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3D Tracker在大坝监测中的应用 - 江宏
宣布时间：2012-07-24 浏览次数：2181 来源：尊龙凯时人生就是博
全球定位系统（GPS）被乐成用于水电大坝和大型建筑物的恒久变形监测 ，目前 ，广泛接纳的差分全球定位系统（DGPS）提高了丈量精度 ，使GPS 的应用规模越发广泛 。本文通过美国Libby 大坝变形监测实例介绍 ，例证了3D Tracker 系统用于监测Libby坝顶水平和笔直位移的准确性 ，
 

摘要：全球定位系统（GPS）被乐成用于水电大坝和大型建筑物的恒久变形监测 ，目前 ，广泛接纳的差分全球定位系统（DGPS）提高了丈量精度 ，使GPS 的应用规模越发广泛 。本文通过美国Libby 大坝变形监测实例介绍 ，例证了3D Tracker 系统用于监测Libby坝顶水平和笔直位移的准确性 ，且DGPS24 小时时段笔直丈量精度在1mm 规模以内 。

要害词：3D Tracker 全球定位系统 变形监测  

 

 1 引言
      对水电设施的治理机构和操作人员来说 ，监测大坝变形和坝身沉降是他们的主要任务 。实时地发明大坝由于自然事故或大型建筑物引发的变形 ，就能够挽救生命 ，减少经济损失 ，制止严重的情况破坏 。可是 ，如果大坝及其设施位于偏远的地区 ，实时监测大坝的变形就比较困难 ，再加上在偏远的、险要的和有滑坡的地方通例的监测仪器和设备很难安排和维护 ，远程布设通讯电缆也很困难 ，所以大大都情况很难获得实时的监测数据 。本文提到的3D Tracker 系统将GPS 技术和专业的连续方位数据处理技术结合起来用于水电工程的大坝变形监测 ，这一技术提供了毫米精度的实时大坝及其他建筑物的连续变形监测数据 ，比普通的监测系统有很大的优越性 。

2 工程配景
      Libby 水电大坝是一座混凝土重力坝 ，位于蒙大拿州库特奈河上游 ，距离Libby 约17 英里 ，Libby 发电能力为525 兆瓦 ，由美国陆军工程师协会于1961 年建设 ，是美国陆军工程师协会在哥伦比亚流域大坝治理网中的一部分 。Libby 坝长880 米 ，坝高128.6米 ，设计库存量715,000 公顷 。见图1 所示 。
      美国陆军工程师协会于1977 年在Libby大坝装置了一套激光准线系统进行变形监测 ，每年的5 和10 月丈量一次 。上世纪90 年代 ，这套激光系统很难维护 ，经过专家的论证和评估接纳3D Tracker DGPS 系统 。

 

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图1 Libby 水电站大坝

3 现场3D Tracker DGPS 系统装置
        美国陆军工程师协会和Condor 公司于2002 年2 月在Libby 水电大坝上装置了一套3DTracker 实时GPS 监测系统 ，这个监测系统包括安排在大坝坝顶的混凝土桩上的六个测点和两个GPS 基准点组成 ，其中4 个GPS 装置在原来大坝中已有的垂线坐标仪旁 ，和垂线坐标仪的数据作比较 。一个GPS 基准点位于大坝左肩的山顶上 ，另一个位于大坝右肩上游与坝顶海拔基内幕同的一块隆起的岩石上 。如图1 所示 。

 

