阮煥江

（長江水利委員會長江科學(xué)院重慶分院，中國 重慶 400026）

0 引言

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國自主建設(shè)運行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。該系統(tǒng)于20世紀(jì)后期開始建設(shè)，2020年基本建成，目前已在測繪、電信、水利、漁業(yè)、交通運輸、森林防火、減災(zāi)救災(zāi)和公共安全等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。安全監(jiān)測是大壩管理的耳目，是判斷水庫能否安全運作、充分發(fā)揮效益的必要手段。本文試以宋農(nóng)水電站為典型案例，探討北斗GNSS在壩體表面變形監(jiān)測中的應(yīng)用。

1 工程概況

宋農(nóng)水電站位于重慶市秀山縣宋農(nóng)鎮(zhèn)梅江河干流雙溶灘峽谷區(qū)，是梅江河干流上規(guī)劃的第十一梯級電站，上游為熱水塘電站，下游為三角灘電站。該電站是一座以發(fā)電為主的水利樞紐工程，主要由攔河壩（溢流與非溢流）、引水道、電站廠房、沖沙孔及排沙廊道等構(gòu)成。攔河壩壩頂長為214.50m，分13個壩段，壩頂高程為290.40m，寬為5～14m，最大壩高為27.40m，最大壩基寬為24.00m，溢流壩設(shè)在河床中部和左岸。電站主廠房布置在河床右側(cè)，為壩后式，尺寸為43.47m×14m×2864m（長×寬×高），裝機3臺，總?cè)萘繛?2MW，多年平均發(fā)電量為0.58 億kW·h，副廠房布置在主廠房與右岸坡之間。壩址以上流域集雨面積為2752km2，水庫總庫容為2674萬m3，正常蓄水位為288.20m，50年一遇設(shè)計洪水位為288.23m，500年一遇校核洪水位為290.22m。

根據(jù) 《水利水電工程等級劃分洪水標(biāo)準(zhǔn)》（SL252-2017）的規(guī)定，本工程為Ⅲ等中型工程，由擋水建筑物、泄水建筑物、沖沙孔、引水系統(tǒng)和廠房等建筑物組成，主要建筑物為3級，次要建筑物為4級，臨時建筑物級別為5級。

2 北斗GNSS的組成、優(yōu)勢及工作原理

2.1 北斗GNSS的組成

目前，北斗GNSS在線監(jiān)測系統(tǒng)主要由傳感器系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理與分析系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)4部分組成［1］。傳感器系統(tǒng)主要由布置在穩(wěn)定基巖的基準(zhǔn)點和發(fā)生變形部位的測點上的扼流圈天線及GNSS接收機組成。數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)主要由布置在基準(zhǔn)點和測點機柜里面的GPRS無線通訊模塊構(gòu)成。數(shù)據(jù)處理與分析系統(tǒng)主要由布置在監(jiān)控中心計算機里的GAMIT／GLOBK程序構(gòu)成。輔助系統(tǒng)主要由布置在基準(zhǔn)點和測點處的供電系統(tǒng)和避雷系統(tǒng)等組成。

2.2 GNSS的優(yōu)勢

相較于傳統(tǒng)的水準(zhǔn)測量法測垂直位移、視準(zhǔn)線法測水平位移等表面變形測量手段，北斗GNSS在線監(jiān)測具有以下優(yōu)勢［2］：（1）各測點之間無需滿足通視條件；（2）可同時測出三維位移；（3）不受氣候等外界條件影響，可實現(xiàn)全天候觀測；（4）可反映大壩整體變形情況；（5）可實現(xiàn)自動化監(jiān)測。

2.3 GNSS的工作原理

利用GNSS進行定位，就是將衛(wèi)星視為“動態(tài)”的控制點，在已知其瞬時坐標(biāo)（可根據(jù)衛(wèi)星軌道參數(shù)計算）的條件下，以衛(wèi)星和用戶接收機天線之間的距離（或距離差）為觀測量，進行空間距離后方交會，從而確定用戶接收機天線所處的位置，其計算原理如式（1）所示［3］。

式中：i為衛(wèi)星的索引號，i=1，2，3，4，…，n；Pi為各點到第i顆衛(wèi)星的偽距；xisv、yisv、zisv為第i顆衛(wèi)星的位置；δtue為用戶鐘差；xue、yue、zue為用戶的位置。

3 GNSS點布設(shè)及參考坐標(biāo)選擇

3.1 GNSS點布設(shè)原則

3.1.1 基準(zhǔn)點布設(shè)原則

根據(jù)《全球定位系統(tǒng)（GPS）測量規(guī)范》（GB／T18314-2009）的要求，GNSS基準(zhǔn)點布設(shè)應(yīng)遵循以下原則［4］：（1）場地穩(wěn)固，年平均下沉和位移應(yīng)小于3 mm；（2）視野開闊，視場內(nèi)障礙物的高度不宜超過15°；（3）遠(yuǎn)離大功率無線電發(fā)射源（如電視臺、電臺、微波站等），其距離不得小于200m，遠(yuǎn)離高壓輸電線和微波無線電傳送通道，其距離不得小于50m；（4）盡量靠近數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)；（5）觀測標(biāo)志應(yīng)遠(yuǎn)離震動源。

