(1.天津大學(xué) 建筑工程學(xué)院，天津 300072； 2.天津市陸海測(cè)繪有限公司，天津 300304)

海洋石油平臺(tái)一般遠(yuǎn)離陸岸，對(duì)其進(jìn)行高精度的、長(zhǎng)期連續(xù)、無(wú)人值守的沉降監(jiān)測(cè)具有一定的難度。目前已有學(xué)者將GNSS-RTK應(yīng)用于超高層建筑、橋梁、滑坡、采礦等工程變形監(jiān)測(cè)中[1-5]。靜力水準(zhǔn)測(cè)量是利用互相連通的靜止?fàn)顟B(tài)的液體表面在重力作用下高程相等的原理進(jìn)行高程傳遞，從而測(cè)量出2點(diǎn)或多點(diǎn)之間的高差，或同一點(diǎn)2時(shí)刻的高程變化(垂直位移)。也有學(xué)者將靜力水準(zhǔn)測(cè)量應(yīng)用于高鐵、地鐵隧道、高能粒子加速器、地球固體潮等精密工程沉降監(jiān)測(cè)中[6-9]。但少見(jiàn)應(yīng)用于海洋石油平臺(tái)沉降監(jiān)測(cè)的報(bào)道。為了分析GNSS-RTK和靜力水準(zhǔn)測(cè)量應(yīng)用于海洋石油平臺(tái)的沉降監(jiān)測(cè)的適用性及優(yōu)缺點(diǎn)，以勝利油田埕島中心一號(hào)平臺(tái)沉降監(jiān)測(cè)為例，通過(guò)對(duì)試驗(yàn)獲取的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，掌握海洋石油平臺(tái)沉降的變化規(guī)律；對(duì)GNSS-RTK和靜力水準(zhǔn)的測(cè)量精度進(jìn)行驗(yàn)證。

1 海洋石油平臺(tái)沉降監(jiān)測(cè)方法

1.1 GNSS-RTK測(cè)量原理

地面點(diǎn)上的用戶接收機(jī)接收天空中GNSS系統(tǒng)多顆(4顆以上)衛(wèi)星信號(hào)及該信號(hào)發(fā)射的時(shí)刻，因?yàn)樾l(wèi)星信號(hào)(電磁波)的傳播速度是已知的，從而可計(jì)算出各衛(wèi)星與地面點(diǎn)的距離值，并根據(jù)同時(shí)接收到的各衛(wèi)星實(shí)時(shí)已知的位置信息，解算出地面點(diǎn)的位置坐標(biāo)。在解算過(guò)程中，由于受到衛(wèi)星軌道誤差、衛(wèi)星時(shí)鐘誤差、電離層延遲誤差、對(duì)流層誤差、多路徑效應(yīng)誤差及接收機(jī)時(shí)鐘誤差等因素的影響，解算出的地面點(diǎn)坐標(biāo)有一定的誤差。為了消除或減弱這一誤差，一般采用GNSS-RTK差分定位測(cè)量，即同時(shí)采用2臺(tái)GNSS接收機(jī)工作，1臺(tái)安置在地面一已知坐標(biāo)的基準(zhǔn)點(diǎn)上，通過(guò)該點(diǎn)測(cè)得的坐標(biāo)與已知的坐標(biāo)比較，得到以該基準(zhǔn)點(diǎn)為中心的一定范圍(10 km)的測(cè)區(qū)內(nèi)大小基本相同的公共誤差值；然后將公共誤差值通過(guò)電臺(tái)實(shí)時(shí)傳輸?shù)綔y(cè)區(qū)內(nèi)的另1臺(tái)接收機(jī)，另1臺(tái)接收機(jī)安置在所需監(jiān)測(cè)的測(cè)點(diǎn)上，消除所測(cè)得的測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)中所含相同的公共誤差，從而獲得該點(diǎn)精確的坐標(biāo)值，其定位測(cè)量精度通常能達(dá)到±(2～3)cm。