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图2 3DTracker 系统测点安排图
 
        这样操作人员能够很容易地给大坝上的每个测点划分建立两条独立的基线 ，同时也能通过解算两基准点间的基线完整地视察基准点 �；叩某ざ却右话倜椎揭还锊坏� 。实时数据可以在位于Libby 大坝的仪器室直接处理 ，也可以通过局域网传输给西雅图的美国陆军工程师协会办公室 。在天空能见度比较高时 ，GPS 实时视察获得的数据水平视察和笔直视察的精度约莫为2mm～4mm ，24 小时时段视察精度能抵达1mm～2mm ，这都是容许的误差规模 。工程师协会的工程师们将这些数据与通过其它技术（包括铅垂线和裂缝计）视察获得的数据相比较 ，第一年的视察结果显示GPS 和铅垂线数据吻合得都很是好 。运用这两个GPS基准点 ，能对大坝上的每个测点使用两套独立的要领盘算 。因为GPS 的精度是绝对的 ，所以这两个独立的丈量结果能不绝地与系统标准精度比照 ，从而提供完整的视察 。恒久视察比照是由相关变形组成的 。大坝上每个测点的两个独立历程之间的极小的误差增强了人们对测点丈量精度的信心 。两个独立计划之间的差别能提醒操作人员注意 ，并找出有偏差计划的成因 。在Libby 大坝 ，两个基准点的盘算结果在GPS 允许的误差规模内相互吻合得很是好 。为了确保恒久视察的精度 ，GPS 监测系统必须有稳定参照标石和为每个GPS 基准点视察连续坐标的要领 。如果所视察的建筑物有可能爆发的位移 ，基准点的精确丈量结果必须能够正确诊断其是否真正爆发 ，消除它流传过失信息的可能 。关于GPS 系统的体现可以从三个全面的指标来评价 ，划分是：系统过失剖析、重复数据剖析和盘算结果精度剖析 。Libby 大坝都已明确这三个指标 ，这使陆军工程师协会的操作人员监测大坝位移的精度抵达几个毫米 。

4 监测数据剖析
4.1 GPS 与垂线丈量数据剖析
        图3 到图5 显示测点ML35 的DGPS 和垂线仪视察数据 ，曲线正值体现大坝向上游变形；负值体现大坝向下游变形 。图中显示的是3 年的视察数据 ，从这些图中可以明显获得DGPS 和垂线仪视察数据很是接近 。
        从图3 到图5 我们可以注意到ML35 的DGPS 和垂线仪视察数据之间明显有偏差 ，这主要是两个系统装置时间差别 ，因而获得差别的初始数据 。
        图3 和图4 显示ML35 测点垂线和DGPS（LREF）坝体变形数据比照图 ，垂线视察数据显示为玄色 ，DGPS 数据显示为灰色 。垂线仪每天自动读取一次数据 ，而DGPS 每5 秒盘算一次变形数据 ，所有5 秒钟的DGPS 视察数据24 小时平均值见图3 的细灰线 ，7 天的平均值用粗灰线显示 。

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图3 ML35 测点垂线和DGPS（LREF）变形数据比照图
 

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图4 ML35 测点垂线和DGPS（RREF）变形数据比照图


      图5 显示LREF 和RREF 参考站以及垂线仪变形数据 ，从图中我们得出两个独立GPS参考站DGPS 数据完全一致 ，所以我们建议 ，在没有装置垂线仪的情况下 ，DGPS 网络需要布设至少两个GPS 参考站 。

 

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图5 ML35 测点垂线、DGPS（LREF）和DGPS（RREF）变形数据比照图


      图6 显示的是两个DGPS 参考站之间的相对变形 ，从图中我们可以得知DGPS（LREF）和DGPS（RREF）之间在3 年内变形很小 ，这和该地区的地质情况有关 ，说明该地区地层很稳定 。
 

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图6 ML35 测点DGPS（RREF）和DGPS（RREF）之间相对变形数据
 

      以上的曲线图仅仅显示ML35 监测点的平面变形情况 ，图7 显示的是ML35 点的笔直变形情况 ，灰色代表LREF 参考站DGPS 数据 ，玄色代表RREF 参考站DGPS 数据 。图中没有垂线仪数据 ，因为垂线仪只能监测平面上的变形 ，在Libby 大坝上装置了DGPS 网络标记了笔直沉降视察开始 ，通过这些数据揭示大坝坝顶每年的沉降情况 。
 

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图7 ML35 测点DGPS（LREF）和DGPS（RREF）笔直变形数据比照图

 

4.2 DGPS 可靠性和精度剖析
                             
                             表 1. DGPS 视察的恒久可靠度(RREF 参考站)

 

