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摘要：南水北调东线工程一期山东段主体已经建成，建设期布设的测量控制网级别较低，且在施工过程中测量基点破坏较为严重。为满足工程运行初期渠道及主要建筑物安全监测要求，在南水北调东线一期工程山东境内测设了全线统一的变形监测网。以该监测网鲁南段为例，采用GNSS方法与高等级几何水准测量方法获取数据，系统论述了建设变形监测网的观测方案、技术指标、数据处理以及平差精度分析等内容。结果表明：高等级、高精度变形监测网的建成，为工程运行管理、变形监测提供了统一的控制基准，采用GNSS方法建设变形监测网，在作业精度、工作效率，监测连续性、实时性、受外界干扰小等方面体现出很大的优越性。南水北调东线一期工程山东段变形监测网的测设技术可为类似大型输水工程变形监测项目提供参考。
关 键 词：变形监测网;测量基准点;GNSS;南水北调东线工程
中图法分类号：P22
文献标志码：A
文章编号：1001-4179（2021）09-0136-07
DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.09.022
0 引 言
南水北调工程是解决中国北方地区水资源严重短缺问题的战略性工程，东线工程跨长江、淮河、黄河和海河四大流域，京杭运河将其联通。南水北调东线工程山东段从长江下游江苏扬州江都抽引长江水，利用京杭大运河及与其平行的河道以及洪泽湖、骆马湖输水至山东省的南四湖、东平湖。出东平湖后，分为南北、东西两条输水干线，一条向北，穿过黄河，输水到鲁北地区、河北东部及天津地区;另一条向东，通过胶东地区输水干线经济南输水到烟台、威海，南北、东西两条线路形成“T”型输水大动脉，全长
1 191 km，其中南北干线长487 km，东西干线长704 km。
对南水北调东线一期工程山东段展开安全监测工作是监控输水渠道及主要水工建筑物安全、掌握调水运行规律、指导施工、反馈设计的重要手段之一[1]，高精度的变形监测网也是确保监测成果可靠有效的基础。南水北调东线一期山东段工程主体已经于2013年底完工，目前处于工程运行初期。由于山东段工程设计阶段缺乏全线统一的高精度控制网，各设计单元之间没有高精度基准点或者基准点点位选择离建筑物太近，导致工作基点无法校核，不能按安全监测相关技术要求开展安全监测工作，因此有必要进行变形监测网建设工作[2-4]。本文主要对南水北调东线一期工程山东段变形监测网的监测点布設、水平与垂直位移观测数据获取、精密数据处理计算等进行阐述与研究，以期能为类似大型输水工程变形监测项目提供参考与借鉴作用。
1 监测范围与要求
1.1 监测范围
南水北调东线一期工程山东段变形监测网范围主要为工程沿线新建的3座大型水库、7座泵站、1座穿黄河枢纽工程，以及渠道上重点水工建筑物（闸、倒虹吸）等近90余座。
1.2 监测内容
监测网测设的主要内容包括基准网、工作网以及监测网建设3部分。基准网建设内容涉及基准点选点、埋石、观测与复测等;工作网建设内容包括工作基点的补充、改造、观测与复测等;监测网建设包括监测点的改造、完善及初始值获取观测等内容。
1.3 精度要求
变形监测的等级与精度要求取决于变形体设计时允许的变形值的大小和进行变形测量的目的。目前一般认为，如果观测目的是为了变形值不超过某一允许的数值从而确保建筑物的安全，则其观测的中误差应小于允许变形值的1/10～1/20[5];如果观测目的是为了研究其变形过程，则其观测精度还应更高。该工程水平位移网基准点采用B级GNSS精度观测;工作基点采用C级GNSS精度观测;监测点采用双测站极坐标法观测，观测等级为变形监测二等。垂直位移网国家高等级水准起算点至基准点、工作基点之间的联测按一等水准测量等级观测;基准点、工作基点至渠道及其他建筑物监测点按二等水准测量等级观测[6]。
1.4 仪器要求
水平位移网观测采用徕卡GS15型双频三星GNSS接收机，其标称精度为±（5 mm+1×10-6D），其中D为两点间的距离，km。垂直位移网观测采用徕卡DNA03型±0.3 mm/km电子水准仪观测，监测点水平位移观测采用测角精度为0.5″的徕卡TS30、TS50型测量机器人观测。
2 监测网布设
变形监测网由基准点、工作基点、变形监测点组成，可以分监测基准网和监测工作网2个层次布设[7]。
2.1 基准点布设