1.2 靜力水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成及工作原理

靜力水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成見(jiàn)圖1。

圖1 靜力水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成及工作原理

在海洋石油平臺(tái)的各監(jiān)測(cè)點(diǎn)處安置靜力水準(zhǔn)器，各水準(zhǔn)器的儲(chǔ)液容器相互之間采用連通管相連(儲(chǔ)液容器和連通管內(nèi)裝有防凍液)。各儲(chǔ)液容器中的液體在地球重力的作用下，液面永遠(yuǎn)保持同一高度。當(dāng)平臺(tái)某監(jiān)測(cè)點(diǎn)下沉或上升時(shí)，則此處水準(zhǔn)器的液面高度會(huì)產(chǎn)生變化(液面上升或下降)，同時(shí)其他各監(jiān)測(cè)點(diǎn)處水準(zhǔn)器的液面高度也會(huì)隨之有所變化(液面下降或上升)。電磁位移傳感器安裝在各水準(zhǔn)器的上端，傳感器能實(shí)時(shí)精確地探測(cè)到各水準(zhǔn)器液面高度的變化值，各傳感器與同一巡檢儀相連，并通過(guò)巡檢儀將探測(cè)到的液面高度變化值信息傳輸給計(jì)算機(jī)；計(jì)算機(jī)在記錄、處理、存儲(chǔ)監(jiān)測(cè)信息的同時(shí)，還可以采用GPRS模塊通過(guò)GSM無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)將監(jiān)測(cè)信息發(fā)送至陸地的監(jiān)控中心。

2 試驗(yàn)分析

2.1 工程背景

勝利油田埕島中心一號(hào)平臺(tái)位于山東省東營(yíng)市海域，離岸約7.8 km，平臺(tái)結(jié)構(gòu)分布見(jiàn)圖2。其中，生產(chǎn)平臺(tái)主體結(jié)構(gòu)長(zhǎng)50 m、寬20 m，有4條樁腿，每條樁腿的總長(zhǎng)度48 m，入泥深度約11 m，因長(zhǎng)期受潮汐海流水平推力、海底沖刷和風(fēng)荷載影響，導(dǎo)致生產(chǎn)平臺(tái)的樁腿側(cè)摩阻力下降，樁腿入泥深度的最佳持力層改變。試驗(yàn)同時(shí)采用GNSS-RTK和靜力水準(zhǔn)測(cè)量的方法監(jiān)測(cè)生產(chǎn)平臺(tái)的沉降。

圖2 埕島中心一號(hào)平臺(tái)結(jié)構(gòu)分布

2.2 儀器選用與測(cè)點(diǎn)布設(shè)

試驗(yàn)對(duì)生產(chǎn)平臺(tái)的4條樁腿的沉降進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)儀器采用HC-R100磁致伸縮式靜力水準(zhǔn)儀，其量程為100 mm，標(biāo)稱精度為±0.1 mm，采樣周期為0.5 h/次。根據(jù)業(yè)主提供的資料數(shù)據(jù)得知，與生產(chǎn)平臺(tái)相鄰的井口平臺(tái)的樁腿入土深度為100 m，相對(duì)比較穩(wěn)定。因此，測(cè)量的基準(zhǔn)站選設(shè)在井口平臺(tái)的樁腿上。生產(chǎn)平臺(tái)的4條樁腿的監(jiān)測(cè)點(diǎn)分別選設(shè)在平臺(tái)上各樁腿的固樁室內(nèi)，提前加工靜力水準(zhǔn)儀的L形安裝支架，先將安裝支架固定在固樁室內(nèi)的樁腿上，再將儀器固定在支架上，采用連通管將各靜力水準(zhǔn)儀的儲(chǔ)液容器串連,見(jiàn)圖3。

圖3 靜力水準(zhǔn)儀安裝示意

安裝時(shí)，每個(gè)儲(chǔ)液容器要置于標(biāo)高大致相同的位置，最大高差不超過(guò)2 cm，各儲(chǔ)液容器頂部的磁位移傳感器的數(shù)據(jù)采集電源線并連至同一巡檢儀，巡檢儀與計(jì)算機(jī)相連。

