沙牌水電站碾壓混凝土拱壩高程聯系測量的應用

韓云文，張進，李禺，胡本建，馬如坤

(1，四川省能源投資集團有限責任公司，四川成都610016;2，四川中水成勘院測繪工程有限責任公司，四川成都 610072)

1 概述

位于四川省藏族羌族自治州汶川縣境內的沙牌水電站碾壓混凝土拱壩為20世紀末世界上在建最高的碾壓混凝土拱壩，最大壩高132 m。水庫正常蓄水位高程1866 m，死水位高程1825 m，總庫容0.18億m3，電站裝機容量為36 MW，2002年5月進行首次蓄水。樞紐主要由碾壓混凝土拱壩、右岸兩條泄洪洞、右岸引水隧洞和發電廠房等建筑物組成。監測設計以安全監測為主，將位移、溫度和滲流滲壓監測內容做為重點，其中壩體及基礎的垂直位移利用水準點及靜力水準儀進行監測。高程1850 m 和高程1810 m 拱圈在其廊道內拱冠位置布置了一個水準點，左右岸垂線位置各布置了一個水準點。而壩基垂直位移監測則利用高程1750 m 基礎廊道內設置的靜力水準儀進行觀測，同時，在平硐末端布設了水準點進行垂直位移絕對值觀測。

水平廊道高程1810 m 以及高程1750 m 基礎廊道之間由于地形條件及施工場地限制沒有設計岸坡廊道與其相連接，故上下廊道的水準監測高程點的聯系測量成為一個重要的技術難點和重點。

根據文獻檢索，2000年長江委設計院在三峽樞紐工程分層開挖控制時應用過高程傳遞;2007年河海大學在蘇通大橋測控中應用了高程傳遞測量方法。而在碾壓混凝土高拱壩廊道間利用測量機器人精密測距實施高程傳遞測量尚屬首次。筆者針對高程1810～1750 m 廊道高程傳遞的難題，探討了如何利用測量機器人精密測距的方法解決該問題。數據結果表明，該方法穩定可靠。

2 水平廊道高程1810～1750 m 基礎廊道高程傳遞系統的組成

將沙牌水電站碾壓混凝土拱壩拱冠高程1810～1750 m 電梯井緊急通道作為高程傳遞測量通道。筆者作為設計方參加了與業主、成都經緯儀器有限責任公司三方合作的水平廊道高程1810～1750 m 基礎廊道之間的高程傳遞工作，成功解決了廊道間高程的聯系測量問題，現介紹給同行并與之共勉。本次高程聯系測量系統硬件組成如下:(1)TCA2003測量機器人1臺及可升降腳架;(2)天寶DiNi12電子水準儀1臺及條形碼銦鋼尺、可升降腳架;(3)徠卡ZNL 天底天頂儀1臺及腳螺旋、腳架;(4)徠卡高程傳遞直角棱鏡組1套;(5)徠卡單棱鏡帶單框2套;(6)廊道照明設備若干。

3 高程聯系測量過程

目前，TCA2003測量機器人的測距精度已達到1/50萬，如在60 m 的較短距離上可達到1.06 mm，相對精度可達0.12 mm，若能精確測定在垂直方向上的距離，即能勝任高程傳遞工作。為此，需要一個嚴密的光學器件直角棱鏡組將水平方向的測距轉換為垂直方向的測距，使測量機器人的測距由垂直距離和水平距離組成，即:水平距離+垂直距離，其中水平距離可由測距精確測定，則垂直距離即可由測定全程距離減去水平距離得到。

如圖1所示:圖中A 點為高程1810 m 廊道埋設的永久水準點，編號BM-T2，G 點為高程1810 m 廊道水準儀設站位置，C’點為高程1810 m 廊道高程傳遞井口直角棱鏡組中心位置;C 點為高程1750 m 基礎廊道高程傳遞井下方埋設的臨時水準標志點(因該點不易長期保存，系臨時需要設置)。H 點為高程1750 m 廊道水準儀設站位置，B 點為1750 m 廊道永久水準點，編號為BM-3。A 點與C 點之間的高差值為:

圖1 高程連續測量示意圖

其中:

SAC為測量機器人通過直角棱鏡測得的全程距離;

SAC'為測量機器人測得的水平距離;

hA為全站儀儀器高(可通過水準測量精確求取);

hC為反射棱鏡高(高度量測精度低);

