功運(yùn)營，機(jī)組總?cè)萘扛哌_(dá)60 萬kW，年發(fā)電量約8.6 億kWh，上庫主壩采用鋼筋混凝土面板堆石壩，壩頂高程174 m，壩頂長度655.5 m，最大壩高64 m。副壩采用混凝土重力壩，壩頂高程173 m，壩頂長度327 m，最大壩高19.4 m。

1.2 監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)

如圖1所示為瑯琊山水電站監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)示意圖，圖中LY05和LY06為監(jiān)測基準(zhǔn)點(diǎn)(基準(zhǔn)點(diǎn)連線與大壩的壩軸線平行)，S01和S02為上游監(jiān)測點(diǎn)，S03和S04為下游監(jiān)測點(diǎn)，JH01和JH02為校核基點(diǎn)。本文基于雙基準(zhǔn)站策略進(jìn)行試驗(yàn)，分別將大壩穩(wěn)定的基巖點(diǎn)LY05、LY06作為主基準(zhǔn)站和輔助基準(zhǔn)站，S01、S02、S03、S04作為監(jiān)測站，為便于后期坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，在JH01、JH02同樣安置GNSS接收機(jī)，接收機(jī)類型為Lecia 1200測地型雙頻GNSS接收機(jī)，數(shù)據(jù)采樣頻率設(shè)置為1 s，衛(wèi)星截止高度角設(shè)置為15°。

圖1 監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)示意圖

1.3 監(jiān)測基準(zhǔn)

將基準(zhǔn)站LY05、LY06以及JH01、JH02與瑯琊山水電站附近的BJFS、XIAN、WUHN、SHAO、SUWN共5個(gè)IGS參考站進(jìn)行聯(lián)測，獲取上述站點(diǎn)在ITRF2014框架、2019.1644(2019-03-01)歷元下的坐標(biāo)，聯(lián)測的IGS參考站與基準(zhǔn)站的相對位置如圖2所示。

圖2 監(jiān)測基準(zhǔn)與聯(lián)測的IGS參考站分布圖

2 監(jiān)測數(shù)據(jù)處理與坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

2.1 監(jiān)測數(shù)據(jù)處理

采用GAMIT10.7軟件對大壩GNSS監(jiān)測網(wǎng)進(jìn)行基線解算，基線解算時(shí)需在sestbl.、sittbl.、sites.defaults、process.defaults控制文件中設(shè)置解算策略[10]。以基準(zhǔn)站LY05和LY06作為解算的起始點(diǎn)，通過sittbl.控制文件對基準(zhǔn)站的X、Y、Z坐標(biāo)分別設(shè)置3、3、5 cm的約束量，且對監(jiān)測點(diǎn)的X、Y、Z坐標(biāo)也分別加入5、5、5 m的約束量；通過process.defaults控制文件將監(jiān)測點(diǎn)的歷元間隔與基準(zhǔn)站的歷元間隔統(tǒng)一為10 s；在sestbl.控制文件中將衛(wèi)星截止高度角設(shè)置為15°，基線解算模型設(shè)置為RELAX松弛解(即同時(shí)解算基線和軌道)，基線解算類型設(shè)置為“2-iter”(即對測站坐標(biāo)進(jìn)行2次迭代)，基線觀測值類型設(shè)置為適合于中長基線的LC_HELP(即使用電離層約束求解寬巷模糊度的LC解，進(jìn)而抵抗電離層折射誤差)，干濕延遲模型均采用Saastamoinen模型，干濕映射函數(shù)均采用目前精度較高的維也納映射函數(shù)1(VMF1)。此外，使用參數(shù)間隔在4～7 h范圍內(nèi)的PWL分段線性法[11]對測站天頂方向的對流層濕延遲參數(shù)進(jìn)行估算，估算結(jié)果可以減弱對流層折射誤差對地鐵控制網(wǎng)基線解算的影響；基線解算時(shí)將gpt.grid文件代入一起解算，該文件是全球氣壓和溫度模型文件，GAMIT軟件可以采用內(nèi)插的方法從該模型文件中計(jì)算測區(qū)的氣壓和溫度。

