李最能，濮久武

（1．浙江遂昌成屏水力發(fā)電有限責(zé)任公司，浙江省遂昌市 323300；2．浙江華電烏溪江水力發(fā)電廠，浙江省衢州市 324000）

成屏面板壩三維變形控制網(wǎng)設(shè)計(jì)與觀測

李最能1，濮久武2

（1．浙江遂昌成屏水力發(fā)電有限責(zé)任公司，浙江省遂昌市 323300；2．浙江華電烏溪江水力發(fā)電廠，浙江省衢州市 324000）

大壩變形監(jiān)測控制網(wǎng)一般采用邊角網(wǎng)和精密水準(zhǔn)網(wǎng)用于水平位移監(jiān)測控制網(wǎng)和垂直位移監(jiān)測控制網(wǎng)。隨著高精度全站儀的推廣應(yīng)用，中小型大壩水平及垂直位移監(jiān)測控制網(wǎng)可采用簡便可靠、高效先進(jìn)的三維變形監(jiān)測控制網(wǎng)，取代常規(guī)的邊角網(wǎng)和精密水準(zhǔn)網(wǎng)。成屏堆石壩及謝村源混凝土壩采用了三維變形監(jiān)測控制網(wǎng)，并通過網(wǎng)型的優(yōu)化設(shè)計(jì)及合理的現(xiàn)場觀測方法，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。工程實(shí)踐證明只要三維變形監(jiān)測控制網(wǎng)設(shè)計(jì)合理，其應(yīng)用于中小型水庫大壩工程是切實(shí)可行的。

成屏面板壩；三維變形監(jiān)測控制網(wǎng)

0 引言

大壩變形監(jiān)測控制網(wǎng)包括水平位移監(jiān)測控制網(wǎng)和垂直位移監(jiān)測控制網(wǎng)。為確保大壩水平位移及垂直位移監(jiān)測控制網(wǎng)最弱點(diǎn)指定方向位移量全中誤差不超過±2.0mm，或在指定方向的平差值坐標(biāo)中誤差不超過±1.4mm。水平位移監(jiān)測控制網(wǎng)一般通過邊角網(wǎng)實(shí)施，垂直位移監(jiān)測控制網(wǎng)一般通過精密水準(zhǔn)網(wǎng)實(shí)施。精密水準(zhǔn)網(wǎng)工作量大、布設(shè)要求高。隨著高精度全站儀的推廣應(yīng)用，對于中小型工程，在邊角網(wǎng)監(jiān)測水平位移監(jiān)測控制網(wǎng)的同時(shí)，在控制網(wǎng)測點(diǎn)中加測垂直角并進(jìn)行對向觀測，構(gòu)成EDM三角高程網(wǎng)，與水平位移監(jiān)測控制網(wǎng)共同組成三維變形監(jiān)測控制網(wǎng)，從而取代常規(guī)的邊角網(wǎng)和精密水準(zhǔn)網(wǎng)。

1 混凝土壩及土石壩三維變形監(jiān)測控制網(wǎng)設(shè)計(jì)原則

按《混凝土壩安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》（SL 601—2013）[1]及《土石壩安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》（SL 551—2012）[2]規(guī)定結(jié)合工程實(shí)際，三維變形控制網(wǎng)的布設(shè)應(yīng)遵循以下原則：

（1）控制網(wǎng)中應(yīng)確保有2個(gè)以上穩(wěn)定可靠的基準(zhǔn)點(diǎn)，由這些基準(zhǔn)點(diǎn)與各工作基點(diǎn)及過渡點(diǎn)通過一定的通視圖形構(gòu)成變形控制網(wǎng)，基準(zhǔn)點(diǎn)宜布設(shè)在大壩下游不受大壩及庫水壓力影響的地區(qū)。

（2）控制網(wǎng)設(shè)計(jì)應(yīng)以網(wǎng)形結(jié)構(gòu)簡單及經(jīng)濟(jì)合理為原則，三角形的個(gè)數(shù)及布置范圍，以能利用基準(zhǔn)點(diǎn)校測壩區(qū)內(nèi)工作基點(diǎn)為原則。測點(diǎn)不應(yīng)設(shè)在有強(qiáng)電磁場影響的范圍內(nèi)，應(yīng)避免視線接近水面，視線離建筑物的距離不宜小于2m。三角形網(wǎng)邊長不宜過長，網(wǎng)點(diǎn)間垂直角不應(yīng)超過30°，高差不宜過大。

