徐麗

摘 要：本文主要介紹了三屯河水庫大壩自動變形監(jiān)測在水庫安全運行的實施效果與應用成效，以及在應用過程中的監(jiān)測成果分析、所出現(xiàn)的問題及注意事項。

關鍵詞：三屯河水庫;安全監(jiān)測;全站儀;監(jiān)測自動化;位移;測點布置;實施;應用

中圖分類號：TV697.2 ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ?文章編號：1006—7973（2020）07-0152-03

大壩外部變形監(jiān)測有校核設計、改進施工和評價大壩安全狀況的作用，且重在評價大壩安全。大壩外部變形監(jiān)測的淺層意義是為了人們準確掌握大壩性態(tài);深層意義則是為了更好地發(fā)展工程效益，節(jié)約工程投資。大壩外部變形監(jiān)測不僅是為了被監(jiān)測壩的安全評估，還要有利于其他大壩包括待建壩的安全評估。

大壩外部變形監(jiān)測工作就是利用先進的自動化、即時監(jiān)測手段，確保大壩長期穩(wěn)定、安全的運行，實現(xiàn)效益的最大化，使測量工作變得更快、更輕松，結束了三屯河水庫無大壩自動安全監(jiān)測的歷史。

1工程概況

三屯河水庫位于新疆維吾爾自治區(qū)昌吉市以南32公里的碾盤莊，地處天山北麓中段，準噶爾盆地南緣，屬雨雪混合補給的山溪性河流。水庫正常蓄水位1032.94m，相應庫容2600萬方;設計洪水位1036.94米，相應庫容3355萬方，校核洪水位1037.94m，相應庫容3500萬方。灌區(qū)灌溉面積78萬畝。

水庫大壩為漿砌石重力壩，壩基前部設帷幕灌漿二排孔，排距1米孔距2米，帷幕深度25米。壩體設揚壓力測壓管四排，共20個。因水庫修建于70年代，屬典型的“三邊工程”， 即“邊設計，邊勘探，邊施工”。水庫1971年民辦上馬，1976年正式由土石壩改建為漿砌石重力壩，1987年完成樞紐主體工程。1987年投入運行后，存在大壩抗滑穩(wěn)定系數(shù)小于規(guī)范化值;壩體和壩肩滲漏嚴重;1992年，被國家列為病除水庫，進行除險加固。在1993年至2000年大壩除險加固中，將大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)列為一項重要內(nèi)容，2000年達到設計要求。

2 TCA2003型電子全站儀在水庫管理中的實施及應用

對大壩安全情況進行監(jiān)測，是保證大壩安全運行的重要環(huán)節(jié)。三屯河水庫在結束無外部變形監(jiān)測的歷史后，根據(jù)國外相關資料，嘗試使用了電動電子全站儀裝備的自動監(jiān)測裝置——TPS全站儀定位系統(tǒng)，其測量精度達到亞毫米級，能實時準確監(jiān)測大壩位移變形情況系統(tǒng)構成。

2.1系統(tǒng)的構成

該系統(tǒng)主要由TCA2003型電子全站儀（即觀測站）、基準點、變形點及控制機房組成。

系統(tǒng)構成如下圖：

全站儀使用瑞士徠卡（Leica）公司生產(chǎn)的TCA2003儀器。TCA2003型電子全站儀標稱測角精度+0.5"，測距精度正負（1mm+1ppm×D）（D為被測距離），自動目標辨識（ATR）測量在200m距離內(nèi)優(yōu)于正負1mm，坐標測量精度可達到正負0.2mm。變形監(jiān)測系統(tǒng)自1999年11月8日12時開始試運行，因此將該時刻各測點的測值定為基準值。基準點和變形點上安設反射圓棱鏡，相對于基準網(wǎng)，對各變形點在其控制網(wǎng)內(nèi)的變化情況實施監(jiān)測。

