成屏面板壩三維變形控制網設計與觀測

李最能，濮久武

（1．浙江遂昌成屏水力發電有限責任公司，浙江省遂昌市 323300；2．浙江華電烏溪江水力發電廠，浙江省衢州市 324000）

成屏面板壩三維變形控制網設計與觀測

李最能1，濮久武2

（1．浙江遂昌成屏水力發電有限責任公司，浙江省遂昌市 323300；2．浙江華電烏溪江水力發電廠，浙江省衢州市 324000）

大壩變形監測控制網一般采用邊角網和精密水準網用于水平位移監測控制網和垂直位移監測控制網。隨著高精度全站儀的推廣應用，中小型大壩水平及垂直位移監測控制網可采用簡便可靠、高效先進的三維變形監測控制網，取代常規的邊角網和精密水準網。成屏堆石壩及謝村源混凝土壩采用了三維變形監測控制網，并通過網型的優化設計及合理的現場觀測方法，達到了預期目標。工程實踐證明只要三維變形監測控制網設計合理，其應用于中小型水庫大壩工程是切實可行的。

成屏面板壩；三維變形監測控制網

0 引言

大壩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。為確保大壩水平位移及垂直位移監測控制網最弱點指定方向位移量全中誤差不超過±2.0mm，或在指定方向的平差值坐標中誤差不超過±1.4mm。水平位移監測控制網一般通過邊角網實施，垂直位移監測控制網一般通過精密水準網實施。精密水準網工作量大、布設要求高。隨著高精度全站儀的推廣應用，對于中小型工程，在邊角網監測水平位移監測控制網的同時，在控制網測點中加測垂直角并進行對向觀測，構成EDM三角高程網，與水平位移監測控制網共同組成三維變形監測控制網，從而取代常規的邊角網和精密水準網。

1 混凝土壩及土石壩三維變形監測控制網設計原則

按《混凝土壩安全監測技術規范》（SL 601—2013）[1]及《土石壩安全監測技術規范》（SL 551—2012）[2]規定結合工程實際，三維變形控制網的布設應遵循以下原則：

（1）控制網中應確保有2個以上穩定可靠的基準點，由這些基準點與各工作基點及過渡點通過一定的通視圖形構成變形控制網，基準點宜布設在大壩下游不受大壩及庫水壓力影響的地區。

（2）控制網設計應以網形結構簡單及經濟合理為原則，三角形的個數及布置范圍，以能利用基準點校測壩區內工作基點為原則。測點不應設在有強電磁場影響的范圍內，應避免視線接近水面，視線離建筑物的距離不宜小于2m。三角形網邊長不宜過長，網點間垂直角不應超過30°，高差不宜過大。

圖1 成屏大壩三維變形控制網通視圖

（3）控制網初步設計完成后，應根據觀測方案采用模擬平差法計算，對精度、可靠性進行分析，并對設計方案進行優化調整。各觀測量可靠性因子ri（多余觀測分量，0≤ri≤1）值不宜小于0.2，如因條件限制，個別觀測量不能滿足此要求時，則應在觀測中采取特殊措施，以排除測值含有粗差的可能性。

（4）按最小二乘法進行精度預估，測點在指定方向的位移量中誤差不應大于±2.0mm。

2 三維變形監測控制網在成屏等大壩中應用

2.1 成屏面板堆石壩三維變形監測控制網

成屏混凝土面板堆石壩位于浙江省遂昌縣境內，水庫為中型水庫。面板堆石壩最大壩高78.32m，壩頂長217.7m?？刂凭W采用三維變形監測控制網，在大壩壩軸線下游400m以外山坡上設立2個穩定可靠的基準點A、B，與大壩附近的7個工作基點D1、C2、D2、C3、D3、C4、E等共計9個測點，組成三維變形監測控制網，見圖1。

網點間最大邊長（平距）為A-C4的533m，最小邊長（平距）為C4-E的170m，加權平均邊長（平距）325m。

2.1.1 現場觀測

大壩變形控制網觀測采用一等邊角網法，并采用EDM三角高程進行對向觀測，水平角、垂直角及邊長均達到國家一等測量精度。成屏大壩三維控制網現場觀測采用Leica TCA1201+全站儀，標稱測角精度為1.0″、測距精度為1mm+1.5ppm×D。觀測方法除遵守規范規定的原則及工程控制網設計方案規定外，尚遵守下述原則：

