水電站高程控制網復測分析

鄭輝 譚彩虹

（廣東省地質測繪研究院有限公司，廣東 廣州 510800）

1 引言

我國水能資源蘊藏量、可開發的水能資源量均居世界第一位[1]。水電站是國家重要的基礎設施，具有建設成本高、對生態影響大、產生的收益高等顯著特點[2]，在建設和運營過程中，必須實施安全監測[3]，通過監測大壩外部點位變形情況，為安全預防和變形分析提供參考[4]。水電站高程控制網是高程監測的基準，控制網基準點一般選在地質條件好、基巖堅硬、遠離斷層的穩定點位，但受到周期性水位變化[5]和水電站大壩未進入穩定期[6]等因素影響，基準點也存在位移可能[7,8]。因此在實施變形監測前，需對控制網進行復測[9]，并對點位穩定性進行分析，從而保證后期變形監測的可靠性[10]。平均間隙法和單點位移分量法是工程中常用的點位穩定性分析方法，本文以某抽水蓄能電站為例，實施了高程控制網國家一級水準網復測，并采用數理統計方法對基準點穩定性進行了分析，研究內容和方法可為相關工程應用提供參考。

2 點位穩定性分析方法

2.1 平均間隙法

平均間隙法將不同觀測周期的觀測數據看作對同一觀測網的連續兩次觀測，為判斷是否存在不穩定點，先進行兩期觀測的圖形一致性檢驗，即整體檢驗。若整體檢驗通過，則認為該網型不存在不穩定點，否則，就說明存在不穩定點。相關推算結果如下：

某監測網完成第j期和第i期觀測后，將兩期觀測數據按同一基準進行平差，求得網點位移向量和其協因數陣Qd。根據點的坐標變化值d=Hj-Hi，進一步求得單位權方差估值：

公式（1）中，pd為d的權陣，且pd=Qd-1，fd為獨立d的個數。對單位權方差進行同一性檢驗，通過檢驗后，進一步求得綜合 方差估值：

公式（2）中，P為觀測值改正數權矩陣，V為觀測值改正數列矩陣，f為第i、j期多余觀測總數，進一步可得：

公式（3）中，T是一個以自由度為f和fd的F 分布變量。在一致性檢驗中，若T＜F(α，fd，f)，則接受原假設，表明監測網點都是穩定的。反之，則認為網中存在不穩定點。接下來采取分塊間隙法尋找不穩定點，將d 和P 分解為不穩定點與穩定點兩部分：

公式（4）中，M、F 分別表示動點與穩定點。令：

若FF ≤F（ fF，f0 ），認為上述分塊正確。反之，說明上述分塊不正確，穩定點的分塊中還有動點。需要剔除其中位移量最大的點，然后重新進行上述檢驗，直到完全通過為止[11]。

2.2 單點位移分量法

該方法認為在先驗方差因子σ02已知條件下，應先進行整體檢驗，其檢驗統計量如下：

若T＞F（α；fd，∞）σ，則認為存在不穩定點[12]，構造位移分量檢驗統計量如下：

公式（8）中，ei 是一向量，以說明需要檢驗的i點在某一方向上的位移分量。若則認為i點是動點。如果存在多個ωi滿足公式（8），則認為值最大的為動點，需將它從監測網中剔除，然后重新檢驗，直到通過為止。

3 工程概況

某抽水蓄能電站是國家“十三五”規劃重點建設工程，由上水庫、輸水系統、地下廠房、地面開關站及下水庫等建筑物組成，總裝機容量為1500 MW，設計年發電量25.125 億kwh。電站上水庫主要水工建筑物有主壩和副壩，均為鋼筋混凝土面板堆石壩，壩頂高程679.20 m，上庫總庫容1294 萬m3，水電站俯瞰圖如圖1 所示。為給上水庫大壩變形監測提供統一基準，前期設計了上水庫監測控制網，采用1985 國家高程基準，并完成了控制網初測。2022 年10 月，對該控制網進行復測。

圖1 水電站

4 控制網復測

4.1 控制點網形

按照設計圖，高程控制網由6 個基準點和24 個工作基點組成，具體如圖2 所示。6 個基準點組成2 個基點組，相距35m ，位于上下庫連接公路1 號洞頂公路外側基巖上 ，距離副壩頂約1.5km。24 個工作基點分別是10 個主壩垂直位移監測工作基點、8 個副壩垂直位移監測工作基點和6 個環庫公路上的工作基點。

