大壩水平位移觀測方法與誤差理論分析

田連海，周文俊

(1.懷化市水利電力勘測設計研究院，湖南 懷化 418000;2.湖南省地質調查院，湖南 長沙 410000)

1 工程概述

湖南省芷江縣和平水電站位于沅水一級支流舞水中下游，地處芷江縣城境內，壩址距芷江縣城1km。該電站以發電為主、兼顧供水、航運等綜合功能，水庫正常蓄水位為244.0m，總庫容2068萬m3，電站裝機容量為13.5MW，擋水建筑物為混凝土重力壩，大壩總長為280.6m，最大壩高18.5m。

2 大壩變形觀測系統的建立

2.1 水平位移觀測系統的建立

(1)視準線的確定。按設計要求，該大壩水平位移觀測采用視準線法，視準線平行于壩軸線布設。根據地形實際情況，在大壩兩端各埋設一個工作基點，右岸山坡上工作基點編號為TB1，左岸工作基點編號為TB2，兩個工作基點之間距離為413.36m。在大壩右端埋設一校核基點，編號為TN1。在大壩閘墩上埋設9個水平位移觀測墩，編號TP1～TP9，相互間距為28m。

一般規定，水平位移值向下游為正，向上游為負，向左岸為正，向右岸為負。將坐標原點設在右岸TB1上，以視準線方向為x軸建立直角坐標系，x軸向左岸為正，y軸向下游為正。

(2)觀測儀器和設備。包括索佳SET210K全站儀，M—400A精密活動覘牌和 M—450A型固定覘牌。

(3)標墩強制對中底盤埋設。各觀測標墩頂部均采用F—1A型通用式不銹鋼強制對中基座，底盤安裝水平面傾斜度小于4'，其強制對中底盤中心，在視準線上埋設起始偏距均符合《混凝土壩安全監測技術規范》(DLT5178-2003)規定的小于10mm的要求。

2.2 水平位移觀測方法

將全站儀安置于工作基點TB1上，在另一端的工作基點TB2上安置固定覘標，用全站儀瞄準TB2上的固定覘標，將視線固定。在位移觀測標墩上安置活動覘牌，并使覘牌面垂直于視準線，轉動望遠鏡瞄準位移觀測點，并用對講機指揮移動活動覘牌使其照準標志與全站儀的十字絲豎絲重合，在分劃尺與游標尺上讀數;然后移動覘牌從相反方向再重新對準視準線并讀數，取2次讀數平均值作為上半測回，即正鏡觀測。再倒轉望遠鏡，按上述方法測下半測回，即倒鏡觀測，取正、倒鏡讀數的平均值作為一測回的成果。隨后，按上述同樣方法觀測第n個測回，取n個測回的平均值作為最終成果。每測回開始和結束都要重新瞄準TB2點，檢查儀器及目標有無變動。

3 視準線法進行水平位移的誤差分析和計算

提供視準線儀器的三軸誤差以及活動覘牌的刻度誤差對水平位移觀測成果的精度有一定的影響，但由于目前精密全站儀和精密活動覘牌制作工藝先進，且都經嚴格的出廠檢驗，操作者只要按規定按時送檢儀器，規范操作，就可以將其影響削弱或基本消除，對觀測成果不會產生較大的影響。由于采用強制對中的方法，儀器和覘牌的對中誤差、覘牌讀數誤差(精密活動覘牌可估讀至0.01mm)也可忽略不計;大氣折光、氣壓的影響，隨時間、地點、氣溫等具體不同而異，目前可以通過儀器常數的設置自動進行改正，且影響也較小。因此進行精度評算時，一般以其誤差的主要來源——照準誤差來作為精度估算的依據，如圖1。

圖1 照準誤差示意圖

照準誤差是視準線法觀測大壩水平位移的主要誤差，它的大小與人眼的極限分辨角、儀器望遠鏡的放大倍率，視線長度和外界條件等因素有關。一般人眼的極限分辨角為60″，此次使用的儀器SET210K全站儀望遠鏡的放大倍率為30倍，則通過望遠鏡照準的極限分辨角為，取極限誤差為中誤差的兩倍，這時一個方向的照準中誤差為

3.1 一測回中誤差計算

安置全站儀于TB1點后視TB2點作為固定視線，定向后，瞄準觀測標墩上的活動覘牌讀取讀數，并重復轉動活動覘牌上的微動螺旋，使之與視準線重合，讀取兩個讀數，是為半測回(即正鏡觀測)，再倒轉望遠鏡按上述方法觀測，合為一測回，則后視TB2的照準誤差對活動覘牌點所產生的定向誤差m為:

式中:S—TB1至位移觀測點的距離，mm;

ρ—206265″。

根據誤差傳播定律，按同精度觀測計算，推導出一測回的中誤差計算公式如下:

3.2 活動覘牌2次照準讀數互差的允許限差Δ允計算

根據誤差傳播定律，按同精度觀測計算，推導出活動覘牌2次照準讀數互差的允許限差Δ允的計算公式如下:

3.3 兩個半測回之差的允許限差計算

正鏡觀測2次讀數完畢為上半測回，倒鏡觀測2次讀數完畢為下半測回，兩個半測回之差的允許限差由下式計算:

3.4 兩測回讀數平均值之差的限差計算

根據誤差傳播定律，按同精度觀測計算，得出兩個測回讀數平均值之差的限差為:

3.5 測回數n的計算

參照《工程測量規范》(GB50026-2007)規定和《水工建筑物觀測工作手冊》視準線法觀測的精度要求，用視準線法校測工作基點，觀測混凝土建筑物上的位移標點時，m移極限誤差不大于2mm(取2倍中誤差)的規定，來反推要達到該精度要求所需施測的測回數。按上述方法觀測，則應測的測回數計算式為:

式中:m移—要求位移值中誤差，取1mm。

3.6 各項限差與水平位移觀測測回數的理論計算值

根據誤差傳播定律推導的以上公式和該大壩變形觀測系統布置的實際情況，計算出各項限差理論值以及為達到容許誤差需要觀測的測回數見表1。

3.7 各項限差及測回數的實際取值

為保證觀測精度，并考慮其他影響誤差，今后觀測，各項限差、測回數實際取值均采用表2中的數據。

3.8 水平位移觀測值中誤差的計算

按上述的作業方法施測n個測回，則實際水平位移值中誤差m移可由下式計算:

由公式7計算出各位移標點水平位移值中誤差見表3。

表1 各項限差及測回數理論值計算表

表2 各項限差、測回數實際采用值

表3 位移標點水平位移值中誤差值

4 結論與建議

通過對項目的實際計算，該方法可以作為和平電站大壩水平位移觀測的技術方案，對不同距離的觀測墩即變形觀測點，通過不同測回數的觀測，使得各變形觀測點的位移觀測值中誤差在規范規定值以內，因而各項限差值可以作為以后觀測限差的依據。

對于今后大壩變形觀測工作，還應注意以下問題:應使用同一儀器和設備，固定觀測人員，在基本相同的環境和條件下進行觀測工作，盡量做到同精度觀測，各項限差和測回數嚴格采用表2數值。

［1］趙志仁，葉澤榮.混凝土壩外部觀測技術［M］.北京:水利水電出版社，1988.

［2］張正祿，等.工程測量學［M］.武漢:武漢大學出版社，2005.

［3］於宗儔，魯成林.測量平差基礎［M］.北京:測繪出版社，1983.

［4］SL 197-2013.水利水電工程測量規范［S］.

［5］GB 50026-2007.工程測量規范［S］.