錦屏一級水電站壩頂變形監測方法分析

盧為偉，羅 浩，徐金順，張 凱

(1.中國電建集團 中南勘測設計研究院有限公司，湖南 長沙 410014； 2.雅礱江流域水電開發有限公司，四川 成都 610051)

0 引 言

在水電業內一直有“三峽最大，錦屏最難”的說法。錦屏一級水電站安全不容忽視。常規水電安全監測的重點工作包括變形、滲流及應力應變等。拱壩變形是錦屏一級水電站最重要的監測項目之一，是評價拱壩安全性態最重要和最直觀的依據。對綜合反映水工建筑物結構的工作性態、評價大壩安全和指導工程運行管理都有著十分重要的意義。國內外已建的高拱壩，如小灣、溪洛渡、英古里(Inguri)、薩楊舒申斯克拱壩等，其壩體變形監測常用方法包括水準沉降監測、表面變形監測、正倒垂系統、激光準直系統、GNSS(全球導航衛星系統)等。目前已有研究多為對拱壩變形監測的精度探討、拱壩變形的誤差處理與分析，但在對特高拱壩不同變形監測方法的對比分析中，大多未考慮不同監測系統的變形方向，忽略了方位角的存在，且未結合水位周期性變化對壩體變形進行定量對比分析。本文分析了錦屏一級水電站大壩壩頂變形的不同監測方法，對同類工程安全監測系統的設計、實施及觀測資料分析具有借鑒意義[1-3]。

1 工程概況

錦屏一級水電站位于四川省涼山彝族自治州鹽源縣和木里縣境內，是雅礱江干流中下游水電開發規劃的控制性梯級水庫，在雅礱江梯級滾動開發中具有承上啟下的重要作用。

錦屏一級水電站擋水建筑物為常態混凝土雙曲拱壩，壩頂高程1 885.00 m，建基面最低高程為1 580.00 m，最大壩高305 m，為世界已建第一高拱壩。電站裝機容量3 600 MW，保證出力1 086 MW，多年平均年發電量166.2億kW·h，年利用4 616 h。水庫正常蓄水位1 880.00 m，死水位1 800.00 m，正常蓄水位以下庫容77.6億m3，調節庫容49.1億m3，屬年調節水庫。

2 壩頂變形監測系統

錦屏一級水電站大壩的壩頂表面變形通過垂線系統、大地測量系統、GNSS系統3種獨立的監測系統進行相互校驗。3套監測系統的測點分別對應相同壩段(具體包括5，9，11，13，16，19，23號壩段)布置，垂線測點位于壩軸線附近，大地測量觀測墩位于壩頂上游側，GNSS系統測站位于壩頂下游側。

2.4 統計學方法 由雙人錄入數據并核對，采用SPSS 17.0統計軟件進行分析。計量資料以x±s表示，采用t檢驗；計數資料采用χ2檢驗。檢驗水準α=0.05。

大壩垂線布置如圖1所示，主要分析正垂線PL5-1，PL9-1，PL11-1，PL13-1，PL16-1，PL19-1，PL23-1。大壩壩體表面變形測墩布置如圖2所示，壩頂觀測點分別為：TP5-1，TP9-1，TP11-1，TP13-1，TP16-1，TP19-1，TP23-1。壩頂GNSS測點布置如圖3所示，測點分別為：G-DB5-1，G-DB9-1，G-DB11-1，G-DB13-1，G-DB16-1，G-DB19-1，G-DB23-1。

2.2.8.1 危害癥狀。病株上葉斑形狀不規則，紅褐色，而后為淡黃褐色。病根和根莖紅褐色，干腐。病株矮小，色淡(圖8)。

圖1 垂線布置示意Fig.1 Vertical layout diagram

圖2 壩體表面變形測點布置示意Fig.2 Layout diagram of dam surface deformation measuring points

圖3 壩頂GNSS測點布置示意Fig.3 Layout diagram of GNSS measuring points on dam crest

3 大地測量角度轉換

壩頂3種監測系統雖然相互獨立，但各監測系統坐標系及變形方向定義不一致、監測數據成果對比規律性不理想，因此需對3種監測系統變形方向進行轉換，以便進行壩頂變形的可靠性分析。

