摘要：对黄金峡水利枢纽坝肩边坡GNSS 自动化变形监测系统的设备选型、参考站选址、通信方式等进行了分析总结。在吸收借鉴国内同类工程运用GNSS 系统的经验和相关研究成果的基础上，该系统采用GPS/BDS/Glonass 多星数据混合解算、双基线平差等方法，使边坡监测站在观星截止高度角较大的情况下观测精度满足规范对一级边坡变形监测的精度要求。通过实施GNSS 自动化变形监测系统，可以及时掌握边坡的变形规律，预测边坡及滑坡可能变化的范围及变化趋势，并能够及时采取相应的处理措施，为黄金峡水利枢纽施工期安全生产提供技术保障和依据。 关键词：GNSS；变形监测；自动化监测；黄金峡水利枢纽
1. 引 言 全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System，简称GNSS）泛指所有的卫星导航系统，目前主要包括美国的GPS、俄罗斯的Glonass、中国的北斗系统、欧洲的Galileo 等。自1978年美国发射了GPS 系统第一颗试验卫星至今的几十年时间里，GNSS 系统已经在大地测量、地球物理勘探、地球动力学、工程测量等领域得到了广泛的应用［1］。 经过几十年的应用和发展，目前GNSS 测量基线的精度已经由过去的 10-6 ～10-7提高到 10-8 ～10-9，静态相对定位精度提高到了毫米级甚至亚毫米级，尤其是高程精度也达到了毫米级。精度的提高，使得GNSS足以胜任工程变形监测的要求［2］。与常规测量方法相比，利用GNSS 进行工程变形监测具有以下主要优点：①不受气象条件限制，无惧风、雨、雾的影响，可真正实现全天候工作；②监测点、基准点等无须通视；③能直接测量监测点的三维坐标值；④各监测点同步测量；⑤易于实现自动化测量。GNSS 的优越性克服了传统变形监测方法的众多缺陷，随着北斗系统的投入使用，在我国任一地区可搜索到的全球定位卫星数量大幅增加，其测量精度大大提高，因此在工程变形监测领域得到了越来越多的应用。 国内外对GNSS 系统在水利水电工程变形监测方面的应用进行了大量尝试。如：美国陆军工程师协会和Condor 公司于 2002年2月在蒙大拿州西北的Libby 水电站大坝上安装了一套3D trackter 实时GPS监测系统［3］，该监测系统包括布置在大坝坝顶的6 个测点和2 个GPS 基准点，GPS 实时观测得到的数据在水平方向和垂直方向的精度为2 ～4 mm，24 h 观测精度为1～2 mm。在我国比较有代表性的是清江隔河岩大坝外观变形GPS 自动化监测系统，该系统由2 个参考站和5 个监测点组成，1998年开始运行，其6 h 解算数据水平方向精度为 0.5 mm，高程方向精度为1.0 mm，精度可以满足大坝监测需要［4］。 陕西省引汉济渭工程黄金峡水利枢纽于2019年在两岸坝肩边坡布设GNSS 自动化变形监测系统，在吸收借鉴国内工程运用GNSS 的经验和相关研究成果的基础上，对设备选型、参考站选址、通信方案等进行分析，最终实现了在大截止高度角情况下的高精度变形监测，水平方向精度达到了1 mm，高程方向精度为1～3 mm。
2.黄金峡坝肩边坡GNSS 变形监测系统方案
2.1 黄金峡坝肩边坡及监测系统布置基本概况 黄金峡坝肩边坡分为左右两岸，其中：左岸边坡长约420 m、高度约300 m，右岸边坡长约269 m、高度约148 m。左右岸边坡均为岩质高边坡，边坡等级为1级，左右岸边坡坡度均为20°～40°，坡体大部分基岩裸露，地层主要为花岗片麻岩。左岸岩石强风化厚度为10～13 m，弱风化厚度为20～27 m；右岸岩石强风化厚度为8～9 m，弱风化厚度为25 ～27 m。为监测两岸边坡变形情况，在左岸边坡设置了4 个监测断面，布置28 套多点位移计、4 个测斜孔和34 个表面变形观测点，右岸边坡布置了7 套多点位移计、2 个测斜孔和5个表面变形观测点。多点位移计和测斜孔具有观测精度高的优点，但主要缺点在于只能监测到局部变形，不能监测到边坡的整体变形情况，工程人员难以了解边坡变形的全貌。