漫灣水電站大壩水平位移監(jiān)測(cè)控制網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

寧德興，郭 俊，李 芹，簡(jiǎn)樹(shù)明

（華能瀾滄江水電有限公司漫灣水電廠，云南 云縣675805）

1 工程概況

漫灣水電站為瀾滄江中游河段第一個(gè)開(kāi)發(fā)的大型水電站，攔河壩為混凝土重力壩，位于云南省云縣和景東縣交界的瀾滄江中游河段上，總裝機(jī)容量1 670 MW。漫灣水電站變形監(jiān)測(cè)控制網(wǎng)包括水平位移監(jiān)測(cè)控制網(wǎng)和垂直位移監(jiān)測(cè)控制網(wǎng)，主要為大壩、邊坡和滑坡的變形監(jiān)測(cè)提供基準(zhǔn)，水平位移監(jiān)測(cè)控制網(wǎng)和垂直位移監(jiān)測(cè)控制網(wǎng)于1994年完成建網(wǎng)工作，運(yùn)行階段曾對(duì)監(jiān)測(cè)控制網(wǎng)進(jìn)行過(guò)6次復(fù)測(cè)，監(jiān)測(cè)控制網(wǎng)運(yùn)行至今尚未對(duì)其進(jìn)行過(guò)優(yōu)化改造。

2 外部變形監(jiān)測(cè)控制網(wǎng)現(xiàn)狀

漫灣水電站發(fā)電至今已運(yùn)行18年，由于后期新增建筑物的出現(xiàn)，大壩的外部環(huán)境發(fā)生了較大的變化，已嚴(yán)重影響變形監(jiān)測(cè)控制網(wǎng)觀測(cè)的精度要求，如監(jiān)測(cè)控制網(wǎng)37號(hào)工作基點(diǎn)與II01號(hào)及38號(hào)觀測(cè)方向被跨江500 kV輸電線路遮擋，III25號(hào)與III26號(hào)觀測(cè)方向被廠區(qū)的出線塔遮擋；III25號(hào)與36號(hào)被廠區(qū)綠化樹(shù)木遮擋；37號(hào)、33號(hào)和34號(hào)控制網(wǎng)點(diǎn)被廠區(qū)的出線塔、低壓輸電線路、綠化樹(shù)木遮擋，導(dǎo)致主、副監(jiān)測(cè)網(wǎng)點(diǎn)觀測(cè)方向已不滿足原設(shè)計(jì)及規(guī)范對(duì)各監(jiān)測(cè)網(wǎng)點(diǎn)觀測(cè)方向通視要求。外部變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)是大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)重要組成部分之一，它必須滿足高精度的基本要求，所以對(duì)原監(jiān)測(cè)控制網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)就顯得尤為必要。

3 水平位移監(jiān)測(cè)控制網(wǎng)優(yōu)化布置

3.1 水平位移監(jiān)測(cè)控制網(wǎng)主網(wǎng)優(yōu)化布置

漫灣水電站為大型水電站，屬一等工程，水平位移監(jiān)測(cè)控制網(wǎng)采用兩級(jí)網(wǎng)布設(shè)，分別為主網(wǎng)和副網(wǎng)。由于水平位移監(jiān)測(cè)控制網(wǎng)主網(wǎng)33號(hào)基準(zhǔn)點(diǎn)與34號(hào)基準(zhǔn)點(diǎn)的觀測(cè)方向離觀測(cè)房立柱較近以及37號(hào)工作基點(diǎn)與副網(wǎng)38、II01號(hào)工作基點(diǎn)被跨江500 kV電力線遮擋，影響了實(shí)際測(cè)量過(guò)程中的觀測(cè)精度，通過(guò)實(shí)地調(diào)查研究，結(jié)合大壩的設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)測(cè)資料進(jìn)行全面分析。優(yōu)化方案為移動(dòng)34號(hào)點(diǎn)觀測(cè)房立柱，34號(hào)基準(zhǔn)點(diǎn)觀測(cè)墩保持不動(dòng)，37號(hào)工作基點(diǎn)重新選擇在能滿足與相關(guān)方向通視良好的地點(diǎn)，40號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于出線塔附近，考慮對(duì)觀測(cè)精度的影響，將原40號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)上移到上沿平臺(tái)，重新埋設(shè)一個(gè)新控制點(diǎn)或采用原II32控制點(diǎn)，原監(jiān)測(cè)網(wǎng)觀測(cè)網(wǎng)型及觀測(cè)方案不變。各基準(zhǔn)點(diǎn)及工作基點(diǎn)原有的功能不變，點(diǎn)位精度經(jīng)精度估算滿足現(xiàn)行規(guī)范及設(shè)計(jì)要求，新選定的點(diǎn)號(hào)編號(hào)為41號(hào)。