为方便使用，节约经费，该工程中水平位移基准点与垂直位移基准点共用，观测标志分别设置[8-9]。水库、泵站、穿黄河枢纽工程基准点各建设一组，每组3个;渠道建筑物每处新建设一个基准点，整个工程共布设新建基准点49座。一般规范规定，基准点应建立在变形区外稳固的基岩或坚实的原状土基上[8]，基于南水北调山东线工程东段水工建筑物附近回填土较深的现状，该工程升级了规范要求的基准点埋设深度，要求基准点底座埋入土层深度不小于3.0 m，原则上不建议埋设在回填土上。根据查勘结果，该工程基准点大部分选在水库、泵站或者穿黄枢纽及水工建筑物附近0.5～3.0 km范围内易于保存的南水北调东线管理机构院内[10-11];基准点按GNSS基本标石规格建设，顶部安装了强制归心装置。基准点建设规格断面见图1，建成样品见图2。
2.2 工作基点布设
工作基点一般宜设置在靠近观测区的相对稳定区域[8]，该工程工作基点均设置于水工建筑物附近范围内，其底座埋入土层深度大于3.0 m，位置选择一般使其点位与监测点构成对观测精度有利的观测图形，并方便观测。该工程工作基点新建8座，改造已有工作基点128座。
2.3 监测点布设
监测点分水平位移监测点、垂直位移监测点和水平垂直位移结合监测点，观测点的设置应代表该处岩土体的变化特征，垂直位移监测点与水平位移监测点同点布设。该工程中变形监测点位原则上不再重新布设，直接使用工程建设期建造的监测点，个别不适合观测的点进行现场改造使用，共计改造变形监测点486个。 3 监测网观测
3.1 水平位移网观测（以鲁南段为例）
3.1.1 观测方案
（1）水平位移基准网布设为B级GNSS控制网，在泵站、穿黄河枢纽工程和渠道建筑物附近布设基准点，用以联测国家IGS基准站。由于南水北调东线一期工程鲁南段输水线路较长，各设计单元工程间距近的约10 km，远的有20～30 km，而各设计单元工程监测基准点间距在1 km左右，如果同时联合观测，边长相差悬殊，图形结构强度较弱，对网的相对精度影响较大。因此，该工程中水平位移监测基准网按设计单元工程分区，以鲁南段工程为例，台儿庄泵站与大泛口节制闸合为一区，潘庄引河闸与韩庄泵站合为一区，其他各个单元工程各自为一区。各区独立组网，联测设计单元工程附近的国家IGS基准站点作为起算点，共组建8个水平位移监测基准网，按GNSS B级网精度施测。
（2）水平位移工作网布设为C级GNSS控制网，联测部分基准点和全部工作基点。为提高工作基点观测效率，观测方式采用与基准网点同步观测的点模式进行。
（3）根据建筑物级别的精度要求，监测点水平位移观测方法采用双测站极坐标法，不能满足双测站极坐标法观测的点采用单测站极坐标法观测，观测等级为变形监测二等。
3.1.2 技术指标要求
（1）所有GNSS控制点须组成空间三角形及空间大地四边形，以加强GNSS网的几何强度。B、C级GNSS基准网测量观测技术要求见表1。
（2）为确保GNSS原始数据观测质量可靠有效，该工程数据质量检查采用了专用软件TEQC进行，检查内容主要包括了观测卫星总数、中断次数、有效观测时间、同步观测时间、数据可利用率、L1，L2频率的多路径效应影响MP1/MP2、GNSS接收机钟飘率等，确保外业观测数据合格可使用。
（3）该工程B级GNSS网基线数据处理采用精密星历解算、高精度数据处理专用软件GAMIT，C级GNSS网基线解算采用广播星历、随接收机配备的商用软件LGO。
（4）监测点水平位移观测基本技术要求如下：
3.1.3 数据处理与平差精度
（1）水平位移基准网B级GNSS数据处理采用美国麻省理工学院的GAMIT/GLOBK软件10.60版本。依据外业观测资料，将观测数据按年积日及观测时段整理后，数据格式统一转成GNSS 通用格式Rinex。基线解算收集了测区周邊的LNDD、LNHL、BJFS、HELY、HAHB、HAQS、AHAQ、TAIN、JSLY、SDRC共10个国家IGS基准站作为起算基准站。经过同步环Nrms值统计、同步环闭合差、复测基线等核验，基线整体解算精度较高。
在2000国家大地坐标系下，约束该工程所选取的LNDD、LNHL、BJFS、HELY、HAHB、HAQS、AHAQ、TAIN、JSLY、SDRC 10个国家基准站，做三维约束平差，获得该工程B级GNSS点2000国家大地坐标系坐标。
