李 昱，陸海天

（1.國家電網(wǎng)有限公司直流建設分公司，北京 100054；2.四川電力設計咨詢有限責任公司，四川 成都 610000）

隨著電力行業(yè)的發(fā)展，特高壓已經(jīng)成為新時代下推動我國經(jīng)濟增長的核心之一。在此背景下，換流站作為實現(xiàn)特高壓輸送的樞紐之一，在將來必將不斷出現(xiàn)。在換流站工程中，沉降是影響施工安全、質(zhì)量但又無法避免的問題，尤其是作為換流站核心的閥廳，不均勻沉降不僅影響施工過程中的質(zhì)量安全，而且在后期運行時沉降差還很有可能影響到其全金屬屏蔽狀態(tài)，削弱外部電磁和所產(chǎn)生的對外無線電抗干擾能力。因此，在施工及運行過程中對關鍵部位的沉降觀測是必不可少的工作。傳統(tǒng)的沉降監(jiān)測方法主要為兩大類：一是常規(guī)測量方法（大地測量法），二是物理學傳感器法。而近年來迅速發(fā)展的GPS測量技術具有高精度的三維定位能力，為監(jiān)測地殼形變及各種工程變形的監(jiān)測提供了有效的手段。隨著GPS定位精度的不斷提高，尤其是高程分量精度的不斷提高，以其觀測時間周期短、布網(wǎng)靈活、自動化程度高、觀測點間無需保持通視、全天候作業(yè)，并能同時觀測點的三維坐標等優(yōu)點，使得GPS技術在建立地面形變?nèi)S監(jiān)測網(wǎng)、直接測定測區(qū)的三維空間變形上的能力得到了認可，也為GPS在換流站閥廳及輔控樓沉降觀測上的應用提供了可能性。

1 傳統(tǒng)沉降觀測方法及其特點

沉降觀測屬于高程方向的位移監(jiān)測范疇，傳統(tǒng)的監(jiān)測技術主要沿用測量技術，通過選用精密幾何水準測量方法來進行定期的觀測。具體方法是根據(jù)現(xiàn)場的地形地貌以及地質(zhì)條件，合理設置沉降變形控制網(wǎng)點；在觀測范圍外的某個沉降穩(wěn)固地點埋設基準點，將其作為實施和檢測的檢查點；在建構筑物關鍵部位設置沉降標志作為工作點，根據(jù)已知點（檢查點）的高程，對沉降標志（工作點）進行定期的觀測，得到不同時間內(nèi)所需關鍵部位的沉降量。檢查點和工作點一般都將組成一定的網(wǎng)形，通過精密水準測量的方法來實施觀測與監(jiān)測。

上述的傳統(tǒng)觀測法是目前最常用也是最成熟的方法，但也存在很多遺憾和不足。

（1）受溫度影響較大。沉降觀測所用的精密水準儀屬于光學測量儀器，溫度的變化對光學的傳感有著極大的影響，儀器設備的i角會隨溫度的提高而變大[1]，因此觀測時間受溫度變化情況約束，觀測時長得不到保證。對于換流站工程，選址常位于野外，溫度變化情況更為嚴重。

（2）受大氣垂直折光的影響。大氣垂直折光會引起視線彎曲從而使讀數(shù)產(chǎn)生一定的誤差。尤其是在具有一定坡度的路線上測量時，每一站的后視視線比前視視線距地面更近（或更遠），大氣垂直折光對前后視的讀數(shù)的影響有差異，因此將會在高差中形成系統(tǒng)誤差[2]。換流站現(xiàn)場建構筑物相對緊湊，在觀測時很難保證前后視距相同，因此很難消除對沉降觀測的誤差影響。

（3）測點間視線必須暢通。傳統(tǒng)觀測方法必須保證測站間的視線暢通，但在換流站工程中，閥廳和輔控樓建筑體積規(guī)模較大，現(xiàn)場施工環(huán)境復雜，這為沉降觀測帶來了不便。

（4）無法實現(xiàn)連續(xù)、實時的監(jiān)測。傳統(tǒng)沉降觀測法都只能對觀測標志點進行定期的觀測，不能進行長時間、連續(xù)地觀測。換流站基本建設在城鄉(xiāng)外，定期觀測需耗費大量人力和物力。此外，連續(xù)和實時的觀測數(shù)據(jù)對出現(xiàn)質(zhì)量安全問題的預測有著重要意義，這也是傳統(tǒng)方法的缺陷。

綜上所述，傳統(tǒng)的沉降觀測方法受換流站建設的特殊性影響，很難滿足測量的精度要求，尤其是對閥廳與輔控樓等變形監(jiān)測精度要求較大的建筑物，其沉降趨勢往往得不到及時的反映，并且花費的人力物力也較多。

