常規(guī)測量方法監(jiān)測大壩變形的幾個問題

張建新，蔣 波

（1.浙江華東工程安全技術(shù)有限公司，浙江杭州310014；2.國家電力監(jiān)管委員會大壩安全監(jiān)察中心，浙江杭州310014）

0 前言

大壩變形觀測是大壩監(jiān)測系統(tǒng)中一個重要的監(jiān)測項目，變形監(jiān)測的方法一般有垂線、引張線、視準(zhǔn)線、激光準(zhǔn)直以及常規(guī)測量等。常規(guī)測量采用經(jīng)緯儀、測距儀、全站儀、水準(zhǔn)儀等測量儀器，觀測工作有變形控制網(wǎng)測量、交會測量、水準(zhǔn)測量等。

大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)評價是大壩安全定期檢查工作的一個重要專題，通過大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)評價，可對大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)的完備性、適用性和可靠性等方面有較為全面的了解，在評價工作中需要對變形監(jiān)測項目的布置、監(jiān)測方法和監(jiān)測精度等進行深入分析。本文結(jié)合評價中常見的一些問題對常規(guī)測量方法觀測大壩變形進行了探討。

1 平面變形控制網(wǎng)

當(dāng)用常規(guī)測量進行建筑物水平位移觀測時，一般需要建立平面變形控制網(wǎng)以監(jiān)測水平位移工作基點是否穩(wěn)定，對控制網(wǎng)定期復(fù)測，給出工作基點的變化值，這就要求在平面變形控制網(wǎng)中有足夠多的穩(wěn)定網(wǎng)點，作為整個水平位移變形觀測系統(tǒng)的基準(zhǔn)。

平面變形控制網(wǎng)的邊長觀測值精度較高，而從多個大壩的平面變形控制網(wǎng)復(fù)測成果表明，各期邊長觀測值之間均存在著系統(tǒng)誤差，雖然單次平差計算精度較高，但穩(wěn)定分析變得非常困難，這時復(fù)測成果根本起不了作用。造成系統(tǒng)誤差的主要原因是距離改正常數(shù)的不準(zhǔn)確，一般兩期觀測時同一臺測距儀的常數(shù)檢定值已不再相同，有時儀器也可能會更換，如果某一期的常數(shù)檢定有誤，就可能引起兩期邊長存在系統(tǒng)差。因此，復(fù)測前首先要確保檢定常數(shù)的準(zhǔn)確，為此，建議在相對遠(yuǎn)離大壩的下游區(qū)域?qū)ふ页雎兜姆€(wěn)定基巖，建立校核基準(zhǔn)邊，長度取控制網(wǎng)平均邊長，在復(fù)測前先觀測此基準(zhǔn)邊，確定檢定常數(shù)準(zhǔn)確后再進行平面變形控制網(wǎng)的測量。

為了保證邊長觀測值的高精度，要求用相對高精度的高差來進行改平。平面變形控制網(wǎng)的高程通常用水準(zhǔn)聯(lián)測若干個網(wǎng)點，作為變形控制網(wǎng)的高程起始值，各網(wǎng)點間通過觀測垂直角建立三角高程網(wǎng)。應(yīng)先對三角高程網(wǎng)進行平差，用平差后高程改平邊長。當(dāng)然，如有條件時，用水準(zhǔn)聯(lián)測所有網(wǎng)點則是最理想的。

一般認(rèn)為，平面網(wǎng)點的高程變化不大，即使高程有少許變化，也不影響改平精度。通常網(wǎng)點穩(wěn)定時，三角高程的測量誤差要比高程的微小變化值大，因此，應(yīng)保證首次觀測變形控制網(wǎng)的高程精度。首次完成觀測高精度三角高程測量后，除非證實有網(wǎng)點發(fā)生了大的變化，以后各期不必再進行三角高程測量，可利用首次觀測的高程進行改平。

平面控制網(wǎng)復(fù)測完成后，首先應(yīng)按常規(guī)方法檢驗觀測值間的符合精度，觀測值雖然通過了閉合差的檢驗，但還可能存在著粗差。在平差時，一般取方向先驗中誤差為先驗單位權(quán)中誤差，平差計算后對應(yīng)地會有一個平差后單位權(quán)中誤差，當(dāng)平差后單位權(quán)中誤差大于先驗單位權(quán)中誤差時，可以認(rèn)為觀測值的質(zhì)量沒有達到要求，可能存在著粗差。

在規(guī)范中，提到邊角網(wǎng)設(shè)計時應(yīng)作可靠性評價，需要計算每個觀測值的可靠性因子。因子越大，當(dāng)該觀測值存在粗差時，發(fā)現(xiàn)的可能性越大。這一規(guī)定也說明，平差前應(yīng)先進行粗差分析，當(dāng)認(rèn)定有粗差時，再進行粗差定位和粗差剔除。粗差定位在個別觀測值存在粗差時才會有效，這時多數(shù)觀測值相互符合得很好，個別觀測值參與后符合性就差。有的時候，整體質(zhì)量不好，粗差定位就沒有效果，只能認(rèn)定觀測質(zhì)量不高。