水平位移基准网两次独立观测平差精度评定见表2。由表2可知：① B级GNSS点第1次观测平差后南北分量的中误差平均值为±0.5 mm，最大值为±0.8 mm;东西分量的中误差平均值为±0.5 mm，最大值为±0.7 mm;垂直分量的中误差平均值为±2.1 mm，最大值为±3.2 mm。 ② B级GNSS点第2次观测平差后南北分量的中误差平均值为±0.5 mm，最大值为±0.8 mm;东西分量的中误差平均值为±0.5 mm，最大值为±0.7 mm;垂直分量的中误差平均值为±2.1 mm，最大值为±3.2 mm。可见，水平位移基准网两次观测成果精度均能够满足规程规范和技术设计书要求。
（2）水平位移工作网C级GNSS数据处理采用徕卡Leica Geo Office（V7.0）数据处理软件和武汉大学COSA GNSS数据处理软件共同对算完成。在数据进行预处理后，将工程分为8个独立网分别进行解算。选取27个基准点作为起算点，在2000国家大地坐标系下，进行三维约束平差，各分部工程采用单点解算的方法获得每个工程范围内的工作基点的成果。统计两次独立观测各工作基点的点位中误差精度，如表3所列。
由表3可知：① C级GNSS点第1次观测平差后的CGCS2000坐标X分量的中误差平均值为±2.4 mm，最大值为±3.4 mm;Y分量的中误差平均值为±2.0 mm，最大值为±2.8 mm;大地高的中误差平均值为±5.8 mm，最大值为±8.4 mm。② C级GNSS点第2次观测平差后的CGCS2000坐标X分量的中误差平均值为±2.4 mm，最大值为±3.2 mm;Y分量的中误差平均值为±2.0 mm，最大值为±2.7 mm;大地高的中误差平均值为±5.8 mm，最大值为±7.8 mm。由此可见，水平位移工作网观测精度能满足相应规程规范要求。
（3）变形监测点水平位移数据处理软件采用了徕卡商用变形数据管理系统、清华三维数据处理系统等。水平位移监测点外业数据必须经过高斯投影边长改化后方可调入数据处理软件，以监测点位附近的基准点和工作基点作为起算点，通过极坐标法进行平差计算，以双测站观测成果进行精度评定，统计结果如表4所列。通过表4分析可见：采用全站仪双测站获取的水平位移监测点坐标精度除个别点受观测距离长、起算点精度引起的误差较大外，其他点精度较好。
3.2 垂直位移网观测（以鲁南段为例）
3.2.1 观测方案
根据南水北调工程相关规程，垂直位移基准网建设成与国家高等级水准点联测的独立高程网，基准点、工作基点至泵站、穿黄河枢纽工程建筑物监测点按一等水准测量等级观测;基准点、工作基点至渠道及其他建筑物监测点按二等水准测量等级观测。因为鲁南段7个泵站和穿黄河枢纽工程中垂直位移监测点均采用一等水准测量方法观测，故本文只介绍一等水准观测相关内容。该工程以山东省测绘基准体系优化升级的成果（2017年）为起算数据进行与国家水准网的联测，联测前对国家等级水准点成果进行了必要的校核检测。 鲁南段以万年闸泵站为例，垂直位移监测网观测方案与路线如图3所示。距离该泵站最近的水准点是离泵站约18.0 km的国家II1604（B044）台儿庄下，可以作为起算点进行高程独立网观测，联测校标点为国家I徐临19上，其概略路线如图3所示。
3.2.2 技术指标要求
（1）观测方式采用一、二等水準测量采用单路线往返测。
（2）观测的时间与气象条件应确保水准观测在标尺分划线成像清晰而稳定时进行。
（3）设站测量中的各项规定主要包括仪器设置、测站限差参数设置、作业设置、通讯设置等。
（4）为提高观测效率与成果精度，本工程水准外业测量使用了测距轮进行距离测量，水准尺使用了支撑杆、尺桩等辅助测量工具。
（5）主要精度指标如表5～6所列。
3.2.3 数据处理与平差精度
（1）观测数据预处理。该工程外业记录采用设备固化软件自动记录，测段小结、高差表、每千米水准测量偶然中误差的计算均采用软件程序自动完成。编算外业高差和概略高程表加入的改正数有：水准标尺长度改正数、水准标尺温度改正、正常水准面不平行改正数、环线闭合差改正。使用高差改正后的数据，按线路进行附合路线闭合差计算、按环线进行闭合差计算。计算的每千米水准测量的偶然中误差MΔ和每千米水准测量的全中误差Mω应符合表6规定。
（2）数据整理。一等水准网内业数据划分为18条路线进行整理，数据整理程序直接读取外业概略高差表文件，需要注意的是，数据整理应该随时与外业资料进行核对。
（3）水准概算。水准概算概略高程的目的是为了给后续计算各项改正数提供概略高程，推算时高差中数中应加入水准标尺长度改正。为此，施工单位在进行一等水准测量时，使用的水准标尺必须在测前、测后两次在国家计量检定单位进行标尺检定以获取检定值。之后是进行水准标尺长度改正、正常水准面不平行改正、重力异常改正、固体潮改正、海潮负荷改正等各种改正数计算。