GNSS-RTK試驗(yàn)只對(duì)生產(chǎn)平臺(tái)1號(hào)和3號(hào)樁腿的沉降進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)儀器采用海星達(dá)H32全能型雙頻接收機(jī)，該儀器能同時(shí)接收來(lái)自GPS、GLONASS、BDS三星系的衛(wèi)星信號(hào)，采樣頻率為1 Hz，其標(biāo)稱精度為：平面±(10 mm+10-6)，高程±(20 mm+10-6)。本次GNSS-RTK試驗(yàn)的基準(zhǔn)站選設(shè)在離生產(chǎn)平臺(tái)約8 km的陸岸，監(jiān)測(cè)點(diǎn)分別選設(shè)在1號(hào)樁腿和3號(hào)樁腿的頂部。

2.3 數(shù)據(jù)采集及處理分析

試驗(yàn)連續(xù)監(jiān)測(cè)24 h，期間海上西南風(fēng)3～4級(jí)，浪高約2 m。各樁腿采用靜力水準(zhǔn)測(cè)量方法測(cè)得的沉降曲線見(jiàn)圖4，1號(hào)樁腿和3號(hào)樁腿采用GNSS-RTK 測(cè)得的高程變化曲線分別見(jiàn)圖5、6。

圖4 各樁腿靜力水準(zhǔn)測(cè)量測(cè)得的沉降變化

由圖4可見(jiàn)，4條樁腿在24 h內(nèi)的沉降變化范圍約為-6～+6 mm，而且每條樁腿的沉降和上升都存在反復(fù)、可逆現(xiàn)象，從曲線的首尾兩端來(lái)看，在24 h之后，各自又都基本回到原有狀態(tài)。

分析認(rèn)為，樁腿的下端深深插入海底，上端為自由端，海水每天兩次的漲潮落潮產(chǎn)生強(qiáng)大的海流，海流對(duì)各樁腿會(huì)產(chǎn)生巨大的水平推力，樁腿在海流水平推力的作用下，類似一個(gè)懸臂，處于懸臂自由端的上端必然會(huì)產(chǎn)生一個(gè)水平位移，水平位移導(dǎo)致樁腿發(fā)生微小的傾斜，傾斜后樁腿頂部的垂直高度變矮，這樣，位于樁頂?shù)撵o力水準(zhǔn)儀的監(jiān)測(cè)結(jié)果必然會(huì)顯示樁腿“下沉”。海水每天周期性漲落，但海流的方向和大小是隨機(jī)變化、不規(guī)則的。因此，就出現(xiàn)了上述各樁頂沉降和上升的大致周期性的反復(fù)可逆現(xiàn)象。

由圖4還可以看出，1號(hào)和4號(hào)樁腿的沉降與2號(hào)和3號(hào)樁腿的沉降，在大多數(shù)時(shí)間段都是下沉與上升恰好對(duì)稱相反，且在部分時(shí)段出現(xiàn)升沉交點(diǎn)，這4條沉降曲線在任何同一時(shí)刻的算術(shù)平均值都基本在0～±2 mm范圍內(nèi)。這4個(gè)樁腿上的靜力水準(zhǔn)儀的儲(chǔ)液容器是相互連通的，因此他們也是相互影響的，即一個(gè)液面的上升，必然會(huì)導(dǎo)致其他液面會(huì)有所下降，從圖2可見(jiàn)，1號(hào)樁腿和4號(hào)樁腿相距較近，圖4顯示出他們的液面升降大致相同；2號(hào)樁腿和3號(hào)樁腿相距較近，他們的液面升降也大致相同。從上述分析可知，靜力水準(zhǔn)測(cè)量可以監(jiān)測(cè)海洋石油平臺(tái)毫米級(jí)的沉降量；各樁腿在本次試驗(yàn)監(jiān)測(cè)的24 h里，基本不存在永久性的、不可逆的真實(shí)沉降。

圖5 1號(hào)樁腿 GNSS-RTK 測(cè)得的高程變化

圖6 3號(hào)樁腿 GNSS-RTK 測(cè)得的高程變化

由圖5和圖6可見(jiàn)，1號(hào)和3號(hào)樁腿24 h測(cè)得的高程基本上分別以高程值18.43 m和19.12 m為平衡點(diǎn)上下波動(dòng)(測(cè)點(diǎn)在兩樁腿所設(shè)位置的高度有所不一樣)。盡管波動(dòng)既有上升，也有下沉，但從整體上看，圖5、6中的曲線無(wú)長(zhǎng)期向上或向下的變化趨勢(shì)，這說(shuō)明兩樁腿不存在永久性的不可逆沉降。