圖2 高程控制點網形

鑒于本次測量時壩區仍在施工，部分工作基點尚未建造，有1 個點被掩埋，因此，本次觀測的高程控制網由6 個基準點、5 個工作基點和2 個水平位移工作基點（墩底水準點）組成，如圖2 所示。6 個基準點為BM01～BM06，標石類型為基巖標。5 個工作基點分別是4 個主壩垂直位移監測工作基點（LSszb4-1、LSszb5-1、LSszb6-1、LSszb4-2）和1 個副壩垂直位移監測工作基點（LSsfb4-2），標石類型為基巖標；2 個水平位移工作基點（墩底水準點）為TBS04 和TNS04，標石類型為混凝土普通水準標石。

4.2 控制網觀測

高程控制網觀測采用Leica DNA03 精密電子水準儀配備銦瓦條形碼水準尺及5kg 重的尺墊測量，水準儀標稱精度為±0.3mm/km，最大測程是60m，最小測程是1.8m。每天出測前進行水準儀i 角檢驗，并進行i 角自動改正[13]。結合測區地形條件、道路交通狀況，確定觀測路線以BM01、BM02、BM03、BM04、BM05、BM06 和BM01 構成一個小閉合環，以BM01、TBS04、BM06 和BM01 構成一個中閉合環，以TBS04、TNS04、LSszb4-2、LSszb6-1、LSszb5-1、LSszb4-1、LSsfb4-2 和TBS04 構成一個大閉合環，三個閉合環通過結點聯結組成上水庫高程控制網，其中BM01 點為該控制網的高程起算點，起算值同第一期一致。

高程控制網按國家一等水準技術要求施測，觀測技術指標按表1 控制。測量中各個測段按偶數站設站，均進行往返測量。水準網外業觀測數據由儀器自動記錄在隨機存儲卡中。測量時嚴格遵守以下測量模式 ：往、返測奇數站照準標尺順序為“后前前后”，往、返測偶數站照準標尺順序為“前后后前”。測站限差設置由儀器自動檢驗，具體設置為 ：（ 1）視線長度≥4m 且≤30m ；（ 2）前后視距差≤1.0m ；（ 3）任一測站前后視距累積≤3.0m ；（ 4）視線高度≥0.65m 且≤2.8m ；（ 5）重復測量次數≥3 次；（ 6）兩次高差之差≤0.4mm。

表1 高程網觀測技術要求（單位：m m）

4.3 控制網平差

以BM01 點作為高程控制網的起算基準點，高程控制網的平差使用科傻軟件計算。各測段觀測高差首先經尺長改正計算，水準測量概算結果如表2 所示。

表2 高程控制網一等水準測量計算

表3 水電站高程監測網成果

5 點位穩定性分析

分別采用平均間隙法和單點位移分量法對觀測結果進行點位穩定性分析。分析時以本期觀測結果為當前值，利用數理統計原理與首期觀測成果的差異量作變形分析。對各待定點的穩定性分別利用兩種方法檢驗，即動點檢驗和單點檢驗，動點檢驗采用平均間隙法[11]，單點檢驗采用單點位移分量法[12]，檢驗過程中顯著性水平取0.05[14]，檢驗結果統計如表4 所示。

表4 各點高程穩定性檢驗結果

從表4 可以看出，本期LSszb6-1 點未通過動點檢驗，但通過了單點檢驗；而TBS04、LSsfb4-2、TNS04點通過了動點檢驗，而未通過單點檢驗，且沉降變化均為正，可能有少量位移。由于目前僅有兩期觀測，水庫蓄水尚未到位，對工作基點的影響規律還無法掌握，因此，點位的穩定性有待經過多期觀測來進一步確定。

本次復測均按照審批的《觀測方案》和相關規范的技術標準執行，各項技術指標達到規范要求，因此，監測成果可靠。依據穩定性判斷，高程控制點中TBS04、LSsfb4-2、TNS04 點有較小沉降，相對于上一期，最大高程變化量為3.2 mm。考慮到本期有新埋設點，建議采用本期數據成果作為今后日常監測的基準。

6 結束語

基準網復測對精度要求極高，通過點位穩定性分析能夠判定點位位移究竟是測量誤差引起還是發生了實際位移，先進行動點檢驗再進行單點檢驗能夠提高檢驗可靠性。本文對水電站高程控制網復測技術和點位穩定性分析方法進行了研究，可為相關工程應用提供參考。