用一等水准路线高差不符值计算的每千米水准测量偶然中误差，第1次独立观测为±0.27 mm，第2次观测为±0.26 mm。
环闭合差计算及每千米水准测量全中误差计算：鲁南段一等水准网18条路线共形成9个闭合环，环闭（附）合差计算见表7～8。
（4）平差计算。该工程一等水准路线平差时以联测的国家一等水准点和山东省测绘基准体系优化升级工程高程控制网二等水准点为起算点，共使用了1604（B044）（台儿庄）下、Ⅱ成官32、Ⅱ东济12、Ⅰ徐临19上、Ⅰ兖徐37、Ⅱ黑济10-1、Ⅱ黑安9-2、Ⅰ邯兖55-1、Ⅰ兖徐45基（06）上等9个点作为起算数据。
一等水准网数据处理采用自然资源部大地测量数据处理中心自主开发的“精密水准测量数据处理软件”，一等水准网平差采用间接平差法，以加过标尺长度改正、正常水准面不平行改正、重力异常改正、固体潮改正、海潮负荷改正后的往返测高差中数为元素、待定结点高程为未知数，按路线测站数定权进行结点平差。当结点高程及路线高差平差改正量计算完成后，采用附合路线平差的方法推求其它各水准点的高程。
（5）精度评定。一等水准网平差路线条数NC=18，已知点总个数NA=9，水准结点总个数NB=18，未知结点总个数N=9。高程控制网平差后每公里中误差和最弱点高程中误差统计结果如表9所列。
通过平差结果精度分析，该工程垂直位移监测网的两次观测高程较差均在2mm以内，根据规范要求，最终取两次观测的平均值作为该工程基准点和工作基点的高程成果。
3.2.4 成果分析
2019年度山东省水利勘测设计院对该项目基准网进行了复测，复测技术要求与2018年度初始值观测完全一致，得到的基准点与工作基点垂直位移较差如表10所列。
由表10两期成果分析可知，5处水工建筑物2018年和2019年两个年度监测的基准点与工作基点垂直位移成果绝大多数较差在5 mm以内，可以认为该较差属于测量本身误差。其中八里湾泵站工程中7座监测基点有6座抬升达到cm级，1座下沉6 mm。综合分析认为，因为整个南水北调工程山东段施工建设均是同期进行，在其它建筑物都监测稳定的情况下，仅该处建筑物出现垂直位移整体抬升的可能性较小，且该处地质条件较好，因此判定该处建筑物起算点下沉导致监测点抬升的可能性较大（该结论尚待我院于2020年度第二次基网复测时进一步验证）。另外，其中1座监测基点下沉6 mm，通过综合分析，认为该点是由于雨季地基出现问题（该点属借用已有基础改造点位），导致其整体下沉量超出起算点下沉量所致。由此可见，各级监测点的建设规格以及建成以后是否经过雨季或者冻融期，会直接影响变形监测成果的稳定性分析及结论判定。
4 结论与建议
（1）高等级、高精度的GNSS技术应用于南水北调东线一期工程山东段变形监测工程，极大提高了监测网的水平位移精度与工作效率，同时在监测的连续性、实时性以及受外界干扰小等方面也体现出了很大的优越性。
（2）高等级、高精度的精密几何水准测量仍然是大型精密工程变形监测网垂直位移获取最值得信赖的技术手段，最新的数字化水准测量设备与全自动数据处理系统是提高外业工作效率，减少人为误差积累的有效保障。
（3）虽然基准点与工作基点的建设规格与形式较规范相比进行了创新性的升级改造，但是根据监测结果显示，个别监测点垂直位移方向仍发生了高程抬升现象，分析原因可能是起算点或者工作基点发生了沉降所致。因此，起算点成果的验证分析，各级监测点建成后经过一个雨季或者冻融季的稳定期后再进行外业测量，对于提高变形监测成果的稳定性与真实性非常重要。
（4）长期多次的监测数据对于建筑物的变形分析更加准确也更加合理。因此根据建筑物变形监测规范要求及工程运行情况，进行长期周期性的观测是很有必要的。
（5）南水北调东线一期工程山东段变形监测网的建成，必将为南水北调东线一期山东段工程运行管理、变形监测提供统一的坐标系统，统一的高程系统，统一的控制基准，为调度运行实现对水位及流量的精确控制，同时也为即将开展的东线二期工程改扩建打下良好的基础，极大的发挥“一网多用”的作用。
参考文献：
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[10] 李乔，付超云，陈勤.南水北调中线渠道通过煤矿采空区变形监测设计研究[J].城市勘测，2017（1）：134-136.