另外，如果忽略個(gè)別孤立的“極值”點(diǎn)，1號(hào)樁腿和3號(hào)樁腿高程的最大波動(dòng)范圍分別為18.34～18.52 m，19.06 ～19.18 m。即他們的波動(dòng)幅度分別為±9 cm和±6 cm。GNSS-RTK監(jiān)測(cè)儀器采用的是海星達(dá)H32全能型雙頻接收機(jī)，該儀器測(cè)高程的標(biāo)稱精度為：±(20 mm+10-6)。陸岸的基準(zhǔn)站距離1號(hào)和3號(hào)樁腿約8 km。因此，測(cè)量誤差應(yīng)該約為±28 mm。從上述2樁腿測(cè)得的高程波動(dòng)幅度來(lái)看，GNSS-RTK在海上的測(cè)量誤差比通常在陸域的測(cè)量誤差要大一些，這可能是因?yàn)楹Ｃ鎸?duì)于衛(wèi)星信號(hào)會(huì)產(chǎn)生更大的多路徑效應(yīng)誤差。這樣大的波動(dòng)幅度同時(shí)也表明，如果對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)不采取濾波去噪的措施，或不改進(jìn)儀器性能、提高儀器測(cè)量精度，GNSS-RTK目前尚不適合海洋石油平臺(tái)厘米級(jí)或更小的沉降量監(jiān)測(cè)。

3 結(jié)論

1)海水每天漲潮落潮產(chǎn)生的海流對(duì)海洋石油平臺(tái)各樁腿產(chǎn)生巨大的水平推力，類似于懸臂的樁腿上端(自由端)必然會(huì)產(chǎn)生水平位移，水平位移導(dǎo)致樁腿發(fā)生微小的傾斜，傾斜使得位于樁頂?shù)钠脚_(tái)的高程降低，從而出現(xiàn)微小的“沉降”，但海水每天漲潮落潮呈周期規(guī)律，因此這種“沉降”是周期性的、反復(fù)可逆的。

2)理論上，GNSS-RTK和靜力水準(zhǔn)測(cè)量都可用于海洋石油平臺(tái)的沉降監(jiān)測(cè)，但從試驗(yàn)精度上看，靜力水準(zhǔn)測(cè)量適用于毫米級(jí)的沉降量監(jiān)測(cè)；而GNSS-RTK可能因海面產(chǎn)生更大的多路徑效應(yīng)誤差，目前尚不適合海洋石油平臺(tái)厘米級(jí)或更小的沉降量監(jiān)測(cè)，其儀器性能或監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的處理方法有待提高或改進(jìn)。

3)如果靜力水準(zhǔn)測(cè)量在平臺(tái)范圍內(nèi)無(wú)穩(wěn)定的基準(zhǔn)點(diǎn)可選設(shè)，則無(wú)法監(jiān)測(cè)到海洋石油平臺(tái)的整體絕對(duì)沉降。在這種情況下，靜力水準(zhǔn)測(cè)量只適用于海洋石油平臺(tái)各樁腿的相對(duì)沉降監(jiān)測(cè)。對(duì)于海洋石油平臺(tái)整體的絕對(duì)沉降，目前只能采用GNSS-RTK的方法監(jiān)測(cè)，因此，進(jìn)一步提高GNSS-RTK的監(jiān)測(cè)精度具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

4)GNSS-RTK的監(jiān)測(cè)點(diǎn)之間互不影響，但為了確保基準(zhǔn)點(diǎn)的穩(wěn)定，用于海洋石油平臺(tái)沉降監(jiān)測(cè)的GNSS-RTK的基準(zhǔn)站需選設(shè)在陸岸。另外，GNSS-RTK目前只適用于離岸不超過(guò)10 km的海洋石油平臺(tái)的沉降監(jiān)測(cè)；對(duì)于離岸超過(guò)10 km的海洋石油平臺(tái)的沉降，需進(jìn)一步研究采用GNSS的星基差分方式進(jìn)行監(jiān)測(cè)。