两岸边坡地质条件较差，自2016年开始开挖以来，边坡部分区域深层变形始终未完全收敛，且在强降雨之后变形速度会加快。右岸边坡总体较左岸边坡稳定，但高程488 m 马道的表面变形测点仍向临空面方向累计位移20 mm 左右。 鉴于边坡稳定问题突出的现状，为保障工程安全，需要及时对两岸边坡变形开展观测，尤其当附近开挖爆破或持续强降雨之后，更需要加密观测一段时间，以掌握边坡的变形发展情况。目前内观仪器观测频次为每天观测2 次，其他部位每周观测1 次，表面变形观测频次为每月观测1 次。 目前边坡表面变形主要参照《混凝土坝安全监测技术规范》，采用全站仪半自动化监测，施工期边坡表面位移观测（含水平位移和垂直位移）精度要求为±2 mm。采用全站仪进行边坡表面变形观测时，测量精度受制于气象条件，当气象条件不利（日照过强、施工扬尘等）时，观测精度难以达到规范要求，部分时段（下雨或有雾）甚至无法进行观测；而当气象条件满足要求时，也需要投入大量人力且耗费较长时间才能完成一次观测。因此，全站仪观测方法难以及时获取边坡变形数据，无法满足现阶段边坡高频次观测需求，有必要寻找一种可以全天候、自动化、高频次实施变形监测的解决方案。而GNSS 变形监测所具有的优点，使其成为满足黄金峡坝肩边坡变形监测要求的观测方法。 黄金峡坝肩左右岸边坡已建成28 个表面变形监测点，其中：左岸边坡23 个测点，分布在6 级马道上，每级马道布置3～4 个测点，高程差30 m 左右；右岸边坡5 个测点，分布在2 级马道上。28 个监测点全部纳入GNSS 监测系统进行自动化观测。 2.2 采用的主要技术 为使观测精度满足规范要求，黄金峡坝肩边坡GNSS 变形监测系统采用的主要技术如下： （1）采用三星双频接收机，可接收GPS 系统、北斗系统、Glonass 系统的卫星数据。黄金峡边坡的坡比在1 ∶1～1 ∶0.4 之间，表观观测墩建在各级马道上，导致各监测点的观星截止高度角较大，左岸监测点随高程降低，左边坡方向的截止高度角从35°逐渐增大到54°，右边坡方向的截止高度角从12°逐渐增大到29°，右岸边坡的监测点截止高度角在44°～50°之间。因此，参考站和监测站的共视卫星数量随高度角的增大而减少，现场测试表明，部分测点在个别时段搜索到的GPS、北斗、Glonass 卫星数分别为 3 颗、6 颗、0 颗，在这种情况下GPS 和Glonass 基本丧失了定位功能，而北斗系统的定位失败率也较高。若仅接收单一系统如GPS 系统的卫星信号进行测量，将导致部分测点的观测误差过大而无法满足规范要求。国内有关研究表明［5-6］，采用GPS 联合北斗系统进行解算，观测精度和数据稳定性均高于单独采用GPS 或北斗系统的观测结果，当截止高度角较大时，多系统组合的精度较单系统精度提升30%～60%。多星数据混合解算甚至可以在截止高度角超过50°时仍能获得较好的观测成果［7］。因此，本系统要求卫星接收机能够接收多星信号，解算软件应支持多星数据混合解算。 （2）为抑制多路径效应，参考站和监测站均采用扼流圈天线。所谓多路径效应，是指在GNSS 测量中，卫星接收机不仅直接收到GNSS 卫星信号，还会接收到被周围环境中反射物反射的卫星信号，反射信号与直达接收机天线的直达信号产生干涉使真值发生偏移，多路径效应会带来较大的测量误差。要减弱多路径效应，不仅需要接收机远离大面积水体，还需要周边没有大型反射面。但边坡监测点的布设位置是根据岩体构造、裂隙分布选址的，且已经建设完毕，不宜再调整，因此只能通过选择适当的天线结构来抑制多路径效应，减小误差。由于卫星直射信号多从天线上方以高仰角方向到达天线，而多路径信号多从天线下方或以低仰角方向到达天线，因此通常可采用扼流圈天线来减小多路径效应的影响。扼流圈为一个带有多个圆环形凹槽的圆盘，当凹槽深度稍大于观测信号的1/4波长时，可阻止反射信号在其表面传播，扼流圈的凹槽对高仰角的直射信号没有影响，但对于来自天线平面下方的反射信号有很好的抑制作用［8］。因此，在本系统中，参考站和监测站的接收机天线均采用了高精度的扼流圈天线。 （3）设置双参考站。