粗差定位和粗差剔除完成后，可進行穩(wěn)定分析，穩(wěn)定分析需要同時對本期和前一期觀測值用穩(wěn)定分析方法進行特定的平差計算，而不只是將這兩期平差結(jié)果進行簡單比較。穩(wěn)定分析的結(jié)果將說明哪些點是穩(wěn)定的，哪些點是不穩(wěn)定的，而還有些點是沒有足夠的理由認(rèn)為不穩(wěn)定。

當(dāng)水平位移觀測所用的工作基點沒有足夠的理由認(rèn)為不穩(wěn)定時，其坐標(biāo)使用原有的數(shù)據(jù)。當(dāng)工作基點有明顯不穩(wěn)定時，應(yīng)考慮使用其新的坐標(biāo)。

2 水平位移觀測

水平位移觀測中，一般采用交會（包括角度交會、邊角交會、邊長交會、三邊交會）以及小角度方法。

角度和邊長交會，由于只有2個觀測值，而沒有多余觀測值，只能進行精度估算，就不能對實際觀測精度進行評價。精度估算可以通過公式直接計算。

邊角交會和三邊交會的多余觀測值個數(shù)分別為2和1，可以通過形成的閉合條件來評價實際觀測精度。

由于邊角交會和三邊交會對一個觀測點來說，閉合條件過少，通過閉合差檢驗后的觀測值中誤差需要通過同一期各觀測點的閉合差，或者同一個觀測點多期觀測的閉合差進行統(tǒng)計計算。由于用閉合差計算中誤差比較復(fù)雜，一般可以簡單地對是否通過閉合差檢驗來對實際觀測精度進行評價。

小角度觀測時,有的需要在中間觀測點上架設(shè)儀器進行觀測,這時,應(yīng)該在計算其它觀測點位移值時加入中間觀測點的位移值，要考慮如何觀測中間觀測點的位移值,還需要在估算其它位移點精度時考慮到中間觀測點位移值的精度。

工作基點的坐標(biāo)可能會發(fā)生變動，有時可能會改用另外的工作基點進行觀測，因此，應(yīng)明確記錄每期觀測計算時采用的工作基點的坐標(biāo)，供以后對位移值進行驗證，需要時可以很方便地重新計算位移值。

3 水準(zhǔn)測量

GB12897《國家一、二等水準(zhǔn)測量規(guī)范》中提出的水準(zhǔn)精度指標(biāo)為：每公里水準(zhǔn)測量的偶然中誤差MΔ一等為±0.45 mm、二等±1.0 mm；每公里水準(zhǔn)測量的全中誤差 MW一等為±1.00 mm、二等為±2.0 mm。

MΔ是用往返測高差不符值進行計算的，其式為：

式中：Δ——測段往返測高差不符值，以mm計；

R——測段長度，以km計；

n——測段數(shù)。

MW用水準(zhǔn)環(huán)閉合差進行計算的，其式為：

式中：W——水準(zhǔn)環(huán)閉合差，以mm計；

F——環(huán)線長度，以km計；

N——環(huán)數(shù)。

用上述這兩個公式計算時，測段數(shù)或閉合環(huán)數(shù)需要大于20，否則計算得出的值用來進行評價就沒有意義。

在大壩變形觀測中，由于環(huán)數(shù)較少，因此，不必計算每公里水準(zhǔn)測量的全中誤差。短距離水準(zhǔn)測量不再考慮偶然中誤差和全中誤差的區(qū)別。

在短距離變形觀測中，由于每公里平均測站數(shù)超過了常規(guī)的水準(zhǔn)測量，因此用公里數(shù)來計算限差和精度要求太高，不容易滿足要求。水準(zhǔn)網(wǎng)測量時，由于距離長，點數(shù)相對少，仍可以用公里數(shù)來計算限差和精度。一般地，當(dāng)以公里數(shù)計算超限，而以測站數(shù)計算滿足要求時，應(yīng)認(rèn)為滿足要求。垂直位移觀測應(yīng)用測站數(shù)來計算限差和精度。

這樣，提出每測站水準(zhǔn)測量的偶然中誤差MΔ，式為：

式中：Δ——測段往返測高差不符值，以mm計；

N——測段測站數(shù)；

n——測段數(shù)。

目前大壩水準(zhǔn)測量時大多數(shù)使用的是DS05型水準(zhǔn)儀，05表示每公里水準(zhǔn)測量往返高差均值偶然中誤差不超過±0.5 mm，其對應(yīng)的測站高差觀測中誤差為±0.08 mm。

