丁學(xué)智，董 燕，謝豐余

（1.昆明理工大學(xué)國(guó)土資源工程學(xué)院，云南省昆明市 650093；2.中國(guó)電建集團(tuán)昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，云南省昆明市 650051；3.華能瀾滄江水電股份有限公司，云南省昆明市 650214）

0 引言

水電站變形監(jiān)測(cè)控制網(wǎng)建立的目的在于：為水電站水工建筑物、邊坡變形監(jiān)測(cè)提供可靠的位置基準(zhǔn)[1，2]。因此，變形監(jiān)測(cè)控制網(wǎng)點(diǎn)位必須滿足通視條件好、地質(zhì)穩(wěn)定、方便使用且利于保護(hù)等要求。同時(shí)，變形監(jiān)測(cè)控制網(wǎng)應(yīng)具備高精度、高可靠性和高靈敏度等特點(diǎn)，以滿足水電站變形監(jiān)測(cè)的需要。由于水電站樞紐區(qū)普遍位于高山峽谷中，受地形條件限制，平面變形監(jiān)測(cè)控制網(wǎng)點(diǎn)位通視困難，設(shè)計(jì)難度大，僅憑一般經(jīng)驗(yàn)布網(wǎng)往往網(wǎng)形結(jié)構(gòu)不合理，難以保證精度和可靠性。本文根據(jù)黃登水電站樞紐區(qū)水工建筑物、邊坡監(jiān)測(cè)需要，結(jié)合變形監(jiān)測(cè)控制網(wǎng)精度、可靠性、靈敏度要求，研究以邊、方向觀測(cè)量精度先驗(yàn)值為參數(shù)，采用基于最小二乘法原理的精度估算方法進(jìn)行平面監(jiān)測(cè)控制網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)。同時(shí)在起算基準(zhǔn)點(diǎn)上布設(shè)倒垂線，增加基準(zhǔn)點(diǎn)的外部校核條件，變形監(jiān)測(cè)控制網(wǎng)的設(shè)計(jì)成果滿足工程需要。

1 工程概況

黃登水電站位于云南省蘭坪縣境內(nèi)的瀾滄江上游河段，是瀾滄江上游古水至苗尾河段“一庫(kù)七級(jí)”水電梯級(jí)開(kāi)發(fā)方案的第五級(jí)水電站。黃登水電站以發(fā)電為主，是兼有防洪、灌溉、供水、水土保持和旅游等綜合效益的大型水利水電工程。黃登水電站最大壩高為204m，裝機(jī)容量1900MW。樞紐區(qū)河谷狹窄，呈“V”字形，兩岸地形基本對(duì)稱，山坡陡峻，自然坡度一般大于45°，多陡壁，兩岸1950m高程以上局部分布有相對(duì)緩坡，坡度一般為15°～35°。兩岸岸坡地形不完整，呈沖溝和山梁相間分布。

黃登水電站樞紐區(qū)變形監(jiān)測(cè)對(duì)象主要包括碾壓混凝土重力壩、導(dǎo)流洞邊坡、壩肩邊坡以及自然邊坡等。黃登水電站樞紐區(qū)建立平面監(jiān)測(cè)控制網(wǎng)，為各監(jiān)測(cè)部位建立永久監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)，滿足樞紐區(qū)內(nèi)各主要建筑物和邊坡的永久監(jiān)測(cè)，并兼顧建筑物的施工期監(jiān)測(cè)。

2 平面監(jiān)測(cè)控制網(wǎng)設(shè)計(jì)

2.1 平面監(jiān)測(cè)控制網(wǎng)點(diǎn)位布置

點(diǎn)位布置時(shí)在樞紐區(qū)1∶2000地形圖上初步選定點(diǎn)位，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)踏勘情況，綜合考慮通視條件、利于使用和保護(hù)、點(diǎn)位相對(duì)穩(wěn)定以及網(wǎng)形等因素后確定點(diǎn)位[3，4]。圖1為平面監(jiān)測(cè)控制網(wǎng)布置圖。