基準(zhǔn)站距離所有監(jiān)測點(diǎn)不超過5 km，因此上述基線解決方案理論上可以滿足大壩安全監(jiān)測mm級的精度要求，基線解算時(shí)每個(gè)監(jiān)測點(diǎn)都按GPS單系統(tǒng)、BDS單系統(tǒng)和GPS/BDS組合系統(tǒng)共3種方案進(jìn)行數(shù)據(jù)解算，最后根據(jù)聯(lián)測的基準(zhǔn)站坐標(biāo)，結(jié)合基線解算結(jié)果計(jì)算各監(jiān)測點(diǎn)在ITRF2014框架下的三維空間直角坐標(biāo)。

2.2 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

監(jiān)測點(diǎn)坐標(biāo)解算結(jié)果位于ITRF2014參考框架，大壩安全監(jiān)測分為水平位移監(jiān)測和垂直位移監(jiān)測，為更好的觀察水電站在抽水和蓄水過程中產(chǎn)生的幾何變形，因此分別以壩體縱向、壩軸線方向作為X軸和Y軸建立瑯琊山水電站壩軸獨(dú)立坐標(biāo)系，而對于監(jiān)測點(diǎn)在豎方向的變化本文則直接采用WGS-84橢球大地高。

基于CGCS2000橢球參數(shù)[12]，將各監(jiān)測點(diǎn)在ITRF2014框架下的三維空間直角坐標(biāo)(X，Y，Z)轉(zhuǎn)換為CGCS2000橢球下的大地坐標(biāo)(B，L，H)：

(1)

式中：N為卯酉圈曲率半徑；e為橢球第一偏心率。

以CGCS2000橢球?yàn)榛鶞?zhǔn)，選擇測區(qū)平均高程作為高程投影面，利用測區(qū)中央子午線將各點(diǎn)坐標(biāo)投影至國家標(biāo)準(zhǔn)3°帶，選用LY05、LY06基準(zhǔn)點(diǎn)作為坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的公共點(diǎn)，通過四參數(shù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型計(jì)算國家標(biāo)準(zhǔn)3°帶高斯直角坐標(biāo)系與瑯琊山水電站平面控制網(wǎng)采用的LYHPS坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換參數(shù)，事后采用JH01、JH02作為檢核點(diǎn)，檢核點(diǎn)轉(zhuǎn)換殘差均為mm級。四參數(shù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型為[13]：

(2)

式中：m為尺度比縮放參數(shù)；α為旋轉(zhuǎn)參數(shù)；x0、y0為平移參數(shù)。

基于平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)將監(jiān)測點(diǎn)的高斯直角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為LYHPS平面坐標(biāo)，而LYHPS平面坐標(biāo)系與瑯琊山水電站壩軸獨(dú)立坐標(biāo)系只存在一定的旋轉(zhuǎn)關(guān)系，不存在平移和尺度比關(guān)系，因此可通過下式將監(jiān)測點(diǎn)的LYHPS坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為壩軸坐標(biāo)：

(3)

式中：β為LYHPS坐標(biāo)系與瑯琊山水電站壩軸獨(dú)立坐標(biāo)系之間的旋轉(zhuǎn)角，可以通過基準(zhǔn)點(diǎn)LY05、LY06在LYHPS坐標(biāo)系下的坐標(biāo)反算其坐標(biāo)方位角而得。

