李彩霞，濮久武

（1.浙江龍川水利水電開發(fā)有限公司，浙江省遂昌縣 323300；2.浙江華電烏溪江水力發(fā)電廠，浙江省衢州市 324000）

1秒級全站儀應(yīng)用于中小型大壩變形監(jiān)測

李彩霞1，濮久武2

（1.浙江龍川水利水電開發(fā)有限公司，浙江省遂昌縣 323300；2.浙江華電烏溪江水力發(fā)電廠，浙江省衢州市 324000）

大壩安全監(jiān)測行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定用于大壩變形監(jiān)測的全站儀精度需在1秒級及以上，目前大中型工程中大多采用的是0.5秒級的全站儀。對于中小型工程，采用1秒級全站儀并根據(jù)工程的具體情況制定合適的現(xiàn)場測邊、測角觀測方案，也能達(dá)到規(guī)范規(guī)定的位移量觀測精度指標(biāo)。通過部分中小型混凝土壩及土石壩采用1秒級全站儀工程監(jiān)測實(shí)例，表明采用科學(xué)合理的監(jiān)測方案，1秒級全站儀應(yīng)用于中小型混凝土壩及土石壩變形監(jiān)測是可行的。

1秒級全站儀；中小型大壩；變形監(jiān)測

0 引言

全站儀是一種兼有電子測距、電子測角、計(jì)算和數(shù)據(jù)自動記錄及傳輸功能的自動化、數(shù)字化的三維坐標(biāo)測量與定位系統(tǒng)，在大壩安全監(jiān)測領(lǐng)域已普遍應(yīng)用于監(jiān)測大壩水平及垂直位移。其中測角精度為0.5?的稱為0.5秒級全站儀，測角精度為1.0?的稱為1秒級全站儀。一般地，1秒級全站儀配套的測距精度為1mm+2ppm×D以上，如Leica TCA1800全站儀，標(biāo)稱測角精度為1.0?、測距精度為1mm+2ppm×D；Leica TCA1201+全站儀、Leica TS15A-1全站儀，標(biāo)稱測角精度為1.0?、測距精度為1mm+1.5ppm×D?；炷翂伟踩O(jiān)測技術(shù)規(guī)范以及土石壩安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范，對于大壩表面變形監(jiān)測規(guī)定應(yīng)使用1秒級以上精度的全站儀或經(jīng)緯儀監(jiān)測水平位移，目前大部分大中型工程均使用了0.5秒級的全站儀，從儀器購置成本考慮，大部分中小型工程使用的是1秒級全站儀。為使1秒級全站儀在中小型大壩工程中變形監(jiān)測能滿足規(guī)范要求，應(yīng)制定合適的現(xiàn)場觀測方案發(fā)揮其儀器效益，達(dá)到預(yù)期效果。

1 全站儀實(shí)測角度及實(shí)測邊長精度分析

影響水平角觀測精度的誤差來源分為儀器誤差m儀、觀測誤差m觀、儀器對中誤差m儀中、目標(biāo)偏心誤差m目中及外界環(huán)境誤差m環(huán)等五項(xiàng)誤差按等影響原則（假定各項(xiàng)因素對函數(shù)的中誤差具有相等的影響）計(jì)算，設(shè)各項(xiàng)中誤差均為m，則水平角觀測誤差為:

電子經(jīng)緯儀、全站儀等因其電子度盤分劃誤差以及豎盤指標(biāo)歸零誤差采取了有效措施后均較小，其垂直角測角精度主要受大氣垂直折光影響，對于視距較短、地形地物較單一的空曠陸地且通風(fēng)對流效果良好的中小型工程，大氣垂直折光系數(shù)K值較穩(wěn)定，考慮大氣垂直折光等因素在內(nèi)的垂直角觀測全中誤差與水平角觀測全中誤差相當(dāng)。對大氣垂直折光不穩(wěn)定的情況下應(yīng)采取一定的現(xiàn)場觀測方案，以最大可能地削弱其對垂直角觀測精度的影響。

