鄭輝 譚彩虹

（廣東省地質(zhì)測(cè)繪研究院有限公司，廣東 廣州 510800）

1 引言

我國(guó)水能資源蘊(yùn)藏量、可開(kāi)發(fā)的水能資源量均居世界第一位[1]。水電站是國(guó)家重要的基礎(chǔ)設(shè)施，具有建設(shè)成本高、對(duì)生態(tài)影響大、產(chǎn)生的收益高等顯著特點(diǎn)[2]，在建設(shè)和運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，必須實(shí)施安全監(jiān)測(cè)[3]，通過(guò)監(jiān)測(cè)大壩外部點(diǎn)位變形情況，為安全預(yù)防和變形分析提供參考[4]。水電站高程控制網(wǎng)是高程監(jiān)測(cè)的基準(zhǔn)，控制網(wǎng)基準(zhǔn)點(diǎn)一般選在地質(zhì)條件好、基巖堅(jiān)硬、遠(yuǎn)離斷層的穩(wěn)定點(diǎn)位，但受到周期性水位變化[5]和水電站大壩未進(jìn)入穩(wěn)定期[6]等因素影響，基準(zhǔn)點(diǎn)也存在位移可能[7,8]。因此在實(shí)施變形監(jiān)測(cè)前，需對(duì)控制網(wǎng)進(jìn)行復(fù)測(cè)[9]，并對(duì)點(diǎn)位穩(wěn)定性進(jìn)行分析，從而保證后期變形監(jiān)測(cè)的可靠性[10]。平均間隙法和單點(diǎn)位移分量法是工程中常用的點(diǎn)位穩(wěn)定性分析方法，本文以某抽水蓄能電站為例，實(shí)施了高程控制網(wǎng)國(guó)家一級(jí)水準(zhǔn)網(wǎng)復(fù)測(cè)，并采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法對(duì)基準(zhǔn)點(diǎn)穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，研究?jī)?nèi)容和方法可為相關(guān)工程應(yīng)用提供參考。

2 點(diǎn)位穩(wěn)定性分析方法

2.1 平均間隙法

平均間隙法將不同觀測(cè)周期的觀測(cè)數(shù)據(jù)看作對(duì)同一觀測(cè)網(wǎng)的連續(xù)兩次觀測(cè)，為判斷是否存在不穩(wěn)定點(diǎn)，先進(jìn)行兩期觀測(cè)的圖形一致性檢驗(yàn)，即整體檢驗(yàn)。若整體檢驗(yàn)通過(guò)，則認(rèn)為該網(wǎng)型不存在不穩(wěn)定點(diǎn)，否則，就說(shuō)明存在不穩(wěn)定點(diǎn)。相關(guān)推算結(jié)果如下：

某監(jiān)測(cè)網(wǎng)完成第j期和第i期觀測(cè)后，將兩期觀測(cè)數(shù)據(jù)按同一基準(zhǔn)進(jìn)行平差，求得網(wǎng)點(diǎn)位移向量和其協(xié)因數(shù)陣Qd。根據(jù)點(diǎn)的坐標(biāo)變化值d=Hj-Hi，進(jìn)一步求得單位權(quán)方差估值：

公式（1）中，pd為d的權(quán)陣，且pd=Qd-1，fd為獨(dú)立d的個(gè)數(shù)。對(duì)單位權(quán)方差進(jìn)行同一性檢驗(yàn)，通過(guò)檢驗(yàn)后，進(jìn)一步求得綜合 方差估值：

公式（2）中，P為觀測(cè)值改正數(shù)權(quán)矩陣，V為觀測(cè)值改正數(shù)列矩陣，f為第i、j期多余觀測(cè)總數(shù)，進(jìn)一步可得：

公式（3）中，T是一個(gè)以自由度為f和fd的F 分布變量。在一致性檢驗(yàn)中，若T＜F(α，fd，f)，則接受原假設(shè)，表明監(jiān)測(cè)網(wǎng)點(diǎn)都是穩(wěn)定的。反之，則認(rèn)為網(wǎng)中存在不穩(wěn)定點(diǎn)。接下來(lái)采取分塊間隙法尋找不穩(wěn)定點(diǎn)，將d 和P 分解為不穩(wěn)定點(diǎn)與穩(wěn)定點(diǎn)兩部分：

公式（4）中，M、F 分別表示動(dòng)點(diǎn)與穩(wěn)定點(diǎn)。令：

若FF ≤F（ fF，f0 ），認(rèn)為上述分塊正確。反之，說(shuō)明上述分塊不正確，穩(wěn)定點(diǎn)的分塊中還有動(dòng)點(diǎn)。需要剔除其中位移量最大的點(diǎn)，然后重新進(jìn)行上述檢驗(yàn)，直到完全通過(guò)為止[11]。

2.2 單點(diǎn)位移分量法

該方法認(rèn)為在先驗(yàn)方差因子σ02已知條件下，應(yīng)先進(jìn)行整體檢驗(yàn)，其檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量如下：