3 大壩安全監(jiān)測結(jié)果與分析

3.1 衛(wèi)星連續(xù)可用性與PDOP值分析

圖3為2019年3月1日S01監(jiān)測點(diǎn)GPS、BDS、GPS/BDS共3種模式下的可見衛(wèi)星數(shù)量，圖4為3種模式下的PDOP值。分析圖3和圖4可知，與BDS單系統(tǒng)和GPS單系統(tǒng)相比，GPS/BDS組合系統(tǒng)增加了衛(wèi)星數(shù)量、降低了PDOP值，有效提高了觀測精度。同時(shí)，大壩上空BDS含有與GPS相當(dāng)?shù)?顆可見衛(wèi)星，但BDS的PDOP值卻大于GPS，究其原因是現(xiàn)階段北斗系統(tǒng)的GEO/IGSO、GEO和IGSO主要覆蓋亞太地區(qū)，其監(jiān)測站的開放度分布相對不及GPS。由圖4可知BDS單系統(tǒng)的PDOP值存在較大抖動(dòng)，主要原因是相應(yīng)時(shí)間內(nèi)的所有IGSO都位于觀測站點(diǎn)的南部。

圖3 S01監(jiān)測點(diǎn)單系統(tǒng)與組合系統(tǒng)可見衛(wèi)星數(shù)量

圖4 單系統(tǒng)與組合系統(tǒng)PDOP值

3.2 單日有效解時(shí)段數(shù)分析

圖5給出了2019年3月1日所有監(jiān)測點(diǎn)GPS、BDS、GPS/BDS共3種方案一天內(nèi)的有效解時(shí)段數(shù)。分析圖5可知，GPS/BDS組合系統(tǒng)的有效解時(shí)段數(shù)與GPS單系統(tǒng)的有效解時(shí)段數(shù)相當(dāng)，除S02監(jiān)測點(diǎn)外，其余監(jiān)測點(diǎn)的GPS/BDS有效解時(shí)段數(shù)量均超過93%，而BDS單系統(tǒng)有效解時(shí)段數(shù)最大僅為S01監(jiān)測點(diǎn)的79%，最小為S02監(jiān)測點(diǎn)的24%，究其原因是S02監(jiān)測點(diǎn)的天線一側(cè)被山體遮擋，因此接收衛(wèi)星信號時(shí)受到了嚴(yán)重影響，但此時(shí)采用GPS/BDS組合定位對大壩進(jìn)行安全監(jiān)測的優(yōu)勢是顯而易見的。對于其他衛(wèi)星信號接收良好的監(jiān)測點(diǎn)，GPS/BDS組合系統(tǒng)和GPS單系統(tǒng)的有效解時(shí)段數(shù)大致相同。

圖5 監(jiān)測點(diǎn)GPS、BDS、GPS/BDS單日有效解時(shí)段數(shù)量對比

3.3 安全監(jiān)測坐標(biāo)序列分析

為了分析GPS/BDS組合定位在大壩安全監(jiān)測中的應(yīng)用效果，計(jì)算所有監(jiān)測點(diǎn)在GPS/BDS組合定位連續(xù)準(zhǔn)靜態(tài)模式下的坐標(biāo)序列，限于篇幅，本文以S01監(jiān)測點(diǎn)在第60年積日的監(jiān)測數(shù)據(jù)作為研究對象，以1 s采樣間隔通過上文所述方法解算該點(diǎn)第1 h內(nèi)監(jiān)測的3600組位于壩軸坐標(biāo)系下的坐標(biāo)序列，只保留監(jiān)測點(diǎn)坐標(biāo)mm位的X、Y、H坐標(biāo)序列結(jié)果如圖6所示。分析圖6可知，與Y、H方向相比，監(jiān)測點(diǎn)X方向在初始階段的波動(dòng)幅度小，但經(jīng)過30 min的初始測量后，監(jiān)測點(diǎn)在X、Y、H三個(gè)方向均只存在mm級波動(dòng)，坐標(biāo)序列趨于穩(wěn)定。

