恰海電站大壩外部變形自動化監測初步設計方案

張峰

（新疆伊犁河流域開發建設管理局，新疆 烏魯木齊 830000）

1 工程概況

恰海電站為大(Ⅰ)型一等工程，攔河壩壩型為粘土心墻堆石壩，恰海水利電站利用右岸山體集中布置泄水建筑物和發電引水系統，水電站廠房布置在壩后河床上。恰海大壩的外部變形測點共設置51個。其中，水平位移測點22個（含8個工作基點和14個觀測點），豎向位移測點29個（含4個工作基點、20個運行期觀測點和5個施工期觀測點）。分別布置在壩頂1 003 m高程及下游壩坡985，962，942 m高程處的縱斷面上。

2 TCA自動化設計方案

2.1 系統配置

為實現恰海電站大壩外部變形自動化監測，需配置必要的測量儀器，主要包括：TCA2003全站儀2臺；備用大電池2塊；快速充電器2個；棱鏡（含單框和基座）20個；高原空盒氣壓計2個；干濕通風溫度計2個；全站儀機載軟件（AutoMeas）1套；數據處理軟件（DDM6.0）1套等。

2.2 設計方案

恰海電站大壩外部變形監測點分別布設在壩頂和下游壩坡上，其中壩頂1 003 m高程布設5個監測點，下游壩坡985，962，942 m高程處的縱斷面上分別布設3個監測點。大壩外部變形測點觀測墩都安裝了強制對中底盤，在現有的14個監測點和下游壩坡的6個原工作基地上安裝棱鏡后，即可完成大壩外部的水平和豎向變形測量。

受地形條件影響，恰海大壩外部變形監測工作基點需分別設在壩后兩岸山體上，其中左岸工作基點可利用電站變形監測控制網點QB3，右岸工作基點需要重新建造一點（QB11），具體位置要觀測到 BⅠ1，BⅠ2，BⅡ1，BⅢ1，BⅣ1，BⅣ2測點。在工作基點QB3和QB11同時架設1臺TCA2003全站儀即可把全部變形監測點納入測量范圍，實現大壩外部變形的自動化測量。

根據TCA全站儀自動化監測系統方案設計要求，TCA2003全戰儀需長期安置在工作基點上，考慮到測量設備安全方面等因素，需在工作基點QB3和QB11旁分別增建1間觀測房，以保證監測系統的遠程控制、隨時測量、定時測量的設計要求。

3 TCA半自動化設計方案

3.1 系統配置

為實現恰海電站大壩外部變形半自動化監測，需配置必要的測量儀器，主要包括：TCA2003自動化全站儀、自動觀測軟件、全站儀供電設備、三維平差軟件、單棱鏡及配套設備、專用數據分析軟件。

3.2 設計方案

恰海電站大壩外部變形監測點分別布設在壩頂和下游壩坡上，其中壩頂1 003 m高程布設5個監測點，下游壩坡985，962，942 m高程處的縱斷面上分別布設3個監測點。大壩外部變形測點觀測墩都安裝了強制對中底盤，在現有的14個監測點和下游壩坡的6個原工作基地上安裝棱鏡后，即可完成大壩外部的水平和豎向變形測量。

受地形條件影響，恰海大壩外部變形監測工作基點需分別設在壩后兩岸山體上，其中左岸工作基點可利用電站變形監測控制網點QB3，右岸工作基點需要重新建造一點（QB11），具體位置要觀測到 BⅠ1，BⅠ2，BⅡ1，BⅢ1，BⅣ1，BⅣ2測點。利用一臺TCA2003全站儀分別在工作基點QB3和QB11設站，即可把全部變形監測點納入測量范圍，實現大壩外部變形的半自動化測量。

根據TCA全站儀半自動化監測系統方案設計要求，TCA2003全戰儀不需長期安置在監測點上，但因每次監測時需要重新安置儀器，測量精度較全自動化監測系統方案相比將有所降低。

4 GPS接收機自動化監測系統

4.1 系統設備配置

恰海大壩外部變形采用GPS一機多天線控制自動化測量，需配置5臺GPS雙頻接收機及17個相應接收天線和其他輔助設備。

4.2 設計方案

1）方案一

根據恰海大壩外部變形監測標點的布置，以電站變形控制網標點為工作基準點，利用GPS測量測站不用通視的靈活特點，對大壩外部變形監測點進行測量。恰海大壩外部變形采用GPS自動化測量，其控制網點可設20個點，其中聯測已知工作基準點可設6個，分別為電站變形控制網點 QB1，QB2，QB3，QB4，QB8，QB9。大壩外部變形測量采用4臺以上GPS接收機，網形布設成邊連式進行測量，網形布設如圖1所示。利用已知6個工作基點分別對大壩表面監測點進行監測。其中，3套GPS接收機固定在3個工作基點，其余的采用網形布設在大壩表面監測點上，使用雙頻接收機分別連續觀測45 min以上即可測得監測點的三維坐標數據，通過數據分析軟件處理就可計算出高精度數據。

圖1 GPS變形監測控制網

2）方案二

制約GPS大范圍應用的一個關鍵因素是它的費用高。當進行自動變形監測時，每一個變形監測點都需要配備一套GPS接收機，這使得監測系統的費用相當昂貴。GPS一機多天線系統作為GPS應用領域的一個創新，它的研制大大減少了監測中使用的GPS接收機的數量。利用GPS一機多天線控制器，使一臺接收機聯接8個天線，每個監測點上只安裝GPS天線，8個監測點共用一臺接收機，這樣監測系統的成本可大幅度下降。GPS一機多天線系統原理與GPS定位原理相同，由控制中心、數據通信、GPS多天線接收單元和供電系統構成。

5 自動化方案對比

自動化監測方案對比見表1、表2。

表1 自動化監測方案對比

表2 觀測類型對比

6 結 語

在現今自動化監測測量領域，全站儀監測系統和GPS接收機監測系統是大壩外部變形監測所常用的監測方法。從監測技術發展角度評價，易采用GPS接收機自動化測量方案，其全天候的測量特點能滿足實時監測要求；從經濟角度評價，可采用TCA全站儀半自動化測量方案；從運行管理角度出發來看自動化監測是發展的趨勢。與GPS接收機監測系統相比較，全站儀監測系統監測技術較為成熟，測量精度高，運行成本較低，使用范圍廣泛，而且恰海電站在工程建設期已購置了一臺高精度TCA2003全站儀，建議選用全站儀監測系統監測大壩外部變形。

TCA全站儀半自動化測量方案實施簡便，預算費用較低，但每次測量時需要重新安置儀器并在兩岸山體分別設站，與TCA全戰儀全自動化監測系統方案相比，觀測時間長、人員投入多、測量精度略低。為適應監測發展趨勢，建議選用TCA全站儀自動化監測系統方案監測大壩外部變形。