楊 敏

（1.國(guó)家測(cè)繪地理信息局 重慶測(cè)繪院，重慶 400015）

單向三角高程測(cè)量在大壩變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

楊 敏1

（1.國(guó)家測(cè)繪地理信息局 重慶測(cè)繪院，重慶 400015）

簡(jiǎn)述了單向三角高程測(cè)量原理，通過(guò)相關(guān)項(xiàng)目的應(yīng)用論述了單向三角高程測(cè)量的可行性，再利用項(xiàng)目實(shí)例，論證了利用高精度的測(cè)量?jī)x器通過(guò)單向三角高程測(cè)量進(jìn)行大壩垂直變形監(jiān)測(cè)是成功的。該方法減輕了常規(guī)的水準(zhǔn)測(cè)量或靜力水準(zhǔn)測(cè)量的勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)約了成本，提高勞動(dòng)效率，可作為后期項(xiàng)目的借鑒。

單向三角高程；高精度；垂直變形監(jiān)測(cè)

在經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展的今天，能源需求量日益增加，水能的大規(guī)模開(kāi)發(fā)和利用勢(shì)在必行，合理地利用水利資源也是我國(guó)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要一步。而在這一步中，大壩又起著舉足輕重的作用。由于大壩的技術(shù)要求高，變形細(xì)微，若不重視便可能發(fā)生潰壩事故，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。目前常用的垂直位移監(jiān)測(cè)方法有幾何水準(zhǔn)測(cè)量法[1]、流體靜力水準(zhǔn)法[1]、GPS高程擬合法[2]和三角高程測(cè)量法。本文著重論述單向三角高程測(cè)量法在變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用，其他方法就不贅述。

1 單向三角高程測(cè)量法

三角高程測(cè)量的基本原理[3]如圖1，A、B為地面上兩點(diǎn)，自A點(diǎn)觀測(cè)B點(diǎn)的豎直角為α1,2，S0為兩點(diǎn)間水平距離，i1為A點(diǎn)儀器高，v2為B點(diǎn)覘標(biāo)高，則A、B兩點(diǎn)間高差為：

圖1 三角高程原理圖

式（1）是假設(shè)地球表面為一平面，觀測(cè)視線(xiàn)為直線(xiàn)條件推導(dǎo)出來(lái)的。在大地測(cè)量中，當(dāng)兩點(diǎn)距離大于300 m時(shí)，應(yīng)考慮地球曲率和大氣折光對(duì)高差的影響，為了提高三角高程測(cè)量的精度，通常采取對(duì)向觀測(cè)方法，求兩點(diǎn)間高差，以減弱大氣垂直折光的影響，在單向三角高程測(cè)量時(shí)，其公式為：

式中，C為球氣差常數(shù)。

三角高程測(cè)量因其測(cè)量原理，在一定程度上不受地形條件的限制，尤其在地形復(fù)雜，很難架設(shè)儀器的地方，只要能讓兩點(diǎn)直接通視，控制兩高差點(diǎn)的距離，嚴(yán)格按照規(guī)范加上球氣差改正就能達(dá)到較高精度。

由于三角高程測(cè)量在變形監(jiān)測(cè)中有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢(shì)，因此小浪底工程外部變形監(jiān)測(cè)[4]、瑯琊山抽水蓄能電站大壩[5]、溪洛渡電站變形監(jiān)測(cè)[6]等項(xiàng)目中均利用高精度的測(cè)量?jī)x器，采用單向三角高程測(cè)量進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)，均滿(mǎn)足規(guī)范要求。

2 單向三角高程測(cè)量監(jiān)測(cè)實(shí)例

某水利樞紐是長(zhǎng)江上游的一個(gè)大型開(kāi)發(fā)梯級(jí)項(xiàng)目，其大壩是目前世界上唯一一座壩高超過(guò)200 m的面板堆石壩。項(xiàng)目建成后為保證大壩的安全運(yùn)行，需對(duì)壩體上設(shè)置的不同高程面上的4排共51個(gè)變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行周期性的觀測(cè)。由于該壩體處于地勢(shì)低洼地帶，利用GPS進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)，觀測(cè)衛(wèi)星數(shù)較少，精度無(wú)法保證。施工方在監(jiān)測(cè)時(shí)使用常規(guī)水準(zhǔn)進(jìn)行壩體監(jiān)測(cè)，效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、投入人力多，項(xiàng)目移交后大壩管理方想嘗試用一種經(jīng)濟(jì)、便捷、效率高的方式來(lái)替代常規(guī)水準(zhǔn)，通過(guò)查閱有關(guān)文獻(xiàn)[7]得知：測(cè)邊精度為1 mm+1×10-6×D，測(cè)角精度為0．5"的全站儀，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的三維點(diǎn)位精度、平面精度和高程精度在2 000 m測(cè)距范圍內(nèi)均能滿(mǎn)足mm級(jí)精度要求。該大壩監(jiān)測(cè)點(diǎn)到基準(zhǔn)點(diǎn)最長(zhǎng)邊約為760 m，最短邊約為350 m，因此采用高精度的全站儀來(lái)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并對(duì)比監(jiān)測(cè)效果。

