國網(wǎng)湖南水電分公司 曾 遠(yuǎn) 梅 浩

視準(zhǔn)線測量是大壩水平位移監(jiān)測項目之一，傳統(tǒng)視準(zhǔn)線測量采用經(jīng)緯儀和活動覘標(biāo)配合測量，直接讀出測點與固定視準(zhǔn)線的距離來監(jiān)測大壩水平位移。但視準(zhǔn)線測量受地形限制，在大壩上游山體無法建立兩個通視條件良好且地基穩(wěn)固的儀器工作基點，造成了左右岸視距不等，精度不一致，且人員定向誤差及人員配合操作帶來的觀測誤差較大。綜合而言，傳統(tǒng)視準(zhǔn)線測量法存在一定的局限性。

隨著視準(zhǔn)線儀器的T3經(jīng)緯儀的停產(chǎn)及老化，尋找更加高效快捷的視準(zhǔn)線監(jiān)測方法變得迫切。智能型全站儀的廣泛普及和應(yīng)用，采用小角度或極坐標(biāo)法可同時測角和測距，通過計算夾角和平距換算變化量，通過計算兩次變化量就可確定測點周期內(nèi)的偏移量[1]。但采用全站儀替換T3經(jīng)緯儀和用棱鏡替換活動覘標(biāo)時，對于傳統(tǒng)老壩工作基點選取受限制，只能在原有工作基點進(jìn)行改造，全站儀測量時相鄰測點間夾角較小，視場內(nèi)存在多個棱鏡、相互干擾，易導(dǎo)致全站儀難照準(zhǔn)、測量數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確等問題。為解決視準(zhǔn)線測點間夾角較小、影響觀測，促進(jìn)視準(zhǔn)線改造，提出棱鏡遮蔽視準(zhǔn)線改造法進(jìn)行大壩水平位移監(jiān)測。

1 棱鏡遮蔽視準(zhǔn)線改造法

棱鏡遮蔽視準(zhǔn)線改造采用一款智能棱鏡罩配合全站儀進(jìn)行小角度或極坐標(biāo)測量，實現(xiàn)棱鏡罩自動門遠(yuǎn)程啟閉，打開棱鏡罩進(jìn)行測量通視，測量完畢關(guān)閉自動門，有效錯開相互影響的視準(zhǔn)線測點，增大測點間的夾角。

智能棱鏡罩的原理。智能棱鏡罩主要包括棱鏡罩外殼、自動啟閉裝置、自動氣象測量元器件。棱鏡罩的尺寸設(shè)計要匹配現(xiàn)有觀測墩的尺寸，做到尺寸合適、經(jīng)濟(jì)適用；棱鏡罩啟閉裝置采用wifi 版機械手臂，其行程為90°的旋轉(zhuǎn)角，在測站位置可通過移動設(shè)備控制旋轉(zhuǎn)機械手臂打開棱鏡罩小門，實現(xiàn)測量時能開啟自動門進(jìn)行測量通視，測量完畢可關(guān)閉自動門。且智能棱鏡罩內(nèi)加裝環(huán)境量傳感器，實現(xiàn)自動測量測站氣象值，為進(jìn)行后續(xù)內(nèi)業(yè)處理提供氣象修正。

圖1 智能棱鏡罩內(nèi)部構(gòu)造示意圖

視準(zhǔn)線小角度觀測方法。在視準(zhǔn)線的工作基點A 架設(shè)儀器，另一端的工作基點B 和測點i 上架覘牌或棱鏡，依次對準(zhǔn)工作基點B 和測點i，測量夾角BAi 的角度β 和Ai 之間的距離S。根據(jù)《DL/T 5209-2020混凝土壩安全監(jiān)測資料整編規(guī)程》[2]，視準(zhǔn)線測點的測值L 計算為L=β×ρ/S，式中β為小角度觀測值，ρ為206265，S 為工作基點到測點間的水平距離、mm。某周期測點位移為首次偏離值與該周期偏離值的差，其符號在規(guī)范規(guī)定為：向下游位移為正，所以偏移值根據(jù)水流方向和測點位置略有調(diào)整。

視準(zhǔn)線極坐標(biāo)觀測方法。在視準(zhǔn)線的工作基點A 架設(shè)儀器，另一端的工作基點B 和測點i 上架設(shè)棱鏡，依次對準(zhǔn)工作基點B 和測點i，測量夾角BAi 的角度β 和Ai 之間的距離S。根據(jù)《DL/T 5209-2020 混凝土壩安全監(jiān)測資料整編規(guī)程》[2]，極坐標(biāo)法測量已知有工作基點A、B 的坐標(biāo)，測點i的坐標(biāo)計算方法如下：