圖1 成屏大壩三維變形控制網(wǎng)通視圖

（3）控制網(wǎng)初步設(shè)計(jì)完成后，應(yīng)根據(jù)觀測方案采用模擬平差法計(jì)算，對精度、可靠性進(jìn)行分析，并對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。各觀測量可靠性因子ri（多余觀測分量，0≤ri≤1）值不宜小于0.2，如因條件限制，個(gè)別觀測量不能滿足此要求時(shí)，則應(yīng)在觀測中采取特殊措施，以排除測值含有粗差的可能性。

（4）按最小二乘法進(jìn)行精度預(yù)估，測點(diǎn)在指定方向的位移量中誤差不應(yīng)大于±2.0mm。

2 三維變形監(jiān)測控制網(wǎng)在成屏等大壩中應(yīng)用

2.1 成屏面板堆石壩三維變形監(jiān)測控制網(wǎng)

成屏混凝土面板堆石壩位于浙江省遂昌縣境內(nèi)，水庫為中型水庫。面板堆石壩最大壩高78.32m，壩頂長217.7m?？刂凭W(wǎng)采用三維變形監(jiān)測控制網(wǎng)，在大壩壩軸線下游400m以外山坡上設(shè)立2個(gè)穩(wěn)定可靠的基準(zhǔn)點(diǎn)A、B，與大壩附近的7個(gè)工作基點(diǎn)D1、C2、D2、C3、D3、C4、E等共計(jì)9個(gè)測點(diǎn)，組成三維變形監(jiān)測控制網(wǎng)，見圖1。

網(wǎng)點(diǎn)間最大邊長（平距）為A-C4的533m，最小邊長（平距）為C4-E的170m，加權(quán)平均邊長（平距）325m。

2.1.1 現(xiàn)場觀測

大壩變形控制網(wǎng)觀測采用一等邊角網(wǎng)法，并采用EDM三角高程進(jìn)行對向觀測，水平角、垂直角及邊長均達(dá)到國家一等測量精度。成屏大壩三維控制網(wǎng)現(xiàn)場觀測采用Leica TCA1201+全站儀，標(biāo)稱測角精度為1.0″、測距精度為1mm+1.5ppm×D。觀測方法除遵守規(guī)范規(guī)定的原則及工程控制網(wǎng)設(shè)計(jì)方案規(guī)定外，尚遵守下述原則：

（1）變形監(jiān)測控制網(wǎng)在不同時(shí)期觀測宜使用同一臺(tái)或同一類型儀器設(shè)備，并采用相同的觀測方法。

（2）現(xiàn)場觀測盡量選擇空氣能充分調(diào)和的有風(fēng)天氣，最好是在溫度較均勻的陰天，這能顯著提高觀測精度。

（3）水平角采用方向觀測法觀測12測回，全部測回應(yīng)在兩個(gè)異午的時(shí)間段內(nèi)各完成一半，每一時(shí)間段觀測的基本測回?cái)?shù)不超過總基本測回?cái)?shù)的2/3。在全陰天，可適當(dāng)變通。

（4）垂直角按中絲法觀測測回，分別進(jìn)行對向觀測。對向觀測兩測站的垂直角應(yīng)盡量在同時(shí)段或?qū)ΨQ觀測時(shí)段內(nèi)進(jìn)行，以中午附近大氣垂直折光變化最小的時(shí)間段觀測最為宜，取地方時(shí)10時(shí)至14時(shí)之間，一般情況下在10時(shí)至16時(shí)之間目標(biāo)成像清晰時(shí)進(jìn)行[3]。

（5）每條邊對向觀測，每單向邊分上午、下午兩個(gè)對稱時(shí)段觀測，每單向一個(gè)時(shí)段觀測二測回，一測回讀數(shù)四次。邊長觀測時(shí)首先將儀器設(shè)定為不進(jìn)行氣象改正（設(shè)置氣象改正等于零），記錄觀測邊長（斜距），再進(jìn)行氣象改正和常數(shù)改正計(jì)算（包括加常數(shù)、乘常數(shù)、周期誤差、氣象等改正）[4]。

斜邊長用平差后的三角高程進(jìn)行傾斜改正，傾斜改正后的邊長投影至該測區(qū)平均高程面。

2.1.2 觀測成果驗(yàn)算

成屏大壩三維變形監(jiān)測控制網(wǎng)計(jì)算的所有12個(gè)三角形閉合差、2個(gè)四邊形極條件閉合差、2個(gè)四邊形（扇形）組合角閉合差以及所有三角形高差閉合差均滿足限差要求。其中按菲列羅公式計(jì)算的測角中誤差之限差。

圖2 謝村源大壩三維變形控制網(wǎng)通視圖

2.1.3 平差計(jì)算及精度評(píng)定

大壩三維變形監(jiān)測控制網(wǎng)首期觀測一般采用經(jīng)典平差計(jì)算，平差時(shí)應(yīng)確定一個(gè)起算點(diǎn)及一個(gè)起算方向。

