鍋浪蹺水電站大壩變形監(jiān)測網(wǎng)復(fù)測及穩(wěn)定性分析

白 雷 雷

(大唐雅安電力開發(fā)有限公司,四川 雅安 625500)

0 引 言

大壩變形監(jiān)測網(wǎng)是在壩址區(qū)開展各種安全監(jiān)測的坐標(biāo)基準(zhǔn),它由垂直位移監(jiān)測網(wǎng)和平面位移監(jiān)測網(wǎng)組成,但大壩監(jiān)測網(wǎng)點要受施工、交通、泄洪、地震、滑坡等外部環(huán)境的影響。為了保證安全監(jiān)測的精度,需要按照相關(guān)規(guī)范定期對大壩監(jiān)測網(wǎng)進(jìn)行復(fù)測。《土石壩安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》[1]規(guī)定,壩區(qū)平面和垂直位移監(jiān)測網(wǎng)在施工期、首次蓄水期、初蓄期、運行期都要定期復(fù)測。

鍋浪蹺水電站位于四川省雅安市天全縣喇叭河鎮(zhèn)境內(nèi),系青衣江一級支流天全河梯級開發(fā)中的龍頭電站。電站總庫容1.84億m3,調(diào)節(jié)庫容1.31億m3,具有年調(diào)節(jié)能力。電站正常蓄水位1 280.00 m,設(shè)計洪水位1 280.56 m,校核洪水位1 282.34 m,擋水建筑物為混凝土面板堆石壩,最大壩高186.30 m。大壩工程按Ⅰ級建筑物設(shè)計,泄水建筑物按Ⅱ級設(shè)計,引水發(fā)電系統(tǒng)及廠房按Ⅲ級建筑物設(shè)計。鍋浪蹺水電站2022年10月通過一期蓄水驗收,2022年12月四臺機組全部投產(chǎn)。

水電站大壩監(jiān)測網(wǎng)建立于2021年11月。2022年9月5日瀘定縣發(fā)生6.8級地震,電站樞紐區(qū)有明顯震感,所以,開展大壩監(jiān)測網(wǎng)的復(fù)測工作對保持大壩監(jiān)測基準(zhǔn)的穩(wěn)定性、監(jiān)測成果的準(zhǔn)確性和一致性具有重要意義。電站大壩監(jiān)測網(wǎng)復(fù)測工作于2023年5月下旬至6月上旬完成。由于監(jiān)測網(wǎng)精度等級高和復(fù)測的專業(yè)性強,故將復(fù)測經(jīng)驗加以總結(jié),可為類似項目提供有益參考。

1 鍋浪蹺水電站大壩監(jiān)測網(wǎng)概況

鍋浪蹺水電站大壩監(jiān)測網(wǎng)包括平面位移監(jiān)測網(wǎng)和垂直位移監(jiān)測網(wǎng)。為了保證水電站各個階段監(jiān)測資料的有效銜接和監(jiān)測工作的一致性,大壩監(jiān)測網(wǎng)沿用了前期監(jiān)測工作采用的平面坐標(biāo)系統(tǒng)和高程系統(tǒng)。平面坐標(biāo)系統(tǒng)為掛靠在1954年北京坐標(biāo)系下的獨立坐標(biāo)系,中央子午線102°31′,地球平均曲率半徑R=6 367 500 m,邊長投影面高程Hm=1 200 m;高程系統(tǒng)為1956年黃海高程系統(tǒng)。

1.1 垂直位移監(jiān)測網(wǎng)

水電站垂直位移監(jiān)測網(wǎng)布設(shè)為水準(zhǔn)網(wǎng),水準(zhǔn)路線見圖1。它由附合水準(zhǔn)線路Ⅲ05-BM02-1-BM02-G05x-G03x-G01x-BM04-1-G06x-BM03-BM03-1和支水準(zhǔn)線路BM04-1-G04x-G02x組成。其中G01x、G02x、G03x、G04x、G05x、G06x為平面監(jiān)測網(wǎng)點G01、G02、G03、G04、G05、G06的下標(biāo);Ⅲ05為施工期平面控制網(wǎng)點,也是首次觀測時的高程起算點。