3.1.2 監(jiān)測點布設(shè)原則

根據(jù)《混凝土壩安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》（SL601-2013）要求，GNSS監(jiān)測點布設(shè)應(yīng)遵循以下原則［5］：（1）避開高大的建筑物；（2）選擇能夠代表水庫大壩位移變形的部位。

3.2 GNSS點的布設(shè)

3.2.1 基準(zhǔn)點布設(shè)

依據(jù)現(xiàn)場環(huán)境情況初步篩查后，廠區(qū)大門指示牌處及廠區(qū)舊宿舍附近都具備布設(shè)基準(zhǔn)點的條件，利用GNSS便攜移動站進行現(xiàn)場實測，實測結(jié)果如表1所示。

表1 基準(zhǔn)點衛(wèi)星數(shù)統(tǒng)計表Tab.1Statistic of base-point satellites

綜合考慮工況環(huán)境、設(shè)備安防及衛(wèi)星質(zhì)量，實測結(jié)果顯示，廠區(qū)舊宿舍附近衛(wèi)星數(shù)量最多且位置精度因子（PDOP）值最優(yōu)，所以選定在電站舊宿舍附近設(shè)置基準(zhǔn)點，編號為LS1。

3.2.2 監(jiān)測點布設(shè)

根據(jù)宋農(nóng)水電站安全監(jiān)測壩體表面變形監(jiān)測需要，初步確定在壩頂布設(shè)4個監(jiān)測點，利用GNSS便攜移動站進行現(xiàn)場實測，結(jié)果如表2所示。

表2 監(jiān)測點衛(wèi)星數(shù)統(tǒng)計表Tab.2Statistic of monitoring-point satellites

由表2可以看出，4個監(jiān)測點衛(wèi)星數(shù)量、位置精度因子（PDOP）值都滿足布點要求，因此，最終確定在2＃閘門與3＃閘門中間壩頂、5＃閘門與6＃閘門中間壩頂、廠房導(dǎo)墻頂、廠房壩段壩頂分別設(shè)置監(jiān)測點，編號為BM1、BM2、BM3、BM4。

3.3 GNSS參考坐標(biāo)

本項目各監(jiān)測點的參考坐標(biāo)為初始運行期間積累的觀測值經(jīng)精密后處理后得到的平均值，其精度約為±1mm。

4 GNSS監(jiān)測精度評估

4.1 GNSS監(jiān)測精度評估方法

監(jiān)測精度評估分為內(nèi)符合精度和外符合精度兩種，本文主要進行內(nèi)符合精度評估，具體操作步驟為：（1）計算監(jiān)測點每天的解算結(jié)果，將其轉(zhuǎn)換成北東高本地坐標(biāo)下，并計算其與參考值的差值；（2）統(tǒng)計評估時段內(nèi)南北、東西、高程方向分量差值的RMS值（σ）；（3）按式（2）和式（3）計算平面精度和高程精度。

式中：H為平面精度；V為高程精度；σE為南北方向差值的RMS值；σN為東西方向差值的RMS值；σU為高程方向差值的RMS值。

4.2 監(jiān)測精度評估

本項目共4個監(jiān)測點，分別為BM1～BM4。經(jīng)安裝調(diào)試，北斗變形監(jiān)測系統(tǒng)已于2020年12月5日正式運行。本文分析整理2020年12月5日～13日共8d的觀測數(shù)據(jù)，經(jīng)精細(xì)處理，得到各個監(jiān)測點8 h解算周期的位移監(jiān)測成果（如表3所示）。

表3所示的統(tǒng)計結(jié)果高程RMS略比平面差，主要是計算的初始值存在系統(tǒng)性偏差。圖1為各測點變形監(jiān)測時間序列。由圖1可知，平面和高程的標(biāo)準(zhǔn)差均優(yōu)于0.2mm。

表38 h監(jiān)測精度表Tab.3Monitoring accuracy of8h

圖1 測點變形監(jiān)測時間序列圖Fig.1 Time series diagram of deformation monitoring of measuring-point

綜上所述，本次實測的8h時段北斗數(shù)據(jù)解算精度平面優(yōu)于1mm，高程優(yōu)于2mm。

5 結(jié)語

北斗GNSS在宋農(nóng)水電站安全監(jiān)測壩體表面變形監(jiān)測中的應(yīng)用表明，北斗GNSS接收衛(wèi)星數(shù)量較以前GPS、GNSS有大幅度的提升，精度也有明顯提高，表面變形監(jiān)測可以達到mm級精度，能夠滿足大壩監(jiān)測的需要，并且它還可以實現(xiàn)全天候自動化監(jiān)測。隨著北斗系統(tǒng)的不斷完善，使用成本的不斷降低，北斗GNSS在水庫大壩安全監(jiān)測中將發(fā)揮更加重要的作用。