在水库大坝变形测量中GPS测量的应用及分析

毕节市勘测设计研究院测绘部 叶毕升

摘要：结合对毛栗水库的大坝变形观测，测试GPS在大坝变形观测的应用，及分析GPS能否替代常规仪器进行变形测量。

关键词：变形测量 GPS测量 应用 分析 1. 前言

一般来说，水库大坝的变形测量的内容主要有:水平位移、垂直位移(沉降与回升)、渗透(浸润线)以及裂隙观测。而水平位移和垂直位移涉及控制基准网测量、基准站测量和监测点测量,这三项测量工作对精度要求较高,因此供水平位移监测的基准工作站必须达到毫米级。在以前，通常采用高精度边角(网)测量和精密水准测量来保证精度要求。那么，现在采用GPS测量能否替代变形基准监测网站的常规测量？精度又如何？为此,在这里准备结合毛栗水库大坝进行试验,常规测量采用拓普康GPT-3000LN全站仪进行检测比对。

2. 水库概况

毛栗水库位于毕节市大方县文阁乡境内，始建于1957年，后经加高扩建，总库容为387万立方米。为大方县文阁和双山、响水等乡镇的饮水水源水库，该水库属于双坝型土石坝水库，主坝的取水渠道为左右干渠，副坝主要建筑物为泄洪渠，于2009年进行大坝除险加

固，2012年7月底因该地区持续降雨，导致主副坝之间的山体滑坡，引发主坝左取水涵洞垮塌，本次的大坝变形观测就基于监测塌方事件过后对主副坝是否有影响，以考察是否危急水库下游居民村庄的安全。

上图为水库主坝的照片

毛栗水库主副坝地形图

3. 控制布设

参照上述地形图，首先进行基准网的控制布设，分别在副坝左侧的山边、主副坝中间的山上、主坝右侧的山上、以及大坝对面的山包等布设基准点，先分别使用全站仪和GPS静态测量做控制测量和计算，为保证首级控制的精度，采用测区7个首级点控制网布设，三等控制的精度（C级网）进行测量和平差计算。为进行小角度法和视准线法测量，依据《土石坝安全监测技术规范》，在利用除险加固设置的坝上监测墩基础上（主坝4个，副坝3个），以主坝为主，另分别在主坝下游坡面、坡底设置5个监测点，在副坝下游坡面设置2个监测点，在主副坝中间的山边设置3个监测点。

变形观测控制网布置图

4. 基准网及监测网测量

在对基准网的选择埋石工作完成后，我单位于2013年起进行了为期一年的变形观测，总共进行了12期观测，在观测初期，先使用了全站仪和静态GPS分别对基准点进行测量，静态测量采用4台GPS同时观测进行。确保监测点观测的精度可靠，并以第一次数据作为基础，每次观测数据与之进行对比检查，并于观测中期和后期对基准点进行复测，复测的目的主要是检测基准点中是否有点位出现位移，以及与常规测量方法比较，考查GPS的精度是否满足变形监测要求。

数据的后处理按照基线精化结算，90%的方差比R值在80以上,最小为67.7,基线解算中误差RMS最大为4.2mm,平均在3mm内,边长相对中误差较好,一般都在1/120000以上，其绝对误差为亚毫米。由于多路径效应影响基线解的精确性,给同步环与异步环闭合差带来严峻的考检，三维约束后(含大地高)点位中误差, 最大为2.62mm,平均为1.98mm;三维约束后不含大地高,点位中误差最大1.95mm,平均为0.85mm, 为了进行边长比较,该期GPS监测网采用了多种投影面进行约束处理,并与精密实测边长和原三边测量边作了比较,采用当地工程椭球面坐标系。最小约束后,点位精度平均为1.420mm,最大为2.9mm;采用拓普康的高精度测距全站仪的实测边长与各种模式的边长数据进行对比,中误差达到或接近亚毫米级精度,远高于常规边角网精度,完全满足大坝变形基准控制网的高精度要求。监测大坝垂直

位移通常采用大地高,为检核基准测网站点一年后的垂直相对位移,采用原网的高程基准点和基准监测网站点的高程进行比较,采用二次水准测量较差5mm以内的5个可靠的点进行曲面拟合,内符合残差最大为1.8mm;基准点间的大地高差与水准高差之差相差仅0.7mm。可见大地高、正常高是兼容的。

5. 精度分析

经过对该工程实践与分析,得出以下认识:采用GPS对水库大坝进行变形观测，基准点间的边长相对于等级控制测量来说，边长较短,但监测网按照C级及以上测量精度要求作业，可以达到毫米级甚至亚毫米级精度,这样，可以替代繁锁的常规测量,实现高于常规测量精度的目标。并具有以下特点:1)、基准点间无需通视,使之布设更灵活;2)、基准点可设置离监测区域较远和更加稳定的位置;3)、GPS操作简单,效率高,精度较常规仪器更容易保证。

6. 结语

综上所述,以不低于C级精度的GPS控制,应用在水库大坝的变形观测中,可以替代常规的边、角网的观测,而且可以取得毫米甚至亚毫米级精度的绝对平面位移与相对垂直监测数据;在有条件(解决多径效应,如采用扼流圈天线)的情况下,在贵州山区，在小范围内以大地高取代高精度的水淮测量的正常高也是可能的。

参考文献

[1]李青岳1工程测量[M],测绘出版社,1984.6

[2]谢世杰,等.论GPS测量中的多径误差[J]。测绘通报,2003,(5):1～51