黃登水電站平面位移監(jiān)測(cè)網(wǎng)沿瀾滄江干流控制范圍約3km，共由19個(gè)點(diǎn)組成，包括基準(zhǔn)點(diǎn)組和工作基點(diǎn)組兩部分?；鶞?zhǔn)點(diǎn)組編號(hào)為J01～J06，基準(zhǔn)點(diǎn)組由6個(gè)點(diǎn)組成，左右岸各3點(diǎn)，距離大壩最近和最遠(yuǎn)的基準(zhǔn)點(diǎn)分別距離大壩0.7km和1.8km左右。J01、J02分別布置在距離大壩下游約700m的右岸和左岸山體上，基本不受施工影響，且這兩點(diǎn)位于整網(wǎng)中部偏下游區(qū)域，作為基準(zhǔn)點(diǎn)較為適宜。為增加校核，提高可靠性，同時(shí)兼顧對(duì)壩下游建筑物的監(jiān)測(cè)需要，在基準(zhǔn)點(diǎn)J01、J02下游左、右岸各布置2個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)J03～J06作為J01、J02的校核基準(zhǔn)。

圖1 黃登水電站平面監(jiān)測(cè)控制網(wǎng)布置圖Fig．1 Layout of plane deformation monitoring control network in the Huangdeng Hydroelectric Station

為了提高基準(zhǔn)的可靠性，增加外部校核條件，在J01、J02旁各安裝1條倒垂線，編號(hào)分別為IP01、IP02，倒垂線通過(guò)鉆孔錨固到基巖，檢核這兩個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)的穩(wěn)定性。

工作基點(diǎn)組由13個(gè)點(diǎn)組成，編號(hào)為C01～C13。C01～C07位于1650m高程附近，其中C01～C03主要作用是為混凝土重力壩的壩頂和下游壩面、壩肩邊坡位移監(jiān)測(cè)提供工作基點(diǎn)；C04、C05主要作用是為混凝土重力壩上游面的位移監(jiān)測(cè)提供工作基點(diǎn)；C06、C07主要作用是為導(dǎo)流洞進(jìn)口邊坡、近壩區(qū)巖體、自然邊坡的監(jiān)測(cè)提供工作基點(diǎn)；C08～C12位于1550m高程附近，主要作用是為大壩下游邊坡、導(dǎo)流洞出口邊坡、尾水洞出口邊坡的監(jiān)測(cè)提供工作基點(diǎn)；C13位于大壩轉(zhuǎn)折壩段壩頂，對(duì)整網(wǎng)起到聯(lián)系壩上下游網(wǎng)點(diǎn)，增強(qiáng)圖形結(jié)構(gòu)的作用。

2.2 平面監(jiān)測(cè)控制網(wǎng)圖形設(shè)計(jì)

平面監(jiān)測(cè)控制網(wǎng)點(diǎn)以三角形和大地四邊形連接，布設(shè)為全測(cè)邊測(cè)角網(wǎng)。根據(jù)監(jiān)測(cè)網(wǎng)點(diǎn)布設(shè)方案，采用基于最小二乘法原理的精度估算方法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。優(yōu)化設(shè)計(jì)原則是網(wǎng)形選擇力求簡(jiǎn)單，滿足精度和可靠性要求，有適當(dāng)?shù)木雀挥?。最終選定了62條邊、124個(gè)方向的觀測(cè)量構(gòu)建監(jiān)測(cè)控制網(wǎng)。

（1）精度估算。

黃登水電站樞紐區(qū)變形監(jiān)測(cè)控制網(wǎng)控制范圍大，網(wǎng)點(diǎn)數(shù)目多，網(wǎng)形結(jié)構(gòu)復(fù)雜，點(diǎn)位精度要求高，根據(jù)工程規(guī)模特點(diǎn)，精度要求最弱點(diǎn)位中誤差小于±2.0mm。在設(shè)計(jì)圖上切取控制網(wǎng)點(diǎn)的概略坐標(biāo)，對(duì)上述網(wǎng)形進(jìn)行精度估算，起算點(diǎn)為J01，J01至J02的方位角為起算方位角，觀測(cè)量先驗(yàn)精度為：方向中誤差±0.35″，測(cè)距中誤差±（1.0mm+1.0×10-6·D）。點(diǎn)位精度估算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 點(diǎn)位精度統(tǒng)計(jì)表Tab.1 Statistics of the points precision

