張克峰 馬波

摘 要：臥虎山水庫(kù)位于濟(jì)南市南部山區(qū)，距市區(qū)10公里，在錦繡川、錦陽(yáng)川、錦云川匯流處的玉符河上游，屬黃河水系。大壩變形監(jiān)測(cè)是水庫(kù)工程管理中的一項(xiàng)重要基礎(chǔ)工作。大壩的穩(wěn)定和安全是水庫(kù)發(fā)揮社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益的基礎(chǔ)，大壩變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行，為大壩各項(xiàng)安全技術(shù)指標(biāo)的運(yùn)用和大壩安全運(yùn)行提供了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，為科學(xué)管理、信息化監(jiān)測(cè)提供了可靠的數(shù)據(jù)支撐。

關(guān)鍵詞：變形監(jiān)測(cè);改造方案;全站儀;GNSS

中圖分類號(hào)：TV698.11 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2019）07-0109-02

1 基本情況

臥虎山水庫(kù)位于濟(jì)南市南部山區(qū)，距市區(qū)10公里，在錦繡川、錦陽(yáng)川、錦云川匯流處的玉符河上游，屬黃河水系。水庫(kù)建于1958年，歷經(jīng)初建、改建、擴(kuò)建、續(xù)建、除險(xiǎn)加固和增容工程達(dá)到現(xiàn)狀規(guī)模。水庫(kù)流域面積557km，總庫(kù)容1.2億立米，死水位112.70m，相應(yīng)庫(kù)容329萬(wàn)m3;興利水位130.50m，相應(yīng)庫(kù)容6697萬(wàn)m3;校核洪水位137.61m，相應(yīng)庫(kù)容12035萬(wàn)m3，是濟(jì)南市唯一的大型水庫(kù)。水庫(kù)主要功能是防洪、生態(tài)補(bǔ)源、城市供水和農(nóng)業(yè)灌溉。水庫(kù)樞紐由大壩、溢洪道、放水洞三部分組成。

2009年9月，水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程開(kāi)工，結(jié)合大壩北側(cè)山體2#滑坡監(jiān)測(cè)，以及施工期運(yùn)行安全，建設(shè)了大壩變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。包括垂直變形和水平變形。

在大壩樁號(hào)0+050、0+150、0+275、0+375、0+475、0+630、0+830后壩坡布設(shè)了7排監(jiān)測(cè)斷面，每個(gè)斷面3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)（分別位于后壩肩、馬道、壩腳），共設(shè)有21個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。系統(tǒng)采用瑞士徠卡高精度測(cè)量機(jī)器人（自動(dòng)控制全站儀）實(shí)施大壩的變形監(jiān)測(cè)，觀測(cè)站設(shè)在大壩樁號(hào)0+450下游，距離大壩軸線約200米處。觀測(cè)站與水庫(kù)中控室采用光纖通訊，根據(jù)設(shè)定的觀測(cè)周期定時(shí)上傳數(shù)據(jù)，通過(guò)系統(tǒng)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，形成大壩壩體沉降變形變化趨勢(shì)圖表。

但因水庫(kù)確權(quán)劃界范圍有限、壩址區(qū)兩岸高山坡地形限制以及管理區(qū)范圍內(nèi)的違建、墾殖等影響，現(xiàn)變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)唯一的工作基點(diǎn)緊鄰居民建筑物，觀測(cè)視線受樹(shù)木遮擋嚴(yán)重且設(shè)置的監(jiān)測(cè)點(diǎn)棱鏡砼基座現(xiàn)狀破損嚴(yán)重，棱鏡或被搗毀破壞或被雜草遮擋，失去了監(jiān)測(cè)點(diǎn)功能。

2 改造方案

2.1 大壩變形監(jiān)測(cè)的精度指標(biāo)

根據(jù)工程測(cè)量規(guī)范要求，大壩變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)和監(jiān)測(cè)點(diǎn)的精度要求，應(yīng)符合表1規(guī)定。其中水平變形相鄰中誤差取點(diǎn)位中誤差的1/倍。

2.2 大壩變形監(jiān)測(cè)設(shè)備選型

目前大壩的表面變形監(jiān)測(cè)主要有激光測(cè)距儀、變形監(jiān)測(cè)傳感器、全站儀和全球定位系統(tǒng)（GNSS）等四種方法。根據(jù)水庫(kù)的大壩變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)施驗(yàn)收資料，并結(jié)合臥虎山大壩的實(shí)際情況，全站儀和GNSS監(jiān)測(cè)方法是目前最適合的兩種方法。

