1秒級全站儀應用于中小型大壩變形監測

李彩霞，濮久武

（1.浙江龍川水利水電開發有限公司，浙江省遂昌縣 323300；2.浙江華電烏溪江水力發電廠，浙江省衢州市 324000）

1秒級全站儀應用于中小型大壩變形監測

李彩霞1，濮久武2

（1.浙江龍川水利水電開發有限公司，浙江省遂昌縣 323300；2.浙江華電烏溪江水力發電廠，浙江省衢州市 324000）

大壩安全監測行業標準規定用于大壩變形監測的全站儀精度需在1秒級及以上，目前大中型工程中大多采用的是0.5秒級的全站儀。對于中小型工程，采用1秒級全站儀并根據工程的具體情況制定合適的現場測邊、測角觀測方案，也能達到規范規定的位移量觀測精度指標。通過部分中小型混凝土壩及土石壩采用1秒級全站儀工程監測實例，表明采用科學合理的監測方案，1秒級全站儀應用于中小型混凝土壩及土石壩變形監測是可行的。

1秒級全站儀；中小型大壩；變形監測

0 引言

全站儀是一種兼有電子測距、電子測角、計算和數據自動記錄及傳輸功能的自動化、數字化的三維坐標測量與定位系統，在大壩安全監測領域已普遍應用于監測大壩水平及垂直位移。其中測角精度為0.5?的稱為0.5秒級全站儀，測角精度為1.0?的稱為1秒級全站儀。一般地，1秒級全站儀配套的測距精度為1mm+2ppm×D以上，如Leica TCA1800全站儀，標稱測角精度為1.0?、測距精度為1mm+2ppm×D；Leica TCA1201+全站儀、Leica TS15A-1全站儀，標稱測角精度為1.0?、測距精度為1mm+1.5ppm×D?；炷翂伟踩O測技術規范以及土石壩安全監測技術規范，對于大壩表面變形監測規定應使用1秒級以上精度的全站儀或經緯儀監測水平位移，目前大部分大中型工程均使用了0.5秒級的全站儀，從儀器購置成本考慮，大部分中小型工程使用的是1秒級全站儀。為使1秒級全站儀在中小型大壩工程中變形監測能滿足規范要求，應制定合適的現場觀測方案發揮其儀器效益，達到預期效果。

1 全站儀實測角度及實測邊長精度分析

影響水平角觀測精度的誤差來源分為儀器誤差m儀、觀測誤差m觀、儀器對中誤差m儀中、目標偏心誤差m目中及外界環境誤差m環等五項誤差按等影響原則（假定各項因素對函數的中誤差具有相等的影響）計算，設各項中誤差均為m，則水平角觀測誤差為:

電子經緯儀、全站儀等因其電子度盤分劃誤差以及豎盤指標歸零誤差采取了有效措施后均較小，其垂直角測角精度主要受大氣垂直折光影響，對于視距較短、地形地物較單一的空曠陸地且通風對流效果良好的中小型工程，大氣垂直折光系數K值較穩定，考慮大氣垂直折光等因素在內的垂直角觀測全中誤差與水平角觀測全中誤差相當。對大氣垂直折光不穩定的情況下應采取一定的現場觀測方案，以最大可能地削弱其對垂直角觀測精度的影響。

綜合水平角觀測實際工程應用情況，在良好的觀測條件及正確的觀測方法下，TC（A）1800、TCA1201+、TS15A-1等標稱測角精度為1.0?的Leica測量儀器，采用“雙照準法”四測回，其水平角觀測全中誤差（不考慮目標偏心、儀器對中誤差），視距在50～500m范圍以內一般在±（0.6?～1.0?）之間；視距在500～1000m范圍以內一般在±（0.8?～1.2?）之間。TCA2003等標稱測角精度為0.5?的測量儀器由于大氣折光的影響基本一致，前后者測角全中誤差基本相同，較差在十分之一以內。

