李軍安

（陜西省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 西安 710002)

1 概述

西安市輞川河引水李家河水庫工程攔河壩為碾壓混凝土拋物線雙曲拱壩，壩頂高程884m，最大壩高 98.5m，壩頂弧長(zhǎng) 351.71m，水庫正常蓄水位880.0m，水庫總庫容為5260萬m3，調(diào)節(jié)庫容為4400萬m3。水庫壩址處河谷深切呈“V”字型，河道狹窄，河床寬度僅15～30m。兩岸山坡陡峻，荊棘叢生、植被茂密、通行及通視條件較差。

樞紐區(qū)平面監(jiān)測(cè)三維控制網(wǎng)的建立是采用Leica TCA機(jī)載自動(dòng)監(jiān)測(cè)軟件實(shí)施。該操作系統(tǒng)簡(jiǎn)單，測(cè)站完成各項(xiàng)設(shè)置后，儀器可自動(dòng)照準(zhǔn)各目標(biāo)點(diǎn)，自動(dòng)測(cè)距、測(cè)角，并實(shí)時(shí)自動(dòng)檢查各項(xiàng)誤差，超限后自動(dòng)處理。同時(shí)，該系統(tǒng)后處理完善、規(guī)范，與之相配套的后處理軟件可以自動(dòng)生成與規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)方向觀測(cè)記錄手簿完全一致的報(bào)表等。

2 平面三維監(jiān)測(cè)網(wǎng)等級(jí)的選取

依據(jù) DL/T5178—2003《混凝土壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》的規(guī)定，大壩安全監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)報(bào)告中明確監(jiān)測(cè)網(wǎng)最弱點(diǎn)位移量中誤差 m位應(yīng)小于±2.0mm。SL197—97《水利水電工程測(cè)量規(guī)范》將大壩平面監(jiān)測(cè)三維網(wǎng)劃歸為專用平面控制網(wǎng)，根據(jù)精度要求和實(shí)際條件確定各級(jí)專用平面控制網(wǎng)適用范圍，且明確重力壩、拱壩、支墩壩變形監(jiān)測(cè)、近壩區(qū)危巖變形監(jiān)測(cè)、穩(wěn)定期地形變形監(jiān)測(cè)等應(yīng)選用專一級(jí)平面控制網(wǎng)。專一級(jí)網(wǎng)主要技術(shù)指標(biāo)是最弱點(diǎn)點(diǎn)位中誤差 m點(diǎn)。最弱點(diǎn)位移量中誤差m位和點(diǎn)位中誤差m點(diǎn)的關(guān)系為：m位=m點(diǎn)，即：混凝土大壩安全監(jiān)測(cè)網(wǎng)的最弱點(diǎn)點(diǎn)位中誤差m點(diǎn)應(yīng)小于±1.41mm。在水利水電工程樞紐區(qū)布置監(jiān)測(cè)網(wǎng)的網(wǎng)形條件受地形地貌限制，只有考慮選擇控制網(wǎng)的觀測(cè)等級(jí)。SL197—97中，專一級(jí)網(wǎng)的最弱點(diǎn)點(diǎn)位中誤差±1.3mm，相當(dāng)于位移量中誤差±1.84mm，其精度標(biāo)準(zhǔn)與DL/T5178—2003基本相同。那么，李家河水庫雙曲混凝土拱壩平面監(jiān)測(cè)三維控制網(wǎng)的等級(jí)及觀測(cè)技術(shù)要求執(zhí)行SL197—97中專一級(jí)網(wǎng)的規(guī)定，可以滿足監(jiān)測(cè)網(wǎng)最弱點(diǎn)位移量中誤差m位小于±2.0mm。

3 大壩平面監(jiān)測(cè)三維網(wǎng)精度估算

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地形及監(jiān)測(cè)對(duì)象，聘請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)及地質(zhì)人員實(shí)地進(jìn)行具體的點(diǎn)位選設(shè)，確定大壩平面監(jiān)測(cè)網(wǎng)由基準(zhǔn)點(diǎn)和工作基點(diǎn)組成監(jiān)測(cè)控制網(wǎng)，網(wǎng)形如圖1所示。