[11] 魏波.GPS技术与数据处理在水利水电工程变形监测中的应用[J].河南水利与南水北调，2016（5）：68-69.
（编辑：刘 媛）
关 键 词：变形监测网;测量基准点;GNSS;南水北调东线工程
中图法分类号：P22
文献标志码：A
文章编号：1001-4179（2021）09-0136-07
DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.09.022
0 引 言
南水北调工程是解决中国北方地区水资源严重短缺问题的战略性工程，东线工程跨长江、淮河、黄河和海河四大流域，京杭运河将其联通。南水北调东线工程山东段从长江下游江苏扬州江都抽引长江水，利用京杭大运河及与其平行的河道以及洪泽湖、骆马湖输水至山东省的南四湖、东平湖。出东平湖后，分为南北、东西两条输水干线，一条向北，穿过黄河，输水到鲁北地区、河北东部及天津地区;另一条向东，通过胶东地区输水干线经济南输水到烟台、威海，南北、东西两条线路形成“T”型输水大动脉，全长
1 191 km，其中南北干线长487 km，东西干线长704 km。
对南水北调东线一期工程山东段展开安全监测工作是监控输水渠道及主要水工建筑物安全、掌握调水运行规律、指导施工、反馈设计的重要手段之一[1]，高精度的变形监测网也是确保监测成果可靠有效的基础。南水北调东线一期山东段工程主体已经于2013年底完工，目前处于工程运行初期。由于山东段工程设计阶段缺乏全线统一的高精度控制网，各设计单元之间没有高精度基准点或者基准点点位选择离建筑物太近，导致工作基点无法校核，不能按安全监测相关技术要求开展安全监测工作，因此有必要进行变形监测网建设工作[2-4]。本文主要对南水北调东线一期工程山东段变形监测网的监测点布設、水平与垂直位移观测数据获取、精密数据处理计算等进行阐述与研究，以期能为类似大型输水工程变形监测项目提供参考与借鉴作用。
1 监测范围与要求
1.1 监测范围
南水北调东线一期工程山东段变形监测网范围主要为工程沿线新建的3座大型水库、7座泵站、1座穿黄河枢纽工程，以及渠道上重点水工建筑物（闸、倒虹吸）等近90余座。
1.2 监测内容
监测网测设的主要内容包括基准网、工作网以及监测网建设3部分。基准网建设内容涉及基准点选点、埋石、观测与复测等;工作网建设内容包括工作基点的补充、改造、观测与复测等;监测网建设包括监测点的改造、完善及初始值获取观测等内容。
1.3 精度要求
变形监测的等级与精度要求取决于变形体设计时允许的变形值的大小和进行变形测量的目的。目前一般认为，如果观测目的是为了变形值不超过某一允许的数值从而确保建筑物的安全，则其观测的中误差应小于允许变形值的1/10～1/20[5];如果观测目的是为了研究其变形过程，则其观测精度还应更高。该工程水平位移网基准点采用B级GNSS精度观测;工作基点采用C级GNSS精度观测;监测点采用双测站极坐标法观测，观测等级为变形监测二等。垂直位移网国家高等级水准起算点至基准点、工作基点之间的联测按一等水准测量等级观测;基准点、工作基点至渠道及其他建筑物监测点按二等水准测量等级观测[6]。
1.4 仪器要求
水平位移网观测采用徕卡GS15型双频三星GNSS接收机，其标称精度为±（5 mm+1×10-6D），其中D为两点间的距离，km。垂直位移网观测采用徕卡DNA03型±0.3 mm/km电子水准仪观测，监测点水平位移观测采用测角精度为0.5″的徕卡TS30、TS50型测量机器人观测。
2 监测网布设
变形监测网由基准点、工作基点、变形监测点组成，可以分监测基准网和监测工作网2个层次布设[7]。
2.1 基准点布设
为方便使用，节约经费，该工程中水平位移基准点与垂直位移基准点共用，观测标志分别设置[8-9]。水库、泵站、穿黄河枢纽工程基准点各建设一组，每组3个;渠道建筑物每处新建设一个基准点，整个工程共布设新建基准点49座。一般规范规定，基准点应建立在变形区外稳固的基岩或坚实的原状土基上[8]，基于南水北调山东线工程东段水工建筑物附近回填土较深的现状，该工程升级了规范要求的基准点埋设深度，要求基准点底座埋入土层深度不小于3.0 m，原则上不建议埋设在回填土上。根据查勘结果，该工程基准点大部分选在水库、泵站或者穿黄枢纽及水工建筑物附近0.5～3.0 km范围内易于保存的南水北调东线管理机构院内[10-11];基准点按GNSS基本标石规格建设，顶部安装了强制归心装置。基准点建设规格断面见图1，建成样品见图2。