圖6 監(jiān)測點(diǎn)第1 h內(nèi)的監(jiān)測坐標(biāo)序列

對S01監(jiān)測點(diǎn)第60年積日24 h觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行粗差剔除[14]與卡爾曼濾波[15]，如圖7所示為取單個(gè)小時(shí)數(shù)據(jù)均值作為1 h監(jiān)測結(jié)果的坐標(biāo)序列。分析圖7可知，監(jiān)測點(diǎn)在X、Y、H方向的1 h坐標(biāo)序列均在mm級范圍內(nèi)波動(dòng)，其中X方向最小值為-11.5 mm、最大值為-3.4 mm，最大互差優(yōu)于8.1 mm；Y方向最小值為-7.9 mm、最大值為5.3 mm，最大互差優(yōu)于13.2 mm；H方向最小值為-7.4 mm、最大值為4.7 mm，最大互差優(yōu)于12.1 mm。

圖7 S01監(jiān)測點(diǎn)1 h均值坐標(biāo)序列

為了探究基于GPS/BDS組合定位的大壩安全監(jiān)測穩(wěn)定性與時(shí)間的關(guān)系，計(jì)算S01監(jiān)測點(diǎn)第60年積日從第1 h到第24 h的均值，結(jié)果如圖8所示。分析圖8可知，基于GPS/BDS組合定位獲得的大壩安全監(jiān)測坐標(biāo)在初始時(shí)間內(nèi)會(huì)存在一定的波動(dòng)現(xiàn)象，但在達(dá)到2 h的穩(wěn)定監(jiān)測時(shí)長后便可獲得2 mm左右的點(diǎn)位精度，且組合定位精度隨著觀測時(shí)間的增長也在不斷提高，X方向監(jiān)測結(jié)果在從第1 h取至第4 h時(shí)的均值可以穩(wěn)定在1 mm，而Y方向和H方向則需從第1 h取至第10 h時(shí)的均值方可穩(wěn)定在1 mm。

圖8 S01監(jiān)測點(diǎn)由1至24 h內(nèi)的均值坐標(biāo)序列

3.4 GPS/BDS監(jiān)測靈敏度分析

為了研究GPS/BDS組合定位在大壩安全監(jiān)測中的靈敏度，設(shè)計(jì)了如圖9所示的帶有游標(biāo)卡尺的可移動(dòng)基座架，該基座架相當(dāng)于一個(gè)可移動(dòng)的觀測墩，通過將基座向某一方向滑動(dòng)特定的距離實(shí)現(xiàn)監(jiān)測點(diǎn)的變化。

圖9 可移動(dòng)基座架

將可移動(dòng)基座架安置在S01監(jiān)測點(diǎn)附近的巖體處，共進(jìn)行6次特定距離的基座架滑動(dòng)實(shí)驗(yàn)，滑動(dòng)基座架時(shí)通過游標(biāo)卡尺記錄其滑動(dòng)距離，分別為1.00、6.70、9.40、21.95、37.50和57.10 mm，滑動(dòng)時(shí)以1 s采樣間隔連續(xù)不斷的接收24 h數(shù)據(jù)，觀測結(jié)束后對單天24 h監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，取其均值作為滑動(dòng)特定距離后的(X，Y，H)坐標(biāo)值，然后計(jì)算初始未滑動(dòng)基座架時(shí)的監(jiān)測點(diǎn)坐標(biāo)與滑動(dòng)基座架特定距離后的監(jiān)測點(diǎn)坐標(biāo)的差值，進(jìn)而獲得距離變化量，其結(jié)果統(tǒng)計(jì)如表1所示。