圖1 大壩平面監(jiān)測(cè)三維控制網(wǎng)索引圖

大壩平面監(jiān)測(cè)網(wǎng)形選定后，基準(zhǔn)點(diǎn)采用實(shí)地測(cè)取概略坐標(biāo)，工作基點(diǎn)從1∶2000地形圖上量取概略坐標(biāo)。精度估算參數(shù)選?。簻y(cè)角中誤差mβ取0.5″，測(cè)距中誤差ms取1mm+1ppm·Dkm。采用清華山維《工程測(cè)量控制網(wǎng)微機(jī)平差系統(tǒng)》軟件，在微機(jī)上按邊角全測(cè)網(wǎng)進(jìn)行了精度估算，計(jì)算出基準(zhǔn)網(wǎng)點(diǎn)位精度、可靠性、靈敏度指標(biāo)。其中，網(wǎng)中最弱點(diǎn)點(diǎn)位中誤差為±1.10mm，最弱邊相對(duì)精度為1/478700，內(nèi)可靠性R最大值6.63，外可靠性R′最大值6.09。

從估算各項(xiàng)指標(biāo)結(jié)果看，監(jiān)測(cè)三維網(wǎng)采用專一級(jí)（mβ=0.5″)時(shí)，其最弱點(diǎn)點(diǎn)位中誤差m點(diǎn)完全可以達(dá)到±1.41mm的精度要求。

4 點(diǎn)位選取及標(biāo)志的建造

網(wǎng)中各點(diǎn)均選在基巖或土質(zhì)堅(jiān)硬，便于保存的地方。其中：基準(zhǔn)點(diǎn)為P1、P2、P3、P4、P6、P7、P8等 7個(gè)點(diǎn)，基準(zhǔn)點(diǎn)均布置在施工影響范圍之外；工作基點(diǎn)為PG1、PG2、PG3、PG4、PG5、PG6等6個(gè)點(diǎn)，分別用以監(jiān)測(cè)壩肩高邊坡、電站廠房背坡及壩頂?shù)乃轿灰?。由于大壩主體正在澆筑中，采用視準(zhǔn)軸線法監(jiān)測(cè)拱冠點(diǎn)LD4的右岸工作基點(diǎn)PG3待后設(shè)立。

基準(zhǔn)點(diǎn)、工作基點(diǎn)均建造鋼筋混凝土觀測(cè)墩，觀測(cè)墩的地面以下部分埋設(shè)至新鮮基巖上或半風(fēng)化巖層150cm以下。在觀測(cè)墩頂面埋設(shè)F-1A強(qiáng)制對(duì)中基座，基座調(diào)整傾斜度小于4′。

5 大壩平面監(jiān)測(cè)三維網(wǎng)外業(yè)觀測(cè)

采用測(cè)量機(jī)器人（Leica TCA2003全站儀配套TCA機(jī)載自動(dòng)監(jiān)測(cè)軟件)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)觀測(cè)。外業(yè)觀測(cè)技術(shù)要求及作業(yè)限差按照 SL197—97專一級(jí)平面控制網(wǎng)執(zhí)行，即：

（1)水平角（采用方向觀測(cè)法)、垂直角及斜距均觀測(cè)15個(gè)測(cè)回。由于照準(zhǔn)標(biāo)志數(shù)量所限，部分測(cè)站水平角進(jìn)行了分組觀測(cè)，分組觀測(cè)包括2個(gè)共同方向（其中 1個(gè)為共同零方向)，其兩組觀測(cè)角之差如表1所示。其值均小于測(cè)角中誤差的2倍（2mβ=±1.0″)，按等權(quán)分組觀測(cè)進(jìn)行了測(cè)站平差。

表1 分組觀測(cè)角度之差統(tǒng)計(jì)表

（2)采用專用量高游標(biāo)卡尺在測(cè)站、鏡站從三個(gè)方向分別量取儀器和棱鏡高度，并取平均值作為儀器高和覘標(biāo)高。量取高度讀數(shù)至0.02mm。

（3)測(cè)站、鏡站分別在觀測(cè)開始、中間、結(jié)束時(shí)進(jìn)行了溫度、氣壓的測(cè)定，取均值，并按檢定證書的修正值進(jìn)行改正。

（4)斜距讀數(shù)的中數(shù)經(jīng)儀器加乘常數(shù)、氣象后改正后，分別采用往返測(cè)垂直角計(jì)算測(cè)邊高差中數(shù)，再利用斜距和高差計(jì)算測(cè)邊水平距離。

全網(wǎng)測(cè)距邊28條，最大邊長(zhǎng)819.003m，最短邊長(zhǎng) 276.962m，平均邊長(zhǎng) 441.482m。外業(yè)觀測(cè)期間溫度 7.0～27.4℃，網(wǎng)中 28條測(cè)距邊垂直角＜5°有18個(gè)，5～10°有7個(gè)，＞10°有3個(gè)，且測(cè)距邊垂直角最大為17°19′。