綜合邊長觀測實際工程應用情況，在良好的觀測條件及正確的觀測方法下，Leica TC（A）2003（標稱精度1m+1ppm×D）、TC（A）1201+及TS15（標稱精度1mm+1.5ppm×D）、TC（A）1800（標稱精度1mm+2ppm×D）等較為穩定的全站儀經過加、乘常數改正后，TCA2003的實測精度一般能達到0.5mm+0.7ppm×D、TC（A）1201+及TS15等實測精度一般能達到0.8mm+1ppm×D。

2 大壩水平位移監測方案

大壩水平位移監測方法有視準線法、極坐標法、交會法、垂線法、張線法、激光準直法、導線法、GNSS測量法等。其中使用全站儀通過視準線法、極坐標法、交會法等普遍應用于中小型大壩水平位移監測。

（1）小角度法觀測大壩水平位移及其精度分析。

視準線法包括小角度法和活動覘牌法，使用全站儀應采用小角度法。

小角度法觀測見圖1，在工作基點安置全站儀或經緯儀，觀測位移測點P與后視基點的水平夾角β，根據工作基點與位移測點P的平距S（可定期觀測得到），即可計算出位移測點垂直于基準線的偏移量，各期偏移量較差即為位移測點的水平位移量。

圖1 視準線法加EDM三角高程法監測應村堆石壩水平垂直位移

小角度法位移量觀測值全中誤差為:

式中，Mβ為水平角觀測全中誤差，MS為距離觀測的全中誤差，m儀中為儀器對中誤差和后視目標對中誤差，這兩項誤差不會產生累積，其綜合影響最大值將不大于其中最大的一項（如假設為儀器對中誤差，采用強制對中底座一般可控制在±0.2mm）；m目標為位移測點目標偏心（對中）誤差，當采用與全站儀配套的高精度免調節變形監測專用棱鏡組m目標可減小為±0.1mm。

（2）極坐標法觀測大壩水平位移及其精度分析。

極坐標法觀測參見圖2，在工作基點A上安置全站儀，觀測位移測點P與后視基點的水平夾角、工作基點與位移測點的平距S，即可得到P點的平面坐標。

極坐標法位移量觀測值全中誤差為：

式中，Mβ為水平角觀測全中誤差，MS為距離觀測的全中誤差，αAP為工作基點A至位移測點P的坐標方位角。

（3）交會法觀測大壩水平位移及其精度分析。

交會法觀測水平位移可采用測角、測邊及邊角交會法。

交會法觀測見圖2，在工作基點A、B上安置全站儀（測角交會可用經緯儀）。測角交會觀測位移測點與基線方向的夾角α、β；測邊交會觀測位移測點與兩工作基點的邊長a、b；邊角交會為既測夾角又測邊長，相當于在兩個工作基點均進行極坐標法觀測。

圖2 邊角交會法監測華光潭壩頂水平位移

當交會邊長在200m以內時，測角交會往往能獲得較理想的效果；當邊長不斷增加時，由于角度觀測時旁折光等的影響，測角交會精度明顯降低，而邊長觀測中由于其固定誤差保持不變，而顯出其顯著的優越性，尤其在邊長達300m以上的高精度變形監測中，測角交會在兩個交會方向引起的橫向誤差都較大，極坐標法因測角引起的橫向誤差較大而導致較大的X向或Y向分量誤差，故都難以達到較高的精度，只有借助于測邊或邊角交會才能達到高精度要求。隨著全站儀的普遍應用，邊角交會已被廣泛應用。由于邊角測量其精度具有互補性，其圖形本身對點位的精度影響較小，而誤差主要與已知點至位移測點之間的距離呈正相關，故邊角測量受圖形限制較小。這種互補作用應建立在測角及測邊精度相互匹配的前提下，否則互補作用難以取得理想的效果。

邊角交會法因存在多余觀測，其位移量觀測值全中誤差計算需通過最小二乘法平差進行計算。

3 大壩垂直位移監測方案

大壩垂直位移監測方法有幾何水準法、三角高程法、靜力水準法、激光準直法等。其中使用全站儀通過EDM三角高程法并采用一定的工程措施應用于中小型大壩垂直位移監測有較多成功實例。