原水平位移監(jiān)測(cè)控制網(wǎng)主網(wǎng)由33號(hào)、34號(hào)、37號(hào)、39號(hào)和40號(hào)控制點(diǎn)組成，優(yōu)化后水平位移監(jiān)測(cè)控制網(wǎng)主網(wǎng)由33號(hào)、34號(hào)、39號(hào)、40號(hào)和41號(hào)控制點(diǎn)組成。優(yōu)化后水平位移監(jiān)測(cè)控制網(wǎng)主網(wǎng)一等三角觀測(cè)5點(diǎn)，一等測(cè)邊10條，點(diǎn)位布置見(jiàn)圖1。

圖1 漫灣水電站監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)網(wǎng)主網(wǎng)方向圖Fig.1 The observation directions of the main network

3.2 水平位移監(jiān)測(cè)控制網(wǎng)副網(wǎng)優(yōu)化布置

針對(duì)水平位移監(jiān)測(cè)控制網(wǎng)副網(wǎng)存在的36號(hào)工作基點(diǎn)與III26號(hào)、III25號(hào)工作基點(diǎn)被500 kV出線塔遮擋以及35號(hào)工作基點(diǎn)與36號(hào)、34號(hào)工作基點(diǎn)被廠區(qū)綠化樹(shù)木遮擋影響觀測(cè)精度的問(wèn)題，根據(jù)原設(shè)計(jì)方案、左岸邊坡及庫(kù)首1號(hào)松動(dòng)體監(jiān)測(cè)對(duì)各工作基點(diǎn)在各建設(shè)階段不同的功能要求，目前各工作基點(diǎn)的主要任務(wù)是大壩、邊坡、松動(dòng)體的安全監(jiān)測(cè)，已無(wú)施工期附屬建筑物監(jiān)測(cè)，部分監(jiān)測(cè)工作基點(diǎn)已失去其監(jiān)測(cè)功能，現(xiàn)階段各監(jiān)測(cè)工作基點(diǎn)的主要任務(wù)是滿足運(yùn)行期安全監(jiān)測(cè)的需要。因此，優(yōu)化方案為移動(dòng)36號(hào)、III25號(hào)、III26號(hào)工作基點(diǎn)重新選擇在能滿足與相關(guān)方向較好通視的地點(diǎn)，原水平位移監(jiān)測(cè)控制網(wǎng)副網(wǎng)工作基點(diǎn)35號(hào)、II10號(hào)、II32號(hào)、III30號(hào)為施工階段的監(jiān)測(cè)工作基點(diǎn)，在運(yùn)行期已失去其作為監(jiān)測(cè)工作基點(diǎn)的功能，不再納入改造的水平位移監(jiān)測(cè)控制網(wǎng)副網(wǎng)中，原水平位移監(jiān)測(cè)控制網(wǎng)副網(wǎng)觀測(cè)網(wǎng)型改變，觀測(cè)方案不變，工作基點(diǎn)原有的功能不變，點(diǎn)位精度經(jīng)精度估算滿足現(xiàn)行規(guī)范及設(shè)計(jì)要求。原監(jiān)測(cè)網(wǎng)減少4個(gè)工作基點(diǎn)，提高了觀測(cè)精度，也節(jié)約了生產(chǎn)成本，提高了工作效率。監(jiān)測(cè)左岸邊坡的工作基點(diǎn)由原來(lái)的3個(gè)減少為2個(gè)，左岸邊坡監(jiān)測(cè)點(diǎn)的點(diǎn)位精度得到提升。原36號(hào)新選定的點(diǎn)號(hào)編號(hào)為42號(hào)、原III25號(hào)新選定的點(diǎn)號(hào)編號(hào)為43號(hào)、原III26號(hào)新選定的點(diǎn)號(hào)編號(hào)為44號(hào)。新埋控制點(diǎn)基礎(chǔ)深度為3～6 m，須挖至基巖面，監(jiān)測(cè)點(diǎn)位上部必須埋設(shè)強(qiáng)制對(duì)中盤(pán)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)位下部必須埋設(shè)不銹鋼水準(zhǔn)點(diǎn)。