若T＞F（α；fd，∞）σ，則認(rèn)為存在不穩(wěn)定點(diǎn)[12]，構(gòu)造位移分量檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量如下：

公式（8）中，ei 是一向量，以說(shuō)明需要檢驗(yàn)的i點(diǎn)在某一方向上的位移分量。若則認(rèn)為i點(diǎn)是動(dòng)點(diǎn)。如果存在多個(gè)ωi滿足公式（8），則認(rèn)為值最大的為動(dòng)點(diǎn)，需將它從監(jiān)測(cè)網(wǎng)中剔除，然后重新檢驗(yàn)，直到通過(guò)為止。

3 工程概況

某抽水蓄能電站是國(guó)家“十三五”規(guī)劃重點(diǎn)建設(shè)工程，由上水庫(kù)、輸水系統(tǒng)、地下廠房、地面開(kāi)關(guān)站及下水庫(kù)等建筑物組成，總裝機(jī)容量為1500 MW，設(shè)計(jì)年發(fā)電量25.125 億kwh。電站上水庫(kù)主要水工建筑物有主壩和副壩，均為鋼筋混凝土面板堆石壩，壩頂高程679.20 m，上庫(kù)總庫(kù)容1294 萬(wàn)m3，水電站俯瞰圖如圖1 所示。為給上水庫(kù)大壩變形監(jiān)測(cè)提供統(tǒng)一基準(zhǔn)，前期設(shè)計(jì)了上水庫(kù)監(jiān)測(cè)控制網(wǎng)，采用1985 國(guó)家高程基準(zhǔn)，并完成了控制網(wǎng)初測(cè)。2022 年10 月，對(duì)該控制網(wǎng)進(jìn)行復(fù)測(cè)。

圖1 水電站

4 控制網(wǎng)復(fù)測(cè)

4.1 控制點(diǎn)網(wǎng)形

按照設(shè)計(jì)圖，高程控制網(wǎng)由6 個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)和24 個(gè)工作基點(diǎn)組成，具體如圖2 所示。6 個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)組成2 個(gè)基點(diǎn)組，相距35m ，位于上下庫(kù)連接公路1 號(hào)洞頂公路外側(cè)基巖上 ，距離副壩頂約1.5km。24 個(gè)工作基點(diǎn)分別是10 個(gè)主壩垂直位移監(jiān)測(cè)工作基點(diǎn)、8 個(gè)副壩垂直位移監(jiān)測(cè)工作基點(diǎn)和6 個(gè)環(huán)庫(kù)公路上的工作基點(diǎn)。

圖2 高程控制點(diǎn)網(wǎng)形

鑒于本次測(cè)量時(shí)壩區(qū)仍在施工，部分工作基點(diǎn)尚未建造，有1 個(gè)點(diǎn)被掩埋，因此，本次觀測(cè)的高程控制網(wǎng)由6 個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)、5 個(gè)工作基點(diǎn)和2 個(gè)水平位移工作基點(diǎn)（墩底水準(zhǔn)點(diǎn)）組成，如圖2 所示。6 個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)為BM01～BM06，標(biāo)石類型為基巖標(biāo)。5 個(gè)工作基點(diǎn)分別是4 個(gè)主壩垂直位移監(jiān)測(cè)工作基點(diǎn)（LSszb4-1、LSszb5-1、LSszb6-1、LSszb4-2）和1 個(gè)副壩垂直位移監(jiān)測(cè)工作基點(diǎn)（LSsfb4-2），標(biāo)石類型為基巖標(biāo)；2 個(gè)水平位移工作基點(diǎn)（墩底水準(zhǔn)點(diǎn)）為TBS04 和TNS04，標(biāo)石類型為混凝土普通水準(zhǔn)標(biāo)石。

4.2 控制網(wǎng)觀測(cè)

高程控制網(wǎng)觀測(cè)采用Leica DNA03 精密電子水準(zhǔn)儀配備銦瓦條形碼水準(zhǔn)尺及5kg 重的尺墊測(cè)量，水準(zhǔn)儀標(biāo)稱精度為±0.3mm/km，最大測(cè)程是60m，最小測(cè)程是1.8m。每天出測(cè)前進(jìn)行水準(zhǔn)儀i 角檢驗(yàn)，并進(jìn)行i 角自動(dòng)改正[13]。結(jié)合測(cè)區(qū)地形條件、道路交通狀況，確定觀測(cè)路線以BM01、BM02、BM03、BM04、BM05、BM06 和BM01 構(gòu)成一個(gè)小閉合環(huán)，以BM01、TBS04、BM06 和BM01 構(gòu)成一個(gè)中閉合環(huán)，以TBS04、TNS04、LSszb4-2、LSszb6-1、LSszb5-1、LSszb4-1、LSsfb4-2 和TBS04 構(gòu)成一個(gè)大閉合環(huán)，三個(gè)閉合環(huán)通過(guò)結(jié)點(diǎn)聯(lián)結(jié)組成上水庫(kù)高程控制網(wǎng)，其中BM01 點(diǎn)為該控制網(wǎng)的高程起算點(diǎn)，起算值同第一期一致。