三角高程觀測大壩垂直位移精度分析。采用全站儀或測距儀加經緯儀進行的EDM三角高程測量，在變形觀測中如不考慮球差的影響，則三角高程觀測位移量全中誤差為[1]:

式中，MD為斜距D的觀測中誤差，Mα為垂直角觀測中誤差，對于視距100、200m，大氣垂直折光系數K值較穩定的情況，Mα與水平角觀測全中誤差相當有望控制在±1.0?以內，對大氣垂直折光不穩定的情況下應采取一定的現場觀測方案，以保證其觀測精度；m1為儀器高觀測中誤差，采用專用的方法可以控制在±0.2mm以內；mV為目標高觀測中誤差，當采用與全站儀配套的高精度免調節變形監測專用棱鏡組可減小為±0.1mm。

4 大壩位移監測工程實例

（1）TCA1201+全站儀視準線法加EDM三角高程法監測應村堆石壩水平垂直位移。

1秒級全站儀Leica TCA1201+，標稱測角精度為1.0?、測距精度為1mm+1.5ppm×D。該儀器于2010年5月開始應用于應村大壩變形監測。

應村水庫位于浙江省麗水市遂昌縣，水庫為中型水庫。攔河壩為面板堆石壩，最大壩高67.5m，壩頂長148.5m，大壩面板、壩頂及下游馬道設置5個橫斷面的水平垂直位移測點。在大壩左右兩岸山體基巖上的工作基點C、D分別安置徠卡TCA1201+全站儀及后視棱鏡，采用視準線小角度法加EDM三角高程法監測大壩各位移測點的水平垂直位移，在工作基點C測站采用一測回觀測水平方向及垂直角，位移測點最大邊長134m，垂直角α在-11?～-1?，見圖1。

根據式（1）、式（3）結合本工程實際情況，式中 ? ≤ 2000?、S ≤ 134m、M?=±2.0?、MS=±5.0mm、m儀中=±0.1mm、m目標=±0.1mm；mD=±2.0mm、M?=±2.0?、mI=±0.2mm、mV=±0.1mm。

經理論及實測資料精度分析，各位移測點水平垂直位移量監測精度均在1.9mm以內，滿足規范規定的3.0mm[2]的要求。

（2）TCA1201+全站儀極坐標法加EDM三角高程法監測成屏二級重力壩水平垂直位移。

1秒級全站儀Leica TCA1201+于2011年10月開始應用于成屏二級大壩變形監測。

成屏二級重力壩位于浙江省遂昌縣，水庫為中型水庫。最大壩高46m，壩頂全長138m，共分7個壩段，壩頂設7個水平垂直位移測點。在大壩左岸山體基巖上工作基點基左安置徠卡TCA1201+全站儀，右岸下游穩定基巖上的基準點安置棱鏡組，采用極坐標法加EDM三角高程法監測壩頂各位移測點的水平垂直位移，觀測前定期對全站儀加常數進行檢定，必要時進行加常數的修正，以減小其固定誤差的影響[3]。每個測站采用4測回觀測各位移測點的水平方向、垂直角及平距[4]，位移測點最大邊長151m，垂直角在-8?～-38?。

根據式（2）、式（3）結合本工程實際情況，式 中 S≤ 151m、M?=±0.8?、MS≤ ±1.2mm、αAP在 -1?～ +1?；MD≤ ±1.2mm、M?=±0.8?、mI=±0.2mm、mV=±0.1mm。

經理論及實測資料精度分析，位移測點上下游向位移量及垂直位移量監測精度在0.9mm及1.0mm以內，滿足規范規定的上下游向位移量1.0mm及垂直位移量1.0mm[5]的要求。