圖1 水準(zhǔn)路線

水準(zhǔn)測量的等級為一等,主要精度要求[2]為每千米水準(zhǔn)測量的偶然中誤差不應(yīng)超過±0.45 mm。

1.2 平面位移監(jiān)測網(wǎng)

電站平面位移監(jiān)測網(wǎng)布設(shè)為邊角網(wǎng)。本網(wǎng)包含G01、G02、G03、G04、G05、G06、Ⅲ05、Ⅲ20等8點,各點預(yù)埋了強制對中盤的觀測墩,平面位移監(jiān)測網(wǎng)形見圖2。Ⅲ05和Ⅲ20為施工控制網(wǎng)點,Ⅲ05本年度新納入平面位移監(jiān)測網(wǎng),G01-Ⅲ20為建網(wǎng)時的起算方向,Ⅲ20僅和G01通視,在日常監(jiān)測中未使用。

圖2 平面位移監(jiān)測網(wǎng)形

平面位移監(jiān)測網(wǎng)的等級為一等。主要精度要求[3]為點位中誤差±1.5 mm,平均邊長300～700 m,測距中誤差≤(1+1ppm×D)mm,測邊相對中誤差≤1/300 000,測角中誤差≤±0.7″。

2 垂直位移監(jiān)測網(wǎng)復(fù)測

垂直位移監(jiān)測網(wǎng)復(fù)測包含水準(zhǔn)觀測、觀測成果整理與計算、起算數(shù)據(jù)的選取、平差計算等內(nèi)容。

2.1 水準(zhǔn)觀測

投入的儀器為DINI03水準(zhǔn)儀和因瓦水準(zhǔn)標(biāo)尺。DINI03水準(zhǔn)儀的標(biāo)稱精度為±0.3 mm/km,滿足一等水準(zhǔn)對水準(zhǔn)儀精度的要求。水準(zhǔn)儀和水準(zhǔn)標(biāo)尺的鑒定證書在有效期內(nèi)。水準(zhǔn)儀使用前、中、后進(jìn)行了i角測定,i角小于限差15″。

一等水準(zhǔn)測量采用單線路往返測,同一測段的往返測沿同一線路進(jìn)行,往測和返測的測站數(shù)為偶數(shù)。往測轉(zhuǎn)向返測時,兩支標(biāo)尺互換位置并重新整平儀器后進(jìn)行觀測。

水準(zhǔn)觀測在標(biāo)尺分劃成像清晰穩(wěn)定時進(jìn)行,測站主要技術(shù)要求見表1。

表1 測站主要技術(shù)要求

對數(shù)字水準(zhǔn)儀,同一標(biāo)尺兩次讀數(shù)差不設(shè)限差,兩次讀數(shù)所測高差的差執(zhí)行基輔分劃所測高差之差的限差。

DINI03水準(zhǔn)儀觀測時,照準(zhǔn)標(biāo)尺的順序為奇數(shù)站“后—前—前—后”、偶數(shù)站“前—后—后—前”。測站觀測限差見表2。

表2 測站觀測限差

2.2 觀測成果的整理與計算

一等水準(zhǔn)測量測段的往返測高差不符值、環(huán)閉合差和檢測高差之差的限差應(yīng)不超過水準(zhǔn)測量成果檢驗標(biāo)準(zhǔn)(表3)。

表3 水準(zhǔn)測量成果檢驗表

測段高差在平差前還進(jìn)行了尺長改正和溫度改正。一測段高差的尺長改正計算公式為:

δ=f×h

(1)

式中f為往測或返測高差值,m;f為標(biāo)尺改正系數(shù),mm/m。本次使用水準(zhǔn)標(biāo)尺的尺長改正系數(shù)為0.010 mm/m。

一測段水準(zhǔn)高差的標(biāo)尺溫度改正計算公式為:

?=∑[(t-t0)×a×h]

(2)