綜合水平角觀測實(shí)際工程應(yīng)用情況，在良好的觀測條件及正確的觀測方法下，TC（A）1800、TCA1201+、TS15A-1等標(biāo)稱測角精度為1.0?的Leica測量儀器，采用“雙照準(zhǔn)法”四測回，其水平角觀測全中誤差（不考慮目標(biāo)偏心、儀器對中誤差），視距在50～500m范圍以內(nèi)一般在±（0.6?～1.0?）之間；視距在500～1000m范圍以內(nèi)一般在±（0.8?～1.2?）之間。TCA2003等標(biāo)稱測角精度為0.5?的測量儀器由于大氣折光的影響基本一致，前后者測角全中誤差基本相同，較差在十分之一以內(nèi)。

綜合邊長觀測實(shí)際工程應(yīng)用情況，在良好的觀測條件及正確的觀測方法下，Leica TC（A）2003（標(biāo)稱精度1m+1ppm×D）、TC（A）1201+及TS15（標(biāo)稱精度1mm+1.5ppm×D）、TC（A）1800（標(biāo)稱精度1mm+2ppm×D）等較為穩(wěn)定的全站儀經(jīng)過加、乘常數(shù)改正后，TCA2003的實(shí)測精度一般能達(dá)到0.5mm+0.7ppm×D、TC（A）1201+及TS15等實(shí)測精度一般能達(dá)到0.8mm+1ppm×D。

2 大壩水平位移監(jiān)測方案

大壩水平位移監(jiān)測方法有視準(zhǔn)線法、極坐標(biāo)法、交會法、垂線法、張線法、激光準(zhǔn)直法、導(dǎo)線法、GNSS測量法等。其中使用全站儀通過視準(zhǔn)線法、極坐標(biāo)法、交會法等普遍應(yīng)用于中小型大壩水平位移監(jiān)測。

（1）小角度法觀測大壩水平位移及其精度分析。

視準(zhǔn)線法包括小角度法和活動覘牌法，使用全站儀應(yīng)采用小角度法。

小角度法觀測見圖1，在工作基點(diǎn)安置全站儀或經(jīng)緯儀，觀測位移測點(diǎn)P與后視基點(diǎn)的水平夾角β，根據(jù)工作基點(diǎn)與位移測點(diǎn)P的平距S（可定期觀測得到），即可計(jì)算出位移測點(diǎn)垂直于基準(zhǔn)線的偏移量，各期偏移量較差即為位移測點(diǎn)的水平位移量。

圖1 視準(zhǔn)線法加EDM三角高程法監(jiān)測應(yīng)村堆石壩水平垂直位移

小角度法位移量觀測值全中誤差為:

式中，Mβ為水平角觀測全中誤差，MS為距離觀測的全中誤差，m儀中為儀器對中誤差和后視目標(biāo)對中誤差，這兩項(xiàng)誤差不會產(chǎn)生累積，其綜合影響最大值將不大于其中最大的一項(xiàng)（如假設(shè)為儀器對中誤差，采用強(qiáng)制對中底座一般可控制在±0.2mm）；m目標(biāo)為位移測點(diǎn)目標(biāo)偏心（對中）誤差，當(dāng)采用與全站儀配套的高精度免調(diào)節(jié)變形監(jiān)測專用棱鏡組m目標(biāo)可減小為±0.1mm。

（2）極坐標(biāo)法觀測大壩水平位移及其精度分析。

極坐標(biāo)法觀測參見圖2，在工作基點(diǎn)A上安置全站儀，觀測位移測點(diǎn)P與后視基點(diǎn)的水平夾角、工作基點(diǎn)與位移測點(diǎn)的平距S，即可得到P點(diǎn)的平面坐標(biāo)。

