混凝土拱壩高精度平面三維監(jiān)測網(wǎng)的建立及質(zhì)量評價

李軍安

（陜西省水利電力勘測設(shè)計研究院 西安 710002)

1 概述

西安市輞川河引水李家河水庫工程攔河壩為碾壓混凝土拋物線雙曲拱壩，壩頂高程884m，最大壩高 98.5m，壩頂弧長 351.71m，水庫正常蓄水位880.0m，水庫總庫容為5260萬m3，調(diào)節(jié)庫容為4400萬m3。水庫壩址處河谷深切呈“V”字型，河道狹窄，河床寬度僅15～30m。兩岸山坡陡峻，荊棘叢生、植被茂密、通行及通視條件較差。

樞紐區(qū)平面監(jiān)測三維控制網(wǎng)的建立是采用Leica TCA機載自動監(jiān)測軟件實施。該操作系統(tǒng)簡單，測站完成各項設(shè)置后，儀器可自動照準(zhǔn)各目標(biāo)點，自動測距、測角，并實時自動檢查各項誤差，超限后自動處理。同時，該系統(tǒng)后處理完善、規(guī)范，與之相配套的后處理軟件可以自動生成與規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)方向觀測記錄手簿完全一致的報表等。

2 平面三維監(jiān)測網(wǎng)等級的選取

依據(jù) DL/T5178—2003《混凝土壩安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》的規(guī)定，大壩安全監(jiān)測設(shè)計報告中明確監(jiān)測網(wǎng)最弱點位移量中誤差 m位應(yīng)小于±2.0mm。SL197—97《水利水電工程測量規(guī)范》將大壩平面監(jiān)測三維網(wǎng)劃歸為專用平面控制網(wǎng)，根據(jù)精度要求和實際條件確定各級專用平面控制網(wǎng)適用范圍，且明確重力壩、拱壩、支墩壩變形監(jiān)測、近壩區(qū)危巖變形監(jiān)測、穩(wěn)定期地形變形監(jiān)測等應(yīng)選用專一級平面控制網(wǎng)。專一級網(wǎng)主要技術(shù)指標(biāo)是最弱點點位中誤差 m點。最弱點位移量中誤差m位和點位中誤差m點的關(guān)系為：m位=m點，即：混凝土大壩安全監(jiān)測網(wǎng)的最弱點點位中誤差m點應(yīng)小于±1.41mm。在水利水電工程樞紐區(qū)布置監(jiān)測網(wǎng)的網(wǎng)形條件受地形地貌限制，只有考慮選擇控制網(wǎng)的觀測等級。SL197—97中，專一級網(wǎng)的最弱點點位中誤差±1.3mm，相當(dāng)于位移量中誤差±1.84mm，其精度標(biāo)準(zhǔn)與DL/T5178—2003基本相同。那么，李家河水庫雙曲混凝土拱壩平面監(jiān)測三維控制網(wǎng)的等級及觀測技術(shù)要求執(zhí)行SL197—97中專一級網(wǎng)的規(guī)定，可以滿足監(jiān)測網(wǎng)最弱點位移量中誤差m位小于±2.0mm。

3 大壩平面監(jiān)測三維網(wǎng)精度估算

根據(jù)現(xiàn)場地形及監(jiān)測對象，聘請設(shè)計及地質(zhì)人員實地進行具體的點位選設(shè)，確定大壩平面監(jiān)測網(wǎng)由基準(zhǔn)點和工作基點組成監(jiān)測控制網(wǎng)，網(wǎng)形如圖1所示。

圖1 大壩平面監(jiān)測三維控制網(wǎng)索引圖

大壩平面監(jiān)測網(wǎng)形選定后，基準(zhǔn)點采用實地測取概略坐標(biāo)，工作基點從1∶2000地形圖上量取概略坐標(biāo)。精度估算參數(shù)選取：測角中誤差mβ取0.5″，測距中誤差ms取1mm+1ppm·Dkm。采用清華山維《工程測量控制網(wǎng)微機平差系統(tǒng)》軟件，在微機上按邊角全測網(wǎng)進行了精度估算，計算出基準(zhǔn)網(wǎng)點位精度、可靠性、靈敏度指標(biāo)。其中，網(wǎng)中最弱點點位中誤差為±1.10mm，最弱邊相對精度為1/478700，內(nèi)可靠性R最大值6.63，外可靠性R′最大值6.09。

從估算各項指標(biāo)結(jié)果看，監(jiān)測三維網(wǎng)采用專一級（mβ=0.5″)時，其最弱點點位中誤差m點完全可以達到±1.41mm的精度要求。