JGJ/T 8-97《建筑物變形測量規(guī)程》中對水準(zhǔn)測量完全是按測站數(shù)來要求的，給出了計算單程觀測每測站高差中誤差的經(jīng)驗公式：md=0.025+0.0029d，式中d為視線長度，以m計。一等水準(zhǔn)要求一測站視線長度不大于30 m，可計算得單程觀測每測站高差中誤差md=±0.112 mm，每測站水準(zhǔn)測量往返高差均值偶然中誤差則為=±0.08mm ，這和GB12897《國家一、二等水準(zhǔn)測量規(guī)范》中的要求是一致的。

由于一次觀測時測段數(shù)較少，一般通過往返不符值和環(huán)線閉合差是否超限評價本次觀測的實際精度是否滿足要求。

可以對同一測線多期垂直位移觀測的往返不符值計算單一測段每測站水準(zhǔn)測量的偶然中誤差，以此來評價該測段的長期穩(wěn)定精度，同時可比較與其它測段的精度差異。在實際工作中，由于各測段的觀測條件不同，往往會呈現(xiàn)出明顯的精度階梯。

對同等級要求觀測的所有測段，可以對多期多測段觀測的往返不符值計算本系統(tǒng)中每測站水準(zhǔn)測量的偶然中誤差，考察垂直位移觀測精度的綜合情況。

同水平位移觀測一樣，應(yīng)明確記錄每期水準(zhǔn)觀測計算時采用的水準(zhǔn)工作基點的高程。

4 三角高程

式中：K——大氣折光系數(shù)；

D——三角高程的邊長；

R——地球平均曲率半徑。

由于對向觀測高差是符號相反的，因此，理論上講在計算平均高差時地球曲率與大氣折光改正是抵消的。但是，地球曲率與大氣折光改正中有個不確定的因素，即大氣折光系數(shù)K，K值在一天中的不同時候也會不同，而且無法精確測定。因此平均高差中還留有對向觀測時K值不同的余量，但已經(jīng)不大。

如果只是單向觀測，需要假設(shè)一個K值進行改正，這樣的改正會留有K值取值不準(zhǔn)確引起的余量。用三角高程來進行垂直位移觀測時，往往采用單向觀測，應(yīng)該明確一個K0值，并保持相同，計算的垂直位移值中含有各期觀測時K值的代表性誤差（用K0代表實際K值的誤差），而K0值本身取多少不影響垂直位移值。應(yīng)記錄K0值以備以后的計算，以及垂直位移觀測方法改變時用以驗證、銜接或重新計算。

在不具備水準(zhǔn)測量條件時，垂直位移可觀測采用三角高程來完成。

垂直角觀測值計算的高差需要進行地球曲率與大氣折光改正，公式如下：

5 歷史測值評判

當(dāng)對系統(tǒng)的布置、觀測方法、設(shè)計理論精度（估算精度）、實際觀測閉合差（精度）進行評價后，還需要通過歷史測值過程線對最終位移觀測結(jié)果進行評判。

在觀測精度滿足要求時，仍然會出現(xiàn)測值過程線異常的現(xiàn)象，這是因為精度評價是對單次觀測的評價，各次觀測間的位移成果還可能會出現(xiàn)一些問題。

評價時需要查看計算資料，甚至還要查看原始的觀測記錄，才能查明測值過程線中出現(xiàn)的問題。

首先要看工作基點的坐標(biāo)或高程取用值是否正確。當(dāng)工作基點發(fā)生變化后，觀測人員在計算位移時會取用不同的數(shù)值，造成觀測數(shù)據(jù)出現(xiàn)跳躍現(xiàn)象。如：在現(xiàn)場查看某大壩的水平位移資料，發(fā)現(xiàn)從某一天開始，測值過程線顯示位移值突然抬高了一個較大的量，排除各種可能的原因后，電廠觀測人員回憶起那段時間有人在儀器中設(shè)置了一個邊長改正的數(shù)值，取出儀器后，發(fā)現(xiàn)那個數(shù)字還在儀器中，這個數(shù)值正好就是突然抬高的值。

當(dāng)測值過程線出現(xiàn)異常時，查看異常變化發(fā)生時的觀測值計算、工作基點的取值顯得非常必要，有時能解決一直困擾的問題。

6 結(jié)語

通過對大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)評價時大壩變形可能遇到的以及常規(guī)測量方法進行實際觀測時應(yīng)該注意的一些問題進行了探討，最后提出大壩變形評價時應(yīng)把握的一些要點，供相關(guān)人員參考和借鑒。

（1）應(yīng)該用平差后的高程進行邊長改平；

（2）三角高程觀測高差中需要進行地球曲率與大氣折光改正；

（3）單向三角高程進行垂直位移的計算中，應(yīng)固定K值；

（4）控制網(wǎng)中觀測值通過閉合差檢驗后，仍需要進行粗差分析；

（5）平差后單位權(quán)中誤差大于先驗單位權(quán)中誤差，可能存在著粗差；

（6）控制網(wǎng)復(fù)測后，應(yīng)該做穩(wěn)定分析；

（7）水準(zhǔn)觀測垂直位移時用測站數(shù)定權(quán)并計算限差和精度估算；

（8）應(yīng)查找過程線異常值發(fā)生的原因。