極坐標(biāo)法位移量觀測值全中誤差為：

式中，Mβ為水平角觀測全中誤差，MS為距離觀測的全中誤差，αAP為工作基點(diǎn)A至位移測點(diǎn)P的坐標(biāo)方位角。

（3）交會法觀測大壩水平位移及其精度分析。

交會法觀測水平位移可采用測角、測邊及邊角交會法。

交會法觀測見圖2，在工作基點(diǎn)A、B上安置全站儀（測角交會可用經(jīng)緯儀）。測角交會觀測位移測點(diǎn)與基線方向的夾角α、β；測邊交會觀測位移測點(diǎn)與兩工作基點(diǎn)的邊長a、b；邊角交會為既測夾角又測邊長，相當(dāng)于在兩個工作基點(diǎn)均進(jìn)行極坐標(biāo)法觀測。

圖2 邊角交會法監(jiān)測華光潭壩頂水平位移

當(dāng)交會邊長在200m以內(nèi)時，測角交會往往能獲得較理想的效果；當(dāng)邊長不斷增加時，由于角度觀測時旁折光等的影響，測角交會精度明顯降低，而邊長觀測中由于其固定誤差保持不變，而顯出其顯著的優(yōu)越性，尤其在邊長達(dá)300m以上的高精度變形監(jiān)測中，測角交會在兩個交會方向引起的橫向誤差都較大，極坐標(biāo)法因測角引起的橫向誤差較大而導(dǎo)致較大的X向或Y向分量誤差，故都難以達(dá)到較高的精度，只有借助于測邊或邊角交會才能達(dá)到高精度要求。隨著全站儀的普遍應(yīng)用，邊角交會已被廣泛應(yīng)用。由于邊角測量其精度具有互補(bǔ)性，其圖形本身對點(diǎn)位的精度影響較小，而誤差主要與已知點(diǎn)至位移測點(diǎn)之間的距離呈正相關(guān)，故邊角測量受圖形限制較小。這種互補(bǔ)作用應(yīng)建立在測角及測邊精度相互匹配的前提下，否則互補(bǔ)作用難以取得理想的效果。

邊角交會法因存在多余觀測，其位移量觀測值全中誤差計(jì)算需通過最小二乘法平差進(jìn)行計(jì)算。

3 大壩垂直位移監(jiān)測方案

大壩垂直位移監(jiān)測方法有幾何水準(zhǔn)法、三角高程法、靜力水準(zhǔn)法、激光準(zhǔn)直法等。其中使用全站儀通過EDM三角高程法并采用一定的工程措施應(yīng)用于中小型大壩垂直位移監(jiān)測有較多成功實(shí)例。

三角高程觀測大壩垂直位移精度分析。采用全站儀或測距儀加經(jīng)緯儀進(jìn)行的EDM三角高程測量，在變形觀測中如不考慮球差的影響，則三角高程觀測位移量全中誤差為[1]:

式中，MD為斜距D的觀測中誤差，Mα為垂直角觀測中誤差，對于視距100、200m，大氣垂直折光系數(shù)K值較穩(wěn)定的情況，Mα與水平角觀測全中誤差相當(dāng)有望控制在±1.0?以內(nèi)，對大氣垂直折光不穩(wěn)定的情況下應(yīng)采取一定的現(xiàn)場觀測方案，以保證其觀測精度；m1為儀器高觀測中誤差，采用專用的方法可以控制在±0.2mm以內(nèi)；mV為目標(biāo)高觀測中誤差，當(dāng)采用與全站儀配套的高精度免調(diào)節(jié)變形監(jiān)測專用棱鏡組可減小為±0.1mm。

4 大壩位移監(jiān)測工程實(shí)例

（1）TCA1201+全站儀視準(zhǔn)線法加EDM三角高程法監(jiān)測應(yīng)村堆石壩水平垂直位移。

1秒級全站儀Leica TCA1201+，標(biāo)稱測角精度為1.0?、測距精度為1mm+1.5ppm×D。該儀器于2010年5月開始應(yīng)用于應(yīng)村大壩變形監(jiān)測。