2 GPS技術的優(yōu)勢

全球定位系統(tǒng)（GPS）是20世紀末出現(xiàn)的最具影響力的科技成果之一，并且隨著近幾年來技術的不斷成熟與發(fā)展，GPS在變形檢測方面的應用前景越發(fā)寬廣。將GPS空間定位技術用于沉降觀測，能同時監(jiān)測工作點的三維坐標，并且使用時各測站間無需保持視線暢通，可全天候觀測，能有效減少系統(tǒng)誤差的影響，是一種能夠有效改進現(xiàn)階段換流站沉降觀測方法的新手段。運用上，GPS較傳統(tǒng)方法主要有以下優(yōu)勢。

（1）定位精度高。國內(nèi)外大量實驗表明，GPS有著很高的定位精度，在300～1500m工程的精密定位中，1h以上觀測的解平面位置誤差小于1mm[3]。因此，利用GPS技術于換流站工程能夠滿足對閥廳及輔控樓等建筑物的沉降觀測要求。

（2）實現(xiàn)全天候?qū)崟r觀測。GPS自動化程度極高，能夠在一天24h內(nèi)的任何時間進行，不受溫度、光線等環(huán)境氣候的影響。

（3）經(jīng)濟效益高。選用GPS進行沉降觀測時，只需要將天線準確地設置在機器上，啟動接收單元，接收機即自動開始工作，自動存儲數(shù)據(jù)不需要人為干涉，能夠節(jié)省大量人力和物力。

3 工程運用探討

基于上述GPS技術的各種優(yōu)點，GPS在工程監(jiān)測上已經(jīng)得到了大量的應用，如大壩、橋梁的變形監(jiān)測以及地面的沉陷監(jiān)測。20世紀90年代，美國、瑞士就開始利用GPS技術對大壩進行變形監(jiān)測；2002年，香港開始利用GPS技術對青馬大橋、汲水門大橋和汀九大橋進行全天候的全自動連續(xù)實時變形監(jiān)測[4]。以下根據(jù)GPS的工作原理對換流站工程中閥廳與輔控樓的沉降觀測運用進行探討。

GPS的工作原理是通過GPS衛(wèi)星發(fā)送的載波相位作為觀測量，列出載波相位觀測方程，并通過相對靜態(tài)定位模式對所列觀測方程進行求差運算，得到基線向量進而求解出雙差固定解[5]。簡單而言，就是根據(jù)已知點的坐標，確定位置基準，進行約束平差，求得定位點在當?shù)刈鴺讼档淖鴺?，從而得到沉降變形?shù)據(jù)，達到沉降觀測的目的。

根據(jù)GPS的工作原理，將其運用于換流站工程對閥廳及輔控樓等關鍵部位的沉降觀測工作可以分為以下步驟。

（1）對測點進行平面規(guī)劃。根據(jù)觀測目的，初步找準建筑物關鍵沉降部位，在圖上選點，然后到現(xiàn)場踏勘，保證現(xiàn)場能夠達到布置條件，確定工作點位。

（2）確定檢查點位。根據(jù)換流站平面布置總圖，先初步找出可以長期設置檢查觀測點的空置區(qū)域，再前往現(xiàn)場踏勘，對地質(zhì)信息進行復核，找到地質(zhì)條件最穩(wěn)定的點作為檢查點位。

（3）對觀測時間和觀測時段進行設計。針對施工階段和運營階段對沉降觀測的不同需求，設置合理的觀測時間和觀測周期，分別將間斷觀測下或整段觀測下所獲得的連續(xù)數(shù)據(jù)進行提取計算。

（4）對觀測值進行處理分析，作為換流站工程建設或后期運營維護的重要參考數(shù)據(jù)。

以某換流站工程中輔控樓與高端閥廳為例，輔控樓（23.7m×27.4m）與高端閥廳（91.5m×37.5m）相連，長度方向約115m，位于站內(nèi)道路旁，若采用傳統(tǒng)沉降觀測法十分不便。若引進GPS技術用于沉降觀測，可假定于兩建筑物關鍵部位（如柱腳點、拐點）設置沉降工作點（三角形標志），再于道路外側空間允許且地質(zhì)情況穩(wěn)定的地方設置檢查點（圓形標志），這樣就形成了虛線范圍內(nèi)的觀測網(wǎng)，如圖1所示。實際情況可根據(jù)觀測需求以及現(xiàn)場實際空間狀況進行調(diào)整。

圖1 某換流站GPS觀測網(wǎng)理想布置圖

4 結束語

在沉降觀測領域，GPS技術具有穩(wěn)定、成熟和實時等優(yōu)點，已經(jīng)在一些工程中得到應用。在換流站工程中，尤其是閥廳和輔控樓等對沉降敏感的建筑物，引入GPS沉降觀測技術，合理布置觀測網(wǎng)點，能夠?qū)崿F(xiàn)三維的實時變形監(jiān)控，這對未來換流站工程的前期建設、后期運營都能帶來極大的便利。