由計(jì)算結(jié)果可知，點(diǎn)位中誤差最大值為±1.69mm（C07），該網(wǎng)形完全滿足精度要求。

（2）可靠性指標(biāo)。

可靠性指標(biāo)與多余觀測(cè)分量有關(guān)，是無(wú)量綱的量，分為內(nèi)部可靠性和外部可靠性。內(nèi)部可靠性指標(biāo)：在顯著水平α下，以檢驗(yàn)功效β發(fā)現(xiàn)粗差的下界；外部可靠性指標(biāo)：表示未能發(fā)現(xiàn)的粗差對(duì)平差結(jié)果的影響的指標(biāo)[5]。取α=0.01，β=0.90，非中心化參數(shù)δ=3.86，通過(guò)計(jì)算，可靠性指標(biāo)見(jiàn)表2。

表2 可靠性指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表Tab.2 Statistics of the reliability index

從計(jì)算結(jié)果可知，監(jiān)測(cè)控制網(wǎng)多余觀測(cè)分量均滿足規(guī)范大于0.2的要求，內(nèi)、外部可靠性較高，表明監(jiān)測(cè)網(wǎng)具有較強(qiáng)的抵抗粗差的能力。

（3）靈敏度指標(biāo)。

靈敏度指標(biāo)反映監(jiān)測(cè)網(wǎng)發(fā)現(xiàn)某一變形的能力，通常以靈敏度橢圓表示，即超出該橢圓的變形才能被發(fā)現(xiàn)，位于橢圓內(nèi)部的變形均不能被發(fā)現(xiàn)。

靈敏度與網(wǎng)形結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、觀測(cè)精度、顯著水平和檢驗(yàn)功效有關(guān)。取顯著水平α=0.01，相應(yīng)的檢驗(yàn)功效β=0.9時(shí)，靈敏度指標(biāo)見(jiàn)表3。

表3 靈敏度指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表Tab.3 Statistics of the sensitivity index

從計(jì)算結(jié)果可知，靈敏度橢圓長(zhǎng)半軸最大值為±3.18mm，該網(wǎng)形具備較高靈敏度，有利于監(jiān)測(cè)網(wǎng)的變形分析，滿足工程需要。

2.3 觀測(cè)技術(shù)要求

平面網(wǎng)初期建網(wǎng)在蓄水前完成，初期建網(wǎng)不包括C13，C13待大壩澆筑到壩頂后再建造并納入整網(wǎng)觀測(cè)。初期建網(wǎng)時(shí)，連續(xù)、獨(dú)立觀測(cè)兩遍，成果合格后取平均值作為初始值[6]。大壩蓄水后進(jìn)行一次復(fù)測(cè)，以后的復(fù)測(cè)周期視監(jiān)測(cè)網(wǎng)控制點(diǎn)穩(wěn)定情況而定，一般以一年一次為宜。當(dāng)發(fā)生大規(guī)模施工爆破、特大洪水、地震后或其他危及監(jiān)測(cè)網(wǎng)穩(wěn)定的情況時(shí)，應(yīng)及時(shí)復(fù)測(cè)。以測(cè)角中誤差為±0.5''的儀器為例，觀測(cè)技術(shù)要求如下。

水平角觀測(cè)：按全圓方向法觀測(cè)15個(gè)測(cè)回，二次照準(zhǔn)目標(biāo)讀數(shù)之差小于2.5″，半測(cè)回歸零差小于4″，一測(cè)回2C較差小于8″，同一方向各測(cè)回較差小于4″。天頂距觀測(cè)：采用中絲法測(cè)量天頂距4個(gè)測(cè)回，兩次重合讀數(shù)差限差1″，指標(biāo)互差小于6″，測(cè)回差小于4″。斜距觀測(cè)：每條邊往、返各觀測(cè)4測(cè)回，邊長(zhǎng)往返測(cè)二時(shí)段較差小于2（a+b×D）mm，邊長(zhǎng)往返測(cè)較差小于2（a+b×D）mm，其中，a、b分別為儀器測(cè)距加、乘常數(shù)；D為斜距[7]。

