大坝变形监测

安徽建筑大学

毕业设计 (论文)

专业测绘工程

班级 2班

学生姓名翟凯

学号 11201050235

课题基于GPS大坝变形监测

指导教师施贵刚

2015年月日

摘要

大坝安全监测，着重于变形监测，是保证大坝运营安全，防止大坝灾难性事故发生的重要手段。本文基于GPS测量的基本原理，通过大坝变形监测网的布设，处理采集到的前后两期观测数据，通过比较监测点分别在WGS—84坐标系和1954北京坐标系下的坐标差值，得出的结果符合大坝变形的精度要求，从而得出某大坝尚未发生明显变形这一结论。不足之处在于标志点在WGS—84坐标系中向1954北京坐标系的投影过程中产生了误差，使得控制点的两期坐标不等。由此可知，各坐标之间转换的时候，投影误差不可以忽略，精度分析的时候，为减小误差，最好统一在WGS—84坐标系下进行解算、分析。

关键词；GPS ；变形监测；精度

ABSTRACT

The dam safety monitoring, focuses on the deformation monitoring, it is to ensure the safety of dam operation, prevent the catastrophic accidents. In this paper, based on the basic principle of GPS measurement, through the dam deformation monitoring network layout, processing, both before and after the period of observation data collected by comparing the monitoring points in the WGS - 84 coordinate system and 1954 Beijing coordinates the coordinates of the difference, the results conform to the requirements of the precision of the dam deformation, thus a dam has not yet occurred obvious deformation of the conclusion. Shortcoming in the landmark in the WGS - 84 coordinate system to the 1954 Beijing coordinate system produced in the process of

projection error, making the control points of the two coordinates. Therefore, the coordinate transformation between, projection error can not be ignored,Precision analysis, to reduce the error, it is better to unify the WGS - 84 coordinates calculating and analysis.

Key words； GPS，deformation monitoring，precision

目录

摘要...................................................................................... 错误！未定义书签。

Abstract (2)

插图或附表清单 ......................................................................... 错误！未定义书签。

注释说明清单.............................................................................. 错误！未定义书签。

第一章绪论 (4)

1.1 大坝变形监测的意义 (5)

1.2 GPS用于变形监测的现状 (5)

1.3研究内容 (6)

第二章基于GPS技术大坝变形监测的方法 (7)

2.1 控制网布设 (7)

2.2监测点布设 (8)

2.3大坝变形监测方案 (9)

2.3.1测侧区勘察 (9)

2.3.2资料收集 (9)

2.3.3确定布网方案 (9)

2.3.4GPS测量方法 (10)

2.3.5编写技术设计说明 (10)

2.3.6造标埋石 (10)

2.3.7投影带选取 (11)

2.3.8测量规范 (11)

第三章大坝变形监测数据处理 (11)

3.1 数据处理的方法 (11)

3.2 数据分析................................................................. 1错误！未定义书签。

3.3 预测与预报 (17)

第四章结论与展望 (17)

4 .1 结论 (17)

4.2展望 (18)

参考文献 (18)

附录 (19)

谢辞 (20)

Contents

Abstract....................................................................................I Introduction (1)

Chapter 1 (2)

conclusion (7)

reference (11)

postscript or compliment (13)

resume of tutor (11)