（1）變形監測控制網在不同時期觀測宜使用同一臺或同一類型儀器設備，并采用相同的觀測方法。

（2）現場觀測盡量選擇空氣能充分調和的有風天氣，最好是在溫度較均勻的陰天，這能顯著提高觀測精度。

（3）水平角采用方向觀測法觀測12測回，全部測回應在兩個異午的時間段內各完成一半，每一時間段觀測的基本測回數不超過總基本測回數的2/3。在全陰天，可適當變通。

（4）垂直角按中絲法觀測測回，分別進行對向觀測。對向觀測兩測站的垂直角應盡量在同時段或對稱觀測時段內進行，以中午附近大氣垂直折光變化最小的時間段觀測最為宜，取地方時10時至14時之間，一般情況下在10時至16時之間目標成像清晰時進行[3]。

（5）每條邊對向觀測，每單向邊分上午、下午兩個對稱時段觀測，每單向一個時段觀測二測回，一測回讀數四次。邊長觀測時首先將儀器設定為不進行氣象改正（設置氣象改正等于零），記錄觀測邊長（斜距），再進行氣象改正和常數改正計算（包括加常數、乘常數、周期誤差、氣象等改正）[4]。

斜邊長用平差后的三角高程進行傾斜改正，傾斜改正后的邊長投影至該測區平均高程面。

2.1.2 觀測成果驗算

成屏大壩三維變形監測控制網計算的所有12個三角形閉合差、2個四邊形極條件閉合差、2個四邊形（扇形）組合角閉合差以及所有三角形高差閉合差均滿足限差要求。其中按菲列羅公式計算的測角中誤差之限差。

圖2 謝村源大壩三維變形控制網通視圖

2.1.3 平差計算及精度評定

大壩三維變形監測控制網首期觀測一般采用經典平差計算，平差時應確定一個起算點及一個起算方向。

變形監測控制網的復測平差計算，當無必要起算數據時，可采用秩虧自由網平差法；當有相對穩定點時，可采用擬穩平差；當能確定有兩個以上穩定點或一個穩定點及一個起算方向時，應采用經典平差。

成屏大壩本期控制網觀測為工程除險加固后首期觀測，計算采用二基準點A、B作為已知三維坐標，按經典平差計算。平差結果表明0.33≤ri≤0.73，后驗單位權中誤差為±0.57″，與先驗的±0.50″基本一致，說明網的可靠性及觀測質量達到預期。三維控制網平差值坐標全中誤差最大值MX、MY、MH分別在±1.14、±0.91、±0.66mm以內，各測點誤差橢圓長半軸E在±1.22mm以內，每公里高差中數全中誤差為±1.44mm。各網點三維坐標中誤差均小于規范規定的±1.4mm技術要求，說明三維控制網的設計及監測完全滿足規范要求。

2.2 謝村源混凝土雙曲拱壩三維變形監測控制網

謝村源混凝土拱壩位于浙江省松陽縣，水庫為中型水庫。最大壩高66m，壩頂弧長239m。設計考慮在大壩左、右拱端距大壩基左、基右分別約100、150m范圍處岸坡山體上設立2處穩定可靠的基準點校左、校右。這樣整個控制網由2個基準點校左、校右及3個工作基點基左、基右、基右-1組成，共計5個測點，見圖2。其中基右-1主要為大壩正常觀測時檢測全站儀加常數用。為檢核控制網中基準點及工作基點本身的穩定性，可將2個基準點及3個工作基點共5個測點聯合進行自由網平差，以判明各基點的穩定性?？刂凭W采用三維變形監測控制網。

網點間最大邊長（平距）為校左—基右-1的283m，最小邊長（平距）為?！蟮?1m，加權平均邊長（平距）206m。大壩變形控制網觀測采用一等邊角網法，并采用EDM三角高程進行對向觀測，水平角、垂直角及邊長均達到國家一等測量精度。

2.2.1 現場觀測及觀測成果驗算

謝村源大壩三維控制網計算了5個獨立的三角形。經計算得到的5個三角形閉合差、測角中誤差、2個四邊形極條件閉合差以及2個四邊形組合角閉合差均滿足限差要求。其中按菲列羅公式計算的測角中誤差mβ=±0.50″＜±0.7″之限差。