δ為直角棱鏡組反射常數(通過兩個已知水準點求取)。

4 高程聯系測量工作程序

步驟1:將測量機器人架設在高程1810 m 廊道水準點A 點上，將ZNL 天底儀架設在高程傳遞井口位置。ZNL 天底儀的功能是確定天底方向的垂線;在高程1750 m 基礎廊道高程傳遞井下方臨時水準標志點C 點上架設徠卡精密反射棱鏡(需要注意的是:為了工作方便，C 點可臨時設置)。將精密水準儀架設在全站儀和ZNL 之間的G 點上，并保證兩者的距離相等。調整并整平ZNL 天底儀，使天底儀的十字絲和天底儀發射的投點紅色激光光斑點精確對準反射棱鏡中心，即保證順利投點。

將ZNL 天底垂線儀撤下，換上徠卡專用直角反射棱鏡組;調整水準儀腳架和腳螺旋，使水準儀的十字絲精確照準直角反射棱鏡中心;將水準儀照準測量機器人并調整全站儀可升降腳架，使全站儀中心與水準儀中心重合;配置測量機器人豎盤讀數，使讀數為900+指標差，這時，用水平微動螺旋使全站儀照準直角反射棱鏡，并通過直角反射棱鏡在水平方向上的旋轉，使全站儀的十字絲與直角棱鏡下方的反射棱鏡中心重合后即可用全站儀進行測距，得出水平距離+垂直距離的數值(SAC的全程距離)。若要求得SAC’的水平距離，可將直角反射棱鏡取下，換上徠卡反射鏡進行測量即可。直角反射棱鏡組的棱鏡常數已由廠商提供，δ為0.21006 m。根據公式(1)，即可求取兩個廊道水準點間的高差值。

步驟2:在使用公式(1)進行計算中，由于hC(反射棱鏡高度量測)誤差難以控制，將影響高程傳遞計算值的精確度，故在計算時，不再量取C點上反射棱的棱鏡高，不加入該項數據，而直接采用公式(2)進行計算:

公式(2)計算的高差為水準點A 點和臨時水準點C 點上棱鏡中心點間的高差。由于C 點為臨時設置點，因此，必須將高程傳遞至永久水準點BM-3上。

步驟3:在高程1750 m 廊道C 點和BM-3點間的固定位置H 架設電子水準儀，并確保水準儀至C 點棱鏡及BM-3水準標尺的距離相等。水準儀的腳架為可升降腳架，整平水準儀后，調整升降腳架螺旋，使水準儀十字絲與C 點反射棱鏡中心重合，同時，在B 點豎立水準尺。

BM-3點高程:

式中 HA 為高程1810 m 廊道永久水準點BMT2的高程;

ΔH'為水準點A 點(編號:BM-T2)和下部臨時水準點C 點上棱鏡中心點的高差;

b 為BM-3水準標尺的讀數。

上述步驟重復觀測兩次，合格后高差取平均值進行計算。

5 高程聯系測量觀測數據及精度估算

5.1 觀測數據分析

2002年7月的觀測數據如下，水平距離+垂直距離(SAC)見表1。

由表3計算可知:用高程傳遞系統所測得的高差與2002年兩次觀測平差后的高差之差較小，分別為:1.18 mm 和0.71 mm，滿足規范對高差校核的要求。

水平距離(SAC’)觀測數據見表2。

表1 全程距離測量數據表

表2 水平廊道距離測量數據表

儀器高:hA=1.4799 m，按照公式(2)計算ΔH'=SAC-SAC’-hA-δ=58.65901(m)

b=1.38635 m ，故ΔH'+b=60.04438(m)。

根據2002年4月和2002年5月精密水準測量觀測數據平差結果，從同一個水準工作基點B5、B5-1聯測至基礎廊道BM-3點以及BM-T2點的高程值見表3。

表3 高差比較數據表

5.2 觀測精度計算

6 結語

(1)利用天底天頂儀進行豎井鉛垂線測量，利用直角棱鏡進行高程聯系測量具有速度快、精度高的特點。(2)由于上部廊道和下部廊道溫差較大，傳遞井中有風擺效應且有小水滴，現場造成測距數據獲取靈敏反應不夠。通過關閉上下廊道檢修門并調整照明光源，解決了該問題。(3)通過完善現場觀測條件、提高操作人員的熟練程度，加上彎管目鏡可以實現往返觀測，將進一步提高高程聯系測量的精確度和可靠性。

［1］國家一、二等水準測量規范，GB/T12897-2006［S］.