(1) 垂線系統。垂線系統各測點以其對應壩段處的徑向(X)、切向(Y)作為變形方向，為右手坐標系，變形向下游、左岸為正，反之為負[4-5]。

(2) 大地測量系統。錦屏一級水電站大地測量系統采用雅礱江坐標系，以正北(N)方向為近似上下游(X)向，東(E)方向為近似左右岸(Y)向，為左手坐標系，根據DL/T 5178-2016《混凝土壩安全監測技術規范》第3.0.4規定：水平位移向下游為正、向左岸為正，反之為負[6-8]。

見我不信，他給我講了當下各種扶貧政策，他屬于精準扶貧一類的。我一時還有些聽不大明白，待他辦了出院手續回來收拾東西，我說“真的沒花錢？”

得到轉換公式：

3.1 角度轉換原理

為了進行變形的可靠性分析，需統一各監測系統變形方向。由于垂線、GNSS系統方向已統一，故僅需對大地測量系統進行角度轉換，參考測量學中經典的平面直角坐標系旋轉變換公式[9]，具體轉換原理如圖4所示。

圖4 坐標轉換示意(同為左手坐標)Fig.4 Schematic diagram of coordinate conversion(same as left-hand coordinates)

根據圖4得到以下公式：

(1)

(2)

壩頂的平面變形方向根據對應壩段垂線的設計徑向進行了轉換，轉換角度統計見表1。

根據式(1)和式(2)推導：

X′=S×cos(T-T0)

綜上所述，ASO患者介入治療期間配合品管圈活動，提高了患者疾病治愈率以及治療方案認知、健康教育效果以及護理人員能力。

X′=X×cosT0+Y×sinT0

從教育屬性看，“教育具有上層建筑與生產力的雙重屬性與雙重職能” [8]81-86。對高職院校來說，人才培養的思想性和技術技能的應用性至關重要。要把握辦學定位，遵循高職辦學規律，“踐行以學生為主體、以實踐為主線、以提高實踐能力為目的的職業教育辦學宗旨”[9]。

Y′=S×sin(T-T0)

=S×(sinT×cosT0-cosT×sinT0)

Y′=Y×cosT0-X×sinT0

如果你不了解這個地方的歷史，不知道這片桃園的過去和現在，這真是一個美麗的傳說。可是，對于這片桃園及其所在的這塊地方，我卻知根知底，它的故事現實版是這樣的——

(3) GNSS系統。壩頂GNSS系統于2015年10月初完成安裝，10月15日開始進行數據采集，安裝調試后，變形方向已與垂線方向統一，以各測點壩段處徑向(X)、切向(Y)為變形方向，變形向下游、左岸為正，反之為負。

(3)

式(3) 在X，Y和X′，Y′均屬于左手坐標系情況下推導出。旋轉角通常稱為歐勒角，轉換過程與左、右手坐標系無關，僅與變換過程中歐勒角順時針或逆時針旋轉有關，式(3) 為順時針旋轉轉換。如果X，Y屬于左手坐標系而X′，Y′屬于右手坐標系，則涉及左、右手坐標系轉換，此時僅改變Y′方向，在式(3) 基礎上將Y′值取負即可，相應轉換公式為

(4)

3.2 變形轉換原則

(1) 轉換的對象是累計位移量，不是坐標值，對轉換角度的精度要求較低。

(2) 根據DL/T 5178-2016《混凝土壩安全監測技術規范》，拱壩徑向向下游為X正方向，切向向左岸為Y正方向，為右手坐標系，轉換公式采用式(4)。

(3) 轉換角度T0的確定原則：X′方向為轉換后徑向方向，指向下游為正，Y′方向為切向方向。轉換角即X′正軸向位于XY坐標系的方位角，XY坐標系為雅礱江坐標系，其中X，Y分別指向北和東方向。

