阮煥江

（長(zhǎng)江水利委員會(huì)長(zhǎng)江科學(xué)院重慶分院，中國(guó) 重慶 400026）

0 引言

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國(guó)自主建設(shè)運(yùn)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(kāi)始建設(shè)，2020年基本建成，目前已在測(cè)繪、電信、水利、漁業(yè)、交通運(yùn)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(cè)是大壩管理的耳目，是判斷水庫(kù)能否安全運(yùn)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(cè)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(jí)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(zhǎng)為214.50m，分13個(gè)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(zhǎng)×寬×高），裝機(jī)3臺(tái)，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(kù)總庫(kù)容為2674萬(wàn)m3，正常蓄水位為288.20m，50年一遇設(shè)計(jì)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(jí)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(jí)，次要建筑物為4級(jí)，臨時(shí)建筑物級(jí)別為5級(jí)。

2 北斗GNSS的組成、優(yōu)勢(shì)及工作原理

2.1 北斗GNSS的組成

目前，北斗GNSS在線監(jiān)測(cè)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(diǎn)和發(fā)生變形部位的測(cè)點(diǎn)上的扼流圈天線及GNSS接收機(jī)組成。數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)主要由布置在基準(zhǔn)點(diǎn)和測(cè)點(diǎn)機(jī)柜里面的GPRS無(wú)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(jì)算機(jī)里的GAMIT／GLOBK程序構(gòu)成。輔助系統(tǒng)主要由布置在基準(zhǔn)點(diǎn)和測(cè)點(diǎn)處的供電系統(tǒng)和避雷系統(tǒng)等組成。

2.2 GNSS的優(yōu)勢(shì)

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

2.3 GNSS的工作原理

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

式中：i為衛(wèi)星的索引號(hào)，i=1，2，3，4，…，n；Pi為各點(diǎn)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(diǎn)布設(shè)及參考坐標(biāo)選擇

3.1 GNSS點(diǎn)布設(shè)原則

3.1.1 基準(zhǔn)點(diǎn)布設(shè)原則

根據(jù)《全球定位系統(tǒng)（GPS）測(cè)量規(guī)范》（GB／T18314-2009）的要求，GNSS基準(zhǔn)點(diǎn)布設(shè)應(yīng)遵循以下原則［4］：（1）場(chǎng)地穩(wěn)固，年平均下沉和位移應(yīng)小于3 mm；（2）視野開(kāi)闊，視場(chǎng)內(nèi)障礙物的高度不宜超過(guò)15°；（3）遠(yuǎn)離大功率無(wú)線電發(fā)射源（如電視臺(tái)、電臺(tái)、微波站等），其距離不得小于200m，遠(yuǎn)離高壓輸電線和微波無(wú)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(cè)標(biāo)志應(yīng)遠(yuǎn)離震動(dòng)源。

3.1.2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)原則

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

3.2 GNSS點(diǎn)的布設(shè)

3.2.1 基準(zhǔn)點(diǎn)布設(shè)

依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)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(diǎn)的條件，利用GNSS便攜移動(dòng)站進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，實(shí)測(cè)結(jié)果如表1所示。

表1 基準(zhǔn)點(diǎn)衛(wèi)星數(shù)統(tǒng)計(jì)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(shí)測(cè)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(diǎn)，編號(hào)為L(zhǎng)S1。

3.2.2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)

根據(jù)宋農(nóng)水電站安全監(jiān)測(cè)壩體表面變形監(jiān)測(cè)需要，初步確定在壩頂布設(shè)4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，利用GNSS便攜移動(dòng)站進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，結(jié)果如表2所示。

表2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)衛(wèi)星數(shù)統(tǒng)計(jì)表Tab.2Statistic of monitoring-point satellites

由表2可以看出，4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)衛(wèi)星數(shù)量、位置精度因子（PDOP）值都滿足布點(diǎn)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(cè)點(diǎn)，編號(hào)為BM1、BM2、BM3、BM4。

3.3 GNSS參考坐標(biāo)

本項(xiàng)目各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的參考坐標(biāo)為初始運(yùn)行期間積累的觀測(cè)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(cè)精度評(píng)估

4.1 GNSS監(jiān)測(cè)精度評(píng)估方法

監(jiān)測(cè)精度評(píng)估分為內(nèi)符合精度和外符合精度兩種，本文主要進(jìn)行內(nèi)符合精度評(píng)估，具體操作步驟為：（1）計(jì)算監(jiān)測(cè)點(diǎn)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(jì)算其與參考值的差值；（2）統(tǒng)計(jì)評(píng)估時(shí)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(jì)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(cè)精度評(píng)估

本項(xiàng)目共4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，分別為BM1～BM4。經(jīng)安裝調(diào)試，北斗變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已于2020年12月5日正式運(yùn)行。本文分析整理2020年12月5日～13日共8d的觀測(cè)數(shù)據(jù)，經(jīng)精細(xì)處理，得到各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)8 h解算周期的位移監(jiān)測(cè)成果（如表3所示）。

表3所示的統(tǒng)計(jì)結(jié)果高程RMS略比平面差，主要是計(jì)算的初始值存在系統(tǒng)性偏差。圖1為各測(cè)點(diǎn)變形監(jiān)測(cè)時(shí)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(cè)精度表Tab.3Monitoring accuracy of8h

圖1 測(cè)點(diǎn)變形監(jiān)測(cè)時(shí)間序列圖Fig.1 Time series diagram of deformation monitoring of measuring-point

綜上所述，本次實(shí)測(cè)的8h時(shí)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(yǔ)

北斗GNSS在宋農(nóng)水電站安全監(jiān)測(cè)壩體表面變形監(jiān)測(cè)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(cè)可以達(dá)到mm級(jí)精度，能夠滿足大壩監(jiān)測(cè)的需要，并且它還可以實(shí)現(xiàn)全天候自動(dòng)化監(jiān)測(cè)。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(kù)大壩安全監(jiān)測(cè)中將發(fā)揮更加重要的作用。