漫灣水電站大壩水平位移監測控制網優化設計

寧德興，郭 俊，李 芹，簡樹明

（華能瀾滄江水電有限公司漫灣水電廠，云南 云縣675805）

1 工程概況

漫灣水電站為瀾滄江中游河段第一個開發的大型水電站，攔河壩為混凝土重力壩，位于云南省云縣和景東縣交界的瀾滄江中游河段上，總裝機容量1 670 MW。漫灣水電站變形監測控制網包括水平位移監測控制網和垂直位移監測控制網，主要為大壩、邊坡和滑坡的變形監測提供基準，水平位移監測控制網和垂直位移監測控制網于1994年完成建網工作，運行階段曾對監測控制網進行過6次復測，監測控制網運行至今尚未對其進行過優化改造。

2 外部變形監測控制網現狀

漫灣水電站發電至今已運行18年，由于后期新增建筑物的出現，大壩的外部環境發生了較大的變化，已嚴重影響變形監測控制網觀測的精度要求，如監測控制網37號工作基點與II01號及38號觀測方向被跨江500 kV輸電線路遮擋，III25號與III26號觀測方向被廠區的出線塔遮擋；III25號與36號被廠區綠化樹木遮擋；37號、33號和34號控制網點被廠區的出線塔、低壓輸電線路、綠化樹木遮擋，導致主、副監測網點觀測方向已不滿足原設計及規范對各監測網點觀測方向通視要求。外部變形監測網是大壩安全監測系統重要組成部分之一，它必須滿足高精度的基本要求，所以對原監測控制網進行優化設計就顯得尤為必要。

3 水平位移監測控制網優化布置

3.1 水平位移監測控制網主網優化布置

漫灣水電站為大型水電站，屬一等工程，水平位移監測控制網采用兩級網布設，分別為主網和副網。由于水平位移監測控制網主網33號基準點與34號基準點的觀測方向離觀測房立柱較近以及37號工作基點與副網38、II01號工作基點被跨江500 kV電力線遮擋，影響了實際測量過程中的觀測精度，通過實地調查研究，結合大壩的設計、施工、監測資料進行全面分析。優化方案為移動34號點觀測房立柱，34號基準點觀測墩保持不動，37號工作基點重新選擇在能滿足與相關方向通視良好的地點，40號監測點位于出線塔附近，考慮對觀測精度的影響，將原40號監測點上移到上沿平臺，重新埋設一個新控制點或采用原II32控制點，原監測網觀測網型及觀測方案不變。各基準點及工作基點原有的功能不變，點位精度經精度估算滿足現行規范及設計要求，新選定的點號編號為41號。

原水平位移監測控制網主網由33號、34號、37號、39號和40號控制點組成，優化后水平位移監測控制網主網由33號、34號、39號、40號和41號控制點組成。優化后水平位移監測控制網主網一等三角觀測5點，一等測邊10條，點位布置見圖1。

圖1 漫灣水電站監測基準網主網方向圖Fig.1 The observation directions of the main network

3.2 水平位移監測控制網副網優化布置

針對水平位移監測控制網副網存在的36號工作基點與III26號、III25號工作基點被500 kV出線塔遮擋以及35號工作基點與36號、34號工作基點被廠區綠化樹木遮擋影響觀測精度的問題，根據原設計方案、左岸邊坡及庫首1號松動體監測對各工作基點在各建設階段不同的功能要求，目前各工作基點的主要任務是大壩、邊坡、松動體的安全監測，已無施工期附屬建筑物監測，部分監測工作基點已失去其監測功能，現階段各監測工作基點的主要任務是滿足運行期安全監測的需要。因此，優化方案為移動36號、III25號、III26號工作基點重新選擇在能滿足與相關方向較好通視的地點，原水平位移監測控制網副網工作基點35號、II10號、II32號、III30號為施工階段的監測工作基點，在運行期已失去其作為監測工作基點的功能，不再納入改造的水平位移監測控制網副網中，原水平位移監測控制網副網觀測網型改變，觀測方案不變，工作基點原有的功能不變，點位精度經精度估算滿足現行規范及設計要求。原監測網減少4個工作基點，提高了觀測精度，也節約了生產成本，提高了工作效率。監測左岸邊坡的工作基點由原來的3個減少為2個，左岸邊坡監測點的點位精度得到提升。原36號新選定的點號編號為42號、原III25號新選定的點號編號為43號、原III26號新選定的點號編號為44號。新埋控制點基礎深度為3～6 m，須挖至基巖面，監測點位上部必須埋設強制對中盤，監測點位下部必須埋設不銹鋼水準點。