一绪论

由于大型建筑物（如大坝）在国民经济建设中的重要性，其安全问题

受到普遍关注。一旦因为某种原因引起工程灾害，其后果将不堪设想。

因此，准确地掌握各类工程建筑物的变形状态，实现预测和防治工程

灾害的目的，显得十分必要。本文通过对某大坝实施变形监测，主要

的目的在于：1分析和评价大坝的安全状态，2验证设计原理，反馈

施工质量，3研究变形规律，对大坝变形合理预报。鉴于当前的GPS

测量精度已经达到毫米级，利用GPS进行水平位移观测可获得小于±

2mm精度的位移矢量，高程的测量误差也能获得不大于±10mm的精度。因此，本文在详细总结了GPS技术应用于变形监测方案设计的基

础上,对某大坝建立变形监测网，根据监测网的数据处理方法以及变

形分析的方法，比较监测点在前后两期的坐标差值，对输出成果进行

分析和预测，从而得出大坝的变形现状。通过GPS技术在某大坝变形

监测的应用实例,充分说明了GPS定位技术是一种应用前景广阔的变形监测方法。

1.1大坝变形监测的意义

由于混凝土坝建成蓄水后，在水压力、泥沙压力、浪压力、扬压力及温度变化等因素作用下，往往会产生变形，影响大坝的正常使用，严重时会危及大坝的安全，引起坍塌，滑坡，沉陷，倾斜，裂缝等灾难性的后果，给社会和人民的生活带来巨大的损失。如法国67m高的马尔巴塞拱坝1959年垮坝，美国93m高的提唐土坝1976年溃决，财产经济损失严重。而我国隔河岩大坝外观变形GPS自动化监测系统在1998年长江抗洪错峰中发挥了巨大作用，确保了安全防汛，避免了荆江大堤溃塌。因此，对大坝进行安全评估的变形监测工作显得尤为重要，

1.2 GPS应用于变形监测现状

经过近十年的迅速发展,GPS观测边长相对精度已经能够达到10-9m,比传统大地测量精度提高了3个量级。所以，GPS技术在变形监测方面有着广泛的运用。首先,利用GPS技术解决了常规观测中需要多种观测的问题,观测结果能充分反映滑坡的全方位活动性,是监测滑坡变形、掌握滑坡发育规律的切实可行的技术;其次,该技术可对大型建筑物位移实时监测,具有受外界影响小、自动化程度高、速度快、精度较高等优点,可以全天候测量被测物体各测点的三维位移变化情况,找出被测物体三维位移的特性规律,为大型建筑物的安全、养护维修提供重要的参数和指导;第三,GPS精密定位技术不仅可以满足水库

大坝外观变形监测工作的精度要求,而且有助于实现监测工作的自动化。另外,GPS技术还应用于地面、海上勘探平台及高层建筑物等的沉陷观测中。

1.3 研究内容

本文基于GPS测量工作原理，通过建立GPS测量控制网，对某大坝实施变形监测，通过得到的数据成果，对大坝变形情况进行评估和预测。本文依据GPS测量技术设计，采用GPS连续性静态相对定位，依照GPS网的精度标准与分类，采用边点混合连接式，通过前期对测区踏勘与地形图的资料收集（交通状况、水系分布情况、控制点分布情况等）。对外业观测计划进行拟定；（GPS网的规模大小、点位精度要求、GPS卫星星座几何图形强度、参加作业的接收机数量、交通，通信等的后勤保障）。布网方案，GPS网点的图形及基本连接方法，GPS网结构特征的测算，点位布设图的绘制等。编写技术设计说明书，选点与埋标（GPS点位的基本要求、点位标志的选用及埋设方法、点位的编号等）。投影带的选取，经过外业观测（编制GPS卫星的可见性预报图、选择卫星的几何图形强度、选择最佳的观察时段、观察区域的设计与划分、编制作业调度表等）。得到相关的数据后，利用计算机进行数据处理。通过对成果数据的分析，了解大坝变形的情况。最后对本文所采用的方法进行总结，对未来GPS技术发展的趋势进行展望。

二基于GPS技术大坝变形监测的方法

2.1控制网布设

GPS网的精度设计主要取决于网的用途，其精度标准一般用GPS边长的固定误差a和比例误差b表示。由于GPS同步观测不要求点间通视，故GPS网形设计具有较大的灵活性。GPS网的基准包括位置基准，方位基准和尺度基准。GPS网的网形布设通常有点连式，边连式，边点混合连接式。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。故所谓点连接、边连接等方式都是指同步环之间的连接。本文用3台接收机进行观测的网形设计如图a所示

将三角点（A、B、C、D）作为基准点与变形监测点一同进行GPS网的网形设计。对于3台接收机组成的监测网，基准网点4个，需观测3个时段。基准点与变形监测点连成16个三角形，观测16个时段。该网形的多余观测比较多，属于可靠性较强、精度较高的网形。对于设计出的GPS网形，要依据接收机的观测精度和网形结构，进行精度预计，同时给出该网的可靠性指标，求出最弱点点位中误差。考虑到观测时段数，最后优化出精度能满足要求、工作量最省的方案。

