韓云文，張進(jìn)，李禺，胡本建，馬如坤

(1，四川省能源投資集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川成都610016;2，四川中水成勘院測(cè)繪工程有限責(zé)任公司，四川成都 610072)

1 概述

位于四川省藏族羌族自治州汶川縣境內(nèi)的沙牌水電站碾壓混凝土拱壩為20世紀(jì)末世界上在建最高的碾壓混凝土拱壩，最大壩高132 m。水庫(kù)正常蓄水位高程1866 m，死水位高程1825 m，總庫(kù)容0.18億m3，電站裝機(jī)容量為36 MW，2002年5月進(jìn)行首次蓄水。樞紐主要由碾壓混凝土拱壩、右岸兩條泄洪洞、右岸引水隧洞和發(fā)電廠房等建筑物組成。監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)以安全監(jiān)測(cè)為主，將位移、溫度和滲流滲壓監(jiān)測(cè)內(nèi)容做為重點(diǎn)，其中壩體及基礎(chǔ)的垂直位移利用水準(zhǔn)點(diǎn)及靜力水準(zhǔn)儀進(jìn)行監(jiān)測(cè)。高程1850 m 和高程1810 m 拱圈在其廊道內(nèi)拱冠位置布置了一個(gè)水準(zhǔn)點(diǎn)，左右岸垂線位置各布置了一個(gè)水準(zhǔn)點(diǎn)。而壩基垂直位移監(jiān)測(cè)則利用高程1750 m 基礎(chǔ)廊道內(nèi)設(shè)置的靜力水準(zhǔn)儀進(jìn)行觀測(cè)，同時(shí)，在平硐末端布設(shè)了水準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行垂直位移絕對(duì)值觀測(cè)。

水平廊道高程1810 m 以及高程1750 m 基礎(chǔ)廊道之間由于地形條件及施工場(chǎng)地限制沒(méi)有設(shè)計(jì)岸坡廊道與其相連接，故上下廊道的水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)高程點(diǎn)的聯(lián)系測(cè)量成為一個(gè)重要的技術(shù)難點(diǎn)和重點(diǎn)。

根據(jù)文獻(xiàn)檢索，2000年長(zhǎng)江委設(shè)計(jì)院在三峽樞紐工程分層開(kāi)挖控制時(shí)應(yīng)用過(guò)高程傳遞;2007年河海大學(xué)在蘇通大橋測(cè)控中應(yīng)用了高程傳遞測(cè)量方法。而在碾壓混凝土高拱壩廊道間利用測(cè)量機(jī)器人精密測(cè)距實(shí)施高程傳遞測(cè)量尚屬首次。筆者針對(duì)高程1810～1750 m 廊道高程傳遞的難題，探討了如何利用測(cè)量機(jī)器人精密測(cè)距的方法解決該問(wèn)題。數(shù)據(jù)結(jié)果表明，該方法穩(wěn)定可靠。

2 水平廊道高程1810～1750 m 基礎(chǔ)廊道高程傳遞系統(tǒng)的組成

將沙牌水電站碾壓混凝土拱壩拱冠高程1810～1750 m 電梯井緊急通道作為高程傳遞測(cè)量通道。筆者作為設(shè)計(jì)方參加了與業(yè)主、成都經(jīng)緯儀器有限責(zé)任公司三方合作的水平廊道高程1810～1750 m 基礎(chǔ)廊道之間的高程傳遞工作，成功解決了廊道間高程的聯(lián)系測(cè)量問(wèn)題，現(xiàn)介紹給同行并與之共勉。本次高程聯(lián)系測(cè)量系統(tǒng)硬件組成如下:(1)TCA2003測(cè)量機(jī)器人1臺(tái)及可升降腳架;(2)天寶DiNi12電子水準(zhǔn)儀1臺(tái)及條形碼銦鋼尺、可升降腳架;(3)徠卡ZNL 天底天頂儀1臺(tái)及腳螺旋、腳架;(4)徠卡高程傳遞直角棱鏡組1套;(5)徠卡單棱鏡帶單框2套;(6)廊道照明設(shè)備若干。