原水平位移監測控制網副網由33號、34號、35號、36號、37號、38號、39號、40號、II01號、II10號、II32號、III20號、III25號、III26號、III30號、III31號控制點組成；優化后的水平位移監測控制網副網由33號、34號、38號、39號、40號、41號、42號、43號、44號、II01號、III20號、III31號控制點組成。原副網控制點為16個控制點，優化后副網控制點為12個，點位布置見圖2所示。

圖2 漫灣水電站副網觀測方向圖Fig.2 The observation directions of the auxiliary network

3.3 觀測圖形的精度估算

根據原監測網點布置，采用模擬優化的方法進行優化設計，網形選擇力求圖形簡單，按照質量指標的要求進行質量評定，對綜合精度指標、可靠性指標、靈敏度指標進行比較，最終選定了主網20條邊長、20個方向的觀測量、副網73條邊長、73個方向的觀測量，保留了一定的精度儲備，為今后觀測方向被擋或出現粗差的情況留有余地。測角精度為±0.5″，測距精度為±（0.5 mm+0.5 ppm×D），取顯著水平0.01，檢驗功效0.90，非中心化參數為3.86的條件下，計算的各監測網點點位精度、可靠性、靈敏度指標如下。

3.3.1 精度估計

計算可知，各點的點位中誤差均滿足最弱點位中誤差小于±3.0 mm的要求，最弱點的近似位移方向的中誤差均小于±3.0 mm的要求。

3.3.2 可靠性指標

可靠性指標分為內部可靠性和外部可靠性。內部可靠性是指以一定的顯著水平和檢驗功效判斷可能發現的最小粗差，外部可靠性是指未能發現的最大粗差對于未知數參數或未知數參數函數的影響。要提高可靠性，就要提高觀測精度和圖形強度。評價可靠性優劣的標準一般認為：對于精密控制網，多余觀測分量應大于0.3；內部可靠性小于5為好，介于5～8為一般；外部可靠性小于3為好，最大值與最小值的差異愈小愈好。

從計算結果可知，全網多余觀測分量均大于0.3，內、外部可靠性較好，表明監測網具有較強的抵抗粗差的能力。

3.3.3 靈敏度指標

靈敏度指標反映監測網發現某一變形的能力，通常以靈敏度橢圓表示，即超出該橢圓的變形才能被發現，位于橢圓內部的變形均不能被發現。

靈敏度與網形結構強度、觀測精度、顯著水平和檢驗功效有關。顯著水平和檢驗功效的選擇沒有一個統一的標準，對于精密的變形監測網來說，需要準確判斷變形，減少棄真的錯誤。顯著水平取為0.01，相應的檢驗功效取為0.9，即成功發現變形的概率為90%。

從計算結果可知，壩址上游的工作基點靈敏度橢圓長、短半軸在±1.8～±6.0 mm之間，壩址下游的工作基點的靈敏度橢圓長、短半軸較為接近，均在±1.8～±3.7 mm之間，小于點位精度的要求，表明監測網在各個方向上監測變形的能力相當，且監測能力較強。

表1 平面位移監測網點位精度統計表Table 1 :Statistics of the positional accuracy of displacement monitoring network

表2 平面位移監測網可靠性指標統計表Table 2 :Statistics of the reliability indexes of displacement monitoring network

表3 平面位移監測網靈敏度指標統計表Table 3 :Statistics of the sensitivity indexes of displacement monitoring network

3.4 二等水準支線布置

為保證水平位移監測控制網主網、副網邊長精度的要求，由于局部控制點高差較大，使用天頂距改平不能滿足邊長改平的精度要求，需采用二等支線水準聯測平面控制點的高程，使用高差改平以滿足邊長的改平精度要求。

二等水準支線主要用于聯測大壩下游各水平位移監測控制點的高程，以監測各控制點在垂直方向上的變化情況，也作為水平位移監測控制網測距邊長改平。二等水準支線聯測水平位移監測控制點33、34、40、41、42、43、44、III20、III31共計9個水平位移監測控制點，其余6個水平位移監測控制點38、39、II01采用三角高程進行聯測。