倒垂線觀測(cè)：J01、J02對(duì)應(yīng)的倒垂線IP01、IP02用電容式（智能型）或CCD式垂線坐標(biāo)儀進(jìn)行觀測(cè)。

2.4 數(shù)據(jù)處理技術(shù)要求

（1）觀測(cè)數(shù)據(jù)檢驗(yàn)。

觀測(cè)數(shù)據(jù)檢驗(yàn)根據(jù)有關(guān)規(guī)范的要求完成，各項(xiàng)檢驗(yàn)的限值必須滿足規(guī)范要求。主要的檢驗(yàn)項(xiàng)目包括以下幾項(xiàng)：邊長(zhǎng)測(cè)量檢驗(yàn)項(xiàng)目包含往返觀測(cè)不符值、一次測(cè)量中誤差、往返測(cè)量中誤差；角度測(cè)量檢驗(yàn)項(xiàng)目包含三角形閉合差、按菲列羅公式計(jì)算的測(cè)角中誤差；其他檢驗(yàn)項(xiàng)目包含測(cè)邊網(wǎng)組合角條件檢驗(yàn)、測(cè)角網(wǎng)極條件、邊角網(wǎng)正弦條件和余弦條件等。

（2）監(jiān)測(cè)網(wǎng)平差。

初始觀測(cè)時(shí)，邊角網(wǎng)平差計(jì)算前采用方差分量估計(jì)計(jì)算邊角權(quán)比，然后以J01、J02作為起算基準(zhǔn)進(jìn)行經(jīng)典自由網(wǎng)平差。復(fù)測(cè)時(shí)，平差計(jì)算應(yīng)先比較各網(wǎng)點(diǎn)兩期測(cè)量的邊長(zhǎng)、角度，并進(jìn)行擬穩(wěn)分析和點(diǎn)位穩(wěn)定性分析后確定起算點(diǎn)、起算方位及平差計(jì)算網(wǎng)點(diǎn)坐標(biāo)值。

倒垂線觀測(cè)成果與擬穩(wěn)平差成果相互檢核驗(yàn)證J01、J02的穩(wěn)定性，J01、J02對(duì)應(yīng)的倒垂線位移量不超過(guò)2mm時(shí)，可不對(duì)基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行改算；如果超過(guò)2mm，則需對(duì)基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行改算[8]。

3 結(jié)束語(yǔ)

黃登水電站變形監(jiān)測(cè)控制網(wǎng)沿瀾滄江干流控制范圍約3km，點(diǎn)位布設(shè)合理，基準(zhǔn)點(diǎn)布置在大壩下游遠(yuǎn)離施工區(qū)影響的穩(wěn)定區(qū)域，在起算基準(zhǔn)點(diǎn)J01、J02旁分別安裝深入基巖的倒垂線IP01、IP02，檢核這兩個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)的穩(wěn)定性，提高了基準(zhǔn)的可靠性。為避免利用工作基點(diǎn)監(jiān)測(cè)時(shí)垂直角過(guò)大影響監(jiān)測(cè)精度，工作基點(diǎn)基本按照1650m和1550m兩個(gè)高程面布設(shè)，兼顧了大壩頂部以上高程和大壩中部以下高程的變形監(jiān)測(cè)。

通過(guò)基于最小二乘原理的精度估算方法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終選定了62條邊、124個(gè)方向的觀測(cè)量構(gòu)網(wǎng)。最大點(diǎn)位中誤差為±1.69 mm（C07），多余觀測(cè)分量均滿足規(guī)范大于0.2的要求，內(nèi)、外部可靠性和高靈敏度高，可作為變形監(jiān)測(cè)的基準(zhǔn)。同時(shí)，提出了監(jiān)測(cè)控制網(wǎng)觀測(cè)、數(shù)據(jù)處理的技術(shù)指標(biāo)和要求，設(shè)計(jì)成果滿足黃登水電站工程施工期及運(yùn)營(yíng)期變形監(jiān)測(cè)的需要。

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