3.3 轉換角度計算

式中：S為合位移方向值；T為測點在原坐標系下的方位角；T0為原坐標系至新坐標系的旋轉角；T′為測點在新坐標系下的方位角；X，Y為原坐標系下X軸、Y軸的分量值；X′，Y′為新坐標系下X′軸、Y′軸的分量值。

表1 壩頂及壩后橋各壩段轉換角統計

4 成果對比分析

4.1 水位升降期對比

通過得到的壩頂各壩段轉換角度，采用式(4) 對大地測量成果X，Y進行轉換，統一3種監測系統變形方向。對比垂線系統徑向、大地測量系統X向和GNSS系統徑向同時段變化量，成果見表2。3種監測方法對比分析見圖5～6。

杜思雨逃到大街上，一時真的感到不知如何是好。他依然像逃跑似的，雙腿機械地快速地移動著。他此時就像一只沒有逃跑方向的孤獨的野狼。

=S×(cosT×cosT0+sinT×sinT0)

表2 水位升降期壩頂變形3種監測方法成果對比統計

全力做好《黃河流域綜合規劃》的實施與管理………………………………… 張俊峰，王 勇，楊慧娟(13.27)

圖5 水位下降期3種監測成果對比Fig.5 Comparison histogram of 3 monitoring results in water level falling period

圖6 水位上升期3種監測成果對比Fig.6 Comparison histogram of 3 monitoring results during water level rise period

水位升降期，壩頂水平向變形較為明顯，且拱冠梁附近壩段變化量較大。水位下降期，變化量介于-43.56～-2.91 mm；水位上升期，變化量介于2.15～38.07 mm。

企業內網的安全性研究………………………………………………………………………………………………劉 穎（4.28）

由表2及圖5～6可知：在庫水位下降期與水位抬升期，3種監測方法的變化量差值介于0.70～5.98 mm，在6 mm以內，量值不大，3種監測系統測點位移成果與圖6對比吻合性較好，綜合說明3種監測手段趨勢一致、測值相近，同時可相互驗證、反映變形監測成果的可靠性。

蓄水期間，大壩水平方向以向下游變形為主，隨著庫水位升或降，壩頂向下游或上游的變形明顯。此外，通過監測成果可以看出：3種監測方法中，垂線系統的位移變化量較大地測量和GNSS略小，但也存在個別例外，其中不排除誤差和觀測精度的影響。大壩中間壩段3種監測手段規律性和趨勢性更為吻合，與庫水位的規律性更好。

4.2 同周期對比

對大地測量、GNSS和垂線系統同周期變化量進行對比，成果見表3，典型壩段(5，13號)的3種監測方法同周期變形成果歷時曲線見圖7～8。

由表3可知：3種系統2018年的年變化量差值介于-2.84～2.98 mm之間，在±3 mm以內，量值不大。由圖7～8可以看出：3種監測方法規律性趨于一致，與庫水位相關性十分密切，多手段對比分析壩頂變形的成果是可靠的。

表3 同周期3種監測方法成果對比統計

圖7 5號壩段3種監測方法同周期變形成果歷時曲線圖Fig.7 Duration curves of deformation results of 3 monitoring methods in the same period of No.5 dam section

圖8 13號壩段3種監測方法同周期變形成果歷時曲線圖Fig.8 Duration curves of deformation results of three monitoring methods in the same period of No.13 dam section

運行期(2016～2018年)，壩頂徑向高/低水位(1 880 m/1 800 m附近)同期間隔年變化量較小。13號壩段3種檢測方法呈現的變形規律趨勢最為吻合，各壩段變形與庫水位呈較明顯的正相關。