TCA2003型電子全站儀的大壩外部監(jiān)測系統(tǒng)對各監(jiān)測點進行每天12時監(jiān)測一次，用APS軟件所記錄的原始數(shù)據(jù)，后期對數(shù)據(jù)進行差分處理，確保大壩位移數(shù)據(jù)的連續(xù)性由瑞士徠卡公司出品，有集成馬達驅(qū)動、視頻成像系統(tǒng)，并配置智能化的控制及應用軟件。TCA2003全站儀及時了解掌握大壩的實際運行狀態(tài)，掌握了水庫大壩在某水位、溫度下的位移及應力變化，為水庫管理工作提供可靠的依據(jù)。在今后的水庫管理工作和大壩安全監(jiān)測工作中及時發(fā)現(xiàn)、解決問題，使水庫大壩安全運行、水庫管理工作發(fā)揮更大的作用。

2.2大壩外部變形監(jiān)測

大壩外部變形監(jiān)測系統(tǒng)由TCA2003型電子全站儀（即觀測站）基準點、大壩變形點、計算機系統(tǒng)組成?；鶞庶c、變形點使用瑞士徠卡公司的反光鏡系統(tǒng)，在壩體變形區(qū)以外的基巖上建立3個基準點，在壩體上安置7個變形點，每個點上配有一套對準監(jiān)測站的反射單棱鏡。計算機采用APSwin+RMDiff自動級坐標實地多重差分監(jiān)測與DSREP變形點信息報表軟件系統(tǒng)組成。在計算機的控制下，通過測量機器人自動照準測距、測角，對基準點、變形觀測點的變化數(shù)據(jù)來進行大壩位移監(jiān)測。

觀測點和三個基準點（JZ1、JZ2、JZ3）組成一個覆蓋各變形點（S1—S7）的多邊形監(jiān)測基準網(wǎng)。三屯河水庫大壩外部變形監(jiān)測網(wǎng)測點分布見圖2。

2.3 系統(tǒng)控制網(wǎng)坐標系

三屯河流域地形地貌復雜多樣，根據(jù)水庫大壩的位置，將大壩外部變形監(jiān)測系統(tǒng)控制網(wǎng)坐標系建立在大壩主軸線上，以監(jiān)測站為坐標中心點，垂直主軸（即順河向水平位移）向下游為X軸正向;平行大壩主軸線向右岸為Y軸正向（橫河向水平位移）;鉛垂向上為Z軸正向（垂直位移）。

2.4系統(tǒng)軟件

大壩外部變形監(jiān)測開發(fā)掛靠軟件MRDiff實時多重差分平滑改正軟件對于新疆的低溫、高溫，高海拔和氣候造成的系統(tǒng)誤差影響進行實時差分改正。開始監(jiān)測時，照準JZ1，水平角歸零后，啟動TCA2003全站儀內(nèi)置自動監(jiān)測程序，即可實現(xiàn)對觀測點的自動找點（10個點）、自動測量、自動發(fā)送、自動結束。按極坐標的方式采集目標點，水平角、垂直角、斜距等測值傳送到監(jiān)控室，由報表軟件DyRep動態(tài)三維報表，并可輸入水位、溫度、風力風向，生成相關曲線。

2.5外部變形監(jiān)測初步成果分析

大壩外部監(jiān)測系統(tǒng)對各監(jiān)測點進行每小時觀測一次，全年運行8760次，確保大壩位移數(shù)據(jù)的連續(xù)性。通過對三屯河水庫歷年大壩外部變形監(jiān)測資料的初步分析，觀測點的位移與水位、氣溫的變化過程來看，主要從上下游方向、壩體左右岸方向、壩體垂直方向上有以下幾點變化特征和規(guī)律：

（1）壩體順河向水平位移。依據(jù)水庫大壩安全管理規(guī)范和除險加固工程技術要求，通過幾年實測資料各觀測點的位移特征值進行初步的比較、數(shù)據(jù)綜合分析，壩體順河向水平位移主要受庫水位的變化影響，當庫水位升高時，壩體上變形點位移值均大于零，壩體向下游位移;庫水位降低時，變形點位移值小于零，壩體向上游位移。氣溫變化對壩體位移也有一定的影響，但影響甚微，表現(xiàn)在氣溫升高，壩體向上游位移;氣溫降低時，壩體向下游位移。