變形監(jiān)測控制網(wǎng)的復(fù)測平差計(jì)算，當(dāng)無必要起算數(shù)據(jù)時(shí)，可采用秩虧自由網(wǎng)平差法；當(dāng)有相對穩(wěn)定點(diǎn)時(shí)，可采用擬穩(wěn)平差；當(dāng)能確定有兩個(gè)以上穩(wěn)定點(diǎn)或一個(gè)穩(wěn)定點(diǎn)及一個(gè)起算方向時(shí)，應(yīng)采用經(jīng)典平差。

成屏大壩本期控制網(wǎng)觀測為工程除險(xiǎn)加固后首期觀測，計(jì)算采用二基準(zhǔn)點(diǎn)A、B作為已知三維坐標(biāo)，按經(jīng)典平差計(jì)算。平差結(jié)果表明0.33≤ri≤0.73，后驗(yàn)單位權(quán)中誤差為±0.57″，與先驗(yàn)的±0.50″基本一致，說明網(wǎng)的可靠性及觀測質(zhì)量達(dá)到預(yù)期。三維控制網(wǎng)平差值坐標(biāo)全中誤差最大值MX、MY、MH分別在±1.14、±0.91、±0.66mm以內(nèi)，各測點(diǎn)誤差橢圓長半軸E在±1.22mm以內(nèi)，每公里高差中數(shù)全中誤差為±1.44mm。各網(wǎng)點(diǎn)三維坐標(biāo)中誤差均小于規(guī)范規(guī)定的±1.4mm技術(shù)要求，說明三維控制網(wǎng)的設(shè)計(jì)及監(jiān)測完全滿足規(guī)范要求。

2.2 謝村源混凝土雙曲拱壩三維變形監(jiān)測控制網(wǎng)

謝村源混凝土拱壩位于浙江省松陽縣，水庫為中型水庫。最大壩高66m，壩頂弧長239m。設(shè)計(jì)考慮在大壩左、右拱端距大壩基左、基右分別約100、150m范圍處岸坡山體上設(shè)立2處穩(wěn)定可靠的基準(zhǔn)點(diǎn)校左、校右。這樣整個(gè)控制網(wǎng)由2個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)校左、校右及3個(gè)工作基點(diǎn)基左、基右、基右-1組成，共計(jì)5個(gè)測點(diǎn)，見圖2。其中基右-1主要為大壩正常觀測時(shí)檢測全站儀加常數(shù)用。為檢核控制網(wǎng)中基準(zhǔn)點(diǎn)及工作基點(diǎn)本身的穩(wěn)定性，可將2個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)及3個(gè)工作基點(diǎn)共5個(gè)測點(diǎn)聯(lián)合進(jìn)行自由網(wǎng)平差，以判明各基點(diǎn)的穩(wěn)定性?？刂凭W(wǎng)采用三維變形監(jiān)測控制網(wǎng)。

網(wǎng)點(diǎn)間最大邊長（平距）為校左—基右-1的283m，最小邊長（平距）為?！蟮?1m，加權(quán)平均邊長（平距）206m。大壩變形控制網(wǎng)觀測采用一等邊角網(wǎng)法，并采用EDM三角高程進(jìn)行對向觀測，水平角、垂直角及邊長均達(dá)到國家一等測量精度。

2.2.1 現(xiàn)場觀測及觀測成果驗(yàn)算

謝村源大壩三維控制網(wǎng)計(jì)算了5個(gè)獨(dú)立的三角形。經(jīng)計(jì)算得到的5個(gè)三角形閉合差、測角中誤差、2個(gè)四邊形極條件閉合差以及2個(gè)四邊形組合角閉合差均滿足限差要求。其中按菲列羅公式計(jì)算的測角中誤差mβ=±0.50″＜±0.7″之限差。

2.2.2 平差計(jì)算及精度評(píng)定

首期控制網(wǎng)計(jì)算采用基右（200.0000，200.0000，477.5971）為已知點(diǎn)α基右—基左=55°35′02.″81，為已知坐標(biāo)方位角按經(jīng)典平差計(jì)算。

平差結(jié)果表明0.31≤ri≤0.79，后驗(yàn)單位權(quán)中誤差為±0.52″，與先驗(yàn)的±0.50″基本一致，說明網(wǎng)的可靠性及觀測質(zhì)量達(dá)到預(yù)期。