2.2 监测点布设

本次将变形监测点埋在大坝上，由于GPS测量不一定要求测站间相互通视，且网的图形结构较灵活，因此点位目标要显著，视场周围15度以上不应有障碍物，以减小GPS信号被遮挡或被障碍物吸收。本次为了避免磁场对GPS信号的干扰，选取的点位远离大功率无线电发射源不小于200m处，远离高压输电线，其距离不小于50m。确定了控制点的位置以后，即着手进行造标埋石工作，最为重要的是标志点的选取必须非常坚固，从而有效反应大坝的变形情况，另选取了大坝外的基准点，作为对大坝上标志点的对照。

此大坝共有5个标志点GC06、OP05、OP04、OP03、GC11，其中GC06、GC11两个基准点位于坝体之外，可认为是固定的，在没有较大的运动情况下，基本上可视为是坝体运动的参考点。OP05、OP04、OP03位于坝体上的特征点，通过监测这三个点的运动，可分析坝体的大致运动趋势。

2.3 大坝变形监测方案

2.3.1测区勘察

主要是了解测区的地理位置、形状大小，今后发展远景，测量成果使用的精度要求，完成任务的期限以及生产上对控制点的位置、密度的要求等。控制点的分布情况；三角点、水准点、GPS点、多普勒点、导线点的等级、坐标、高程系统、点位的数量及分布，点位标志的保存状况等。

2.3.2资料收集

（1）如设计时需用的地形图(比例尺为1／1000～1／50000)，各类图件；大地水准面起伏图，交通图等。

（2）测区已有各类控制点的成果；三角点、水准点、GPS点、导线点及各控制点坐标系统、技术总结等相关资料。

（3）测区有关的地质、气象、交通、通信等方面的资料。

（4）城市及乡村行政区划表等。

2.3.3确定布网方案

由于仅仅是对大坝所在区域相对于大坝外控制点的变形，因此布设成

图1独立网（其中，GC06、GC11为已知点）。

2.3.4 GPS测量方法

本次测量方法是GPS相对定位测量，是采用三度带投影的全面布设。图上设计时是在1:25000的地形图上进行的，具体过程是：首先展绘已知点、网；按照已定的布网方案从图上判断点与点之间是否彼此通视，由各点组成的图形能否满足规范所规定的精度和其他要求，监测点所在位置也应能满足使用要求。图上选点后，须到实地确定，是否切实可行，为了保证控制网精度和避免返工，还应该对控制网中推算元素的精度进行估算。每个观测时刻的观测卫星大于4颗，仪器采样间隔统一设置为10妙，天线采用脚架安置在点位垂线方向上，对中误差小于3mm，基座均整平，居中。接收机采集数据后转换为国际标准rinex格式，运行ashtech solutions后处理软件，建立新项目，定义坐标系统，输入中央子午线137°，比例因子是1，椭球是1984北京坐标系，导入renix格式数据，点击计算机键盘F5键，软件默认处理所以基线，共有10条基线，处理后的基线标准差值均小于限差，然后进行最小约束平差，平差后的基线向量的径向残差均小于限差，Network rel. Accuracy 显示通过，处理结果均小于限差。

2.3.5编写技术设计说明书

编写技术设计的目的在于拟定大坝监测控制测量的实施计划，从整体规划上、技术上、组织上作出说明。

2.3.6造标埋石

确定了控制点的位置以后，须着手进行造标埋石工作，埋设的标石作

为点的标志，建造的觇标作为观测时照准的目标，一切观测成果和点的坐标都归算到标石中心上。因此，标志点的选取一定要坚固，保证能有效地反应大坝的变形情况。

2.3.7投影带的选取

此次控制网点均分布在101°~104°之间，靠近101°，选取3°带作为投影带。为了避免投影误差，还可在WGS—84坐标系下进行测量、计算、比较和评定。

2.3.8测量规范

一般传统的监测网中需要分别设置平面控制网和高程控制网，有时按照测图网的精度和密度要求，需要同时获取标志点的三维坐标，所以观测时要满足国家的规范要求。一般情况下，距离丈量相对误差不超过1/10000，测角误差不超过10分。为了保证整个建筑场地各部分高程的统一和精度要求以及高程测设的便利，采用GPS实施监测。