（2）觀測資料成果表明，壩體左右岸方向水平位移也受庫水位和溫度變化的影響。氣溫上升時，壩體向右岸位移;氣溫降低時，壩體向左岸位移;庫水位升高時，壩體向右岸位移;庫水位降低時，壩體向左岸位移，且壩體中部的測點較兩側(cè)測點的位移大。

（3）壩體垂直位移。壩體垂直方向也受庫水位和氣溫的變化影響，但不明顯，庫水位升高時，揚壓力值增大，壩體向上位移，否則反之。

2.6應用分析結果

通過對水庫大壩外部變形監(jiān)測數(shù)據(jù)的綜合分析，其結果表明在水庫兩次蓄放的過程中，壩體順河向水平位移受庫水位的影響，庫水位升高，壩體向下游位移;庫水位降低，壩體向上游位移;氣溫變化對壩體橫向位移有一定影響。以上大壩變形監(jiān)測成果表明，位移變化特征是合理的，符合壩體的變化規(guī)律，說明了在水庫大壩除險加固后，強度明顯提高，剛度增大，大壩變形量較小，各方向位移量的最大變幅一般在5.0mm以下，沉降量一般在3.0mm以下，均滿足設計要求。

3 應用成效、存在問題及注意事項

3.1應用成效

（1）TCA2003型電子全站儀自1999年11月8日在三屯河建成正式運行至今，全天候24小時制運行，對基準點、變形點跟蹤式測量，記錄每一時刻各點的位移情況。如果各點位移超出了規(guī)定的限制值，全站儀系統(tǒng)就會報警，提示超限點的位移量;在氣象條件不好的情況下，對某一點觀測不到，全站儀系統(tǒng)也會提示該點觀測不到數(shù)據(jù)的信息。并生成各點位移過程圖，使位移變化情況一目了然，對水庫大壩安全分析起到重要的作用。

（2）TCA2003型電子全站儀在三屯河水庫大壩外部變形監(jiān)測中發(fā)揮著先進、準確的測量作用，為判斷大壩安全提供必要的信息，為水庫管理工作提供了可靠的依據(jù)，并獲得了良好的成效。

3.2大壩安全監(jiān)測在水庫運行管理中存在的問題及注意事項

（1）現(xiàn)行每間隔1h測定一次位移值，對初期觀測大壩變形起到了積極作用，多年的實際監(jiān)測資料表明，現(xiàn)大壩位移量最大變幅在5.0mm以內(nèi)，變幅量小，壩體較穩(wěn)定。因此，現(xiàn)每日24次測定次數(shù)過密，應當減少觀測頻次。

（2）每年應對儀器進行校核檢修一次，按照水庫的實際工作需要改進完善系統(tǒng)。

（3）TCA2003儀器因為常年受季節(jié)和天氣變化的影響，應每季度對儀器進行全方位內(nèi)部保養(yǎng)。

（4）大壩外部變形監(jiān)測范圍空間應包括水庫周邊的動態(tài)監(jiān)測，時間應從設計開始，大壩安全監(jiān)測的內(nèi)容不僅包括位移、滲流和水雨情，還要有與大壩安全有關的泄洪及機電設備。

（5）大壩外部變形監(jiān)測應與氣象、水情、洪水預報及水庫調(diào)度結合起來，使之成為水庫運行調(diào)度決策支持系統(tǒng)的一部分，使其為工程效益的最大化服務。

（6）大壩外部變形監(jiān)測應將大壩安全評估與設計標準，設計參數(shù)（如安全系數(shù)，可靠度指標）等指標結合起來，充分利用大壩安全監(jiān)測的成功經(jīng)驗和方法，從而易于理解，掌握和應用。

（7）大壩外部監(jiān)測應充分利用科技進步，走向即時化、智能化、網(wǎng)絡化。

4結語

TCA2003型電子全站儀在三屯河水庫大壩外部變形監(jiān)測中發(fā)揮著先進、準確的測量作用，經(jīng)過幾年的應用和實踐，了解掌握大壩的實際運行狀態(tài)，已對大壩變形、揚壓力自動化正常、安全運行等做了改進，同時不斷探索總結以使整個系統(tǒng)實效性加強，提高系統(tǒng)和行業(yè)的匹配性。對監(jiān)測結果的分析及對系統(tǒng)的改進，將是我們今后工作的目標。

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