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北斗GNSS技术在大坝变形监测中的应用

添加时间:2021-07-31 16:02:04

北斗GNSS技术在大坝变形监测中的应用


对于变形测量研究的技术手段也不断地在更新和发展,其中包括全球导航卫星技术(GNSS技术)和地面激光扫描等地面变形测量技术,其中GNSS技术在变形监测中应用得最广泛。通过应用GNSS技术,使得变形监测技术逐渐向自动化、数字化、网络化转变,提升变形监测水平和监测精度。


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一、大坝变形监测的概述


全球导航卫星系统 GNSS始于19世纪70年代,并广泛应用于定位工作中,逐渐在测量领域中占据重要的位置。1998年,我国的隔河岩大坝外部变形首次采用GNSS自动化监测系统。GNSS技术是一项高科技技术,利用卫星技术进行全方面的测量。


它能够提供的时间信息和三维坐标等技术参数的精度很高,对测量领域产生了重大意义。为了保证大坝的安全运营,减少安全事故的发生,需要对大坝的变性因素进行分析,并实时监测。利用GNSS监测大坝的变形是现在应用最多的技术,具有全天候测量、定位速度快、连续实时、自动化程度高的优势。


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1.1 大坝变形的影响因素


我国的大坝数量也不断增加,需要对大坝的变形要素进行连续、周期性的测定和实时、准确的安全监测。大坝变形的主要因素包括:静水压力的作用,大坝外体受到水平推力,导致大坝产生变形,水库由于自身重力作用会导致库底发生变形;


坝体温度变化,坝体的温度随着季节变化会使混凝土无规律的胀缩,会引起大坝坝顶下陷,新建成的大坝自身的混凝土会发生胀缩,这样导致了坝体变形;时效变化,时效变化是由于混凝土热胀冷缩引起的变形,和基础岩层在载荷作用下产生时效变化,时效变化在施工或运营初期表现显著,时间长久后,建筑会趋于稳定,时效变化会变小。


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1.2 变形监测现状


变形监测在测量领域内占据着重要的位置,从一个工程的施工到完工,以及后续的运营都需要进行不断地监视,掌握变形的情况,及时解决潜在安全问题,保证工程的正常运营。


在大坝变形监测中,传统的变形监测是采用高精度的监测网对大坝变形要素进行监测,但由于大坝所处地形条件的影响,导致监测网的网形差和监测点的位置精度不精确,影响测量的准确性。这种方法的劳动强度很大,观测时间较长,没有实现自动化监测。随着GNSS技术的出现,使变形监测实现了从数据采集、数据传输、平差计算和变形分析的连续自动化。经研究发现,利用GNSS技术进行水平位移的监测精度在±2mm以下,高程的测量误差在±10mm以下。


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1.3 GNSS技术优点


传统的变形监测技术由于地形原因导致变形监测精度低,影响变形监测结果。GNSS技术的优点是监测站没有时间限制,能够全天候监测,不会受到气候等因素的影响,在各种气候中都能进行变形监测;实现监测自动化,GNSS接收机的数据收集是自动进行的,使自动监测过程(包括数据采集、处理、传输、分析)实现全自动化,操作简单,提高监测效率;


能够降低系统误差,在利用GNSS技术进行变形监测中,不会影响变形监测点坐标之间的差异值,会降低在大气层中卫星信号的传播误差对变形监测的影响;测量精度高,监测速度快;利用GNSS技术进行的监测具有良好的抗干扰性和保密性,能够进行实时测量;为坐标提供3D立体信息,能够精确测量变形地点的3D坐标。


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二、GNSS技术在变形监测中的应用


2.1 GNSS技术变形监测模式


GNSS技术在大坝的变形监测中分为周期性重复变形监测、固定连续性变形监测和实时动态监测。


2.1.1 GNSS周期性重复变形监测


当被监测工程的变形速率缓慢,在一定的空间域和时间域上被认作是稳定的,可以利用GNSS周期性重复变形监测。针对每一个周期测量监测点之间的相对位置,经过计算两个观测周期之间的位置变化来测定其变形。监测周期可以根据大坝的特性及危害程度来确定。这种模式是通过边或网连接的方式建成监测网,并用平差计算法得到监测点的三维坐标,根据坐标差值来确定监测点的变形量。


2.1.2 GNSS固定连续性变形监测


利用固定的监测仪器对变形进行长时间的数据收集的方式称为固定连续性变形监测。在这种模式下测量是连续性的,时间分辨率高。通过选择重点和关键部位布设永久GNSS观测站,在这些测站上不间断观测,并进行数据处理。由于大坝变形的缓慢性,因而在对监测数据处理时,把一段时间的观测数据作为一组,用静态相对定位和动态相对定位方式处理。


2.1.3 GNSS实时动态监测


实时动态监测方式是实时监测大坝的动态变形,其特点是采样密度高,例如每秒钟采样一次,而且要计算每个历元的位置。数据处理主要采用运动中载波相位模糊度解法,用已求得的整周模糊度计算每一历元接收机的位置,进而分析大坝的变形特征及原因。