2.2 工作基点布设
工作基点一般宜设置在靠近观测区的相对稳定区域[8]，该工程工作基点均设置于水工建筑物附近范围内，其底座埋入土层深度大于3.0 m，位置选择一般使其点位与监测点构成对观测精度有利的观测图形，并方便观测。该工程工作基点新建8座，改造已有工作基点128座。
2.3 监测点布设
监测点分水平位移监测点、垂直位移监测点和水平垂直位移结合监测点，观测点的设置应代表该处岩土体的变化特征，垂直位移监测点与水平位移监测点同点布设。该工程中变形监测点位原则上不再重新布设，直接使用工程建设期建造的监测点，个别不适合观测的点进行现场改造使用，共计改造变形监测点486个。 3 监测网观测
3.1 水平位移网观测（以鲁南段为例）
3.1.1 观测方案
（1）水平位移基准网布设为B级GNSS控制网，在泵站、穿黄河枢纽工程和渠道建筑物附近布设基准点，用以联测国家IGS基准站。由于南水北调东线一期工程鲁南段输水线路较长，各设计单元工程间距近的约10 km，远的有20～30 km，而各设计单元工程监测基准点间距在1 km左右，如果同时联合观测，边长相差悬殊，图形结构强度较弱，对网的相对精度影响较大。因此，该工程中水平位移监测基准网按设计单元工程分区，以鲁南段工程为例，台儿庄泵站与大泛口节制闸合为一区，潘庄引河闸与韩庄泵站合为一区，其他各个单元工程各自为一区。各区独立组网，联测设计单元工程附近的国家IGS基准站点作为起算点，共组建8个水平位移监测基准网，按GNSS B级网精度施测。
（2）水平位移工作网布设为C级GNSS控制网，联测部分基准点和全部工作基点。为提高工作基点观测效率，观测方式采用与基准网点同步观测的点模式进行。
（3）根据建筑物级别的精度要求，监测点水平位移观测方法采用双测站极坐标法，不能满足双测站极坐标法观测的点采用单测站极坐标法观测，观测等级为变形监测二等。
3.1.2 技术指标要求
（1）所有GNSS控制点须组成空间三角形及空间大地四边形，以加强GNSS网的几何强度。B、C级GNSS基准网测量观测技术要求见表1。
（2）为确保GNSS原始数据观测质量可靠有效，该工程数据质量检查采用了专用软件TEQC进行，检查内容主要包括了观测卫星总数、中断次数、有效观测时间、同步观测时间、数据可利用率、L1，L2频率的多路径效应影响MP1/MP2、GNSS接收机钟飘率等，确保外业观测数据合格可使用。
（3）该工程B级GNSS网基线数据处理采用精密星历解算、高精度数据处理专用软件GAMIT，C级GNSS网基线解算采用广播星历、随接收机配备的商用软件LGO。
（4）监测点水平位移观测基本技术要求如下：
3.1.3 数据处理与平差精度
（1）水平位移基准网B级GNSS数据处理采用美国麻省理工学院的GAMIT/GLOBK软件10.60版本。依据外业观测资料，将观测数据按年积日及观测时段整理后，数据格式统一转成GNSS 通用格式Rinex。基线解算收集了测区周邊的LNDD、LNHL、BJFS、HELY、HAHB、HAQS、AHAQ、TAIN、JSLY、SDRC共10个国家IGS基准站作为起算基准站。经过同步环Nrms值统计、同步环闭合差、复测基线等核验，基线整体解算精度较高。
在2000国家大地坐标系下，约束该工程所选取的LNDD、LNHL、BJFS、HELY、HAHB、HAQS、AHAQ、TAIN、JSLY、SDRC 10个国家基准站，做三维约束平差，获得该工程B级GNSS点2000国家大地坐标系坐标。
水平位移基准网两次独立观测平差精度评定见表2。由表2可知：① B级GNSS点第1次观测平差后南北分量的中误差平均值为±0.5 mm，最大值为±0.8 mm;东西分量的中误差平均值为±0.5 mm，最大值为±0.7 mm;垂直分量的中误差平均值为±2.1 mm，最大值为±3.2 mm。 ② B级GNSS点第2次观测平差后南北分量的中误差平均值为±0.5 mm，最大值为±0.8 mm;东西分量的中误差平均值为±0.5 mm，最大值为±0.7 mm;垂直分量的中误差平均值为±2.1 mm，最大值为±3.2 mm。可见，水平位移基准网两次观测成果精度均能够满足规程规范和技术设计书要求。