3 大坝变形监测数据处理

3.1 数据处理方法

处理数据的思路：总共有两期对大坝的监测数据，在大坝整体位移不大、主要研究大坝控制网内标志点变化的情况下，可将坝体外的两个点视为基准点，对整个网进行整体基线解算和网平差，输出各个点的坐标及精度评定结果；然后以第一期观测的基准点GC06、GC11为固定点，利用第二期数据进基线解算和网平差，并对各个点的精度进行检核是否在控制的范围内，如果超出限差，需要对数据进行进一步的处理，然后同比第一期处理的

OP05、OP04、OP03点的坐标进行对比，比较两期观测中，大坝总体的结构位移，从而对其稳定性进行分析。

安装ashtech solutions后处理软件包，双击图标打开软件，首先建立一个工程，显示出如下界面

导入数据，数据分布如图2，进行基线解算和平差处理，结果为（图3）

图2 第一期数据分布图

图3. 第一期数据整体平差图

解算完毕，从网精度图上分析基线的精度，对精度较差的基线进行处理。以基线OP05—GC06为例，查看OP05—GC06基线的载波相位双差残差（carrier phase double differenced residuals），从中找出误差较大的时间段，进行有效的筛除，从而进一步提高GPS 监测数据的高精度。其他残差图曲线基本平滑连续而且数值比较小，说明观测数据质量比较好，符合高精度滑坡变形监测的要求。对第二期数据进行相同的方式进行处理：

将第一期观测的两基准点作为第二期观测的控制点，1954坐标系中

平差结果如下（图4）：

图4. 第二期数据处理点的结果

3.2 数据分析

经过ashtech solutions软件处理，可得两期观测的平差网点图和分别在WGS—84坐标系和1954北京坐标系下的包含基线向量、各点坐标及精度的报告，将两组数据用1954北京坐标系下的坐标表格对比：（注：差值是第一期与第二期之差）

将两组数据在WGS —84坐标系下进行比较：（注：其差值是第一期和第二期之差） 坐

标

标志点

East

（m ） North （m ） Elves （m ）

GC06

第一期 478465.321 2967440.534 1236.082 第二期 478465.321 2967440.534 1236.082 差值

0.00 0.00 0.00

GC11 第一期 478832.890 2967870.383 1233.725 第二期

478832.890 2967870.383 1233.725 差值

0.00 0.00 0.00

OP03 第一期 478345.321 2968025.359 1231.698 第二期

478345.322 2968025.361 1231.697 差值

-0.001 -0.002 0.01

OP04 第一期 478209.314 2967889.269 1231.693 第二期

478209.317 2967889.270 1231.695 差值

-0.003 -0.001 -0.002

OP05

第一期 478169.343 2967663.774 1231.684 第二期 478169.345 2967663.775 1231.687 差值 -0.002 -0.001 -0.003

表1 北京坐标系

通过上述两个图可分析得：两期观测中，第一期为自由控制网，第二期是第一期在北京1954坐标系中网平差结果的基础上以GC06、GC11为基准点进行约束控制网平差，可得两次观测中最大点的坐标差值不大于3mm ，3mm 是在对大坝进行采取一定救护措施的限差之内。坐

标

标志点 Lat Lon Elves （m ）

GC06

第一期 26°49’01.78542” 101° 47’ 00.20334” 1201.067 第二期 26°49’01.79058” 101° 47’ 00.14788” 1201.506

差值 -0.00516″ 0.00556″ 0.439

GC11 第一期 26°49’15.77142” 101° 47’ 13.48728” 1198.724 第二期 26°49’15.77662” 101° 47’ 13.43182” 1199.161

差值 -0.00520″ 0.05546″ -0.437

OP03 第一期 26°49’20.77974” 101° 46’ 55.82173” 1196.694 第二期 26°49’20.78496” 101° 46’ 55.76623” 1197.133

差值 0.00522″ 0.05550″ -0.039

OP04 第一期 26°49’16.35054” 101° 46’ 50.90506” 1196.687 第二期 26°49’16.35573” 101° 46’ 50.84959” 1197.128

