圍堤沉降監測精確度的方法淺談

■童兆祥 ■中交天津港航勘察設計研究院有限公司，天津市 300450

曹妃甸位于唐山南部沿海、渤海灣中心地帶，原本是一個東北、西南走向的帶狀沙島，為古灤河入海沖擊而成，至今已有5500 多年的歷史，因島上曾建有曹妃廟而得名。曹妃甸港口及工業區發展用地主要依靠圍?；靥钤礻?，而后進行地基加固處理形成，而圍堤是圍海造陸工程中重要的組成部分。曹妃甸工業區東南區建設基地圍海造地工程地基土為沙土，為防止施工速度過快造成圍堤地基出現剪切破壞，通過對圍堤進行沉降監測來掌握施工期圍堤地基穩定性、沉降速率等資料，控制加荷速率，對施工安全進行預控則顯得尤為重要。

1 圍堤沉降監測的特點

圍堤沉降監測屬于變形監測的一種，所以其具有變形監測精度要求較高、重復觀測、數據處理嚴密等特點。除此之外曹妃甸工業區東南區建設基地圍海造地工程圍堤沉降監測還有如下的特殊性:(1)圍堤處于施工期，潮位過大時部分施工區段被海水淹沒無法測量，需利用低潮時間完成沉降監測;(2)圍堤整體形狀為一字型，施工從圍堤兩側向中心進行，圍堤中心有一近300 米的龍口，因此對圍堤的高程控制尤為困難;(3)單一的水準測量設備無法滿足圍堤監測需求，因此需聯合使用水準儀、高精度全站儀完成圍堤的沉降監測工作。

2 測量方案

2.1 監測精度要求

在進行圍堤沉降監測之前應搜集與測量有關的相關資料，對沉降監測的精度進行分析，根據其特殊性制定嚴密合理的監測方案。本工程沉降觀測報警值為日沉降量達到18mm，因此水準測量的中誤差不易大于10mm。

2.2 控制方案

鑒于圍堤沉降監測的特殊性，該高程控制網應布設為附合水準網進行高程控制。首先選擇甲方提供的高等水準點CFD -7 為基準點，CFD-9 點作為起始校核基點;在堤體外的碼頭上相距100 米布設兩個水準點D1、D2 做為本工程監測的工作基點。因圍堤中部有龍口故用跨河水準進行高程控制，為了滿足跨河三等水準的要求，在堤體龍口兩側采取打樁埋設的方式分別布設B1、B2、B3、B4 四個工作基點，其中B1與B2、B3 與B4 點相距分別為15m。使用徠卡高精度電子水準儀通過普通水準測量和跨河水準測量的方法將高程從GPS07 點引測至各工作基點，從而形成沉降觀測的高程控制網。CFD -7、D1、D2、B1、B2、B3、B4 七個點構成起始控制網。在測量過程中，龍口B3、B4 側以B4 點為工作點對沉降盤進行觀測，且每周需采用跨河三角高程測量方法對B4點進行復核觀測，以保證其高程安全可靠。變形觀測點以沉降盤的形式在堤體中線上每200 米埋設一點。布設點位圖如圖1 所示。

2.3 測量設備的選取

本工程的圍堤沉降監測選用的測量設備是Leica DNA03 型電子水準儀和索佳NET05X 型全站儀。Leica DNA03 型電子水準儀，在使用銦鋼尺時，此儀器測量精度可達到每公里往返標準偏差0.3mm，測量范圍為1.8m～60m，最小讀數為0.1mm。索佳NET05X 型全站儀一臺，NET05X 達到了業界最高的0.5 〞測角精度;其標準單棱鏡的測距精度為0.8mm+1ppm，測程可達3500m。在1000m 以上的邊長測量中提供業界最高的測量精度。

2.4 測量方法的精度分析

因本工程沉降觀測報警值為日沉降量達到20mm，故需對所選用儀器設備及觀測方法進行精度評定，具體精度分析如下:

2.4.1 水準測量精度分析

水準測量每公里單程觀測高差中數(高差平均值)的偶然中誤差的計算公式:

每公里往返測高差中數的偶然中誤差的計算公式為:

根據以上，可計算三、四等水準測量時最遠沉降盤處最大高差中誤差。

取M2 值為三等及四等水準測量每千米高差中誤差的限差±3mm、±5mm，對不同長度水準路線的高差中誤差進行計算，本次圍堤沉降監測最長水準路線長度為3km，由計算結果可知當水準路線長度超過2km 時四等水準測量中誤差大于10mm，故不滿足要求。而當選用三等水準測量時，水準路線為3km 長的最大高差中誤差為7.35mm，因此選用三等水準測量可滿足該工程要求。

2.4.2 跨河三角高程測量精度分析

使用索佳NET05X 型全站儀在對向觀測法中，一般將大氣折光作為常數考慮，或者雖然把大氣折光系數作為變量，卻沒有考慮不同方向折光系數差異性。為了測定A、B 兩點之間的高差hAB，在A 點架設全站儀，在B 點架設棱鏡。設SAB是A、B 兩點之間的傾斜距離，αA為全站儀照準棱鏡中心的豎直角，iA為儀器高，vA為棱鏡高，κ 為大氣折光系數，R 為地球曲率半徑，則A、B 兩點之間單向觀測高差為:

同理，由B 點向A 點進行對向觀測，假設兩次觀測是在相同的氣象條件下進行的，則取雙向觀測的平均值可以抵消地球曲率和大氣折光的影響，并得到A、B 兩點對向觀測平均高差為:

根據誤差傳播定律，得到(2)式計算高差中誤差為:

該儀器的測角標準差為=0.5 〞，測距標準差=0.8mm +1ppm，儀器高和棱鏡高量取中誤差=1mm，則對應不同的豎直角和傾斜距離S。為了保證跨河三角高程測量的精度，到監測現場對觀測方案進行模擬實驗，并與電子水準儀的測量結果進行比對。

對兩種方法求得高差進行對比，求取差值進行分析。觀測結果為:三等水準測量高差:0.044m，全站儀三角高程法測量高差:0.038m

高差差值為0.006m，即6mm，經此實驗可得出結論，在此項目使用全站儀三角高程代替三等水準進行跨河水準測量的精度可以滿足精度要求。

2.5 測量數據分析、圖標等

圍堤沉降監測的實施必須嚴格按照既定的方案執行，執行過程中必須嚴格按照水準測量及三角高程測量的規范執行。監測周期視具體情況可進行相應調整，當變形監測過程中發現變形量或變形速率出現異常變化，變形量達到或超過業主規定的預警值，需立即向相關單位報告，并增加監測周期或調整變形測量方案。在完成外業變形監測任務后，對測量結果進行檢查、數據檢查合格后進行按距離進行平差計算并處理分析得出相應的變形量，與上次測量結果進行比對分析，繪制出變形曲線圖如圖1 所示

圖1

3 結論

在港口航道等水運工程建設中圍堤是重要且常見的組成部分，因而圍堤沉降監測也是一種普遍的測繪活動。通過本文的論述為以后類似這種條帶狀圍堤沉降監測高程控制網的布設以及精度分析提供了一種方案。特別是對有龍口的圍堤沉降監測選用的設備以及能達到的精度等級提供了選擇。

［1］JTS 131 -2012 水運工程測量規范.

［2］GB/T 12898 -2009 國家三四等水準測量規范.

［3］JGJ8 -2007 建筑變形測量規范.