高程控制網(wǎng)按國(guó)家一等水準(zhǔn)技術(shù)要求施測(cè)，觀測(cè)技術(shù)指標(biāo)按表1 控制。測(cè)量中各個(gè)測(cè)段按偶數(shù)站設(shè)站，均進(jìn)行往返測(cè)量。水準(zhǔn)網(wǎng)外業(yè)觀測(cè)數(shù)據(jù)由儀器自動(dòng)記錄在隨機(jī)存儲(chǔ)卡中。測(cè)量時(shí)嚴(yán)格遵守以下測(cè)量模式 ：往、返測(cè)奇數(shù)站照準(zhǔn)標(biāo)尺順序?yàn)椤昂笄扒昂蟆?，往、返測(cè)偶數(shù)站照準(zhǔn)標(biāo)尺順序?yàn)椤扒昂蠛笄啊?。測(cè)站限差設(shè)置由儀器自動(dòng)檢驗(yàn)，具體設(shè)置為 ：（ 1）視線長(zhǎng)度≥4m 且≤30m ；（ 2）前后視距差≤1.0m ；（ 3）任一測(cè)站前后視距累積≤3.0m ；（ 4）視線高度≥0.65m 且≤2.8m ；（ 5）重復(fù)測(cè)量次數(shù)≥3 次；（ 6）兩次高差之差≤0.4mm。

表1 高程網(wǎng)觀測(cè)技術(shù)要求（單位：m m）

4.3 控制網(wǎng)平差

以BM01 點(diǎn)作為高程控制網(wǎng)的起算基準(zhǔn)點(diǎn)，高程控制網(wǎng)的平差使用科傻軟件計(jì)算。各測(cè)段觀測(cè)高差首先經(jīng)尺長(zhǎng)改正計(jì)算，水準(zhǔn)測(cè)量概算結(jié)果如表2 所示。

表2 高程控制網(wǎng)一等水準(zhǔn)測(cè)量計(jì)算

表3 水電站高程監(jiān)測(cè)網(wǎng)成果

5 點(diǎn)位穩(wěn)定性分析

分別采用平均間隙法和單點(diǎn)位移分量法對(duì)觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行點(diǎn)位穩(wěn)定性分析。分析時(shí)以本期觀測(cè)結(jié)果為當(dāng)前值，利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)原理與首期觀測(cè)成果的差異量作變形分析。對(duì)各待定點(diǎn)的穩(wěn)定性分別利用兩種方法檢驗(yàn)，即動(dòng)點(diǎn)檢驗(yàn)和單點(diǎn)檢驗(yàn)，動(dòng)點(diǎn)檢驗(yàn)采用平均間隙法[11]，單點(diǎn)檢驗(yàn)采用單點(diǎn)位移分量法[12]，檢驗(yàn)過(guò)程中顯著性水平取0.05[14]，檢驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)如表4 所示。

表4 各點(diǎn)高程穩(wěn)定性檢驗(yàn)結(jié)果

從表4 可以看出，本期LSszb6-1 點(diǎn)未通過(guò)動(dòng)點(diǎn)檢驗(yàn)，但通過(guò)了單點(diǎn)檢驗(yàn)；而TBS04、LSsfb4-2、TNS04點(diǎn)通過(guò)了動(dòng)點(diǎn)檢驗(yàn)，而未通過(guò)單點(diǎn)檢驗(yàn)，且沉降變化均為正，可能有少量位移。由于目前僅有兩期觀測(cè)，水庫(kù)蓄水尚未到位，對(duì)工作基點(diǎn)的影響規(guī)律還無(wú)法掌握，因此，點(diǎn)位的穩(wěn)定性有待經(jīng)過(guò)多期觀測(cè)來(lái)進(jìn)一步確定。

本次復(fù)測(cè)均按照審批的《觀測(cè)方案》和相關(guān)規(guī)范的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)達(dá)到規(guī)范要求，因此，監(jiān)測(cè)成果可靠。依據(jù)穩(wěn)定性判斷，高程控制點(diǎn)中TBS04、LSsfb4-2、TNS04 點(diǎn)有較小沉降，相對(duì)于上一期，最大高程變化量為3.2 mm。考慮到本期有新埋設(shè)點(diǎn)，建議采用本期數(shù)據(jù)成果作為今后日常監(jiān)測(cè)的基準(zhǔn)。

6 結(jié)束語(yǔ)

基準(zhǔn)網(wǎng)復(fù)測(cè)對(duì)精度要求極高，通過(guò)點(diǎn)位穩(wěn)定性分析能夠判定點(diǎn)位位移究竟是測(cè)量誤差引起還是發(fā)生了實(shí)際位移，先進(jìn)行動(dòng)點(diǎn)檢驗(yàn)再進(jìn)行單點(diǎn)檢驗(yàn)?zāi)軌蛱岣邫z驗(yàn)可靠性。本文對(duì)水電站高程控制網(wǎng)復(fù)測(cè)技術(shù)和點(diǎn)位穩(wěn)定性分析方法進(jìn)行了研究，可為相關(guān)工程應(yīng)用提供參考。