三維控制網(wǎng)平差值坐標(biāo)中誤差最大值MX、MY、MH分別在±0.46、±0.43、±0.48mm以內(nèi)，各測點(diǎn)誤差橢圓長半軸E在±0.49mm以內(nèi)，每公里高差中數(shù)全中誤差為±1.35mm。各網(wǎng)點(diǎn)三維坐標(biāo)中誤差遠(yuǎn)小于規(guī)范規(guī)定的±1.4mm技術(shù)要求，觀測精度高于預(yù)期。

3 結(jié)論及建議

（1）三維變形監(jiān)測控制網(wǎng)簡便可靠、高效先進(jìn)，只要控制網(wǎng)設(shè)計(jì)合理、觀測規(guī)范、平差計(jì)算嚴(yán)密，應(yīng)用于中小型水庫大壩工程可滿足規(guī)范規(guī)定的技術(shù)要求。但在控制網(wǎng)設(shè)計(jì)時(shí)必須進(jìn)行各網(wǎng)點(diǎn)精度預(yù)估，以確保其三維坐標(biāo)中誤差全部滿足規(guī)范要求。

（2）控制網(wǎng)觀測應(yīng)采用滿足規(guī)范要求的Ⅰ等精度全站儀進(jìn)行水平方向、垂直角及邊長的觀測，其中水平角宜采用方向觀測法觀測12測回以上；垂直角采用中絲法觀測8測回以上；邊長觀測4測回以上并在測站和鏡站分別測定氣象元素。全部測回在兩個(gè)異午時(shí)間段內(nèi)分別完成。

（3）為保證垂直位移監(jiān)測控制網(wǎng)最弱點(diǎn)精度，最弱點(diǎn)與起算點(diǎn)的距離不應(yīng)超過1000m，且盡量布設(shè)多個(gè)中間過渡點(diǎn)以減小三角形邊長；垂直角觀測盡量做到在對稱觀測時(shí)段進(jìn)行對向觀測；儀器高量取時(shí)通過量取測墩底座面至全站儀電池槽下沿處的垂直距離等特定的措施提高儀器高及目標(biāo)高的量測精度。

（4）三維變形監(jiān)測控制網(wǎng)現(xiàn)場觀測時(shí)在邊長較短的測點(diǎn)間，為消除目標(biāo)棱鏡偏心差對水平方向觀測值的影響，在保持棱鏡基座和支架相對位置固定不動(dòng)（使棱鏡支架在基座中的位置不變）的情況下，在現(xiàn)場觀測全測回的一半測回后將棱鏡基座旋轉(zhuǎn)180°重新安置棱鏡，觀測另一半測回。全部測回的觀測均值能基本消除這種棱鏡偏心誤差對水平方向及距離觀測值的影響[5]。

（5）在現(xiàn)場有相對穩(wěn)定基線時(shí)，全站儀（測距儀）加常數(shù)及乘常數(shù)的檢驗(yàn)可通過現(xiàn)場進(jìn)行校測，并考慮全站儀（測距儀）加常數(shù)及乘常數(shù)修正的必要性和可靠性。

（6）三維變形監(jiān)測控制網(wǎng)宜采用平面及高程三維坐標(biāo)聯(lián)合平差，以提高各網(wǎng)點(diǎn)坐標(biāo)的可靠性。

[1] SL 601—2013 混凝土壩安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范[S]．北京：中國水利水電出版社，2013．

[2] SL 551—2012 土石壩安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范[S]．北京：中國水利水電出版社，2012．

[3] 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．

[4] 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．

[5] 陳斌，濮久武． 全站儀目標(biāo)棱鏡偏心差及其影響[J]．水電自動(dòng)化與大壩監(jiān)測，2013（5）：65-67．

李最能（1969—），男，浙江麗水人，工程師，從事水電站運(yùn)行管理工作。E-mail：lzn418@163．com

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

Design and Observation of Three Dimensional Deformation Control Network for Chengping Face Dam

LI Zuineng, PU Jiuwu
（1.Chengping Hydroelectric Power Co.Ltd. of Suichang Zhejiang；2.Zhejiang Huadian Wuxijiang Hydroelectric Power Plant，Quzhou 324000，China）

In the dam deformation monitoring control network，edge angle net and precision leveling network are generally used for the horizontal displacement monitoring and the vertical displacement monitoring control network. With the popularization and application of high precision total station， a simple， reliable， highly efficient and advanced 3D deformation monitoring and control network can be used to replace the conventional edge angle and precision level. The three dimensional deformation monitoring control network is adopted for Chengping rock fill dam and Xiecunyuan concrete dam of the dam. Engineering application practice proves that the design of the three dimensional deformation monitoring control network is reasonable， and it can be used in the medium and small reservoirs and dams.

Chengping face dam；three dimensional deformation control network