0 引言

随着社会、经济的发展，科学技术快速提升，中国投入较大人力、物力、财力修筑水库大坝，目前已修建8万多座(刘代芹等，2008；阿卜杜塔伊尔•亚森等，2016)。水库大坝在水负荷作用下会产生变形，当变形过大时，大坝将处于疲劳状态，严重时会有溃坝危险。大坝安全监测是一项重要工作，开展大坝安全监测及安全评价，了解大坝工作状态，为除险加固工作的开展奠定基础，对水库大坝安全管理及运行具有重要作用。近年来随着西部大开发战略的逐步实施，高坝越来越多，大坝及库区滑坡的变形监测不仅关系到工程自身安危，更关系到下游人民的生命、财产安全，进行大坝变形监测具有重要意义(李新等，2010；李瑞等，2015)。

GPS作为一种导航和定位系统，以其精度高、全天候、高效率、多功能、易操作、应用广等特点，近年来在大地测量、地壳形变监测、精密工程测量、石油勘探、城市测量、资源调查等领域得以应用并普及推广，推动了相关行业的技术进步(赵多明，2012)。GPS系统主要依赖卫星的实时传输性能，随着中国自主开发的北斗系列卫星的逐步成熟，开始利用GPS系统进行诸如土体滑坡、水库坝体等较大形体变形监测的研究工作，并取得丰富经验(刘振宇等，2015)。随着GPS系统不断完善、接收机性能不断提高、高精度解算软件持续开发，GPS观测方法逐步改进，应用水平不断提高，目前可用于精密形变监测，并将逐步取代常规测量方法。本文结合实际案例，阐述GPS技术在水库大坝变形监测中的运用(胡友健等，2006；张志国等，2014)。

1 案例选取

GPS技术现已广泛应用于水库大坝变形监测，在此以阜康山前水库为例，阐述该技术的具体应用。该水库位于山前冲积洪下部细土平原区，是经四面筑坝围成的典型平原注入式水库，主要由均质土坝、放水(兼放空)涵洞组成，库内水位最高蓄至493.35 m。库区气候属典型大陆型气候，春季干旱多风沙，夏季炎热少雨，冬季寒冷，昼夜温差较大，夏季最高气温40 ℃，冬季最低气温-30 ℃，最大冻土深度约1.5 m，属大型水库(李明峰等，2007)。

建在低液限粉土地基上的碾压式均质土坝，最大(相对)坝高28m，总库容2.8×108 m³。该均质土坝由东坝、中坝、西坝、南坝四面封闭而成，轴向全长17.676 km。中坝段最长，长度8.264 km，东坝段长3.038 km，西坝段长3.270 km，南坝段长3.104 km，南坝段处水库上游，按设计不予监测。东、西坝段为直线形，中坝主要以弧形坝段为主，中间放水兼放空涵洞附近坝段为直线段，水库工程2002年4月开工建设，2005年7月大坝全断面填筑至503.00 m高程，于2005年9月20日开始蓄水，并于蓄水前完成首次大坝变形监测。

2 大坝表面变形监测 2.1 建立变形监测网坐标系

平面坐标系和高程系联测是为了获取变形监测网的位置基准和高程起始基准。而变形监测网则依据“工程规范”建立独立坐标系，并进行一次布网。在进行数据统计时，该坐标系需转换为坝轴线坐标系，进行水平位移数据统计。水平位移监测网独立坐标系的建立，在获取水平位移监测网的北京54坐标系后，求取虚拟库中心坐标。以此坐标的y值和坝面高程500为参数，依照以下公式换算求取水库抵偿高程面值。

$ \frac{H}{R}=\frac{{{y}^{2}}}{2{{R}^{2}}} $

式中，R为地球平均曲率，H为两端点高出椭球体面的高程，y为实际的横坐标值。对GPS监测网边长进行投影改化，获取抵偿高程面上的高斯投影边，以4个基准点的某点为起始点，以选取点和另一个点方向为起始方位，对监视网进行分级分区平差，建立独立坐标系的水平位移变形监测网。也可利用GPS软件求取平移、旋转、缩放参数，并适当选择大地高直接转换。水平位移独立坐标系获取后，依据“整编规程”要求，需转换为坝轴线坐标系，并给出各变形点的坝轴线初始坐标值，弧形坝段初始应归算到直线上，水平位移量方向为弧形切线垂直方向。

2.2 野外观测设备

水平位移监测网测量共投入16台套标称精度为5 mm+1 ppm的双频GPS接收机同步观测，各仪器均在有效期内，并经质检部门检定。经内业数据解算，外业仪器采集数据正常。观测时以坝体外基准点为起始，与坝体监测变形点和水平位移工作基准点组成监测网(李征航等，2008)。