對比圖7～8的3種監測方法歷時曲線可以看出：壩頂變形以垂線測量的效果最優，GNSS次之，大地測量相對較差。垂線系統數據最為穩定，且連續性好；GNSS系統數據雖然連續性較好，但數據存在跳動和毛刺的現象，與垂線測量數據較為吻合[10-11]；大地測量數據連續性較差，且數據跳動較大。

最后，全國人大常委會在行使憲法解釋權時，要設定并嚴格遵守原則，不能沒有界限，更不能成為改革迷失方向的“幫兇”，憲法解釋要以憲法文本為依歸，必須符合憲法的基本原則、基本精神，可以適度合理超越憲法文本，但要守住底線。

4.3 誤差原因分析

(1) 3種監測系統測點布設位置不完全相同。相同壩段大地測量觀測墩布設在靠上游側，垂線測點布設在沿壩軸線附近[12]，GNSS測站布設在靠下游側，因此監測成果可能存在少量的偏差。錦屏一級大壩壩頂16號壩段3種監測系統布設如圖9所示。

圖9 16號壩段3種監測系統現場布置Fig.9 Site layout of 3 monitoring systems in No.16 dam section

(2) 數據引用存在時間節點偏差。大地測量按2次/月的頻次進行數據采集，分別為固定每月8日與23日進行，觀測后及時進行平差等數據處理；垂線自動化監測系統每天采集3次數據，分別在00：00，08：00，16：00[13]；GNSS系統每天間隔1 h發送一個數據包，并于第二天凌晨00：00將24個數據包通過平均值進行解算，在系統中顯示為當天00：00的數據。因此在數據引用及歷時曲線圖繪制中可能存在滯后性。

當然，本文提出的算法還需要做進一步的優化工作。在種群規模迅速擴大的時候，算法的運行時間也會變長，程序會容易陷入局部最優解當中，這些都需要在以后的研究工作中加以改進。

(3) 工作基點不同。大地測量工作基點采用平面控制網點TN4，TN6，于每年12月控制網復測后及時校核工作基點坐標，在觀測期間存在工作基點變形的可能。此外，壩頂大地測量僅采用前方交會法，未進行往返對向觀測，導致成果精度相對較低[14]；垂線自動化系統以深埋基巖的倒垂作為基準點進行計算；GNSS以大壩右岸的G-DB-1作為數據解算的基準點。

(4) 環境氣象等因素影響。大地測量采用人工觀測，不可避免受人為因素(整平、儀器及鏡高讀數)和環境氣象因素(大氣折光、干濕溫度、氣壓等)影響。垂線系統和GNSS系統受環境氣象等因素影響則較小。

(5) 根據監測經驗，由于GNSS觀測網引入壩體外部穩固基準點，其位移觀測值可認為是真實位移；而垂線系統可能因基座本身受壩體變形影響，導致實際位移觀測值小于真實位移。

5 結 論

(1) 隨著庫水位升降的變化，壩頂向下游或上游的變形明顯，與庫水位相關性較好，大壩壩頂變形成果可靠。中間壩段3種監測手段規律性和趨勢性較明顯，與庫水位的相關性更好。

(2) 蓄水周期的歷時變形成果較好地驗證了錦屏一級大壩壩頂變形數據的真實可靠性。由于GNSS和垂線測量均自動采集數據，能夠較好地呈現大壩壩頂變形的周期性[15]。一旦發生突變，可第一時間發現并預警。

(3) 垂線測量精度更高、數據連續性更好、測點布置均勻，且數據連續性好。同時考慮到垂線系統可能因基座本身受壩體變形影響而導致實際位移觀測值小于真實位移的情況，結合GNSS監測數據同步分析，以GNSS數據為參照，每年對垂線數據進行修正。對大壩的變形分析主要以正倒垂線系統為準，且經過以上分析，該方法可靠性較佳。

(4) 工程安全監測需要通過多種手段或途徑進行對比校驗。對比分析可以實現數據的自檢，較好地反映壩頂的實際變形情況，使工程性態安全評估更有說服力。