最新大坝GPS表面位移观测方案.docx

最新大坝GPS表面位移观测方案.docx

《最新大坝GPS表面位移观测方案.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《最新大坝GPS表面位移观测方案.docx（13页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

最新大坝GPS表面位移观测方案

大坝GPS表面位移观测方案

1工程概况

参考本大坝监测设计资料

2编写依据

（1）《工程测量规范》GB50026-2007

（2）《全球定位系统（GPS）测量规范》GB/T18314-2009

（3）《精密工程测量规范》GB/T153-94

（4）《国家三角测量规范》GB/T17942-2000

（5）《测绘技术总结编写规定》CH/T1001-2005

（6）《本大坝安全监测设计方案》

（7）《混凝土大坝安全监测技术规范》SDJ336-89

3传统表面变形监测方案及精度估算

3.1传统表面变形监测方案

目前大坝常规的监测方法是将水平位移和垂直位移分开观测

水平位移监测

  水平位移监测有如下几种方法：

引张线法，视准线法，激光准直法，正/倒垂线法，前方交会法和精密导线法等。

引张线法

 该法采用一条不锈钢钢丝（直径0.6~1.2mm）在两端点处施加张力，使其在水平面的投影为直线从而测出被测点相对于该直线的偏距。

引张线法的特点是：

受外界影响小，应用普遍。

其测量精度主要取决于读数精度，人工读数精度为±0.2mm~±0.3mm，自动读数精度优于±0.1mm。

但引张线的两端一般要设有正倒垂线，以提供测量的基准，客观上增加了系统的成本。

视准线法

 视准线法用于测量直线型大坝的水平位移，对于非直线型大坝，可采用分段视准线的方法施测。

   视准线法又可分为活动砚牌法和测小角法。

测小角法精度优于活动砚牌法。

视准线法的特点是：

工程造价低，精度低，不易实现全自动观测，受外界条件的影响比较大，而且变形值不能超出系统的最大偏距值。

激光准直法

激光准直法利用激光的单色性好和方向性强的特点，建立起一条物理的视准线作为测量基准，根据测量原理的不同可分为直接准直和衍射法准直，后者精度高于前者。

对于衍射法准直，根据其传播介质不同，主要有2种方式：

大气激光准直和真空激光准直。

a大气激光准直

大气激光准直让激光直接在大气中传播，应用对象是坝长小于300m`坝高较低的大坝，如泉水双曲薄拱坝（坝长109m），测量相对精度为10`5—10`6。

大气激光准直由于受大气折射及喘流的影响而引起光束的抖动，测量精度低且不易实现自动化观测。

最新发展是采用CCD技术，消除了光斑随机抖动的难题，实现了自动化监测，测量精度达+/-0.1mm，在南桠河闸坝顶及陕西韩城电厂等工程中有着成功的应用。

b真空激光准直

真空激光准直将波带板激光准直系统置于一个真空管道中，减少了光束的折射和抖动的误差，综合精度高达1*10`7—2*10`7。

与引张线法相当，主要用于长坝`高坝的变形观测，已成功应用于太平哨`丰满`龚且`云峰`桓仁`宝珠寺等工程。

激光准直法的发展方向是双向位移观测（垂直位移和上下游水平位移），在两端点处安装倒垂线作为水平位移的基准点，安装双金属标作为顺治位移的基准以实现双向位移观测。

正倒垂线法

正倒垂线既可以实现水平位移监测，又可以实现土坝的挠度观测。

正垂线是一端固定于坝顶附近，另一端悬挂重锤，以便观测坝体各点间及坝体相对于坝基的位移观测，以及坝体的挠度观测。

倒垂线是一端埋设在大坝基础深层基岩处，另一端浮起，来测定大坝的绝对位移。

新近研制的垂线观测仪采用线阵CCD传感器实现自动读数，在X，Y方向上的坐标精度优于±0.1mm。

前方交会法

对于拱坝的拱冠或下游面等观测效率比较低或观测位置不易到达的点位进行观测时，可以用角度前方交会法测定其水平位移。