2.2.2 平差計算及精度評定

首期控制網計算采用基右（200.0000，200.0000，477.5971）為已知點α基右—基左=55°35′02.″81，為已知坐標方位角按經典平差計算。

平差結果表明0.31≤ri≤0.79，后驗單位權中誤差為±0.52″，與先驗的±0.50″基本一致，說明網的可靠性及觀測質量達到預期。

三維控制網平差值坐標中誤差最大值MX、MY、MH分別在±0.46、±0.43、±0.48mm以內，各測點誤差橢圓長半軸E在±0.49mm以內，每公里高差中數全中誤差為±1.35mm。各網點三維坐標中誤差遠小于規范規定的±1.4mm技術要求，觀測精度高于預期。

3 結論及建議

（1）三維變形監測控制網簡便可靠、高效先進，只要控制網設計合理、觀測規范、平差計算嚴密，應用于中小型水庫大壩工程可滿足規范規定的技術要求。但在控制網設計時必須進行各網點精度預估，以確保其三維坐標中誤差全部滿足規范要求。

（2）控制網觀測應采用滿足規范要求的Ⅰ等精度全站儀進行水平方向、垂直角及邊長的觀測，其中水平角宜采用方向觀測法觀測12測回以上；垂直角采用中絲法觀測8測回以上；邊長觀測4測回以上并在測站和鏡站分別測定氣象元素。全部測回在兩個異午時間段內分別完成。

（3）為保證垂直位移監測控制網最弱點精度，最弱點與起算點的距離不應超過1000m，且盡量布設多個中間過渡點以減小三角形邊長；垂直角觀測盡量做到在對稱觀測時段進行對向觀測；儀器高量取時通過量取測墩底座面至全站儀電池槽下沿處的垂直距離等特定的措施提高儀器高及目標高的量測精度。

（4）三維變形監測控制網現場觀測時在邊長較短的測點間，為消除目標棱鏡偏心差對水平方向觀測值的影響，在保持棱鏡基座和支架相對位置固定不動（使棱鏡支架在基座中的位置不變）的情況下，在現場觀測全測回的一半測回后將棱鏡基座旋轉180°重新安置棱鏡，觀測另一半測回。全部測回的觀測均值能基本消除這種棱鏡偏心誤差對水平方向及距離觀測值的影響[5]。

（5）在現場有相對穩定基線時，全站儀（測距儀）加常數及乘常數的檢驗可通過現場進行校測，并考慮全站儀（測距儀）加常數及乘常數修正的必要性和可靠性。

（6）三維變形監測控制網宜采用平面及高程三維坐標聯合平差，以提高各網點坐標的可靠性。

[1] SL 601—2013 混凝土壩安全監測技術規范[S]．北京：中國水利水電出版社，2013．

[2] SL 551—2012 土石壩安全監測技術規范[S]．北京：中國水利水電出版社，2012．

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

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

[5] 陳斌，濮久武． 全站儀目標棱鏡偏心差及其影響[J]．水電自動化與大壩監測，2013（5）：65-67．

李最能（1969—），男，浙江麗水人，工程師，從事水電站運行管理工作。E-mail：lzn418@163．com

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

Design and Observation of Three Dimensional Deformation Control Network for Chengping Face Dam

LI Zuineng, PU Jiuwu
（1.Chengping Hydroelectric Power Co.Ltd. of Suichang Zhejiang；2.Zhejiang Huadian Wuxijiang Hydroelectric Power Plant，Quzhou 324000，China）

In the dam deformation monitoring control network，edge angle net and precision leveling network are generally used for the horizontal displacement monitoring and the vertical displacement monitoring control network. With the popularization and application of high precision total station， a simple， reliable， highly efficient and advanced 3D deformation monitoring and control network can be used to replace the conventional edge angle and precision level. The three dimensional deformation monitoring control network is adopted for Chengping rock fill dam and Xiecunyuan concrete dam of the dam. Engineering application practice proves that the design of the three dimensional deformation monitoring control network is reasonable， and it can be used in the medium and small reservoirs and dams.

Chengping face dam；three dimensional deformation control network