長江新生洲洲頭壩體變形監測與分析

陸德中 宋世柱 吳 健

(長江水利委員會水文局長江下游水文水資源勘測局, 江蘇 南京 210011)

0 引言

大壩是我國重要的水利工程設施,為了提高使其運行的安全、有效性,需要對大壩的壩體變形進行持續的監測[1]。目前國內外大壩的變形監測方法可以歸納為常見的幾類：傳感器光纖傳感技術[2]、激光技術[3]、全站儀及全球導航衛星系統(global navigation satellite system，GNSS)測量[4]等,根據各種方法的建設成本以及應用環境,GNSS測量技術以其全天候工作、自動高效等優點,并聯合二等水準測量的方式進行平面位移監測和垂直位移監測,成為大壩變形監測的優選方案。本文以長江新生洲為例,長江新生洲位于蘇皖兩省分界處,2014年實施新濟洲河段河道整治工程,其中工程包括了河勢控導工程,主體工程于2016年5月完工[5-6],新生洲頭導流壩工程是整個新濟洲河道整治工程最后一個標段工程[7],工程目標為以現有河勢為基礎,通過導流壩的建設加強洲頭防護,并通過加強左岔水流分流比的方式改善分流比,作為長江中下游地區罕見的導流壩工程,在完成建設實施后需通過運行監測了解壩體的安全、穩定情況[8]。因此對河勢控導工程新生洲頭導流壩進行穩定性觀測即垂直位移觀測、水平位移觀測是非常有必要性的[9-10]。于是在導流壩上布設了7個監測點進行觀測,并60 d進行觀測一次和對壩體的穩定性進行分析。

1 壩體變形監測

1.1 控制網選點

在新生洲頭導流壩附近長江兩岸大堤頂埋設4個平面工作基點,檢查點(JCD)JCD06、JCD07、JCD08、JCD09,在新生洲頭附近埋設2個垂直工作基點,新生洲(XSZ)XSZ01、XSZ02,在長江南岸大堤頂埋設2個垂直工作基點,測繪(CH)CH1、CH2,在貓子山腳埋設1個垂直工作基點,長江基點(CHJ)CHJ1,一共埋設9個工作基點。

在新生洲導流壩上埋設7個變形監測點,如圖1所示，JCD14～JCD20平面工作基點與變形監測點標芯采用強制對中盤,強制對中誤差不大于1 mm。

1.2 建立監測基準網

以平面工作基點及變形監測點構成平面位移監測進行水平位移監測：施測采用經過嚴格檢定過的雙頻Trimble R10,11件套設備同步靜態觀測二個時段,觀測時段為2 h,采用網連接方式,以加強圖形強度,衛星截止高度角大于15°,有效衛星個數大于5,數據采樣間隔為10 s。觀測時平面控制與垂直控制同步進行;觀測工作結束后對基線采用TBC(TrimbleBusinessCenter是Trimble的新一代后處理軟件)進行基線處理,根據基線解算結果,利用質量控制指標中的方差因子、數據刪除率(≤10%)、RATIO值反映了所確定出的整周模糊度參數的可靠性。這一指標取決于多種因素,既與觀測值的質量有關,也與觀測條件的好壞有關。通常要求Ratio≥3(≥3)、PDOP為緯度、經度和高程等誤差平方和的開根號值(Position Dilution of Precision, which is a measure of X, Y, Z position geometry)(≤8)、單調速率調度(rate-monotonic scheduling，RMS)(≤0.09)、同步環閉合差、異步環閉合差、重復基線互差等指標對基線質量進行分析[11-12](圖1)。

(a)變形監測網圖 (b)水準路線布置圖

以高程工作基點及變形監測點構成垂直位移監測網進行垂直位移監測：平高精度達到設計及相關規范要求。為了提高垂直精度,水準測量采用Trimble Dini數字水準儀觀測,按照二等水準精度[13],對變形監測點進行垂直測量。每次測量儀器均相同,具體參數(表1)

表1 高差不符值與閉合差的限差要求 單位：mm

2 監測數據的處理及精度分析

2.1 監測成果的處理

平面監測基準網數據利用TBC軟件進行處理嚴密平差成果可靠,滿足規范要求。它具有作業計劃、數據傳輸、基線解算、網平差和坐標轉換等。本次大地水準面模型為EGM96(Global),坐標系統為2000國家大地坐標系(CGCS2000坐標系),高斯正形投影,3°分帶,中央子午線為120°E。設置好了后先平差一次,然后指定起算數據。在進行GNSS網的約束平差時,先檢驗起算數據的質量,所用引據點均符合要求[14-15]。

在驗算壩體是否變形以首次測量值為基準[16],后續測量每次與首次測量值進行對比,計算每個監測點的平面位移量與高程位移量具體數據見表2、圖2。

表2 各測次與首次平面與高程位移量 單位：m

圖2 JCD16平面高程變化比較圖

從表2中可以看出新生洲洲頭導流壩平面位移監測中,變化量比較小,趨于穩定;其中JCD16從圖2可以看出平面位移相對第一次變化在0.01 m左右,垂直位移有0.005 m左右的沉降,進過現場的考證可知JCD16點附近在測量周期內進行了施工作業,造成了監測點的平面位移偏大和沉降的發生。

2.2 局部變形點動態成果分析

根據監測點平面數據,以首次測量值為基準[17],后續測量每次與首次測量值進行對比,同時并以壩軸線方向為坐標系(圖3),計算出平行壩體和垂直壩體的位移量,各測點的位移情況見表3、圖4。

圖3 新生洲導流壩壩軸線坐標系示意圖

表3 各測次與首次平行壩體與垂直壩體位移量 單位：m

圖4 JCD16相對于壩體平面高程變化比較圖

從表3中可以看出新生洲洲頭導流壩整體上平行壩體和垂直壩體位移連較小,監測點在兩個方向上無變化,其中JCD16由于施工影響造成了平面位移,從圖4可知平行與壩體方向位移量較小,平面位移主要發生在垂直位移方向上。

3 結束語

通過新生洲洲頭導流壩測量基準點滿足變形監測的要求,觀測方法恰當,成果可靠。從本次觀測的數據與以往數據比較看,導流壩水平位移變化比較小相對穩定,垂直位置由于JCD16受壩體施工影響有沉降發生,其他點位變化比較小相對穩定。但是由于僅進行了8次連續觀測,還不能完全準確確定壩體的動態,建議用相同的觀測儀器、相同的觀測人員、相同的觀測路線繼續進行監測,觀測其變化情況。且新生洲洲頭導流壩在洪水期易被江水覆蓋很難嚴格做到60 d測量一次,存在一個空檔期,可在洪水期前后進行相應的加密監測。