應(yīng)村水庫位于浙江省麗水市遂昌縣，水庫為中型水庫。攔河壩為面板堆石壩，最大壩高67.5m，壩頂長148.5m，大壩面板、壩頂及下游馬道設(shè)置5個橫斷面的水平垂直位移測點(diǎn)。在大壩左右兩岸山體基巖上的工作基點(diǎn)C、D分別安置徠卡TCA1201+全站儀及后視棱鏡，采用視準(zhǔn)線小角度法加EDM三角高程法監(jiān)測大壩各位移測點(diǎn)的水平垂直位移，在工作基點(diǎn)C測站采用一測回觀測水平方向及垂直角，位移測點(diǎn)最大邊長134m，垂直角α在-11?～-1?，見圖1。

根據(jù)式（1）、式（3）結(jié)合本工程實(shí)際情況，式中 ? ≤ 2000?、S ≤ 134m、M?=±2.0?、MS=±5.0mm、m儀中=±0.1mm、m目標(biāo)=±0.1mm；mD=±2.0mm、M?=±2.0?、mI=±0.2mm、mV=±0.1mm。

經(jīng)理論及實(shí)測資料精度分析，各位移測點(diǎn)水平垂直位移量監(jiān)測精度均在1.9mm以內(nèi)，滿足規(guī)范規(guī)定的3.0mm[2]的要求。

（2）TCA1201+全站儀極坐標(biāo)法加EDM三角高程法監(jiān)測成屏二級重力壩水平垂直位移。

1秒級全站儀Leica TCA1201+于2011年10月開始應(yīng)用于成屏二級大壩變形監(jiān)測。

成屏二級重力壩位于浙江省遂昌縣，水庫為中型水庫。最大壩高46m，壩頂全長138m，共分7個壩段，壩頂設(shè)7個水平垂直位移測點(diǎn)。在大壩左岸山體基巖上工作基點(diǎn)基左安置徠卡TCA1201+全站儀，右岸下游穩(wěn)定基巖上的基準(zhǔn)點(diǎn)安置棱鏡組，采用極坐標(biāo)法加EDM三角高程法監(jiān)測壩頂各位移測點(diǎn)的水平垂直位移，觀測前定期對全站儀加常數(shù)進(jìn)行檢定，必要時進(jìn)行加常數(shù)的修正，以減小其固定誤差的影響[3]。每個測站采用4測回觀測各位移測點(diǎn)的水平方向、垂直角及平距[4]，位移測點(diǎn)最大邊長151m，垂直角在-8?～-38?。

根據(jù)式（2）、式（3）結(jié)合本工程實(shí)際情況，式 中 S≤ 151m、M?=±0.8?、MS≤ ±1.2mm、αAP在 -1?～ +1?；MD≤ ±1.2mm、M?=±0.8?、mI=±0.2mm、mV=±0.1mm。

經(jīng)理論及實(shí)測資料精度分析，位移測點(diǎn)上下游向位移量及垂直位移量監(jiān)測精度在0.9mm及1.0mm以內(nèi)，滿足規(guī)范規(guī)定的上下游向位移量1.0mm及垂直位移量1.0mm[5]的要求。

（3）TCA1800全站儀邊角交會法監(jiān)測華光潭混凝土拱壩水平位移。

1秒級全站儀Leica TCA1800，標(biāo)稱測角精度為1.0?、測距精度為1mm+2ppm×D。該儀器于2005年6月開始應(yīng)用于華光潭大壩變形監(jiān)測。

華光潭混凝土雙曲拱壩位于浙江省臨安市，水庫為中型水庫，最大壩高約103.85m，壩頂弧長約232m，壩頂共設(shè)P1～P13共13個水平位移測點(diǎn)。在大壩兩岸山體基巖上的兩個工作基點(diǎn)基左、基右上分別安置徠卡TCA1800全站儀，采用邊角前方交會法監(jiān)測壩頂各位移測點(diǎn)的水平位移，每個測站分兩組采用全圓方向觀測法進(jìn)行觀測（包括水平方向及平距），每組8個方向、觀測4個測回，位移測點(diǎn)水平夾角α、β在7?～86?，邊長a、b在22～182m，垂直角在-37?～-6?，見圖2。