2.2.1 全站儀表面變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

全站儀是集電子經(jīng)緯儀、光電測(cè)距儀于一體，進(jìn)行自動(dòng)采集、處理和貯存監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的儀器。采集基準(zhǔn)點(diǎn)、變形測(cè)點(diǎn)的水平角、垂直角和距離數(shù)據(jù)，得到變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)，兩次結(jié)果之差就是大壩的相對(duì)水平變形、垂直變形。

目前全站儀可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，帶電動(dòng)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)和程序控制的TPS全站儀結(jié)合激光、通信及CCD技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)測(cè)量的全自動(dòng)化，集自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別、自動(dòng)照準(zhǔn)、自動(dòng)測(cè)角、自動(dòng)測(cè)距、自動(dòng)跟蹤目標(biāo)、自動(dòng)記錄于一體的測(cè)量系統(tǒng)，俗稱測(cè)量機(jī)器人。在大壩周圍通視條件好并且穩(wěn)定的地方設(shè)置基準(zhǔn)站架設(shè)測(cè)量機(jī)器人，在大壩兩端穩(wěn)定的地方設(shè)置基準(zhǔn)點(diǎn)和壩體上合理的布置變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)架設(shè)反射棱鏡。測(cè)量機(jī)器人在計(jì)算機(jī)的控制下，自動(dòng)照準(zhǔn)目標(biāo)棱鏡。目前大壩已建有萊卡的測(cè)量機(jī)器人，需根據(jù)實(shí)際情況對(duì)其修復(fù)，使其正常運(yùn)行。

2.2.2 GNSS表面變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

GNSS（全球定位系統(tǒng)）監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由空間部分（人造地球衛(wèi)星）、地面監(jiān)控部分（分布在地球赤道上的若干個(gè)衛(wèi)星監(jiān)控站、注入站和主控站）和用戶部分（用于接收衛(wèi)星信號(hào)的設(shè)備）三部分組成。GNSS監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包括天線、接收機(jī)、通訊系統(tǒng)及相關(guān)解算、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換及分析處理軟件等組成部分。

GNSS具有迅速、精確、全時(shí)等優(yōu)點(diǎn)，除在飛行器導(dǎo)航成功應(yīng)用外，廣泛應(yīng)用于大地測(cè)量、精密工程測(cè)量和地殼形變監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。GNSS用于變形監(jiān)測(cè)，局限于有限的區(qū)域，但監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)密集。當(dāng)GNSS用于大壩變形監(jiān)測(cè)時(shí)，可在遠(yuǎn)方距離監(jiān)測(cè)點(diǎn)合適的位置（如穩(wěn)固的基巖上）建立基準(zhǔn)點(diǎn)。在基準(zhǔn)點(diǎn)架設(shè)GNSS接收機(jī)，根據(jù)其精確的三維坐標(biāo)，經(jīng)過(guò)反復(fù)觀測(cè)從而得到變形點(diǎn)坐標(biāo)（或者基線）的數(shù)據(jù)變化。根據(jù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，建立安全監(jiān)測(cè)模型，從而分析滑坡、大壩等的變形規(guī)律并實(shí)現(xiàn)及時(shí)的反饋。

GNSS技術(shù)的全時(shí)特點(diǎn)不但可以自動(dòng)化采集數(shù)據(jù)，而且可以將衛(wèi)星信號(hào)傳輸?shù)娇刂浦行?，?shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)化傳輸，通過(guò)整體的微小監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化，構(gòu)造統(tǒng)計(jì)分析模型，預(yù)測(cè)變形體長(zhǎng)期的變化趨勢(shì)，為水庫(kù)安全運(yùn)行提供數(shù)據(jù)支撐。