原水平位移監(jiān)測(cè)控制網(wǎng)副網(wǎng)由33號(hào)、34號(hào)、35號(hào)、36號(hào)、37號(hào)、38號(hào)、39號(hào)、40號(hào)、II01號(hào)、II10號(hào)、II32號(hào)、III20號(hào)、III25號(hào)、III26號(hào)、III30號(hào)、III31號(hào)控制點(diǎn)組成；優(yōu)化后的水平位移監(jiān)測(cè)控制網(wǎng)副網(wǎng)由33號(hào)、34號(hào)、38號(hào)、39號(hào)、40號(hào)、41號(hào)、42號(hào)、43號(hào)、44號(hào)、II01號(hào)、III20號(hào)、III31號(hào)控制點(diǎn)組成。原副網(wǎng)控制點(diǎn)為16個(gè)控制點(diǎn)，優(yōu)化后副網(wǎng)控制點(diǎn)為12個(gè)，點(diǎn)位布置見(jiàn)圖2所示。

圖2 漫灣水電站副網(wǎng)觀測(cè)方向圖Fig.2 The observation directions of the auxiliary network

3.3 觀測(cè)圖形的精度估算

根據(jù)原監(jiān)測(cè)網(wǎng)點(diǎn)布置，采用模擬優(yōu)化的方法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，網(wǎng)形選擇力求圖形簡(jiǎn)單，按照質(zhì)量指標(biāo)的要求進(jìn)行質(zhì)量評(píng)定，對(duì)綜合精度指標(biāo)、可靠性指標(biāo)、靈敏度指標(biāo)進(jìn)行比較，最終選定了主網(wǎng)20條邊長(zhǎng)、20個(gè)方向的觀測(cè)量、副網(wǎng)73條邊長(zhǎng)、73個(gè)方向的觀測(cè)量，保留了一定的精度儲(chǔ)備，為今后觀測(cè)方向被擋或出現(xiàn)粗差的情況留有余地。測(cè)角精度為±0.5″，測(cè)距精度為±（0.5 mm+0.5 ppm×D），取顯著水平0.01，檢驗(yàn)功效0.90，非中心化參數(shù)為3.86的條件下，計(jì)算的各監(jiān)測(cè)網(wǎng)點(diǎn)點(diǎn)位精度、可靠性、靈敏度指標(biāo)如下。

3.3.1 精度估計(jì)

計(jì)算可知，各點(diǎn)的點(diǎn)位中誤差均滿足最弱點(diǎn)位中誤差小于±3.0 mm的要求，最弱點(diǎn)的近似位移方向的中誤差均小于±3.0 mm的要求。

3.3.2 可靠性指標(biāo)

可靠性指標(biāo)分為內(nèi)部可靠性和外部可靠性。內(nèi)部可靠性是指以一定的顯著水平和檢驗(yàn)功效判斷可能發(fā)現(xiàn)的最小粗差，外部可靠性是指未能發(fā)現(xiàn)的最大粗差對(duì)于未知數(shù)參數(shù)或未知數(shù)參數(shù)函數(shù)的影響。要提高可靠性，就要提高觀測(cè)精度和圖形強(qiáng)度。評(píng)價(jià)可靠性優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)一般認(rèn)為：對(duì)于精密控制網(wǎng)，多余觀測(cè)分量應(yīng)大于0.3；內(nèi)部可靠性小于5為好，介于5～8為一般；外部可靠性小于3為好，最大值與最小值的差異愈小愈好。

從計(jì)算結(jié)果可知，全網(wǎng)多余觀測(cè)分量均大于0.3，內(nèi)、外部可靠性較好，表明監(jiān)測(cè)網(wǎng)具有較強(qiáng)的抵抗粗差的能力。

3.3.3 靈敏度指標(biāo)

靈敏度指標(biāo)反映監(jiān)測(cè)網(wǎng)發(fā)現(xiàn)某一變形的能力，通常以靈敏度橢圓表示，即超出該橢圓的變形才能被發(fā)現(xiàn)，位于橢圓內(nèi)部的變形均不能被發(fā)現(xiàn)。

靈敏度與網(wǎng)形結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、觀測(cè)精度、顯著水平和檢驗(yàn)功效有關(guān)。顯著水平和檢驗(yàn)功效的選擇沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于精密的變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)來(lái)說(shuō)，需要準(zhǔn)確判斷變形，減少棄真的錯(cuò)誤。顯著水平取為0.01，相應(yīng)的檢驗(yàn)功效取為0.9，即成功發(fā)現(xiàn)變形的概率為90%。