Xi=XA+DAicos?Ai、Yi=YA+DAisin?Ai，式中Xi為測點i 的X 方向坐標(biāo)，m；Yi為測點i 的Y 方向坐標(biāo)，m；XA為測點i 的X 方向坐標(biāo)，m；YA為測點i 的Y 方向坐標(biāo)，m；αAi為方向Ai 的坐標(biāo)方位角，°；DAi為邊長Ai 的水平距離，m。

2 棱鏡遮蔽視準(zhǔn)線改造法的運用案例

2.1 工程概況

柘溪大壩現(xiàn)有壩頂水平位移采用傳統(tǒng)視準(zhǔn)線法進(jìn)行監(jiān)測，其工作基點分別位于兩岸穩(wěn)定的巖石上，兩工作基點之間的距離為473.3m。測點布設(shè)在壩頂下游欄桿外專用的牛腿上，共16個測點。在視準(zhǔn)線改造中受地形和壩形的限制，在大壩下游側(cè)難以找到合適的工作基點，只能在原有的工作基點進(jìn)行視準(zhǔn)線改造。且因大壩電梯井擋住視線，所有測點并不能完全通視，只能分段測量。

圖2 柘溪大壩視準(zhǔn)線測點

壩頂16個測點在壩頂呈直線布設(shè)，在工作基點架設(shè)全站儀測量時，部分測點間夾角較小，視場內(nèi)出現(xiàn)多個棱鏡，如在左岸工作基點架設(shè)儀器，A7和A8同時出現(xiàn)、A17與A18同時出現(xiàn)；在右岸工作基點架設(shè)儀器，A19和A20同時出現(xiàn)，后經(jīng)測量其中A7與A8間距為4.40米、水平夾角為0.6”，A19與A20的間距為14.12米、水平夾角為0.4”。

2.2 測量對策

在壩頂每個視準(zhǔn)線觀測墩安裝固定棱鏡，并配套安裝智能棱鏡罩保護(hù)棱鏡。因電梯井擋住視線、故分段監(jiān)測，右岸基點監(jiān)測A5～A6、A11～A13、A19～A20共7個測點；左岸基點監(jiān)測A7～A10、A14～A18共9個測點。測量分別采用小角度和極坐標(biāo)法進(jìn)行壩頂水平位移監(jiān)測，對每個測點進(jìn)行四測回測邊測角觀測，測點間夾角影響分批次開啟棱鏡罩進(jìn)行測量，如右岸工作基點設(shè)站時，先將A7、A9、A14、A16、A18的棱鏡罩門打開進(jìn)行測量，待測量完畢，再將A7、A9、A14、A16、A18的棱鏡罩關(guān)閉，打開A8、A10、A15、A17的棱鏡罩門打開進(jìn)行測量。同樣的工作原理在左岸工作基點設(shè)站測量，保證全站儀觀測時視場內(nèi)只有一個棱鏡，避免棱鏡間的相互干擾。

2.3 極坐標(biāo)測量結(jié)果分析

對測量結(jié)果進(jìn)行極坐標(biāo)平差處理，將左、右岸工作基點的X 坐標(biāo)設(shè)置為0，經(jīng)過平差所得各點X方向坐標(biāo)即為該點在上下游方向水平位移，Mx 為測點X 方向坐標(biāo)的中誤差，A5～A20的極坐標(biāo)法測量X 方向坐標(biāo)的中誤差均符合《DL/T 5178-2016 混凝土壩安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》中混凝土重力壩水平位移監(jiān)測精度±1mm 的要求[3]。其在各點的極坐標(biāo)法平差結(jié)果為：X(mm)13.34、13.09、16.98、15.83、18、10.36、13.81、20.02、13.7、13.18、2.77、-0.21、5.63、11.5、7.52、7.16；Mx(mm)0.69、0.77、0.6、0.57、0.49、0.86、0.73、0.22、0.30、0.98、1、0.91、0.83、0.79、0.76、0.84。

2.4 小角度測量結(jié)果分析

在左、右工作基點通過棱鏡罩分兩組對A5～A20各測點依次進(jìn)行小角度測量，同樣采用全站儀自動測量水平角并現(xiàn)場記錄，按照小角度計算方法進(jìn)行成果計算，結(jié)果如下：X(mm)13.27、13.01、16.49、15.37、17.67、10.04、13.89、20.20、13.94、12.85、2.52、-0.43、5.37、11.24、7.79、7.44。由于周期之間的沒有進(jìn)行水平距離的測量，S1和S2作為常數(shù)考慮，則中誤差傳播關(guān)系表示為[4]mΔi=s/ρmβ。

在柘溪大壩16個視準(zhǔn)線測點中離工作基點水平距離最遠(yuǎn)的測點為A20至右岸工作基點348m，當(dāng)采用測角精度為0.5”的全站儀時mΔi為0.84mm，小角度測量中16的測點最大中誤差符合《DL/T 5178-2016混凝土壩安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》中混凝土重力壩水平位移監(jiān)測精度±1mm 的要求[3]。