式中t為標(biāo)尺溫度,℃;t0為標(biāo)尺長度檢定溫度,℃;a為標(biāo)尺銦瓦帶膨脹系數(shù),mm/(m·℃) ,h為測溫時段中的測站高差,m。檢定證書中給出t0為20 ℃,河北珠峰儀器儀表設(shè)備有限公司生產(chǎn)的精密因瓦水準(zhǔn)標(biāo)尺的因瓦合金帶線膨脹系數(shù)a≤1.3×10-6mm/(m·℃),本處a取經(jīng)驗值1.0×10-6mm/(m·℃)。

本次測量時測段標(biāo)尺溫度改正的最大數(shù)值為0.17 mm。

測段高差經(jīng)過尺長改正和溫度改正,取往返測高差中數(shù)作為測段高差參與平差計算。

2.3 起算數(shù)據(jù)的選取

2021年監(jiān)測網(wǎng)建立時新建了6個水準(zhǔn)點,分別為BM02、BM02-1、BM03、BM03-1、BM04、BM04-1。本次復(fù)測時BM04被渣土遮擋,其余5個點位保存完好。采用測段高差比較的方法來判斷水準(zhǔn)點的穩(wěn)定性。BM02-BM02-1、BM03-BM03-1、BM02-BM03測段2021年測量高差、復(fù)測高差及較差見表4。

表4 2021年測量高差、復(fù)測高差及較差

從表4可知測段BM02-BM02-1、BM03-BM03-1、BM02-BM03高差較差較小,由此判斷BM02、BM02-1、BM03、BM03-1等四點穩(wěn)定,可以作為垂直位移監(jiān)測網(wǎng)平差的起算點。

2.4 平差計算

采用EpsNas2016測量控制網(wǎng)平差系統(tǒng)平差時,輸入各測段的高差和長度、固定BM02、BM02-1、BM03、BM03-1等4點的2021年高程成果,約束平差后得到了其余各點高程成果和精度信息。平差后的單位權(quán)中誤差為±0.74 mm,精度最弱點為G01,精度為±0.78 mm。

3 平面位移監(jiān)測網(wǎng)復(fù)測

平面位移監(jiān)測網(wǎng)復(fù)測包含數(shù)據(jù)采集、外業(yè)成果整理與計算、起算數(shù)據(jù)的選取、平差計算等內(nèi)容。

3.1 數(shù)據(jù)采集

投入的主要儀器有TM60全站儀、徠卡圓棱鏡、干濕溫度計、氣壓計。TM60全站儀的標(biāo)稱測角精度為±0.5″,測距精度為±(0.6 mm+1 ppm×D)[4]。它是精度最高的全站儀之一,是一種可以自動搜索、跟蹤、識別和精確照準(zhǔn)目標(biāo),獲取并記錄水平角、垂直角、邊長、三維坐標(biāo)等信息的高精度智能全站儀,能滿足一等邊角網(wǎng)對全站儀的要求。所使用全站儀的檢定證書在有效期內(nèi),加常數(shù)為-0.67 mm,乘常數(shù)為-1.69 mm/km。儀器狀態(tài)良好,并在觀測前后對儀器的主要性能指標(biāo)進(jìn)行必要的檢驗和校正。

水平角觀測時采用方向觀測法觀測12測回,水平方向觀測限差見表5[5]。

表5 水平方向觀測限差

當(dāng)照準(zhǔn)點的垂直角大于±3°時,該方向的2C互差可與同一觀測時間段內(nèi)的相鄰測回進(jìn)行比較。

每條邊需要對向觀測,邊長觀測時一測回中各次讀數(shù)差限差為1 mm、一時段內(nèi)測回差限差2 mm。邊長讀數(shù)至0.1 mm,計算至0.01 mm。干溫和濕溫讀至0.1 ℃,氣壓讀至0.1 mbar。儀器高和棱鏡高量取基點為高程標(biāo)志頂部,對于高程標(biāo)志已經(jīng)破壞的點位,量至盤面中心處。儀器高和棱鏡高需二次量取,讀至0.1 mm。

垂直角按中絲法觀測,分別進(jìn)行對向觀測。垂直角觀測限差為二次照準(zhǔn)目標(biāo)讀數(shù)差4″、一測回中各方向指標(biāo)互差8″、測回差5″。對向觀測高差不符值按三等三角高程測量的精度要求。