3 高程聯(lián)系測(cè)量過(guò)程

目前，TCA2003測(cè)量機(jī)器人的測(cè)距精度已達(dá)到1/50萬(wàn)，如在60 m 的較短距離上可達(dá)到1.06 mm，相對(duì)精度可達(dá)0.12 mm，若能精確測(cè)定在垂直方向上的距離，即能勝任高程傳遞工作。為此，需要一個(gè)嚴(yán)密的光學(xué)器件直角棱鏡組將水平方向的測(cè)距轉(zhuǎn)換為垂直方向的測(cè)距，使測(cè)量機(jī)器人的測(cè)距由垂直距離和水平距離組成，即:水平距離+垂直距離，其中水平距離可由測(cè)距精確測(cè)定，則垂直距離即可由測(cè)定全程距離減去水平距離得到。

如圖1所示:圖中A 點(diǎn)為高程1810 m 廊道埋設(shè)的永久水準(zhǔn)點(diǎn)，編號(hào)BM-T2，G 點(diǎn)為高程1810 m 廊道水準(zhǔn)儀設(shè)站位置，C’點(diǎn)為高程1810 m 廊道高程傳遞井口直角棱鏡組中心位置;C 點(diǎn)為高程1750 m 基礎(chǔ)廊道高程傳遞井下方埋設(shè)的臨時(shí)水準(zhǔn)標(biāo)志點(diǎn)(因該點(diǎn)不易長(zhǎng)期保存，系臨時(shí)需要設(shè)置)。H 點(diǎn)為高程1750 m 廊道水準(zhǔn)儀設(shè)站位置，B 點(diǎn)為1750 m 廊道永久水準(zhǔn)點(diǎn)，編號(hào)為BM-3。A 點(diǎn)與C 點(diǎn)之間的高差值為:

圖1 高程連續(xù)測(cè)量示意圖

其中:

SAC為測(cè)量機(jī)器人通過(guò)直角棱鏡測(cè)得的全程距離;

SAC'為測(cè)量機(jī)器人測(cè)得的水平距離;

hA為全站儀儀器高(可通過(guò)水準(zhǔn)測(cè)量精確求取);

hC為反射棱鏡高(高度量測(cè)精度低);

δ為直角棱鏡組反射常數(shù)(通過(guò)兩個(gè)已知水準(zhǔn)點(diǎn)求取)。

4 高程聯(lián)系測(cè)量工作程序

步驟1:將測(cè)量機(jī)器人架設(shè)在高程1810 m 廊道水準(zhǔn)點(diǎn)A 點(diǎn)上，將ZNL 天底儀架設(shè)在高程傳遞井口位置。ZNL 天底儀的功能是確定天底方向的垂線;在高程1750 m 基礎(chǔ)廊道高程傳遞井下方臨時(shí)水準(zhǔn)標(biāo)志點(diǎn)C 點(diǎn)上架設(shè)徠卡精密反射棱鏡(需要注意的是:為了工作方便，C 點(diǎn)可臨時(shí)設(shè)置)。將精密水準(zhǔn)儀架設(shè)在全站儀和ZNL 之間的G 點(diǎn)上，并保證兩者的距離相等。調(diào)整并整平ZNL 天底儀，使天底儀的十字絲和天底儀發(fā)射的投點(diǎn)紅色激光光斑點(diǎn)精確對(duì)準(zhǔn)反射棱鏡中心，即保證順利投點(diǎn)。

將ZNL 天底垂線儀撤下，換上徠卡專用直角反射棱鏡組;調(diào)整水準(zhǔn)儀腳架和腳螺旋，使水準(zhǔn)儀的十字絲精確照準(zhǔn)直角反射棱鏡中心;將水準(zhǔn)儀照準(zhǔn)測(cè)量機(jī)器人并調(diào)整全站儀可升降腳架，使全站儀中心與水準(zhǔn)儀中心重合;配置測(cè)量機(jī)器人豎盤讀數(shù)，使讀數(shù)為900+指標(biāo)差，這時(shí)，用水平微動(dòng)螺旋使全站儀照準(zhǔn)直角反射棱鏡，并通過(guò)直角反射棱鏡在水平方向上的旋轉(zhuǎn)，使全站儀的十字絲與直角棱鏡下方的反射棱鏡中心重合后即可用全站儀進(jìn)行測(cè)距，得出水平距離+垂直距離的數(shù)值(SAC的全程距離)。若要求得SAC’的水平距離，可將直角反射棱鏡取下，換上徠卡反射鏡進(jìn)行測(cè)量即可。直角反射棱鏡組的棱鏡常數(shù)已由廠商提供，δ為0.21006 m。根據(jù)公式(1)，即可求取兩個(gè)廊道水準(zhǔn)點(diǎn)間的高差值。