前方交会的误差源有：

测角误差，交会角及图形结构基线长度外界条件的变化等因素。

其实际精度一般为±1mm--±3mm，精度较低，另外其测量和计算过程复杂，因此不单独使用，而是作为备用手段或配合其他方法使用。

精密导线法

 精密导线作为监测拱坝水平位移的方法，应用比较广泛，但量边工作量大，测角的旁折光影响大。

为克服这些问题，宜布设成类似于高能物理加速器工程中的测高直伸环形网，通过测量狭长三角形的边长和高的途径来间接提高测角精度。

从而避免旁折光的影响。

该法的精度取决于量边精度，如果用铟瓦尺量边，精度完全可以达到亚毫米级。

但观测方法繁琐，计算复杂，误差逐点累加，可靠性差，工作效率低。

垂直位移监测

垂直位移监测主要有几何水准法和流体静力水准法。

几何水准法

 几何水准法是垂直位移监测的主要方法，精度容易满足。

主要的测量工作有：

a. 由水准基准点校测各工作基点，对混凝土大坝和土坝分别用一、二等水准测量；

b. 用工作基点测定各变形点，较上述要求可降低一个等级。

 几何水准法可以满足大部分要求，主要问题是观测自动化问题，目前可考虑采用电子水准仪（每公里往返测高差误差为±0.3mm--±0.4mm），可以显著工作效率。

流体静力水准法 

流体静力水准法测量原理是连通管原理。

用连通管法测定垂直位移，一般可采用移动式的连通管，根据起测基点的高程，通过连通管测得的高差，来引测标点的高程。

连通管由胶管`玻璃管及刻划尺等组成。

该法不受大气折光的影响，很容易实现读数及传输的自动化，测量精度优于±0.1mm，在垂直位移监测中有着广泛的应用。

但连通管法受温度的影响较大，不够稳定，而且测点基本上要处于同一水平位置，高差测量范围较小。

近年来研制开发出了通过压力传感器测量液体压力的变化来计算高差变化的仪器，扩大了测量范围。

3.2传统观测方案误差来源

测量误差总体上分为三类：

与操作者有关误差、与仪器有关误差以及与环境有关误差。

随着现在仪器的逐渐进步以及观测方法的改进，观测者只要认真按照规范操作，与观测者有关的误差可以降至很小，而与环境相关误差如果能精确测定环境温度，气压及湿度，再避免在大气环境剧烈变化等不利环境下观测，与观测相关的误差同样可以降到可以接受的程度。

当前，制约观测精度提高的瓶颈仍然是观测仪器自身的稳定性及精度。

4传统方案的局限性

由于受现场观测条件限制以及常规仪器自身不可避免的缺陷，传统的观测方案存在以下缺点：

4.1观测精度低

由于现场条件限制，工作基点大都离监测点数公里远。

距离的增加，各类误差如目标照准误差，大气改正误差，尤其是测角和测距误差对点位的综合误差明显增大。

4.2受通视条件限制

常规仪器观测要求观测点与工作基点之间，工作基点与工作基点之间通视，这是制约现场观测的一个很大瓶颈。

现场条件复杂，部分监测点设置在较高的危岩体边缘，很难找到比较合适的工作基点能与所有的监测点通视。

通视条件限制同样是导致观测距离增加的主要原因。

因为部分监测点所在高程较高，导致工作基点选在较远的山头，造成仰角过大，大气折光差增大。

4.3受气候影响大

受制于光电测距的原理，全站仪等常规只能在光照不太强或者阴天的情况下工作，而一旦阳光强烈则会对全站仪自动寻找目标产生严重干扰，无法观测。

晴天时，一天之中只有早上10点前，下午4点半后几个小时的有利观测时段。

同样在阴雨天气和有雾天气也无法观测，而阴雨天体却是边坡变形最严重的时期，此时无法观测导致光学仪器方案变形监测无法很及时地发现边坡变形。

4.4劳动强度大

传统的方案需要进行多测回测角、测距并且要精确测定大气改正参数并进行多项误差改正才能达到相应的观测精度，这导致外业劳动强度大、实际作业中效率非常低。

常规监测方法在很长一段时间内为大坝，大型建筑物等形变监测作出了贡献，但其监测方法时效性低，测量成果不具有同时性，降低了成果的科学性和使用价值，而且采用常规方法观测周期长，无法实时地了解建筑物的变形情况。