表1 靈敏度測量統(tǒng)計(jì)結(jié)果

注：***代表監(jiān)測點(diǎn)坐標(biāo)的前3位數(shù)字，且前3位數(shù)字保持一致。

表1中的滑動(dòng)距離是指用游標(biāo)卡尺測量的可移動(dòng)基座架滑動(dòng)距離，實(shí)測變化量是指將可移動(dòng)基座架滑動(dòng)后測量的三維坐標(biāo)值與初始坐標(biāo)作差而得到的距離變化量。分析表1可知，除第6次試驗(yàn)外，其余試驗(yàn)的實(shí)測變化量與設(shè)計(jì)值的差值優(yōu)于1 mm，表明GPS/BDS組合定位在大壩安全監(jiān)測中具有很好的靈敏度，而對于第6次試驗(yàn)的差值1.30 mm，究其原因是當(dāng)天測量環(huán)境風(fēng)雨交加，在一定程度上對支架的穩(wěn)定性產(chǎn)生了影響。

為了探究基于GPS/BDS組合定位的大壩安全監(jiān)測靈敏度與時(shí)間的關(guān)系，以1 h作為間隔計(jì)算24 h內(nèi)的實(shí)測距離與滑動(dòng)距離，結(jié)果如圖10所示。

圖10 靈敏度測量統(tǒng)計(jì)結(jié)果

分析圖10可知，前7 h的監(jiān)測結(jié)果數(shù)據(jù)有所波動(dòng)，但與實(shí)際滑動(dòng)距離相比監(jiān)測結(jié)果仍可保持mm級精度，而第7 h后的實(shí)測距離和設(shè)計(jì)滑動(dòng)距離基本吻合，差異優(yōu)于1 mm。

4 結(jié) 論

本文以瑯琊山水電站實(shí)測動(dòng)態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)作為研究對象，驗(yàn)證了基于GPS/BDS組合定位的連續(xù)準(zhǔn)靜態(tài)模式在大壩安全監(jiān)測中的可行性和可靠性，主要研究結(jié)果如下：

(1)基于GPS/BDS組合定位的大壩安全監(jiān)測結(jié)合了GPS和BDS系統(tǒng)豐富的數(shù)據(jù)資源，改善了大壩天頂衛(wèi)星空間分布的幾何結(jié)構(gòu)。

(2)當(dāng)大壩處于復(fù)雜環(huán)境條件下，特別是當(dāng)衛(wèi)星信號受到嚴(yán)重影響時(shí)，基于GPS/BDS組合定位進(jìn)行大壩安全監(jiān)測與單系統(tǒng)相比具有明顯的優(yōu)勢，能實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確獲取高精度大壩監(jiān)測點(diǎn)三維空間位置信息。

(3)基于GPS/BDS組合定位獲取的大壩監(jiān)測點(diǎn)坐標(biāo)序列存在規(guī)律性的波動(dòng)，通過一段時(shí)間的初始測量可獲得mm級的穩(wěn)定監(jiān)測數(shù)據(jù)。此外，通過對監(jiān)測坐標(biāo)序列進(jìn)行均值處理，X方向在4 h后可收斂至1 mm，Y方向和H方向在10 h后可收斂至1 mm。

(4)通過設(shè)計(jì)的可移動(dòng)基座架探究了GPS/BDS組合定位在大壩安全監(jiān)測中的靈敏度，試驗(yàn)結(jié)果表明基于GPS/BDS組合定位的大壩安全監(jiān)測靈敏度可達(dá)到mm級，當(dāng)在連續(xù)準(zhǔn)靜態(tài)模式下觀測7小時(shí)后其靈敏度優(yōu)于1 mm，因此基于GPS/BDS系統(tǒng)的大壩安全監(jiān)測應(yīng)以7 h作為控制。

以上研究成果驗(yàn)證了GPS/BDS組合定位在連續(xù)準(zhǔn)靜態(tài)模式下通過一段初始測量后可以實(shí)時(shí)獲取穩(wěn)定的大壩監(jiān)測數(shù)據(jù)，滿足大壩變形mm級的監(jiān)測要求，且能如實(shí)反映大壩監(jiān)測點(diǎn)的變形情況，具有很強(qiáng)的推廣應(yīng)用價(jià)值。

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