6 外業(yè)觀測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)算

兩次獨(dú)立外業(yè)觀測(cè)完成后，分別進(jìn)行了水平角觀測(cè)三角形閉合差、測(cè)角中誤差和測(cè)距中誤差的驗(yàn)算。水平角外業(yè)觀測(cè)成果驗(yàn)算見表2。

全網(wǎng)測(cè)距邊 28條，最大邊長(zhǎng)（P1－P6)818.993m，最短邊長(zhǎng)（PG1－PG2)276.969m。根據(jù)往返測(cè)距較差分別計(jì)算得：第1次觀測(cè)的平均測(cè)距中誤差為1.06mm；第2次觀測(cè)的平均測(cè)距中誤差為 1.05mm，其值均小于規(guī)范規(guī)定的±2.5mm的要求。

表2 三角形閉合差及測(cè)角中誤差統(tǒng)計(jì)表

外業(yè)觀測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)算合格后，采用清華山維《工程測(cè)量控制網(wǎng)微機(jī)平差系統(tǒng)》軟件，以P1為三維網(wǎng)的坐標(biāo)和高程起算點(diǎn)（P1－P4邊做為起算方位邊)，邊長(zhǎng)投影至840m高程面，按固定一點(diǎn)一方位的平面獨(dú)立網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。首期2次獨(dú)立觀測(cè)數(shù)據(jù)處理后精度統(tǒng)計(jì)見表3。

表3 首期2次獨(dú)立觀測(cè)成果精度統(tǒng)計(jì)表

7 數(shù)據(jù)處理及精度統(tǒng)計(jì)

從表3精度指標(biāo)統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，對(duì)大壩平面監(jiān)測(cè)三維網(wǎng)首期 2次獨(dú)立觀測(cè)成果進(jìn)行比較，其較差均小于2m，達(dá)到設(shè)計(jì)書預(yù)期精度指標(biāo)要求。取首期2次獨(dú)立觀測(cè)成果的均值作為大壩平面監(jiān)測(cè)三維網(wǎng)的基準(zhǔn)值。

8 幾個(gè)問題的分析探討

8.1 外業(yè)觀測(cè)記錄數(shù)據(jù)分析

（1)通過對(duì)外業(yè)觀測(cè)數(shù)據(jù)返工的測(cè)站觀測(cè)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)：在一個(gè)測(cè)站內(nèi)，觀測(cè)時(shí)間段測(cè)量機(jī)器人應(yīng)同時(shí)進(jìn)行方向觀測(cè)、測(cè)距、天頂距觀測(cè)各 15個(gè)測(cè)回，如果儀器自動(dòng)重測(cè)的測(cè)回?cái)?shù)超過1/3時(shí)，雖然重測(cè)后的 15個(gè)測(cè)回間測(cè)回差在限差內(nèi)，但其觀測(cè)數(shù)據(jù)在參與外業(yè)三角形閉合差驗(yàn)算時(shí)，會(huì)引起三角形閉合差超限。

（2)在外業(yè)觀測(cè)過程中，如遇到天氣由晴轉(zhuǎn)多云，光線強(qiáng)弱產(chǎn)生突變時(shí)，測(cè)量機(jī)器人重測(cè)測(cè)回?cái)?shù)會(huì)超過1/3。這種情況觀測(cè)質(zhì)量同樣較差。

（3)觀測(cè)方向的垂直角較大時(shí)，應(yīng)選擇在陰天或夜間觀測(cè)，觀測(cè)質(zhì)量較好。

8.2 兩次獨(dú)立觀測(cè)的方向值及測(cè)距差值評(píng)價(jià)

8.2.1 觀測(cè)方向值的比較

水平角方向觀測(cè)法獨(dú)立進(jìn)行2次觀測(cè)，其較差應(yīng)小于⊿=±2，mβ=±1.0″。經(jīng)對(duì) 12個(gè)測(cè)站44個(gè)觀測(cè)方向值（每測(cè)站不含零方向)2次觀測(cè)方向值統(tǒng)計(jì)對(duì)比，其較差小于⊿的有22個(gè)，占總方向數(shù)的50%；較差在～1⊿之間的有15個(gè)，占總方向數(shù)的34.1%；較差大于⊿=±1.0″的有 7個(gè)，且最大值為-1.94″，占總方向數(shù)的15.9%。

現(xiàn)行規(guī)范只要求首期 2次獨(dú)立觀測(cè)成果做明確規(guī)定，而未對(duì)2次獨(dú)立觀測(cè)水平角的較差作出規(guī)定。

8.2.2 觀測(cè)距離值的比較

平面三維監(jiān)測(cè)網(wǎng)測(cè)距邊 28條，經(jīng)對(duì)首期 2次獨(dú)立觀測(cè)水平距離較差統(tǒng)計(jì)，往返測(cè)距較差正負(fù)值各占 50%，且僅有 1條邊（P1－PG4邊長(zhǎng)294.25212mm)往返測(cè)距較差為2.23mm，其它均小于1mm+1ppm。