4 點位選取及標(biāo)志的建造

網(wǎng)中各點均選在基巖或土質(zhì)堅硬，便于保存的地方。其中：基準(zhǔn)點為P1、P2、P3、P4、P6、P7、P8等 7個點，基準(zhǔn)點均布置在施工影響范圍之外；工作基點為PG1、PG2、PG3、PG4、PG5、PG6等6個點，分別用以監(jiān)測壩肩高邊坡、電站廠房背坡及壩頂?shù)乃轿灰?。由于大壩主體正在澆筑中，采用視準(zhǔn)軸線法監(jiān)測拱冠點LD4的右岸工作基點PG3待后設(shè)立。

基準(zhǔn)點、工作基點均建造鋼筋混凝土觀測墩，觀測墩的地面以下部分埋設(shè)至新鮮基巖上或半風(fēng)化巖層150cm以下。在觀測墩頂面埋設(shè)F-1A強制對中基座，基座調(diào)整傾斜度小于4′。

5 大壩平面監(jiān)測三維網(wǎng)外業(yè)觀測

采用測量機器人（Leica TCA2003全站儀配套TCA機載自動監(jiān)測軟件)實現(xiàn)了自動觀測。外業(yè)觀測技術(shù)要求及作業(yè)限差按照 SL197—97專一級平面控制網(wǎng)執(zhí)行，即：

（1)水平角（采用方向觀測法)、垂直角及斜距均觀測15個測回。由于照準(zhǔn)標(biāo)志數(shù)量所限，部分測站水平角進行了分組觀測，分組觀測包括2個共同方向（其中 1個為共同零方向)，其兩組觀測角之差如表1所示。其值均小于測角中誤差的2倍（2mβ=±1.0″)，按等權(quán)分組觀測進行了測站平差。

表1 分組觀測角度之差統(tǒng)計表

（2)采用專用量高游標(biāo)卡尺在測站、鏡站從三個方向分別量取儀器和棱鏡高度，并取平均值作為儀器高和覘標(biāo)高。量取高度讀數(shù)至0.02mm。

（3)測站、鏡站分別在觀測開始、中間、結(jié)束時進行了溫度、氣壓的測定，取均值，并按檢定證書的修正值進行改正。

（4)斜距讀數(shù)的中數(shù)經(jīng)儀器加乘常數(shù)、氣象后改正后，分別采用往返測垂直角計算測邊高差中數(shù)，再利用斜距和高差計算測邊水平距離。

全網(wǎng)測距邊28條，最大邊長819.003m，最短邊長 276.962m，平均邊長 441.482m。外業(yè)觀測期間溫度 7.0～27.4℃，網(wǎng)中 28條測距邊垂直角＜5°有18個，5～10°有7個，＞10°有3個，且測距邊垂直角最大為17°19′。

6 外業(yè)觀測數(shù)據(jù)驗算

兩次獨立外業(yè)觀測完成后，分別進行了水平角觀測三角形閉合差、測角中誤差和測距中誤差的驗算。水平角外業(yè)觀測成果驗算見表2。

全網(wǎng)測距邊 28條，最大邊長（P1－P6)818.993m，最短邊長（PG1－PG2)276.969m。根據(jù)往返測距較差分別計算得：第1次觀測的平均測距中誤差為1.06mm；第2次觀測的平均測距中誤差為 1.05mm，其值均小于規(guī)范規(guī)定的±2.5mm的要求。

表2 三角形閉合差及測角中誤差統(tǒng)計表

外業(yè)觀測數(shù)據(jù)驗算合格后，采用清華山維《工程測量控制網(wǎng)微機平差系統(tǒng)》軟件，以P1為三維網(wǎng)的坐標(biāo)和高程起算點（P1－P4邊做為起算方位邊)，邊長投影至840m高程面，按固定一點一方位的平面獨立網(wǎng)進行數(shù)據(jù)處理。首期2次獨立觀測數(shù)據(jù)處理后精度統(tǒng)計見表3。

表3 首期2次獨立觀測成果精度統(tǒng)計表

7 數(shù)據(jù)處理及精度統(tǒng)計

從表3精度指標(biāo)統(tǒng)計結(jié)果可以看出，對大壩平面監(jiān)測三維網(wǎng)首期 2次獨立觀測成果進行比較，其較差均小于2m，達到設(shè)計書預(yù)期精度指標(biāo)要求。取首期2次獨立觀測成果的均值作為大壩平面監(jiān)測三維網(wǎng)的基準(zhǔn)值。

8 幾個問題的分析探討

8.1 外業(yè)觀測記錄數(shù)據(jù)分析

（1)通過對外業(yè)觀測數(shù)據(jù)返工的測站觀測數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)：在一個測站內(nèi)，觀測時間段測量機器人應(yīng)同時進行方向觀測、測距、天頂距觀測各 15個測回，如果儀器自動重測的測回數(shù)超過1/3時，雖然重測后的 15個測回間測回差在限差內(nèi)，但其觀測數(shù)據(jù)在參與外業(yè)三角形閉合差驗算時，會引起三角形閉合差超限。