3.5 精度指標控制

漫灣水電站水平位移監測控制網主網、副網采用全測邊測角網方案，主網按一等邊角網施測，副網按二等邊角網施測，其精度指標見表4。

用于邊長改平的二等支線水準其水準測量精度指標為每公里水準測量的偶然中誤差MΔ不超過1.0 mm，每公里水準測量的全中誤差Mw不得超過2.0 mm。

表4 平面控制網的精度Table 4 :Accuracy of the control network

4 控制網觀測

4.1 觀測儀器設備常數的率定、測前檢驗

所有光學、電子測繪儀器均定期經過國家計量部門或國家認可的檢驗部門的檢驗、率定，檢驗合格，并且檢驗結果在有效期內。儀器常數包括：測距儀加、乘常數、精測頻率、精測尺調制波長、周期誤差振幅、周期誤差初相角等。干濕溫度計、空盒氣壓計需具有完備的檢定資料，儀器設備通過檢校合格后，才能投入使用。

4.2 水平位移監測控制網觀測

主網水平角采用方向法觀測12個測回，全部測回在兩個不同的時間段內完成，水平方向觀測限差見表5。

表5 主網水平方向觀測限差Table 5 :Observation limited error in horizontal direction of main network

副網水平角采用方向法觀測9個測回，全部測回都在一個時間段內完成，水平方向觀測限差見表6。

水平方向觀測限差按表5要求，凡超過規定限差的結果均應重測。邊長測回數為往返各4測回，測站、鏡站每邊觀測始末都應測定當時的干濕溫度和氣壓值，各站儀器高、棱鏡高（覘牌高）的丈量誤差對于一、二等網不應大于1 mm。

除規范另有規定外，以下情況下必須重測：①三角形閉合差或測角中誤差大于限差要求的，應分析原因，重測誤差較大的測站或方向，直至滿足要求；②檢驗項目中任何項目超限的，應分析原因，重測誤差較大的測站或邊長，直至滿足要求；③儀器設備檢定期限過期的，整網重測。

表6 副網水平方向觀測限差Table 6 :Observation limited error in horizontal direction of auxiliary network

6 數據檢驗

邊長測量計算中應進行氣象（溫度、氣壓）、加、乘常數、周期誤差等項改正后的斜距，才能化為水平距離，然后根據平差高差投影在正常高910 m工程曲面上。

邊長測量外業精度評定：

式中：d——各邊往返測水平距離的較差；

n——測邊數；

主網、副網外業觀測數據檢驗主要包括以下幾個方面：

（1）三角形閉合差檢驗：主網三角形閉合差應不大于±2.5″，按三角形閉合差計算的測角中誤差應不大于±0.7″；副網三角形閉合差應不大于±3.5″，按三角形閉合差計算的測角中誤差應不大于±1.0″；

（2）角的極條件自由項限差的檢驗；

（3）邊角網邊條件自由項限差的檢驗；

（4）邊角網角條件自由項限差的檢驗，即觀測角與邊長計算角限差的檢驗；

（5）測邊網角條件自由項的檢驗。

7 結語

根據水平位移監測控制網在實際運行中存在的問題，采取科學合理的優化措施將為大壩安全監測的各項數據提供有力保證，同時也將有利于保證大壩的安全穩定運行。

漫灣水電站監測網于20世紀80年代設計，部分設計指標方面已不能滿足現行規范的要求，加之觀測方向受外界影響較大，監測網的正常觀測受到了嚴重干擾。經過對漫灣水電站水平位移監測控制網進行優化設計和改造，有效解決了現場數條觀測邊受簡易觀測房、樹木和電桿遮擋影響等問題，新的監測網網形剔除了部分施工階段使用的工作基點，使得監測網網形更加合理，主網和副網精度將得到極大改善，同時也將給現場的觀測工作帶來極大的便利，提高監測網的觀測效率。

[1]中國水電顧問集團昆明勘測設計研究院.瀾滄江漫灣水電站水平位移監測控制網設計書[R].

[2]中國水電顧問集團昆明勘測設計研究院.漫灣水電站樞紐區外部變形監測控制網改造工程實施方案[R].