大坝变形监测

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1、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WGS84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WGS84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

2、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 WGS84坐标系下进行解算、分析。关键词；GPS ；变形监测；精度ABSTRACTThe 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, th

3、rough 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

4、 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 coord

5、inates. 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错误!未定义书签。插图或附表清单 错误

6、!未定义书签。 注释说明清单 错误!未定义书签。第一章 绪论 4 11 大坝变形监测的意义 5 12 GPS用于变形监测的现状5 13研究内容 6 第二章 基于GPS技术大坝变形监测的方法721 控制网布设 7 22监测点布设823大坝变形监测方案9231测侧区勘察9232资料收集9 233确定布网方案9 234GPS测量方法10235编写技术设计说明10 236 造标埋石10 237 投影带选取11 238测量规范11 第三章 大坝变形监测数据处理 11 31 数据处理的方法 113.2 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 17174 .1结论_42展望1

7、8参考文献 18附录 19谢辞 20ContentsAbstract IIntroduction 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

8、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（完整 word 版）大坝变形监测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

9、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

10、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

11、台及高层建筑物 等的沉陷观测中。1.3 研究内容（完整 word 版）大坝变形监测本文基于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

12、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

13、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（R3台接收机观测网形将三角点（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

14、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 到观測时段数，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

15、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231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、

16、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 / 10001/50000),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 控制网网形图 1 独立网 （其中, GC06、GC11 为已知点）。2.3.4 GPS测量方法本次測量方法是GPS相

17、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 solution

18、s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

19、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 101104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WGS84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

20、 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（完整word版）大坝变形监测点的坐标进行对比，比较两期观测中，大坝总体的结构位移，从而对其稳定性

21、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,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）沁xcn丁EBESPracittihe 民和占IN. OVfi& -從M *176 世羽处托L 门|矍|Ca nrwr Ph叮p Diubh DifTan-mrdl IU$klilw (lli图2第一期数据分布图itrs-+C-frijetr-Ebttr-tluritJOT-C.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

22、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监制数据的高精度。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）：*_ Retv口fit Adjustacnt Bap Txiet匸E凶厂47KDOE4 湖 DOE4WJ0E7300E图4.第二期数据处理点的结果3.2数据分析经过ashtech solutio

23、ns软件处理，可得两期观测的平差网点图和分别在 WGS84 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（完整 word 版）大坝变形监测 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）表1北京坐标系坐、标标志East (m)North (m)Elves (m)GC06第一期478465.3212967440.5341236.082第二期478465.3212967440.5341236.082差值0.000.000.00GC11第一期478832.8902967870.3831233.725第二期478832.8902967870.3

24、831233.725差值0.000.000.00OP03第一期478345.3212968025.3591231.698第二期478345.3222968025.3611231.697差值-0.001-0.0020.01OP04第一期478209.3142967889.2691231.693第二期478209.3172967889.2701231.695差值-0.003-0.001-0.002OP05第一期478169.3432967663.7741231.684第二期478169.3452967663.7751231.687差值-0.002-0.001-0.003将两组数据在WGS84坐标系

25、下进行比较：（注 其差值是第一期和 第二期之差）V标标志LatLonElves (m)0第一26。4901.78542”101 47 00.20334”1201.067GC06期第二26。4901.79058”101 47 00.14788”1201.506期差值-0.00516”0.00556”0.439第一26。4915.77142”101 47 13.48728”1198.724GC11期第二26。4915.77662”101 47 13.43182”1199.161期差值-0.00520”0.05546”-0.437第一26。4920.77974”101 46 55.82173”119

26、6.694OP03期第二26。4920.78496”101 46 55.76623”1197.133期差值0.00522”0.05550”-0.039第一26。4916.35054”101 46 50.90506”1196.687OP04期第二26。4916.35573”101 46 50.84959”1197.128期差值-0.00519”0.00547”-0.441第一26。4909.02198”101 46 49.47170”1196.673OP05期第二26。4909.02714”101 46 49.41628”1197.114期通过上述两 个图可分析得： 两期观测中，第 一期为自由控

27、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。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（完整 word 版）大坝变形监测 候，投影误差

28、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 WGS84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

29、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

30、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1武测、同济合编.控制测量学，北京；测绘出版社，2006.2张正禄等编著.工程测量学，武汉；武汉出版社，2007.3 刘大杰等编著全球定位系统（GPS）的原理与数据处理，同济大学出版社，1996.4 李明峰等编著GPS定位技术及其应用，国防工业出版社，20095 党亚民，秘金钟，成英燕.全球导航卫星系统原理

31、与应用M测绘出版社，2007.6 黄声亨，尹晖，蒋征变形监测数据处理M武汉：武汉大学出版社，2003.7 胡友健，梁新美，许成功.GPS变形监测技术的现状与发展趋势，2006,（9）； 3136.8 岳建军，华锡生.GPS在大坝变形监测中的应用J大坝观测与土工测，1996, 17（3） .9 李征航，黄劲松GPS测量与数据处理M武汉：武汉大学出版社，2005.10 徐绍铨，李征航，柳太康,等.隔河岩大坝外观变形GPS自动化监测系统的建立J武汉测绘科技大学学报,1998, 23附录表3： E级GPS测量的精度要求级别a(mm)B(1x10相邻点最弱边最弱点闭合环6)间平均相对中点位中或附和距离误

32、差误差路线边(km)(cm)数EW10三531/45000三50三10数据采集+数据传输卡预处理亠基线解算GPS网平差图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：Ia = $a 2 + （b.D ）2式中a_-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（10 610）；D相邻点间的距离（km）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!