（3）TCA1800全站儀邊角交會法監測華光潭混凝土拱壩水平位移。

1秒級全站儀Leica TCA1800，標稱測角精度為1.0?、測距精度為1mm+2ppm×D。該儀器于2005年6月開始應用于華光潭大壩變形監測。

華光潭混凝土雙曲拱壩位于浙江省臨安市，水庫為中型水庫，最大壩高約103.85m，壩頂弧長約232m，壩頂共設P1～P13共13個水平位移測點。在大壩兩岸山體基巖上的兩個工作基點基左、基右上分別安置徠卡TCA1800全站儀，采用邊角前方交會法監測壩頂各位移測點的水平位移，每個測站分兩組采用全圓方向觀測法進行觀測（包括水平方向及平距），每組8個方向、觀測4個測回，位移測點水平夾角α、β在7?～86?，邊長a、b在22～182m，垂直角在-37?～-6?，見圖2。

根據本工程實際情況，通過最小二乘法平差計算及實測資料精度分析，位移測點徑、切向位移量監測精度在0.9mm、0.9mm以內，滿足規范規定的徑、切向位移量2.0mm、1.0mm的要求。

5 結論

1秒級全站儀應用于中小型混凝土壩及土石壩工程變形監測，應根據所選用的儀器及現場觀測具體情況制定科學合理的監測方案并采取一定的監測優化措施，可以達到滿足規范要求的預期效果。這些方案和措施主要作用是使全站儀測角及測邊精度相互匹配、優化觀測網的圖形條件、提高現場監測的工作效率和盡量減小全站儀測距固定誤差、位移測點目標偏心誤差、儀器高及目標高量取誤差以及大氣垂直折光誤差的影響。

（1）對于混凝土壩的位移測點最大視距宜控制在140m以內，土石壩可在400m以內。

（2）為減小全站儀固定誤差的影響，應在現場定期校測全站儀加常數的變化，必要時進行修正。

（3）三角高程觀測時宜同時觀測位移測點附近的穩定點高程，分析推算大氣垂直折光系數的變化，必要時進行K值變化引起的位移測點高程觀測值修正。

（4）為減小位移測點目標偏心及棱鏡高量取誤差，宜采用高精度免調節變形監測通用棱鏡組。

（5）交會法與極坐標法的選擇應根據實際情況進行分析計算測點中誤差，并根據綜合效益全面評估。一般在對稱交會觀測時，邊角交會的綜合效益高于同等邊角觀測精度極坐標法，但大多數非對稱交會觀測時，應視觀測邊長及邊角觀測精度匹配的情況進行分析選擇，如測角及測邊精度相匹配時，則可考慮選擇極坐標法分兩端對就近位移測點進行觀測。

[1] 濮久武.三維坐標法在水壩變形觀測中的應用[J].水力發電 .2004，（4）：63-65.

[2] DL/T 5259—2010土石壩安全監測技術規范[S].北京：中國電力出版社，2011.

[3] GB/T 16818—2008中、短程光電測距規范[S]. 北京：中國標準出版社，2008.

[4] GB/T 17942—2000國家三角測量規范[S]. 北京：中國標準出版社，2000.

[5] DL/T 5178—2003混凝土壩安全監測技術規范[S].北京：中國電力出版社，2003.

李彩霞（1965—），女，工程師，主要研究方向：水電站運行管理工作。E-mail:lcx_zj@163.com

濮久武（1964—），男，教授級高級工程師，主要研究方向：水工建筑物安全監測及管理。E-mail:pujw99@163.com

One Second-level Total Station Applies to Small and Medium Dam Deformation Monitoring

LI Caixia，PU Jiuwu
（1.Hydropower development Co. Ltd., Suichange 323000，China； 2. Zhejiang Huadian Wuxijiang Hydroelectric Power Plant，Quzhou 324000，China）

Dam safety monitoring industry standards provide that for dam deformation monitoring precision of total station in 1 second-level and above, most medium-sized projects currently uses 0.5 seconds-level total station. One secondlevel total station applied to small and medium sized projects,according to the specific situation of the project develop programs suitable site observation program of trilaterational and measuring angle, also achieve specification displacement observation accuracy indicators. By some small and medium concrete dam and embankment dam project using one secondlevel total station monitoring instance, the results prove that one second-level total station small and medium concrete dam and embankment dam deformation monitoring is feasible by as long as a reasonable monitoring program.

one second-level total station；small and medium dam；deformation monitoring