TM60全站儀自動測量時,測量邊長為氣象改正等于零的邊長,邊長、水平角、垂直角都測量12測回。測回數(shù)和邊角觀測限差在“三維變形監(jiān)測軟件”中預(yù)置, 當(dāng)測值超限時全站儀自動重新測量。

3.2 外業(yè)成果整理與計算

3.2.1 實測斜距的氣象、加乘常數(shù)改正

TM60全站儀實測邊長的氣象改正公式為:

(3)

式中p為氣壓,mbar;t為空氣溫度,℃;h為相對濕度,%;α=1/27 315,x=[7.5×t/(237.3+t)]+0.785 7

加乘常數(shù)改正[6]:

S2=S2(1+R/1 000 000)+K/1 000

(4)

式中 加常數(shù)K=-0.67 mm、乘常數(shù)R=-1.69 mm/km。

3.2.2 計算折光系數(shù)和三角高差

經(jīng)過氣象、加乘常數(shù)修正后的邊長可以計算平距、折光系數(shù)、三角高差。

平距計算公式:

D=S2sinα

(5)

單向三角高差計算公式:

(6)

對向觀測時折光系數(shù)K的計算公式:

k=R(hAB+hBA)/D2

(7)

式中D為平距;a為垂直角;hAB為A、B間的三角高差;i為儀器高;V為棱鏡高;k為折光系數(shù),R為地球平均曲率半徑。本次k取值測區(qū)各邊折光系數(shù)的平均值0.84;R取值6 367 500 m。

一共對向觀測了21段三角高差,每段高差對向觀測較差小于35D。

3.2.3 斜距化平

實測斜距改正后才能化算為水平距離。對于3 km以內(nèi)的短距離,用兩端點間高差計算水平距離按下式計算[7]:

(8)

3.2.4 高程面投影邊長計算

斜距邊水平距離歸算到Hp高程面上的長度按下式計算:

(9)

式中D0為歸算到某一高程面上的長度;Hp為投影面高程,取值1 200 m;Hm為測距邊兩端點的平均高程;RA為測距邊所在法截線的曲率半徑,取值6 367 500 m。

邊長化算到投影面后比較往返測較差,較差限差為2×(0.6 mm+1 ppm×D)。一共測量了21條邊長。往返測較差小于1/3限差的邊長有16條,占76%;較差在1/3～2/3限差的邊長4條,占19%;較差在2/3～1限差的邊長1條,占5%。

3.2.5 三角形閉合差統(tǒng)計和測角中誤差計算

在EpsNas2016測量控制網(wǎng)平差系統(tǒng)中進(jìn)行三角形閉合差統(tǒng)計。一共有12個三角形,每個三角形閉合差都小于2.5″。由菲列羅公式計算的測角中誤差為0.65″,小于0.7″。

水平角和投影邊長觀測質(zhì)量滿足一等邊角網(wǎng)的要求,可以用于平差計算。

3.3 起算數(shù)據(jù)的選取

平面位移監(jiān)測網(wǎng)復(fù)測涉及的點位為G01、G02、G03、G04、G05、G06、Ⅲ05、Ⅲ20等8點。Ⅲ05首次觀測時未納入平面位移監(jiān)測網(wǎng);G01-Ⅲ20為起算方向,Ⅲ20僅和G01通視、且位于大壩上游;從水準(zhǔn)測量數(shù)據(jù)可以看出G01有較明顯位移,故Ⅲ05、Ⅲ20、G01都不適合做復(fù)測的起算點。用邊長比較的方法從G02、G03、G04、G05、G06中選擇起算點。2021年邊長、復(fù)測邊長及較差見表6。

表6 2021年復(fù)測邊長及較差

從表6可知,和G03相關(guān)的邊長較差數(shù)值為7.4～13.4 mm,G03位移明顯。G04、G05、G06等三點的邊長較差數(shù)值都在1 mm以內(nèi),G04、G05、G06點位較穩(wěn)定。考慮到各點在網(wǎng)形中的位置、視線高度等因素,本次選取G04、G05為平面位移監(jiān)測網(wǎng)平差的起算點。

