大坝GPS表面位移观测方案.docx
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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
3.1.1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±.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±mm--±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。
3.1.2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±）.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
5.2.1GPS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。
5.2.2GPS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。
5.3.1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。
4.3.1.1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-GPS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。
（b）数据传输部分
及时准确地传输观测资料及其它有关信息是GPS自动监测系统中的一个重要环节。
在坝面观测室中设置一台工控机。
该工控机通过RS-232多串口远距离
通讯方式将坝面上5台接收机的面板信息实时传送至总控室的微机中，同时又通过多路开关按总控室设置的时间间隔定时将上述5台接收机所采集到的数据（观测值和卫星星历等）传回（卸载至）服务器中，传输介质均采用光纤。
基准站离总控室较远，GPS2又位于清江对岸，加上受地形地貌条件的限制，铺设光纤难度很大，故采用无线通讯方式。
为提高抗干扰能力，采用了DS扩频技术。
无线通讯的频率为2.4G,数据传输速率为2Mbps。
通过数据传输部分可以把监测系统中的各种设备联成一个整体。
从总控室中可以实时监测各台GPS接收机的工作状况，并可发布指令控制各接收机的运行（如采样间隔，截止高度角，时段长度等）。
（c）数据处理分析管理部分这部分是整个系统能自动运行的关键，主要由总控，数据处理，变形分析
和数据库管理等四个软件和服务器、工作站、微机等设备组成。
总控的任务除了对各接收机的运行状况进行监测和控制外，还有:
•从服务器中取得各接收机的观测资料并发送给数据处理模块进行自动处理，然后从它那里取得计算结果。
•将计算结果送给变形分析模块进行变形分析。
•将观测资料，基线处理和网平差结果以及变形分析结果装人数据库，供数据库管理模块使用。
532龙羊峡水电站滑坡GPS监测及定期复测模式4.321龙羊峡水电站GPS骨坡监测简介
龙羊峡水电站近坝库岸滑坡由6号地段和7号地段组成，共设有50多个变形监测点。
由于范围大点位多;接收机等设备的安全无保证;长期连续供电的问题难以解决且监测精度也较低等原因，不宜也无必要采取长期连续自动监测的模式，定期复测模式比较适宜。
由于滑坡的坡度很陡，故在多数情况下需从水库对岸的基准点上进行观测。
这就导致了距离过长（（6号地段的平均边长为6.5km,7号地段平均边长为4km），监测精度偏低（平面位置的中误差为2.2cm,三角高程的中误差为5.7cm）。
根据方案设计，GPS定位精度定为：
平面位置5mm高程（大地高）IOmm。
上述精度较常规监测方法的精度有较大幅度的提高（中误差已降为原来的1/5左右），而且付出的代价也较低，估计经短时间的GPS观测后即可获得满足要求的
观测结果。
5.3.3两种监测模式的优缺点
（1）长期连续的监测方式具有下列优点：
a）可以较完善地消除接收机天线的安置误差（如对中误差，整平误差，定向误差，量测天线高的误差等）的影响。
b）由于数据量特别多，故可通过滤波及平滑等技术来消除噪声，提取大坝变形信息，获得高精度的结果。
c）易于实现自动化，提高系统的响应速度和作业效率。
（2）长期连续监测模式的缺点是：
a）每个变形监测点上均需长期安置一台CPS接收机，监测成本较高。
b）需提供长期稳定的电源.