2.3 水平位移监测网测量 2.3.1 布设

水库设计平面图及“工程测量规范”“ GPS规范”要求，为有效监测大坝实施水平位移，按基准点(B级点)、工作基点(C级点)、变形监测点(D级点)三级布设水平位移监测网。基准点选择在水库东、西坝两侧沉降区以外、距大坝轴线约1.0 km处，共布设4个基准点，组成大地四边形，提出2个布置方案。工作基点布设13个，点位均匀分布于坝体四周，距大坝轴线不大于450 m，与基准点组成全面网。变形监测点在东、西两坝分别布设3排，坝面迎水坡和背水坡各一排，坝脚一排，中坝布设4排，相对于东西坝增设在主坝背水坡马道上。由于水库坝体较长，基准网和工作基点网可整体平差，而形变点监测网呈条带状不利获取高精度平差值，因此形变监测网可分为东坝、西坝、中坝，中坝又分为两弧段和直线段，各段可分区独立平差，但相邻段之间至少应有2个以上公共点连接。

2.3.2 选勘

按照《全球定位系统(GPS)测量规范》，对测区基准点和工作基点进行认真选勘，选定的GPS点位必须有利于安全作业，点位的基础应坚实稳固，视野开阔，易于长期保存，保证观测墩周围高度角大于15°时无遮挡物。点位应远离大功率无线电发射源(如微波塔、通讯塔等)，距离不得小于200 m，并应远离高压电线，其距离不得小于50 m。变形监测点位在大坝建设前已设计完成，位置固定，但应保证在迎水坡和背水坡上的点观测时在15°仰角以上不能有物体遮挡。

2.3.3 水平位移监测网观测

每一测站工作严格按“ GPS规范”“水平位移基准点、工作基点、变形点的观测要求”进行，天线基座上圆气泡和长气泡应严格居中，偏差≤ 3′，天线定向标志指向正北，定向误差不超过±3°。每时段开机前作业员应量取天线高，天线高量至1 mm，并及时输入测站名、年、月、日及时段号，关机前再量取天线高1次作为校核，校核互差不得大于2 mm，结果取平均值并输入仪器。另外，水平位移观测点相对于工作基点、工作基点相对于基准点的坐标中误差≤ ±3.0 mm。各类型观测点的观测要求见表 1。

变形监测网为短基线测量，气象因素对基线边解算影响较小，除GPS基准点需观测气象元素外，工作基点和变形点的观测作业中不观测气象要素，只记录雨、晴、阴、云等天气状况。

2.3.4 水平位移观测

水平位移监测方法包括：边角网法、引张线法、激光准直、垂线法、视准线法、测斜仪、多点位移计、倒垂线组等。同时，地面摄影测量技术、GPS空间定位技术等，均在大坝变形监测中得到较好应用。与传统测量方法相比，GPS监测具有较大优点。作为一种全新的现代空间定位技术，GPS已部分代替常规精密大地测量方法，在大坝变形监测领域得到应用和普及。

(1) B级GPS监测网测量。B级GPS点观测采用6台双频接收机静态观测2时段，每时段观测8 h。设置卫星高度角15°，数据采样间隔30 s。仪器设置为强制归心，手工记录点名、日期、时段号、近似经纬度、近似高程、仪器号、天线号、仪器高及量取方式等，仪器高在开机前、关机前各量取1次，取平均值。有关数据采集的其他方面均达到设计要求。该工程4个B基点空间分布见图 1。

在GPS变形监测网设计中，因同步观测不要求点间通视，其网形设计有较大灵活性。根据不同精度要求，GPS网形布设通常有点连式、边连式及变点混合连接等几种基本方式。GPS观测中，3台或3台以上接收机同步观测获得的基线向量构成同步环。由于应用边连式布网，网的几何强度高，图形好看，有较多重复边和非同步图形闭合条件。4个B级点加2个C级点的布网方式，几何强度高、精度高、图形好看，网的可靠性强，具体见图 2。

(2) C级GPS监测网(水平位移工作基点)测量。C级GPS监测网以B级网中的B001、B002、B003、B004为起始，组成一个全面网。观测中B级点上仪器不动，C级网各点滚动观测，仪器设置为强制归心。观测时段长120 min，设置观测卫星高度角为15°，采样间隔30 s。观测记录方式与B级点相同，有关数据采集过程规范认真，以确保观测质量(图 3)。