8.3 水平角觀測(cè)測(cè)回?cái)?shù)對(duì)成果質(zhì)量的影響分析

筆者另行按水平角觀測(cè) 12個(gè)測(cè)回的均值，進(jìn)行驗(yàn)算及數(shù)據(jù)處理結(jié)果如表4所示。

表4 12測(cè)回的驗(yàn)算及數(shù)據(jù)處理結(jié)果對(duì)比表

從表4可以看出，水平角方向觀測(cè)法若采用12個(gè)測(cè)回，對(duì)于大壩平面監(jiān)測(cè)網(wǎng)測(cè)角精度是不易達(dá)到±0.5″的要求，首期 2次獨(dú)立觀測(cè)坐標(biāo)差值也不易達(dá)到預(yù)期精度指標(biāo)。

8.4 高精度儀器檢定加乘常數(shù)的誤差問題

本次外業(yè)觀測(cè)過程中，采用 TS30全站儀復(fù)測(cè)了基準(zhǔn)網(wǎng)點(diǎn) P1、P6、P8等 3個(gè)點(diǎn)之間邊長(zhǎng)。其中：TCA2003全站儀檢定的加常數(shù)C= -1.31mm，乘常數(shù)R =-2.09mm/km；TS30全站儀檢定的加常數(shù)C = 0.00mm，乘常數(shù)R = 0.00mm/km。將兩臺(tái)全站儀所測(cè)邊長(zhǎng)進(jìn)行了比對(duì)，計(jì)算統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表5所示。

表5 TCA2003與TS30測(cè)量邊長(zhǎng)比對(duì)表 單位：m

根據(jù)檢測(cè)樣本結(jié)果可以看出：TCA2003和TS30兩臺(tái)儀器不考慮儀器加、乘常數(shù)改正的話，測(cè)距較差很小。如果考慮儀器檢定加、乘常數(shù)改正，就涉及儀器檢定的誤差問題。目前，國(guó)內(nèi)哪一家法定檢定單位具備高精度全站儀的檢定技術(shù)能力，值得業(yè)界同行關(guān)注。

9 結(jié)論及建議

（1)通過以上質(zhì)量分析評(píng)價(jià)，李家河水庫工程混凝土拱壩高精度平面三維監(jiān)測(cè)控制網(wǎng)的建立，嚴(yán)格掌控外業(yè)觀測(cè)過程中的最佳氣象環(huán)境，達(dá)到了預(yù)期理想的精度。

（2)測(cè)量機(jī)器人雖然實(shí)現(xiàn)了外業(yè)自動(dòng)化觀測(cè)，替代了人工觀測(cè)，減少了人工觀測(cè)人為誤差因素影響，但測(cè)量機(jī)器人自動(dòng)觀測(cè)仍然會(huì)受外界作業(yè)環(huán)境影響。因此，在高精度變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)的外業(yè)觀測(cè)過程中，應(yīng)嚴(yán)格掌控最佳天氣環(huán)境，盡可能在陰天或夜間進(jìn)行觀測(cè)。

（3)測(cè)量機(jī)器人完成一個(gè)測(cè)站的全部數(shù)據(jù)測(cè)量，一般需要 40～60min。觀測(cè)時(shí)間段溫度的變化會(huì)直接影響測(cè)距邊的計(jì)算精度。因此，應(yīng)在測(cè)前、測(cè)中、測(cè)后同時(shí)分別測(cè)記測(cè)站和鏡站的溫度、氣壓，再取中數(shù)，以取得準(zhǔn)確的氣象改正系數(shù)。

（4)為了保證斜距改平精度，采用經(jīng)氣象改正后的斜距與三角觀測(cè)高差計(jì)算水平距離。三角觀測(cè)高差精度除與斜距、垂直角觀測(cè)精度有關(guān)外，儀器和棱鏡高度的量取精度也直接影響高差計(jì)算精度。本工程專門加工游標(biāo)卡尺在測(cè)站、鏡站從三個(gè)方向分別量取儀器和棱鏡高度，并取平均值作為儀器高和覘標(biāo)高的方法，取得了滿意的效果。

1 工程變形監(jiān)測(cè)分析預(yù)報(bào)的理論與實(shí)踐.（ISBN 978－7－5084－5993－6).北京：中國(guó)水利水電出版社.

2 SL197—97水利水電工程測(cè)量規(guī)范.北京：中國(guó)水利水電出版社.