（3）定期（或不定期）复测模式的优点为:
a）不长期占用GPS接收机。
复测期外接收机可用于其它用途，利用率高。
b）仪器设备的安全及供电等问题容易解决。
（4）定期（或不定期）复测模式的缺点是:
a）仪器的安置误差难以完全消除，加之数据量又较少，要求达到精度时（尤其是高程）需要较长的观测时间。
b）劳动强度较长期模式大，响应速度较慢。
534张河湾抽水蓄能电站上水库GPS表面变形监测系统
4.341张河湾抽水蓄能电站上水库GPS表面变形监测系统简介
上水库表面位移监测点分布于上水库坝体下游坡面、防浪墙、库岸边坡及近坝址岩坡表面等部位，总共59个间断性监测点，其中防浪墙顶（ST）表面测点13个，坝顶下游侧表面测点5（GPS）个，下游坝坡面表面测点19（LD）个，坝坡面观测房顶表面测点4（TD）个，库周基岩表面测点18（LR）个。
由于上库监测点位较多、分布广，采用长期连续运行模式电源等问题不好解决；而定期复测模式由于周期长，工作量较长期模式较大，因而我们在上库采取了“半自动”的观测方案。
具体实现方案为：
选取部分关键点采取长期连续的运行方法，对某些监测点采用定期复测的模式。
“半自动”的观测方案很好的解决了上述提出的问题。
4.3.4.2系统整体介绍
系统由数据采集部分、数据传输部分、监控中心三部分组成
1、数据采集部分
在库区周边地质条件好的、覆盖层较薄的山坡新鲜基岩上设置2个基准点，利用2台GPS接收机进行连续跟踪测量，基站如图2.1，监测站在分别位于坝顶、坝坡、坝基上如图2.2.数据采集工作在所有59个监测点中进行。
图2.1基准站图2.2观测站
2、数据通讯部分
无线网桥，通常是用于多个网络的连接，作用距离从几百米到几十公里。
它广泛应用在不同建筑物间网络的互联。
根据协议不同，无线网桥又
可以分为2.4GHz频段的802.11b或802.11G以及采用5.8GHz频段的802.11a无线网桥。
无线网桥有三种工作方式，点对点，点对多点，中继连接。
无线网桥通常是用于室外，主要用于连接两个网络，使用无线网桥不可能只使用一个，必需两个以上。
无线网桥功率大，传输距离远（最大可达约50km），抗干扰能力强等，不自带天线，一般配备抛物面天线实现长距离的点对点连接。
张河湾抽水蓄能电站上水库GPS监测系统的数据传输引入了无线网桥的技术。
无线网桥技术的引入抛弃了传统的铜线或光纤，利用无线通讯技术，以空气
作为媒介进行网络数据传输，实现GPS接收机数据自动传输到监控中心服务器的目的。
上水库监测点分布较广且地形复杂、位置偏僻，与监控中心相距较远，利用传统的有线连接方式，不仅成本高昂、施工周期长，且因障碍而难以架设线缆。
更重要的是，有线传输的抗灾性比较差，在大风、暴雨、决口等恶劣环境下，有线线路极易遭到破坏，GPS数据将无法及时传递，难以满足水库大坝监测高可靠性要求。
无线网桥在各种恶劣天气情况下，都能正常运行；安装方便，无需铺设网络电缆，可大量节省投资；具有极强的灵活性和可扩充性，全面实现采集自动化、智能化和网络化。
图3.1固定在控制中心楼顶的无线AP
图3.2监测站无线网桥的搭建
3、监控中心
监控中心负责数据处理、分析、管理、发布等工作。
工监控中心布置在值班楼一楼的监测办公室内，如图4.1
图4.1控制中心
5.4GPS技术应用于变形监测的优势
相比较于传统的测量手段，GPS技术有着传统方法不可比拟的优势，主要如
下：
5.4.1定位精度高
应用实践表明已经表明，GPS相对定位精度在50km以内可达到106，100-500km可达到107，1000km以上可以达到109。
在300-1500m工程精密定位中，一小时以上观测的解其平面位置误差小于3mm。
5.4.2观测时间短