(3) D级GPS监测网(水平位移变形点)测量。D级GPS网观测采用8台不同类型的双频GPS接收机观测，时段长90 min。设置卫星观测高度角为15°，数据采样间隔30 s，严格按照设计要求组网，提高观测效率。在观测中变形监测点与C级GPS工作基点组成全面网，采用手工记录，与B级点方式相同。有关数据采集过程需规范认真，以确保观测质量(图 4)。

3 数据处理

数据处理是检验野外观测数据质量的关键(肖鸾等，2005)。由于各期观测使用不同类型、不同型号的GPS接收机，得到的数据格式不同。依仪器类型不同采用其随机软件下载，将各种观测数据统一转换成标准的RINEX格式。按照基准点、工作基点和变形观测点不同，同时采用LEICA Geo Office Combined数据处理软件进行解算和平差，采用强制对中观测方法，消除人为对中误差产生的影响(贺疆，2008)。各基准点解算时，获取其WGS-84坐标后反算点间边长，对各观测边长斜改正、投影到该水库抵偿高程面作秩亏自由网平差。工作基点解算时，首先在WGS-8坐标下做无约束平差，满足精度要求后进行该水库独立坐标系下的二维约束平差。对变形观测点做基线解算，首先对周跳逐一修复，难以修复的按历元进行必要剔除，剔除率小于5%，然后选择精度较好的复测基线进行WGS-84坐标下的单点无约束自由网平差。

4 变形点分析 4.1 水平位移基准点稳定性分析

对水平位移基准点稳定性进行相对边长比较判定和分析，基准点GPS网投影边长对照见表 2、图 5。经此次观测结果判定分析，发现B级网的变化趋势与以往有所不同，其中B001 —B002、B001 — B003、B001 —B004边长变化较小，可取B001点；B002 —B003、B002 —B004边长变化较大，可去掉B002点；B003 — B004边长变化较小，可以取B003和B004点。因此，本期采用B001、B003、B004点坐标作为大坝水平监测网起算数据。

4.2 水平位移工作基准点和变形监测点稳定性分析

依据整编规程及设计要求，在获得各点独立坐标系坐标后，为了清楚表示大坝平面水平位移运动趋势，各坝段建立与大坝坝体走向一致的坝轴线坐标系，采用矢量图量取法与编程计算法对检，得出变形点在坝轴线坐标系的坐标。

因水库坝轴较长，坝体由东坝、中坝、西坝、南坝四面封闭而成，其中中坝是出水库，分成直线段和弧段，南坝是进水口。水库每年5月开始蓄水，蓄水量较大，9月开始出水。出水库口在中坝直线段部分，几期观测数据显示，变形最大点在中坝段。因此，主要研究中坝直线段，利用本期坝脚数据，在CAD软件上输入首期和该期数据，获得中坝直线段坝脚的变形点及周围工作基点运动方向，见图 6。

查看第1期和第8期观测数据的X和Y坐标，根据2期坐标较差，发现Z343、Z345、Z349的X坐标较差最大，Z245、Z1415、Z1413、Z1411等变形点的Y坐标较差最大。变形点Z347的X、Y坐标较差量均较大，可以推论较差大的点对原位置运动大，可以说变形点的水平位移最大。从图 6可见：Z3411至Z341均向西运动，Z245至Z1411向东运动，主要原因为，大坝坝面与水面高度一致，但坝基高度中间深，向两边逐渐变浅，且大坝为均质土坝，存在坝基沉降、渗水现象，由于中坝段(主坝部分)坝基沉降远超过水渗入而引起的坝面抬升和膨胀，所以大坝中段膨胀只能向中坝两边扩展，从而引起大坝两边坝基向东西两边运动。

5 结束语

对于水库大坝变形监测，需建立变形监测网坐标系，合理选择基准点、工作点、变形观测点等，按照观测实施方案进行。大坝形变监测的重要一步是基准点的选择，本文案例预选4个基准点，通过监测分析，确定3个稳定基准点参与大坝变形监测网，可有效降低基准点不稳定而导致的大坝变形误差传递。此外，因大坝的形状特性，需根据不同形状进行分块，以充分分析影响大坝各部分的不同因素。监测结果显示，变形最大区域出现在中坝。从大坝变形方向看，中坝西段向西运动，东段向东运动。

GPS定位技术使经典的测量理论与方法产生了深刻变革，进一步加强了测量学与其他学科的相互渗透，从而促进测绘科学技术现代化发展的进程。GPS技术的发展是对经典测量技术的一次重大突破，特别是在大型工程中，应用一机多天线监测系统，不仅降低成本，节省人力、物力，还可提高精确度和工作效率。随着GPS监测系统的不断完善，数据的采集、传输、处理(包括分析、管理)已无需人为干预，使得GPS在水利水电工程中具有越来越广阔的应用前景。