步驟2:在使用公式(1)進(jìn)行計(jì)算中，由于hC(反射棱鏡高度量測(cè))誤差難以控制，將影響高程傳遞計(jì)算值的精確度，故在計(jì)算時(shí)，不再量取C點(diǎn)上反射棱的棱鏡高，不加入該項(xiàng)數(shù)據(jù)，而直接采用公式(2)進(jìn)行計(jì)算:

公式(2)計(jì)算的高差為水準(zhǔn)點(diǎn)A 點(diǎn)和臨時(shí)水準(zhǔn)點(diǎn)C 點(diǎn)上棱鏡中心點(diǎn)間的高差。由于C 點(diǎn)為臨時(shí)設(shè)置點(diǎn)，因此，必須將高程傳遞至永久水準(zhǔn)點(diǎn)BM-3上。

步驟3:在高程1750 m 廊道C 點(diǎn)和BM-3點(diǎn)間的固定位置H 架設(shè)電子水準(zhǔn)儀，并確保水準(zhǔn)儀至C 點(diǎn)棱鏡及BM-3水準(zhǔn)標(biāo)尺的距離相等。水準(zhǔn)儀的腳架為可升降腳架，整平水準(zhǔn)儀后，調(diào)整升降腳架螺旋，使水準(zhǔn)儀十字絲與C 點(diǎn)反射棱鏡中心重合，同時(shí)，在B 點(diǎn)豎立水準(zhǔn)尺。

BM-3點(diǎn)高程:

式中 HA 為高程1810 m 廊道永久水準(zhǔn)點(diǎn)BMT2的高程;

ΔH'為水準(zhǔn)點(diǎn)A 點(diǎn)(編號(hào):BM-T2)和下部臨時(shí)水準(zhǔn)點(diǎn)C 點(diǎn)上棱鏡中心點(diǎn)的高差;

b 為BM-3水準(zhǔn)標(biāo)尺的讀數(shù)。

上述步驟重復(fù)觀測(cè)兩次，合格后高差取平均值進(jìn)行計(jì)算。

5 高程聯(lián)系測(cè)量觀測(cè)數(shù)據(jù)及精度估算

5.1 觀測(cè)數(shù)據(jù)分析

2002年7月的觀測(cè)數(shù)據(jù)如下，水平距離+垂直距離(SAC)見(jiàn)表1。

由表3計(jì)算可知:用高程傳遞系統(tǒng)所測(cè)得的高差與2002年兩次觀測(cè)平差后的高差之差較小，分別為:1.18 mm 和0.71 mm，滿足規(guī)范對(duì)高差校核的要求。

水平距離(SAC’)觀測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表1 全程距離測(cè)量數(shù)據(jù)表

表2 水平廊道距離測(cè)量數(shù)據(jù)表

儀器高:hA=1.4799 m，按照公式(2)計(jì)算ΔH'=SAC-SAC’-hA-δ=58.65901(m)

b=1.38635 m ，故ΔH'+b=60.04438(m)。

根據(jù)2002年4月和2002年5月精密水準(zhǔn)測(cè)量觀測(cè)數(shù)據(jù)平差結(jié)果，從同一個(gè)水準(zhǔn)工作基點(diǎn)B5、B5-1聯(lián)測(cè)至基礎(chǔ)廊道BM-3點(diǎn)以及BM-T2點(diǎn)的高程值見(jiàn)表3。

表3 高差比較數(shù)據(jù)表

5.2 觀測(cè)精度計(jì)算

6 結(jié)語(yǔ)

(1)利用天底天頂儀進(jìn)行豎井鉛垂線測(cè)量，利用直角棱鏡進(jìn)行高程聯(lián)系測(cè)量具有速度快、精度高的特點(diǎn)。(2)由于上部廊道和下部廊道溫差較大，傳遞井中有風(fēng)擺效應(yīng)且有小水滴，現(xiàn)場(chǎng)造成測(cè)距數(shù)據(jù)獲取靈敏反應(yīng)不夠。通過(guò)關(guān)閉上下廊道檢修門并調(diào)整照明光源，解決了該問(wèn)題。(3)通過(guò)完善現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)條件、提高操作人員的熟練程度，加上彎管目鏡可以實(shí)現(xiàn)往返觀測(cè)，將進(jìn)一步提高高程聯(lián)系測(cè)量的精確度和可靠性。

［1］國(guó)家一、二等水準(zhǔn)測(cè)量規(guī)范，GB/T12897-2006［S］.