  Axis Mean of 17280 daily SDs (millimeters) SD of daily SDs (millimeters) 95% Confidence (1.97 x SD) (millimeters)
LREF-RREF Upstream/Downstream  0.31  0.18  0.61
  Right/Left  0.37  0.21  0.73
  Vertical  0.38  0.22  0.74
RREF-ML06 Upstream/Downstream  0.32  0.18  0.62
  Right/Left  0.28  0.17  0.55
  Vertical  0.32  0.17  0.63
RREF-ML19 Upstream/Downstream  0.28  0.20  0.54
  Right/Left  0.29  0.21  0.58
  Vertical  0.27  0.19  0.54
RREF-ML23 Upstream/Downstream  0.30  0.14  0.59
  Right/Left  0.30  0.14  0.59
  Vertical  0.25  0.13  0.50
RREF-ML29 Upstream/Downstream  0.28  0.16  0.56
  Right/Left  0.26  0.14  0.51
  Vertical  0.25  0.15  0.48
RREF-ML35 Upstream/Downstream  0.33  0.17  0.64
  Right/Left  0.28  0.14  0.55
  Vertical  0.28  0.14  0.56
RREF-ML46 Upstream/Downstream  0.25  0.25  0.49
  Right/Left  0.27  0.23  0.52
  Vertical  0.25  0.17  0.49
Average Upstream/Downstream 0.29  0.18  0.58
  Right/Left 0.29  0.18  0.57
  Vertical 0.29  0.17  0.56
  Overall Average 0.29  0.18  0.57

 

                                 表 2. DGPS 视察的恒久可靠度(LREF 参考站)

 

  Axis Mean of 17280 daily SDs (millimeters) SD of daily SDs (millimeters) 95% Confidence (1.97 x SD) (millimeters)
LREF-ML06 Upstream/Downstream  2.06  0.64  4.07
  Right/Left  2.73  0.82  5.39
   Vertical  2.30  0.85  4.53
 LREF-ML19  Upstream/Downstream  2.02  0.67  3.97
   Right/Left  2.44  0.86  4.80
   Vertical  2.25  0.91  4.43
 LREF-ML23  Upstream/Downstream  2.30  0.50  4.53 
   Right/Left  2.13  0.72  4.21
   Vertical  2.22  0.78  4.37
 LREF-ML29  Upstream/Downstream  1.69  0.58  3.33
   Right/Left  2.29  0.60  4.51
   Vertical  2.18  0.91  4.30
 LREF-ML35  Upstream/Downstream  2.07  0.48  4.08
   Right/Left  2.07  0.55  4.07
   Vertical  2.06  0.74  4.06
 LREF-ML46  Upstream/Downstream  1.38  0.42  2.71
   Right/Left  1.93  0.62  3.79
   Vertical  1.92  0.72  3.78
 Average  Upstream/Downstream  1.92  0.55  3.78
   Right/Left  2.26  0.69  4.46
   Vertical  2.16  0.82  4.25
   Overall Average  2.11  0.69  4.16

 

                                          表 3. DGPS 精度(ML35)

 

  Axis Axis Mean of Day-to-Day deltas (millimeters) DGPS Accuracy of Day-to-Day deltas (millimeters) 95% Confidence (1.97 x SD) (millimeters)
LREF-ML35 Upstream/Downstream  -0.09  0.90  1.77
 RREF-ML35 Upstream/Downstream  -0.03  0.48  0.95

 

5 总结
      5.1、在Libby 大坝装置的3D Tracker 系统的6 个GPS 中有4 个装置在原来在大坝中保存的垂线坐标仪旁 ，和垂线坐标仪的结果作比较 。GPS 和垂线坐标仪的配置不但可以比较两种丈量系统的结果 ，并且可以使GPS 系统为垂线坐标仪系统提供宁静监测 。从文中图表显示 ，在Libby 大坝顶部的水平位移丈量中 ，GPS 和垂线坐标仪的丈量结果具有很好的一致性 。
      5.2、在Libby 大坝安排两个GPS 参考站 ，来提高丈量系统的精度和准确度 ，两个参考站使得系统对每一个遥测站点在任何时间都具有两个独立运行的解决计划 。通过实时的监测盘算丈量站的结果相关于两个独立参考站间数据的一致性 ，可以立即显示整个系统的精度和准确度 。在峡谷的相反的边坡上安孜拷寮站 ，从每个接收站都可以进行校准程序 。每个GPS 监测点相关于两个独立参考站丈量数据的一致性很是好 。
      5.3、3D Tracker 实时GPS 监测系统将Kalman 滤波技术、三差量测技术应用到水电大坝和其他大型建筑物的变形监测 ，使得24 小时时段笔直丈量精度在1~2 毫米 。
      5.4、在大坝变形监测中 ，垂线丈量系统只能监测平面上的运动 ，而GPS 系统可以同时监测笔直和水平偏向的运动 。  

 ◆参考文献：PERFORMANCE MONITORING OF LIBBY DAM WITH A DIFFERENTIAL GLOBAL POSITIONING SYSTEM UNITED STATES SOCIETY OF DAMS-JUNE 2005


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