（2）水平位移工作网C级GNSS数据处理采用徕卡Leica Geo Office（V7.0）数据处理软件和武汉大学COSA GNSS数据处理软件共同对算完成。在数据进行预处理后，将工程分为8个独立网分别进行解算。选取27个基准点作为起算点，在2000国家大地坐标系下，进行三维约束平差，各分部工程采用单点解算的方法获得每个工程范围内的工作基点的成果。统计两次独立观测各工作基点的点位中误差精度，如表3所列。
由表3可知：① C级GNSS点第1次观测平差后的CGCS2000坐标X分量的中误差平均值为±2.4 mm，最大值为±3.4 mm;Y分量的中误差平均值为±2.0 mm，最大值为±2.8 mm;大地高的中误差平均值为±5.8 mm，最大值为±8.4 mm。② C级GNSS点第2次观测平差后的CGCS2000坐标X分量的中误差平均值为±2.4 mm，最大值为±3.2 mm;Y分量的中误差平均值为±2.0 mm，最大值为±2.7 mm;大地高的中误差平均值为±5.8 mm，最大值为±7.8 mm。由此可见，水平位移工作网观测精度能满足相应规程规范要求。
（3）变形监测点水平位移数据处理软件采用了徕卡商用变形数据管理系统、清华三维数据处理系统等。水平位移监测点外业数据必须经过高斯投影边长改化后方可调入数据处理软件，以监测点位附近的基准点和工作基点作为起算点，通过极坐标法进行平差计算，以双测站观测成果进行精度评定，统计结果如表4所列。通过表4分析可见：采用全站仪双测站获取的水平位移监测点坐标精度除个别点受观测距离长、起算点精度引起的误差较大外，其他点精度较好。
3.2 垂直位移网观测（以鲁南段为例）
3.2.1 观测方案
根据南水北调工程相关规程，垂直位移基准网建设成与国家高等级水准点联测的独立高程网，基准点、工作基点至泵站、穿黄河枢纽工程建筑物监测点按一等水准测量等级观测;基准点、工作基点至渠道及其他建筑物监测点按二等水准测量等级观测。因为鲁南段7个泵站和穿黄河枢纽工程中垂直位移监测点均采用一等水准测量方法观测，故本文只介绍一等水准观测相关内容。该工程以山东省测绘基准体系优化升级的成果（2017年）为起算数据进行与国家水准网的联测，联测前对国家等级水准点成果进行了必要的校核检测。 鲁南段以万年闸泵站为例，垂直位移监测网观测方案与路线如图3所示。距离该泵站最近的水准点是离泵站约18.0 km的国家II1604（B044）台儿庄下，可以作为起算点进行高程独立网观测，联测校标点为国家I徐临19上，其概略路线如图3所示。
3.2.2 技术指标要求
（1）观测方式采用一、二等水準测量采用单路线往返测。
（2）观测的时间与气象条件应确保水准观测在标尺分划线成像清晰而稳定时进行。
（3）设站测量中的各项规定主要包括仪器设置、测站限差参数设置、作业设置、通讯设置等。
（4）为提高观测效率与成果精度，本工程水准外业测量使用了测距轮进行距离测量，水准尺使用了支撑杆、尺桩等辅助测量工具。
（5）主要精度指标如表5～6所列。
3.2.3 数据处理与平差精度
（1）观测数据预处理。该工程外业记录采用设备固化软件自动记录，测段小结、高差表、每千米水准测量偶然中误差的计算均采用软件程序自动完成。编算外业高差和概略高程表加入的改正数有：水准标尺长度改正数、水准标尺温度改正、正常水准面不平行改正数、环线闭合差改正。使用高差改正后的数据，按线路进行附合路线闭合差计算、按环线进行闭合差计算。计算的每千米水准测量的偶然中误差MΔ和每千米水准测量的全中误差Mω应符合表6规定。
（2）数据整理。一等水准网内业数据划分为18条路线进行整理，数据整理程序直接读取外业概略高差表文件，需要注意的是，数据整理应该随时与外业资料进行核对。
（3）水准概算。水准概算概略高程的目的是为了给后续计算各项改正数提供概略高程，推算时高差中数中应加入水准标尺长度改正。为此，施工单位在进行一等水准测量时，使用的水准标尺必须在测前、测后两次在国家计量检定单位进行标尺检定以获取检定值。之后是进行水准标尺长度改正、正常水准面不平行改正、重力异常改正、固体潮改正、海潮负荷改正等各种改正数计算。