從計(jì)算結(jié)果可知，壩址上游的工作基點(diǎn)靈敏度橢圓長(zhǎng)、短半軸在±1.8～±6.0 mm之間，壩址下游的工作基點(diǎn)的靈敏度橢圓長(zhǎng)、短半軸較為接近，均在±1.8～±3.7 mm之間，小于點(diǎn)位精度的要求，表明監(jiān)測(cè)網(wǎng)在各個(gè)方向上監(jiān)測(cè)變形的能力相當(dāng)，且監(jiān)測(cè)能力較強(qiáng)。

表1 平面位移監(jiān)測(cè)網(wǎng)點(diǎn)位精度統(tǒng)計(jì)表Table 1 :Statistics of the positional accuracy of displacement monitoring network

表2 平面位移監(jiān)測(cè)網(wǎng)可靠性指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表Table 2 :Statistics of the reliability indexes of displacement monitoring network

表3 平面位移監(jiān)測(cè)網(wǎng)靈敏度指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表Table 3 :Statistics of the sensitivity indexes of displacement monitoring network

3.4 二等水準(zhǔn)支線布置

為保證水平位移監(jiān)測(cè)控制網(wǎng)主網(wǎng)、副網(wǎng)邊長(zhǎng)精度的要求，由于局部控制點(diǎn)高差較大，使用天頂距改平不能滿足邊長(zhǎng)改平的精度要求，需采用二等支線水準(zhǔn)聯(lián)測(cè)平面控制點(diǎn)的高程，使用高差改平以滿足邊長(zhǎng)的改平精度要求。

二等水準(zhǔn)支線主要用于聯(lián)測(cè)大壩下游各水平位移監(jiān)測(cè)控制點(diǎn)的高程，以監(jiān)測(cè)各控制點(diǎn)在垂直方向上的變化情況，也作為水平位移監(jiān)測(cè)控制網(wǎng)測(cè)距邊長(zhǎng)改平。二等水準(zhǔn)支線聯(lián)測(cè)水平位移監(jiān)測(cè)控制點(diǎn)33、34、40、41、42、43、44、III20、III31共計(jì)9個(gè)水平位移監(jiān)測(cè)控制點(diǎn)，其余6個(gè)水平位移監(jiān)測(cè)控制點(diǎn)38、39、II01采用三角高程進(jìn)行聯(lián)測(cè)。

3.5 精度指標(biāo)控制

漫灣水電站水平位移監(jiān)測(cè)控制網(wǎng)主網(wǎng)、副網(wǎng)采用全測(cè)邊測(cè)角網(wǎng)方案，主網(wǎng)按一等邊角網(wǎng)施測(cè)，副網(wǎng)按二等邊角網(wǎng)施測(cè)，其精度指標(biāo)見(jiàn)表4。

用于邊長(zhǎng)改平的二等支線水準(zhǔn)其水準(zhǔn)測(cè)量精度指標(biāo)為每公里水準(zhǔn)測(cè)量的偶然中誤差MΔ不超過(guò)1.0 mm，每公里水準(zhǔn)測(cè)量的全中誤差Mw不得超過(guò)2.0 mm。

表4 平面控制網(wǎng)的精度Table 4 :Accuracy of the control network

4 控制網(wǎng)觀測(cè)

4.1 觀測(cè)儀器設(shè)備常數(shù)的率定、測(cè)前檢驗(yàn)

所有光學(xué)、電子測(cè)繪儀器均定期經(jīng)過(guò)國(guó)家計(jì)量部門(mén)或國(guó)家認(rèn)可的檢驗(yàn)部門(mén)的檢驗(yàn)、率定，檢驗(yàn)合格，并且檢驗(yàn)結(jié)果在有效期內(nèi)。儀器常數(shù)包括：測(cè)距儀加、乘常數(shù)、精測(cè)頻率、精測(cè)尺調(diào)制波長(zhǎng)、周期誤差振幅、周期誤差初相角等。干濕溫度計(jì)、空盒氣壓計(jì)需具有完備的檢定資料，儀器設(shè)備通過(guò)檢校合格后，才能投入使用。

4.2 水平位移監(jiān)測(cè)控制網(wǎng)觀測(cè)

主網(wǎng)水平角采用方向法觀測(cè)12個(gè)測(cè)回，全部測(cè)回在兩個(gè)不同的時(shí)間段內(nèi)完成，水平方向觀測(cè)限差見(jiàn)表5。

表5 主網(wǎng)水平方向觀測(cè)限差Table 5 :Observation limited error in horizontal direction of main network

副網(wǎng)水平角采用方向法觀測(cè)9個(gè)測(cè)回，全部測(cè)回都在一個(gè)時(shí)間段內(nèi)完成，水平方向觀測(cè)限差見(jiàn)表6。