随着GPS系统的不断完善，软件的不断更新，目前20km以内相对静态定位，仅需15-20分钟，快速静态相对定位测量时，当每个流动站与基准站相距在15km以内时，流动站观测时间只需1-2分钟；动态相对定位测量时，流动站出发时观测1-2分钟，然后可随时定位，每站仅需几秒钟。
对于大坝变形监测领域，通过实践表明1小时解的相对定位就可以到3mm的平面精度，这是传统方法很难企及的。
5.4.3测站间无需通视
GPS测量不要求测站之间相互通视，只需测站上空开阔即可，因此可节省大量的造标费用。
由于无需点间通视，点位位置可根据需要，可稀可密，使选点工作甚为灵活，也可以省去经典大地网中的传算点，过度点的测量工作.从而节省
监测成本。
5.4.4可提供三维坐标
经典大地测量将平面与高程采用不同方法分别施测。
GPS可以通视精确确定站点的三维坐标。
对于变形监测领域，大多时候甚至可以直接采用GPS定位的WGS84坐标系下的三维坐标，做到真正的三维监测。
5.4.5操作简便
随着GPS接收机不断改进，自动化程度越来越高，有的已达‘傻瓜化'程度，接收机的体积越来越小，重量越来越轻，极大地减轻测量工作者的工作紧张程度和劳动强度。
使野外的工作变得轻松。
5.4.6全天候作业
目前GPS观测可在一天的24小时任何时间进行，不受阴天，黑夜，起雾刮风，下雨下雪等气候的影响。
这对于变形监测来说尤为重要。
而降雨是诱发边坡变形的主要原因之一，但传统方法在雨天很难观测，无法做到及时监测边坡体的表面位移。
6GPS监测系统带来的社会经济效益
6.1社会效益
1、系统建成后，为大坝的安全提供重要的参考依据。
可以合理的进行管理，保证人民生命与财产的安全，保障大坝的安全运行。
2、系统验收和技术鉴定会。
拟邀请在GPS和监测方面的知名专家教授、市领导、省行业管理部门领导出席，会议将对监测系统做出技术评定，并形成验收结论，届时将邀请电视台等媒体做相关报道。
3、形象宣传片制作。
我公司将在系统收集管理单位相关资料的情况下，制作出宣传资料，作为管理单位和南方测绘宣传推广的媒介。
4、科技项目的申报。
必要时，管理部门单位申请科技进步奖项。
5、电视台和报纸相关传媒的宣传。
系统验收后可邀请电视台和报纸等相关
传媒管理单位进行采访报道，做进一步宣传推广，促进GPS监测技术的推广发展。
6.2经济效益
目前国内很多矿山、尾矿库、大坝已经建立了GPS监测系统，为其安全运行提供了重要的依据。
从它们运营情况来看，GPS监测系统在带来巨大的社会效益的同时也将为监测管理部门带来一定的经济效益。
由于GPS技术的先进性，可以
极大的提高监测工作的效率。
常规监测方案大量的人工工作及人员投入在GPS
监测系统中已经成为历史，且GPS技术短时间即可以达到大坝监测所要求的精度，极大的提高了监测工作的效率。
人员投入的减少及工作效率的提高，势必降低监测成本，为管理部门带来了一定的经济效益。
7结论及建议
7.1结论
a）传统的全站仪边角交会的方案存在精度低、测点通视难、受天气影响大、作业效率低、劳动强度大等诸多先天缺陷。
b）GPS技术应用在大坝、边坡安全监测的可行性已经得到了充分验证，国内外的相关工程应用实例已经屡见不鲜，相关技术已经较为成熟。
c）相关的研究以及工程实践表明，应用GPS技术进行大坝、边坡安全监测的精度可以完全达到毫米级，满足相关技术要求。
d）采用GPS技术进行大坝、边坡安全监测具有传统方法无法比拟的优势，其定位精度高、操作简便、测站间不需要通视、可以提供三维位置信息、全天候作
7.2建议
大坝监测的重要性不言而喻，鉴于传统的全站仪边角交会等方法已经无法很好满足当前相关监测技术的需求，建议采用GPS技术进行大坝的安全监测。
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