国内有关研究表明［9］，采用多参考站的定位精度要高于单参考站的，并能有效抑制粗差，因此在本系统中要求设置双参考站，采用双基线平差。 2.3 参考站（基准站）选址 用于变形监测的GNSS 定位技术是静态相对定位技术，其方法是通过载波相位测量测定基线，即在已知卫星星历的情况下，由一个已知点与一个待定点同步观测卫星取得相位观测量，通过差分运算解出待定点的坐标。目前的研究表明，较短的基线可以提高相对定位精度，但环境带来的多路径效应和观测数据中的周跳会严重降低定位精度。因此，从原理上我们可知参考站的选址需要考虑三点：一是参考站应尽量靠近监测点；二是参考站应有良好的搜星条件，能接收到尽可能多的卫星信号，以增加和监测站的共视卫星数量；三是应选择周边环境能有效减少多路径效应的地点。 基于以上认识，在两岸边坡各设置了一个参考站，距离监测点最远距离不超过1.1 km，最近距离约300 m。两个参考站均设置在接近山顶位置，四周高度角在15°以下，观测墩高4 m，周边环境无树木、大型建筑物等遮挡，并远离高压线等强电磁干扰。参考站HJX01 卫星星空示意见图1（其中：GLO 为俄罗斯的格洛纳斯系统，BDS 为我国的北斗系统，GAL 为欧洲的伽利略系统）HJX01 可接收到24 颗卫星的数据。 采用双参考站方案的优点在于：一是双参考站可以采用双基线约束平差，能更有效地剔除含有粗差的数据，相比单参考站提高了数据精度；二是系统具有冗余性，若一个参考站无法工作，另一个参考站可以继续提供解算基准，两参考站互为备份；三是参考站之间可以互校，可及时校核参考站的稳定性，发现参考站引起的误差。 图1 参考站HJX01 卫星星空示意 2.4 通信方式选择 采用光缆+无线网桥组合通信方式，边坡上各个测点通过光缆接入网络交换机，由无线网桥将数据发送到数控中心。 因左岸边坡监测点较多，故在左岸边坡615 m 高程和519 m 高程各设置了一个网络交换机，各测点就近接入交换机中。两交换机级联，最终从519 m 高程的交换机出线接入数控中心或通过无线网桥将数据发送到数控中心。 采用光缆通信所需要的设备较多，其连接关系为：卫星接收机→RS232 转网模块→光纤收发器→光纤终端盒→光缆→光纤收发器→交换机。尽管敷设光缆的成本较高、难度较大，但光缆通信的优点是不受电磁干扰，一旦敷设完成，通信质量和可靠性较高。 除采用光缆通信方式外，还可以采用屏蔽双绞线或网线通信、无线4G 网络通信等方式。采用双绞线通信最大传输距离约为1 200 m，优点是所需设备少、成本低、敷设容易，缺点是抗干扰能力差；4G 网络通信的优点是部署简单、无须布线、只在接收机中插入SIM卡而无须各种中间通信设备，缺点是可能出现4G 网络不通、每个测点都需要安装物联网SIM 卡、每年向移动服务商缴费、服务器端要拉专线设置静态IP 地址等。 从GNSS 静态相对定位解算的精度要求来看，任何通信中断、因干扰而造成的数据质量下降都会严重影响相应时段的解算精度，因此在有条件的情况下，应尽可能选择光缆通信。
3 数据解算成果 目前系统设置了12 h 数据每小时滚动解算、12 h数据解算、6 h 数据解算等方式。已有观测成果分析，6 h 数据解算结果的水平方向中误差在1 mm 以下，垂直方向中误差在1 ～3 mm 之间，观测截止高度角越小的测站垂直方向中误差越小。部分观测成果见图2、图 3（dX、dY 为水平方向位移增量，X 为正北方向、Y 为正东方向；dH 为垂直方向位移增量）。 图2 TP02ZPR 监测站12 h 数据解算成果
图3 TP20ZPR 监测站6 h 数据解算成果
4 结 语 陕西省引汉济渭工程黄金峡水利枢纽于2019年在两岸坝肩边坡布设了GNSS 自动化变形监测系统，对设备选型、参考站选址、通信方案等进行分析表明，采用GNSS 自动化变形监测系统，可以及时掌握边坡的变形规律，预测边坡及滑坡可能变化的范围及变化趋势，并能够及时采取相应的处理措施，为黄金峡水利枢纽施工期安全生产提供技术保障和依据。
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