水平方向觀測(cè)限差按表5要求，凡超過(guò)規(guī)定限差的結(jié)果均應(yīng)重測(cè)。邊長(zhǎng)測(cè)回?cái)?shù)為往返各4測(cè)回，測(cè)站、鏡站每邊觀測(cè)始末都應(yīng)測(cè)定當(dāng)時(shí)的干濕溫度和氣壓值，各站儀器高、棱鏡高（覘牌高）的丈量誤差對(duì)于一、二等網(wǎng)不應(yīng)大于1 mm。

除規(guī)范另有規(guī)定外，以下情況下必須重測(cè)：①三角形閉合差或測(cè)角中誤差大于限差要求的，應(yīng)分析原因，重測(cè)誤差較大的測(cè)站或方向，直至滿足要求；②檢驗(yàn)項(xiàng)目中任何項(xiàng)目超限的，應(yīng)分析原因，重測(cè)誤差較大的測(cè)站或邊長(zhǎng)，直至滿足要求；③儀器設(shè)備檢定期限過(guò)期的，整網(wǎng)重測(cè)。

表6 副網(wǎng)水平方向觀測(cè)限差Table 6 :Observation limited error in horizontal direction of auxiliary network

6 數(shù)據(jù)檢驗(yàn)

邊長(zhǎng)測(cè)量計(jì)算中應(yīng)進(jìn)行氣象（溫度、氣壓）、加、乘常數(shù)、周期誤差等項(xiàng)改正后的斜距，才能化為水平距離，然后根據(jù)平差高差投影在正常高910 m工程曲面上。

邊長(zhǎng)測(cè)量外業(yè)精度評(píng)定：

式中：d——各邊往返測(cè)水平距離的較差；

n——測(cè)邊數(shù)；

主網(wǎng)、副網(wǎng)外業(yè)觀測(cè)數(shù)據(jù)檢驗(yàn)主要包括以下幾個(gè)方面：

（1）三角形閉合差檢驗(yàn)：主網(wǎng)三角形閉合差應(yīng)不大于±2.5″，按三角形閉合差計(jì)算的測(cè)角中誤差應(yīng)不大于±0.7″；副網(wǎng)三角形閉合差應(yīng)不大于±3.5″，按三角形閉合差計(jì)算的測(cè)角中誤差應(yīng)不大于±1.0″；

（2）角的極條件自由項(xiàng)限差的檢驗(yàn)；

（3）邊角網(wǎng)邊條件自由項(xiàng)限差的檢驗(yàn)；

（4）邊角網(wǎng)角條件自由項(xiàng)限差的檢驗(yàn)，即觀測(cè)角與邊長(zhǎng)計(jì)算角限差的檢驗(yàn)；

（5）測(cè)邊網(wǎng)角條件自由項(xiàng)的檢驗(yàn)。

7 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)水平位移監(jiān)測(cè)控制網(wǎng)在實(shí)際運(yùn)行中存在的問(wèn)題，采取科學(xué)合理的優(yōu)化措施將為大壩安全監(jiān)測(cè)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)提供有力保證，同時(shí)也將有利于保證大壩的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

漫灣水電站監(jiān)測(cè)網(wǎng)于20世紀(jì)80年代設(shè)計(jì)，部分設(shè)計(jì)指標(biāo)方面已不能滿足現(xiàn)行規(guī)范的要求，加之觀測(cè)方向受外界影響較大，監(jiān)測(cè)網(wǎng)的正常觀測(cè)受到了嚴(yán)重干擾。經(jīng)過(guò)對(duì)漫灣水電站水平位移監(jiān)測(cè)控制網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和改造，有效解決了現(xiàn)場(chǎng)數(shù)條觀測(cè)邊受簡(jiǎn)易觀測(cè)房、樹(shù)木和電桿遮擋影響等問(wèn)題，新的監(jiān)測(cè)網(wǎng)網(wǎng)形剔除了部分施工階段使用的工作基點(diǎn)，使得監(jiān)測(cè)網(wǎng)網(wǎng)形更加合理，主網(wǎng)和副網(wǎng)精度將得到極大改善，同時(shí)也將給現(xiàn)場(chǎng)的觀測(cè)工作帶來(lái)極大的便利，提高監(jiān)測(cè)網(wǎng)的觀測(cè)效率。

[1]中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院.瀾滄江漫灣水電站水平位移監(jiān)測(cè)控制網(wǎng)設(shè)計(jì)書(shū)[R].

[2]中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院.漫灣水電站樞紐區(qū)外部變形監(jiān)測(cè)控制網(wǎng)改造工程實(shí)施方案[R].