用一等水准路线高差不符值计算的每千米水准测量偶然中误差，第1次独立观测为±0.27 mm，第2次观测为±0.26 mm。
环闭合差计算及每千米水准测量全中误差计算：鲁南段一等水准网18条路线共形成9个闭合环，环闭（附）合差计算见表7～8。
（4）平差计算。该工程一等水准路线平差时以联测的国家一等水准点和山东省测绘基准体系优化升级工程高程控制网二等水准点为起算点，共使用了1604（B044）（台儿庄）下、Ⅱ成官32、Ⅱ东济12、Ⅰ徐临19上、Ⅰ兖徐37、Ⅱ黑济10-1、Ⅱ黑安9-2、Ⅰ邯兖55-1、Ⅰ兖徐45基（06）上等9个点作为起算数据。
一等水准网数据处理采用自然资源部大地测量数据处理中心自主开发的“精密水准测量数据处理软件”，一等水准网平差采用间接平差法，以加过标尺长度改正、正常水准面不平行改正、重力异常改正、固体潮改正、海潮负荷改正后的往返测高差中数为元素、待定结点高程为未知数，按路线测站数定权进行结点平差。当结点高程及路线高差平差改正量计算完成后，采用附合路线平差的方法推求其它各水准点的高程。
（5）精度评定。一等水准网平差路线条数NC=18，已知点总个数NA=9，水准结点总个数NB=18，未知结点总个数N=9。高程控制网平差后每公里中误差和最弱点高程中误差统计结果如表9所列。
通过平差结果精度分析，该工程垂直位移监测网的两次观测高程较差均在2mm以内，根据规范要求，最终取两次观测的平均值作为该工程基准点和工作基点的高程成果。
3.2.4 成果分析
2019年度山东省水利勘测设计院对该项目基准网进行了复测，复测技术要求与2018年度初始值观测完全一致，得到的基准点与工作基点垂直位移较差如表10所列。
由表10两期成果分析可知，5处水工建筑物2018年和2019年两个年度监测的基准点与工作基点垂直位移成果绝大多数较差在5 mm以内，可以认为该较差属于测量本身误差。其中八里湾泵站工程中7座监测基点有6座抬升达到cm级，1座下沉6 mm。综合分析认为，因为整个南水北调工程山东段施工建设均是同期进行，在其它建筑物都监测稳定的情况下，仅该处建筑物出现垂直位移整体抬升的可能性较小，且该处地质条件较好，因此判定该处建筑物起算点下沉导致监测点抬升的可能性较大（该结论尚待我院于2020年度第二次基网复测时进一步验证）。另外，其中1座监测基点下沉6 mm，通过综合分析，认为该点是由于雨季地基出现问题（该点属借用已有基础改造点位），导致其整体下沉量超出起算点下沉量所致。由此可见，各级监测点的建设规格以及建成以后是否经过雨季或者冻融期，会直接影响变形监测成果的稳定性分析及结论判定。
4 结论与建议
（1）高等级、高精度的GNSS技术应用于南水北调东线一期工程山东段变形监测工程，极大提高了监测网的水平位移精度与工作效率，同时在监测的连续性、实时性以及受外界干扰小等方面也体现出了很大的优越性。
（2）高等级、高精度的精密几何水准测量仍然是大型精密工程变形监测网垂直位移获取最值得信赖的技术手段，最新的数字化水准测量设备与全自动数据处理系统是提高外业工作效率，减少人为误差积累的有效保障。
（3）虽然基准点与工作基点的建设规格与形式较规范相比进行了创新性的升级改造，但是根据监测结果显示，个别监测点垂直位移方向仍发生了高程抬升现象，分析原因可能是起算点或者工作基点发生了沉降所致。因此，起算点成果的验证分析，各级监测点建成后经过一个雨季或者冻融季的稳定期后再进行外业测量，对于提高变形监测成果的稳定性与真实性非常重要。
（4）长期多次的监测数据对于建筑物的变形分析更加准确也更加合理。因此根据建筑物变形监测规范要求及工程运行情况，进行长期周期性的观测是很有必要的。
（5）南水北调东线一期工程山东段变形监测网的建成，必将为南水北调东线一期山东段工程运行管理、变形监测提供统一的坐标系统，统一的高程系统，统一的控制基准，为调度运行实现对水位及流量的精确控制，同时也为即将开展的东线二期工程改扩建打下良好的基础，极大的发挥“一网多用”的作用。
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（编辑：刘 媛）