總體來(lái)說(shuō)GNSS的主要體現(xiàn)在以下三個(gè)方面：

（1）精確。GNSS相對(duì)定位精度在50km以內(nèi)可達(dá)10-6，100-500km可達(dá)10-7，1000km可達(dá)10-9。在300-1500m工程精密定位中，1小時(shí)以上監(jiān)測(cè)的解其平面其平面位置誤差小于1mm，與ME-5000電磁波測(cè)距儀測(cè)定得邊長(zhǎng)比較，其邊長(zhǎng)較差最大為0.5mm，校差中誤差為0.3mm。（2）迅速。隨著GNSS系統(tǒng)的不斷完善，軟件的不斷更新，目前20km以內(nèi)相對(duì)靜態(tài)定位，僅需15-20分鐘;快速靜態(tài)相對(duì)定位測(cè)量時(shí)，當(dāng)每個(gè)流動(dòng)站與基準(zhǔn)站相距在15km以內(nèi)時(shí)，流動(dòng)站監(jiān)測(cè)時(shí)間只需1-2分鐘，且可隨時(shí)定位，每站監(jiān)測(cè)只需幾秒鐘。（3）全時(shí)。目前的GNSS監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以通過(guò)設(shè)置進(jìn)行自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集，進(jìn)行24小時(shí)全天候作業(yè)。

由上表可見(jiàn)全站儀和GNSS在精度上均可滿足大壩監(jiān)測(cè)的要求。

3 大壩變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)布置

變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)的網(wǎng)點(diǎn)分為基準(zhǔn)點(diǎn)、工作基點(diǎn)和變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)：

（1）基準(zhǔn)點(diǎn)，應(yīng)選在變形影像區(qū)域之外穩(wěn)固可靠的位置，每個(gè)工程至少應(yīng)有3個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，其水平變形基準(zhǔn)點(diǎn)應(yīng)采用帶有強(qiáng)制歸心裝置的監(jiān)測(cè)墩，垂直變形基準(zhǔn)點(diǎn)宜采用雙金屬標(biāo)或鋼管表。（2）工作基點(diǎn)，應(yīng)選在比較穩(wěn)定且方便使用的位置。（3）變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)，應(yīng)設(shè)立在能反映監(jiān)測(cè)體變形特征的位置或者斷面上。（4）監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)網(wǎng)，應(yīng)由基準(zhǔn)點(diǎn)和部分工作基點(diǎn)構(gòu)成。監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)網(wǎng)應(yīng)每半年復(fù)測(cè)一次，當(dāng)對(duì)變形成果發(fā)生懷疑時(shí)，應(yīng)隨時(shí)監(jiān)測(cè)檢核基準(zhǔn)網(wǎng)。

按照實(shí)際測(cè)試觀測(cè)情況，在大壩背水坡面0+050、0+150、0+275、0+375、0+475、0+630、0+730、0+830處共布設(shè)8個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，每個(gè)斷面根據(jù)實(shí)際情況布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

4 方案的選定

大壩變形監(jiān)測(cè)是水庫(kù)工程管理中的一項(xiàng)重要基礎(chǔ)工作。大壩的穩(wěn)定和安全是水庫(kù)發(fā)揮社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益的基礎(chǔ)，大壩變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行，為大壩各項(xiàng)安全技術(shù)指標(biāo)的運(yùn)用和大壩安全運(yùn)行提供了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，為科學(xué)管理、信息化監(jiān)測(cè)提供了可靠的數(shù)據(jù)支撐。

經(jīng)對(duì)水庫(kù)現(xiàn)有監(jiān)測(cè)設(shè)備和往期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的詳細(xì)查看，結(jié)合實(shí)際情況，通過(guò)設(shè)備選型，確定水庫(kù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)今后觀測(cè)以GNSS監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為主，實(shí)施自動(dòng)化觀測(cè)。為滿足工程管理要求，在建立GNSS監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的同時(shí)，恢復(fù)全站儀測(cè)量機(jī)器人的監(jiān)測(cè)，通過(guò)對(duì)兩種監(jiān)測(cè)方式采集的數(shù)據(jù)的后處理，綜合分析計(jì)算，提高大壩變形的監(jiān)測(cè)精度。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉琳琳，董永霞.臥虎山水庫(kù)大壩防滲系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)及優(yōu)選[J].河南水利與南水北調(diào)，2010（3）：46-48.

[2] 趙中華，苗驥.臥虎山水庫(kù)放水洞加固方案比選[J].河南水利與南水北調(diào)，2014（10）：39-40.

[3] 馮新權(quán)，李貴清，黃松.臥虎山水庫(kù)大壩測(cè)壓管觀測(cè)資料的分析與應(yīng)用[J].山東水利，2008（5）：30-32.

[4] 李志乾，耿波.臥虎山水庫(kù)除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2014（33）：225-225，226.

[5] 李永暉，康江，張文河，王富景.談臥虎山水庫(kù)汛限水位的確定[J].山東水利，2011（10）：25-26.