变形监测要求实时性,需要建立GNSS自动监测系统,采用全天候实时监测,能够及时了解监测点位置的实时变化情况。GNSS技术作为一种新的监测技术,在大坝的变形监测中应用越来越广泛,例如在隔河岩大坝建立的GNSS自动化监测系统,主要包括数据的采集、传输和处理。


2.2 GNSS监测网数据处理方法


经过GNSS观测得到的数据要经过基线解算和平差计算才能转化为可靠的数据成果。GNSS数据处理方法主要包括两个方面:首先对监测获得原始数据进行处理,得到观测网的基线解;然后对观测网的基线解进行整体平差和分析从而得到最终的整体解。


对于基线解和平差分析是数据处理的重要部分,特别是在观测网多个子网的粗差分析、系统误差和偶然`差的分析。国内主要利用GPSADJ系列平差处理软件和同济大学的TGPPS静态定位后处理软件,来处理二维和三维网的平差。


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对于B级GNSS监测网数据,现阶段采用的计算方法是利用美国研发的GAMIT/GLOBK软件解算平差,参考框架选定UTRF2000框架,采用IGS精密星历。通过网络从精密星历中选取10个IGS站观测数据和GNSS数据处理的资料(其中包括全球H文件解、精密星历、最新历表等资料)。


通过建立LCHELP解算模式获得基线信息,利用GLOBK对网平差求整体解,从而获取个基准点的坐标。C级监测网观测数据经过转化为RINEX数据文件,采用South GPS Processor V4.0进行数据处理,在基线解算中前先对受外界干扰的卫星信号进行剔除,再利用双差固定解进行计算,坐标取位为0.001m。


D级GNSS监测网数据在C级的处理方法上,根据不同的网形,选择平差方法,优先选择WGS-84下的单点无约束自由网平差,获得平差报告。坐标取位为0.001m。


2.3 GNSS变形监测中存在的问题


GNSS已经广泛应用于大坝的变形监测中,但在特殊地形(高山峡谷等)中,GNSS卫星信号会被干扰或遮挡,从而影响监测的精度和可靠性,甚至导致无法监测。点位选择自由度较低,函数关系过于复杂、误差源较多等是其明显的不足之处。


根据资料显示,GNSS监测对水平位移监测精度高,对垂直位移监测精度低,水平位移精度是垂直位移精度的2倍左右。这样很难同时对水平和垂直位移进行高精度的测定。现阶段,对于GNSS变形监测数据的处理是利用整周模糊度动态解算法,这种方法的精度是厘米级,而变形监测要求精度高。


此外,由于监测点在较短的时间内变形微小,且会存在误差,如何在误差干扰中对监测数据进行有效提取是亟待解决的技术问题。


2.4 GNSS变形监测的发展趋势


通过研究国内外对于GNSS技术在变形监测中的研究,提出以下发展趋势:


1、GNSS技术与其他变形监测技术相结合。


由于GNSS技术在变形监测中存在局限和不足,需要将GNSS技术和近景摄影测量和特殊变形测量技术进行结合,将不同监测方法的优势发挥到最大化,提高大坝变形监测效率。将GNSS技术和INSAR技术进行集成,能够实现对四维变形的整体动态的高精度监测。


2、监测信息的反馈和自动报警技术。


利用GNSS技术进行变形监测后需要将变形监测情况(包括监测区域和监测结果)发布在互联网上,同时利用计算机技术生成变形过程(包括变形速度和预测)的图表,能实时观察到变形过程,并配合自动报警技术,当变形达到一定范围后,自动报警装置自动报警,使观测人员能及时做出反应,降低损失。


3、建立“3S”的实时在线分析系统。


“3S”包括全球导航卫星系统 (Global Navigation Satellite System,GNSS)、 地理信息系统(Geographic Information System,GIS)和遥感技术(Remote Sense,RS)。随着科学技术的飞速发展,“3S”技术已经开始相互集成融合。


基于“3S”技术,对大坝进行在线实时变形监测,能够自动的分析数据和处理数据,科学地预测变形的发展趋势,能够合理有效的降低和预防预防灾害的发生。


GNSS技术具有监测精度高、速度快、全天候测量和自动化监测等优势,在大坝变形监测的实践中取得很重要的成果,利用GNSS技术的自动化数据处理系统获得精度高的测量数据,为建立自动化监测系统奠定了基础。


GNSS技术在实践应用中仍然存在不足,需要将GNSS技术与其他监测技术集成在一起,建立监测信息反馈系统、自动报警系统和“3S”的实时在线分析系统,提高大坝的变形监测水平、监测精度和监测效率。


通过对大坝变形原因和变形监测现状出发,分析了GNSS技术的优点和在大坝变形监测中的应用,发现在变形监测中的问题,提出GNSS技术在大坝变形监测中的发展趋势,为以后的大坝变形监测具有指导意义,对保证大坝的安全运营具有重大作用。


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