根據(jù)本工程實(shí)際情況，通過最小二乘法平差計(jì)算及實(shí)測資料精度分析，位移測點(diǎn)徑、切向位移量監(jiān)測精度在0.9mm、0.9mm以內(nèi)，滿足規(guī)范規(guī)定的徑、切向位移量2.0mm、1.0mm的要求。

5 結(jié)論

1秒級全站儀應(yīng)用于中小型混凝土壩及土石壩工程變形監(jiān)測，應(yīng)根據(jù)所選用的儀器及現(xiàn)場觀測具體情況制定科學(xué)合理的監(jiān)測方案并采取一定的監(jiān)測優(yōu)化措施，可以達(dá)到滿足規(guī)范要求的預(yù)期效果。這些方案和措施主要作用是使全站儀測角及測邊精度相互匹配、優(yōu)化觀測網(wǎng)的圖形條件、提高現(xiàn)場監(jiān)測的工作效率和盡量減小全站儀測距固定誤差、位移測點(diǎn)目標(biāo)偏心誤差、儀器高及目標(biāo)高量取誤差以及大氣垂直折光誤差的影響。

（1）對于混凝土壩的位移測點(diǎn)最大視距宜控制在140m以內(nèi)，土石壩可在400m以內(nèi)。

（2）為減小全站儀固定誤差的影響，應(yīng)在現(xiàn)場定期校測全站儀加常數(shù)的變化，必要時進(jìn)行修正。

（3）三角高程觀測時宜同時觀測位移測點(diǎn)附近的穩(wěn)定點(diǎn)高程，分析推算大氣垂直折光系數(shù)的變化，必要時進(jìn)行K值變化引起的位移測點(diǎn)高程觀測值修正。

（4）為減小位移測點(diǎn)目標(biāo)偏心及棱鏡高量取誤差，宜采用高精度免調(diào)節(jié)變形監(jiān)測通用棱鏡組。

（5）交會法與極坐標(biāo)法的選擇應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行分析計(jì)算測點(diǎn)中誤差，并根據(jù)綜合效益全面評估。一般在對稱交會觀測時，邊角交會的綜合效益高于同等邊角觀測精度極坐標(biāo)法，但大多數(shù)非對稱交會觀測時，應(yīng)視觀測邊長及邊角觀測精度匹配的情況進(jìn)行分析選擇，如測角及測邊精度相匹配時，則可考慮選擇極坐標(biāo)法分兩端對就近位移測點(diǎn)進(jìn)行觀測。

[1] 濮久武.三維坐標(biāo)法在水壩變形觀測中的應(yīng)用[J].水力發(fā)電 .2004，（4）：63-65.

[2] DL/T 5259—2010土石壩安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國電力出版社，2011.

[3] GB/T 16818—2008中、短程光電測距規(guī)范[S]. 北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

[4] GB/T 17942—2000國家三角測量規(guī)范[S]. 北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2000.

[5] DL/T 5178—2003混凝土壩安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國電力出版社，2003.

李彩霞（1965—），女，工程師，主要研究方向：水電站運(yùn)行管理工作。E-mail:lcx_zj@163.com

濮久武（1964—），男，教授級高級工程師，主要研究方向：水工建筑物安全監(jiān)測及管理。E-mail:pujw99@163.com

One Second-level Total Station Applies to Small and Medium Dam Deformation Monitoring

LI Caixia，PU Jiuwu
（1.Hydropower development Co. Ltd., Suichange 323000，China； 2. Zhejiang Huadian Wuxijiang Hydroelectric Power Plant，Quzhou 324000，China）

Dam safety monitoring industry standards provide that for dam deformation monitoring precision of total station in 1 second-level and above, most medium-sized projects currently uses 0.5 seconds-level total station. One secondlevel total station applied to small and medium sized projects,according to the specific situation of the project develop programs suitable site observation program of trilaterational and measuring angle, also achieve specification displacement observation accuracy indicators. By some small and medium concrete dam and embankment dam project using one secondlevel total station monitoring instance, the results prove that one second-level total station small and medium concrete dam and embankment dam deformation monitoring is feasible by as long as a reasonable monitoring program.

one second-level total station；small and medium dam；deformation monitoring