差值 -0.00519″ 0.00547″ -0.441

OP05 第一期 26°49’09.02198” 101° 46’ 49.47170” 1196.673 第二期 26°49’09.02714” 101° 46’ 49.41628” 1197.114

差值 -0.00516″ 0.05542″ -0.431

表2 WGS-84坐标系

说明两次观测中，大坝标志点没有发生明显的变化，

之所以在WGS—84坐标系中GC06、GC11两点的两期观测差值不为0，是因为标志点在WGS—84坐标系中向北京1954坐标系的投影过程中产生了误差，使得差值出现了不同程度的大小，此例也说明，在各坐标之间转换的时候，投影误差不可以忽略，由此而知，精度分析的时候，为减小误差，最好统一在WGS—84坐标系下进行解算、分析。

3.3 预测与预报

通过以上的测量结果与数据分析，该大坝未发生明显变化。但大坝发生变形是客观存在的，因此应该提高监测人员的专业性素质。不能忽略工程质量各个环节的把握力度与关注度，否则会造成难以弥补，无法预期的后果。

4 结论与展望

4.1总结

GPS技术以其全天候、高精度、高速度、实时三维定位、误差不随定位时间而积累、高动化等特点优于传统的测量技术,对于变形监测是一种非常有效的方法。特别是在大型工程中应用一机多天线监测系统,不但能大幅度降低成本,而且其精度不会降低,既提高了工作效率,又节省了大量的人力和物力。水电站大坝安全责任重于泰山。通过对以往事故的回顾和分析，说明在大坝设计、施工和运行过程中，任何失误和疏忽都将影响到大坝的风险度，都有可能铸成大祸，造成巨大损失，必须加强大坝设计、施工、运行全过程的安全管理。本文重点针对运行中大坝的安全问题，，运用GPS技术进行变形监测，使其作为确保大坝安全行之有效的重要措施，必须要坚定不移地继续贯彻下去。

4.2展望

在本文研究基础上，还有很多需要研究的问题：

（1）对于使用GPS技术动态性监测的大坝，还需要更更多的监测内容，考虑的因素还要包括：水流、季节变化、重荷情况下的位移变化。

（2）必要时候，GPS技术中还需要进行实时观测，建立实时监测系统，通过对标志点的多次监测，来预测大坝的位移趋势，更加准确的预测。

通过广大运行管理和科技人员的不懈努力，来解决目前GPS技术监测大坝变形的过程中出现的各种关键性难题，逐步完善，逐步提升总体的发展水平，在未来我相信我国必将迅速成为坝工建设和运行管理最先进的国家之一。

参考文献

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[10] 徐绍铨, 李征航, 柳太康, 等.隔河岩大坝外观变形GPS自动化

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附录

表3：E 级GPS 测量的精度要求 级别 a(mm) B(1×10ˉ6)

相邻点间

平均距离（km ） 最弱边相对中误差 最弱点点位中误差（cm ） 闭合环或

附和路线边数 E ≦10 ≦5 3 1/45000 ≦±5.0 ≦10

图5. GPS 数据处理基本流程图

图6. 大坝GPS 自动化变形监测系统的基础模型

GPS 网中相邻点间弦长精度应按以下公式计算：

22).(D b a +=α

式中 α—— 标准差（基线向量的弦长中误差mm ）； a —— 固定误差（mm ）；

b —— 比例误差系数（1.0 610 ）；

D —— 相邻点间的距离(km)

数据采集 数据传输 预处理 基线解算 GPS 网平差

谢辞

从确定论文选题至今，我的本科毕业论文已经顺利完成。在此，我要特别感谢我的论文指导老师——土木学院施贵刚老师。从当初选定论文题目到搜集资料，从确定论文大体框架到进行开题报告，从修改初稿二稿到最终的定稿，老师给了我极悉心的指导。这使得我的论文能够如期、保质保量地完成。在此，我向敬爱的老师致以最崇高的敬意与最衷心的谢意。

此外，还要感谢我身边的朋友和同学，感谢他们在论文写作过程中对我的指导、帮助和支持，感谢他们的的宝贵建议，感谢所有关心、支持、帮助过我的良师益友。

最后，向在百忙中抽出时间对本文进行评审并提出宝贵意见的各位老师表示衷心地感谢！