采用TCA2003儀器，其測(cè)邊精度為1 mm+1×10-6× D，測(cè)角精度為0．5"，利用單向三角高程測(cè)量，分別在2 個(gè)參考點(diǎn)上架設(shè)儀器對(duì)壩體上的監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行了5期變形監(jiān)測(cè)，獲得壩體上的所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)高程值，并進(jìn)行球氣差改正，最終對(duì)兩站的高程值求平均值。由于篇幅所限，本文只列舉壩體最上面的SA2高程面（共7點(diǎn)）和SA3高程面（共10點(diǎn)）的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。利用各期的高程值分別與第1期的高程值求差，得出各高程點(diǎn)的變形量，如表1、表2所示。SA3高程面上監(jiān)測(cè)點(diǎn)垂直沉降曲線(xiàn)如圖2所示。SA2高程面上監(jiān)測(cè)點(diǎn)垂直沉降曲線(xiàn)如圖3所示。

表1 SA3高程面監(jiān)測(cè)點(diǎn)各期高程值與1期高程值的較差表/ mm

圖2 SA3高程面上監(jiān)測(cè)點(diǎn)各期沉降曲線(xiàn)圖

表2 SA2高程面監(jiān)測(cè)點(diǎn)各期高程值與1期高程值的較差表/ mm

由SA2和SA3兩個(gè)高程面的沉降曲線(xiàn)圖可知，大壩在觀測(cè)期間一直在發(fā)生沉降，其中位于大壩兩側(cè)的點(diǎn)沉降量相對(duì)較小，比較穩(wěn)定；位于大壩中間的點(diǎn)沉降量比較大，尤其以最頂層SA2高程面上的監(jiān)測(cè)點(diǎn)最為突出，其沉降量反映了大壩沉降的總量。通過(guò)對(duì)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的高程值求中誤差，得到本次變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)的高程中誤差為±1．6 mm，其觀測(cè)值與前期水準(zhǔn)觀測(cè)值的最大較差為-2．5 mm，最小較差為+0．5 mm，滿(mǎn)足管理方要求的變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)測(cè)量精度不大于2 mm的要求。

圖3 SA2高程面上監(jiān)測(cè)點(diǎn)各期沉降曲線(xiàn)圖

3 結(jié) 語(yǔ)

從項(xiàng)目數(shù)據(jù)可以證實(shí)，利用單向三角高程監(jiān)測(cè)大壩垂直變形是成功的。但在利用單向三角高程測(cè)量進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)時(shí)需注意以下幾點(diǎn)：

①必須采用高精度的全站儀，尤其對(duì)于監(jiān)測(cè)點(diǎn)相對(duì)較多的項(xiàng)目，這樣既能提高作業(yè)效率，也能減輕勞動(dòng)強(qiáng)度。②可根據(jù)測(cè)站到監(jiān)測(cè)點(diǎn)的距離設(shè)置多個(gè)工作基站，每個(gè)工作基站的距離盡量不超過(guò)600 m，垂直角不大于30°[8]。③為確保成果的可靠性，防止工作基點(diǎn)整體移動(dòng)，需定期觀測(cè)基準(zhǔn)網(wǎng)，但周期可稍長(zhǎng)（一季度或0．5 a聯(lián)測(cè)一次）。④在監(jiān)測(cè)時(shí)，應(yīng)同時(shí)記錄工作基站附近的溫度和氣壓，最好使用干濕溫度計(jì)。要選擇空氣相對(duì)穩(wěn)定的時(shí)間段進(jìn)行觀測(cè)，在太陽(yáng)升起和落山的1 h內(nèi)不要觀測(cè)，此時(shí)大氣的垂直折光變化劇烈，會(huì)影響觀測(cè)精度。⑤為提高三角高程測(cè)量的精度和核檢測(cè)量結(jié)果，在有條件的監(jiān)測(cè)點(diǎn)處，可聯(lián)測(cè)部分高精度或等精度的水準(zhǔn)數(shù)據(jù)。

[1] 袁天奇,張冰．大壩外部變形監(jiān)測(cè)技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J]．水力發(fā)電,2003(6)：52-55

[2] 郟紅偉． GPS水準(zhǔn)測(cè)量應(yīng)用探討[J]．測(cè)繪通報(bào),2005(8)∶34-38

[3] 孔祥元,郭際明． 控制測(cè)量學(xué)[M]．武漢：武漢大學(xué)出版社,2006

[4] 劉朋俊,丁萬(wàn)慶,張榮林． TCA2003在小浪底工程外部變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J]．廣西水利水電,2003(2)∶3-7

[5] 孫景領(lǐng),黃騰,鄧標(biāo)．TCA2003全站儀自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)ATR的實(shí)測(cè)三維精度分析[J]．測(cè)繪工程,2007,16(3)：48-51

[6] 李雙平,方濤,王當(dāng)強(qiáng)．測(cè)量機(jī)器人在溪洛渡電站變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)中的應(yīng)用[J]．人民長(zhǎng)江,2007,38(17)∶54-56

[7] 梅文勝,張正祿,郭際明,等． 測(cè)量機(jī)器人變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件研究[J]．武漢大學(xué)學(xué)報(bào)∶信息科學(xué)版,2002(2)∶24-26

[8] 張正祿,鄧勇,羅長(zhǎng)林,等．精密三角高程代替一等水準(zhǔn)測(cè)量的研究[J]．武漢大學(xué)學(xué)報(bào)∶信息科學(xué)版,2006(1)∶5-8

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1672-4623（2016）01-0097-02

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.01.029

楊敏，碩士，工程師，主要從事工程測(cè)量、大地測(cè)量、數(shù)據(jù)分析和處理以及相關(guān)方面的科研和生產(chǎn)工作。

2015-04-22。