3.4 平面平差計算

EpsNas2016測量控制網(wǎng)平差系統(tǒng)中輸入水平角和投影邊長,固定G04和G05的平面坐標(biāo),約束平差得到其余各點的復(fù)測成果和精度信息。

平差后的精度最弱點G01,精度為±0.7 mm;平均邊長為408 m;測距中誤差為±(0.33+0.56×D)ppm,精度最弱邊為G04-G02,比例誤差為1/339 557。各項指標(biāo)滿足一等平面位移監(jiān)測網(wǎng)的要求。

4 監(jiān)測網(wǎng)點的穩(wěn)定性分析

采用T檢驗法和最小二乘測量平差法檢驗監(jiān)測網(wǎng)點的穩(wěn)定性。T檢驗法如下:

4.1 垂直位移監(jiān)測網(wǎng)點的穩(wěn)定性分析

BM02、BM02-1、BM03、BM03-1等4點經(jīng)測段高差比較方法檢驗后認(rèn)為是穩(wěn)定點,下面檢驗BM04-1、G01x～G06x的穩(wěn)定性。BM04-1、G01x～G06x的高程精度、高程較差及穩(wěn)定性檢驗結(jié)果見表7。

表7 高程精度、高程較差及穩(wěn)定性檢驗結(jié)果

從表7可知,采用最小二乘檢驗和T檢驗時G02點穩(wěn)定性分析的結(jié)論不同,其原因是T檢驗時樣本數(shù)量太少造成結(jié)論不一定正確。其余各點采用兩種方法穩(wěn)定性分析的結(jié)論相同。G02的穩(wěn)定性還需要進(jìn)一步分析。

4.2 水平位移監(jiān)測網(wǎng)點的穩(wěn)定性分析

Ⅲ05為本次復(fù)測時新增點位,Ⅲ20僅在建網(wǎng)時供定向所用,G04和G05已經(jīng)被判斷為穩(wěn)定點。下面檢驗G01、G02、G03、G06等4點的穩(wěn)定性。自由度(n-r)=39,查得t(0.025,39)值為2.02。水平位移監(jiān)測網(wǎng)的穩(wěn)定性檢驗結(jié)果見表8。

表8 水平位移監(jiān)測網(wǎng)的穩(wěn)定性檢驗結(jié)果

從表8可知,G01、G02、G03不穩(wěn)定,G04穩(wěn)定。

綜合垂直位移監(jiān)測網(wǎng)和水平位移監(jiān)測網(wǎng)點的穩(wěn)定性檢驗可知,水準(zhǔn)網(wǎng)點BM02、BM02-1、BM03、BM03-1、BM04-1和平面網(wǎng)點G04、G05、G06穩(wěn)定,G01、G02、G03發(fā)生了位移。

5 結(jié) 語

鍋浪蹺水電站2023年度垂直位移監(jiān)測網(wǎng)復(fù)測的每千米高差中數(shù)偶然中誤差為±0.38 mm,平差后的單位中誤差為±0.74 mm,最弱點點位精度為±0.78 mm;平面位移監(jiān)測網(wǎng)復(fù)測的最弱點位精度為±0.7 mm,測距中誤差為±(0.33 mm+0.56 ppm×D),精度最弱邊的邊長比例誤差為1/339 557;復(fù)測精度達(dá)到了一等監(jiān)測網(wǎng)的要求。

應(yīng)用T檢驗法和最小二乘測量平差法分析了各監(jiān)測網(wǎng)點的穩(wěn)定性,結(jié)論為G01、G02、G03等三點不穩(wěn)定,其余各點穩(wěn)定。

本次大壩監(jiān)測網(wǎng)復(fù)測方案合理、結(jié)果準(zhǔn)確、結(jié)論正確。建議后續(xù)監(jiān)測時使用本次復(fù)測成果,并在日常工作中加強監(jiān)測網(wǎng)點的保護(hù)和網(wǎng)點成果的檢查,確保監(jiān)測成果的精度和可靠性。