（2)在外業(yè)觀測過程中，如遇到天氣由晴轉(zhuǎn)多云，光線強弱產(chǎn)生突變時，測量機器人重測測回數(shù)會超過1/3。這種情況觀測質(zhì)量同樣較差。

（3)觀測方向的垂直角較大時，應(yīng)選擇在陰天或夜間觀測，觀測質(zhì)量較好。

8.2 兩次獨立觀測的方向值及測距差值評價

8.2.1 觀測方向值的比較

水平角方向觀測法獨立進行2次觀測，其較差應(yīng)小于⊿=±2，mβ=±1.0″。經(jīng)對 12個測站44個觀測方向值（每測站不含零方向)2次觀測方向值統(tǒng)計對比，其較差小于⊿的有22個，占總方向數(shù)的50%；較差在～1⊿之間的有15個，占總方向數(shù)的34.1%；較差大于⊿=±1.0″的有 7個，且最大值為-1.94″，占總方向數(shù)的15.9%。

現(xiàn)行規(guī)范只要求首期 2次獨立觀測成果做明確規(guī)定，而未對2次獨立觀測水平角的較差作出規(guī)定。

8.2.2 觀測距離值的比較

平面三維監(jiān)測網(wǎng)測距邊 28條，經(jīng)對首期 2次獨立觀測水平距離較差統(tǒng)計，往返測距較差正負值各占 50%，且僅有 1條邊（P1－PG4邊長294.25212mm)往返測距較差為2.23mm，其它均小于1mm+1ppm。

8.3 水平角觀測測回數(shù)對成果質(zhì)量的影響分析

筆者另行按水平角觀測 12個測回的均值，進行驗算及數(shù)據(jù)處理結(jié)果如表4所示。

表4 12測回的驗算及數(shù)據(jù)處理結(jié)果對比表

從表4可以看出，水平角方向觀測法若采用12個測回，對于大壩平面監(jiān)測網(wǎng)測角精度是不易達到±0.5″的要求，首期 2次獨立觀測坐標(biāo)差值也不易達到預(yù)期精度指標(biāo)。

8.4 高精度儀器檢定加乘常數(shù)的誤差問題

本次外業(yè)觀測過程中，采用 TS30全站儀復(fù)測了基準(zhǔn)網(wǎng)點 P1、P6、P8等 3個點之間邊長。其中：TCA2003全站儀檢定的加常數(shù)C= -1.31mm，乘常數(shù)R =-2.09mm/km；TS30全站儀檢定的加常數(shù)C = 0.00mm，乘常數(shù)R = 0.00mm/km。將兩臺全站儀所測邊長進行了比對，計算統(tǒng)計結(jié)果如表5所示。

表5 TCA2003與TS30測量邊長比對表 單位：m

根據(jù)檢測樣本結(jié)果可以看出：TCA2003和TS30兩臺儀器不考慮儀器加、乘常數(shù)改正的話，測距較差很小。如果考慮儀器檢定加、乘常數(shù)改正，就涉及儀器檢定的誤差問題。目前，國內(nèi)哪一家法定檢定單位具備高精度全站儀的檢定技術(shù)能力，值得業(yè)界同行關(guān)注。

9 結(jié)論及建議

（1)通過以上質(zhì)量分析評價，李家河水庫工程混凝土拱壩高精度平面三維監(jiān)測控制網(wǎng)的建立，嚴格掌控外業(yè)觀測過程中的最佳氣象環(huán)境，達到了預(yù)期理想的精度。

（2)測量機器人雖然實現(xiàn)了外業(yè)自動化觀測，替代了人工觀測，減少了人工觀測人為誤差因素影響，但測量機器人自動觀測仍然會受外界作業(yè)環(huán)境影響。因此，在高精度變形監(jiān)測網(wǎng)的外業(yè)觀測過程中，應(yīng)嚴格掌控最佳天氣環(huán)境，盡可能在陰天或夜間進行觀測。

（3)測量機器人完成一個測站的全部數(shù)據(jù)測量，一般需要 40～60min。觀測時間段溫度的變化會直接影響測距邊的計算精度。因此，應(yīng)在測前、測中、測后同時分別測記測站和鏡站的溫度、氣壓，再取中數(shù)，以取得準(zhǔn)確的氣象改正系數(shù)。

（4)為了保證斜距改平精度，采用經(jīng)氣象改正后的斜距與三角觀測高差計算水平距離。三角觀測高差精度除與斜距、垂直角觀測精度有關(guān)外，儀器和棱鏡高度的量取精度也直接影響高差計算精度。本工程專門加工游標(biāo)卡尺在測站、鏡站從三個方向分別量取儀器和棱鏡高度，并取平均值作為儀器高和覘標(biāo)高的方法，取得了滿意的效果。

1 工程變形監(jiān)測分析預(yù)報的理論與實踐.（ISBN 978－7－5084－5993－6).北京：中國水利水電出版社.

2 SL197—97水利水電工程測量規(guī)范.北京：中國水利水電出版社.