5GPS变形监测的必要性、可行性及其优势

5.1GPS变形监测的必要性

前面已经指出，在大坝采用常规仪器进行变形监测精度有限，受天气环境影响较大，且受到现场通视条件差的严重制约，不能很好地满足大坝安全监测的要求。

因此，寻找一种高精度、高效率且不受通视条所限的新方法对大坝变面位移进行安全监测显得尤为必要。

国内外很多成功案例表明：

GPS变形监测方法被认为是在边坡、大坝变形监测领域最有发展前景的一种新方法。

5.2GPS全球定位系统简介及应用于变形监测的可行性

GPS全球定位系统简介

GPS（GlobalPositioningSystem）全球定位系统是由美国国防部牵头研发并负责运营管理的一套卫星导航定位、授时系统。

该系统由布设在太空中的24颗GPS导航卫星组成的空中部分、一个地面控制中心、三个注入站、五个监测站组成的地面控制系统，以及用户接收机三大部分组成。

系统于1973年获批准建设，1993年7月初步实现全球定位能力，1996年4月系统具备完全的全球定位能力。

GPS自建成以来，其在军事、交通、测绘、农业等诸多领域得到了广泛的应用。

GPS全球定位系统在测绘领域中的应用

GPS技术自应用在测绘领域以来，已经对整个测绘技术产生了革命性的影响，直接导致三角测量等传统测绘方法走入历史，目前在测绘领域中的应用主要有：

（1）建立和维持全球性的参考框架

目前GPS已经成为建立、维持全球性参考框架的重要手段。

以高精度、测站数最多的国际地球参考框架ITRF2000为例，该坐标框架枢纽站的地心坐标优于4mm，比例尺的精度优于0.5ppb。

（2）建立各级国家控制网

由于GPS定位技术具有高精度、全天候、测站间无需通视等优点，因而已基本取代传统方法而成为建立各级平面控制网的主要手段。

用GPS技术建立起的国家控制网有两种，一种是仿照传统方法在全国范围内布设A级网和B级网，然后再加密C级网和D级网。

另一种方法是建立起全国性的连续运行参考站，再在此基础上布设GPS点来组成国家平面控制网。

（3）布设城市控制网、工程测量控制网，进行各种工程测量

国内外资料表明，利用GPS来布设国家控制网、城市控制网、工程测量控制网时，所需要的时间约为常规方法的1/6,所需费用约为常规方法的1/3，而且精度也比常规方法好，因而得到了广泛的应用。

（4）在航空摄影测量中的应用

在传统的航空摄影测量作业模式中，需要在测区终布设一定数量的大地控制点，在困难地区这是一项十分艰巨的任务。

而利用安置在航测飞机上的GPS接收机来测量航空摄影仪的光学中心在曝光瞬间的三维坐标，就可以大量减少甚至不需要地面控制点。

5.3GPS技术应用于变形监测的可行性

GPS自应用到测绘领域以来，人们就一直在努力探索其在变形监测领域的可行性，并取的较大进展。

目前GPS应用在变形监测领域的成功案例不胜枚举，理论及方法已经得到完善且趋于成熟。

隔河岩大坝外观变形监测系统和龙羊峡水电站近坝库岸滑坡监测系统这两个工程成功应用实例可以说是国内将GPS技术应用在大坝变形监测领域的先驱。

南方测绘于近年在变形监测领域取得巨大突破，已成功实施大冶铁矿GPS变形监测系统、以中国安全生产研究院合作的北京首云铁矿GPS变形监测系统、张河湾抽水蓄能电站上水库GPS表面位移监测系统等项目。

下面从宏观上介绍隔河岩、龙羊峡两个经典变形监测项目，再从微观上介绍南方测绘在张河湾抽水蓄能电站上水库GPS变形监测系统采用的技术手段和方法。

隔河岩大坝外观变形监测系统及长期连续监测模式

清江隔河岩大坝外观变形GPS连续监测系统是由武汉大学测绘学院（原武汉测绘科技大学大地测量系）承担的一项前瞻性的科研项目及工程实践。

该系统是国内最早将GPS技术应用在大坝变形监测的工程实例。

.1隔河岩大坝外观变形监测系统组成

隔河岩大坝外观变形监测系统由数据采集、数据传输和数据处理分析管理等三个部分组成。

（1）数据采集部分

隔河岩大坝外观变形GPS自动监测系统的数据采集工作是在GPS1-GPS7这7个站上进行的。

其中GPS1和GPS2为位于大坝下游清江两岸的两个基准点。

它们是整个大坝变形监测中的参照基准，位于地质条件良好，点位稳定，能提供电源且适合进行GPS观测的地方。

GPS3-GPS7位于大坝坝面上有代表性的重要部位上，均与大坝上的原变形监测点重合。