三峽升船機(jī)塔柱施工期變形監(jiān)測

邱章云，羅 琛

（中國葛洲壩集團(tuán)股份有限公司測繪工程院，湖北宜昌 443002）

1 前言

三峽升船機(jī)是永久通航設(shè)施，運(yùn)行工況復(fù)雜，其技術(shù)水平和研究難度超過目前世界上已建和在建的許多通航升船機(jī)。升船機(jī)50.00～196.00m高程為船廂室段塔柱承重結(jié)構(gòu)。三峽升船機(jī)塔柱為薄壁型墻體結(jié)構(gòu)，受自重、溫度、風(fēng)力等因素影響，結(jié)構(gòu)易產(chǎn)生變形，而變形對塔柱混凝土澆筑及附屬其上的螺母柱、齒條等設(shè)備安裝精度有影響。為保證塔柱混凝土澆筑及螺母柱、齒條等設(shè)備的安裝精度，本文對幾種典型變形監(jiān)測方法進(jìn)行了精度分析，根據(jù)實(shí)際工程需求，選擇全站儀極坐標(biāo)法作為筒體變形監(jiān)測方法，本文以3#筒體觀測結(jié)果為例，對塔柱施工期變形情況進(jìn)行了分析，由此得出的變形規(guī)律可用于指導(dǎo)相關(guān)工程的施工和修正設(shè)計(jì)工作。

2 變形監(jiān)測控制要素

2.1 主要內(nèi)容

監(jiān)測過程中，除記錄監(jiān)測時(shí)間、風(fēng)力、風(fēng)向、環(huán)境溫度等外部因素外，還需要計(jì)算得到監(jiān)測點(diǎn)的高程、平面坐標(biāo)以及縱、橫向水平位移和垂直位移等內(nèi)部因素[1，2]。

2.2 精度指標(biāo)

根據(jù)文獻(xiàn)[3]規(guī)定的變形監(jiān)測精度指標(biāo)，監(jiān)測點(diǎn)觀測平面的點(diǎn)位中誤差和高程中誤差均為±3mm。

2.3 觀測周期

監(jiān)測點(diǎn)的觀測周期[4]為每天一次，根據(jù)當(dāng)天施工的不同情況，可以對觀測時(shí)間段作適當(dāng)調(diào)整。塔柱澆筑完成高程以下的監(jiān)測點(diǎn)，根據(jù)其監(jiān)測得到的變形規(guī)律可以適當(dāng)減少觀測次數(shù)，直至塔柱澆筑到達(dá)封頂高程。塔柱封頂后觀測周期改為每月觀測一次，直至塔柱竣工。在汛期、蓄水期以及監(jiān)測數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時(shí)，需適當(dāng)增加觀測次數(shù)。

3 變形監(jiān)測方法研究

3.1 典型變形監(jiān)測方法的精度分析

塔柱變形監(jiān)測需要在4個(gè)筒體的不同高程面上布設(shè)監(jiān)測點(diǎn)，由于受施工條件的約束，不可能在每一個(gè)高程面上布設(shè)交通通道，故監(jiān)測點(diǎn)一旦埋設(shè)好后，監(jiān)測人員無法再直接接觸監(jiān)測點(diǎn)，這樣勢必會(huì)限制監(jiān)測方法的選擇。依據(jù)現(xiàn)實(shí)條件，能夠選擇實(shí)施的監(jiān)測方法有全站儀極坐標(biāo)法、測角前方交會(huì)法、邊角交會(huì)法。

1）全站儀極坐標(biāo)法是將全站儀架設(shè)在一已知點(diǎn)上，后視另一已知點(diǎn)，對監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行水平角測量、垂直角測量和斜邊測量，計(jì)算得到監(jiān)測點(diǎn)高程以及平面坐標(biāo)。采用TCA2003全站儀（測角誤差為0.5″，測距誤差為1mm+1mm/km×D）進(jìn)行水平角β、垂直角α以及邊長觀測，以最長斜距離200m（平距為185m，對應(yīng)垂直角為22.1°）和最短斜距離50m（平距為40m，對應(yīng)垂直角為37°）計(jì)算，儀器直接接高，考慮接高讀數(shù)誤差和對中誤差為±0.5mm，則最遠(yuǎn)監(jiān)測點(diǎn)高程中誤差為±1.18 mm，點(diǎn)位中誤差為±1.64mm；最近監(jiān)測點(diǎn)高程中誤差為±0.66mm，點(diǎn)位中誤差為±1.50mm。

2）測角前方交會(huì)法是將全站儀首先架設(shè)在一個(gè)已知點(diǎn)上，后視另一已知點(diǎn)，測量該點(diǎn)與監(jiān)測點(diǎn)的夾角β1以及垂直角α1；再架設(shè)在另一已知點(diǎn)，后視前一已知點(diǎn)，測量該點(diǎn)與監(jiān)測點(diǎn)夾角β2和垂直角α2。利用測量得到的兩已知點(diǎn)與監(jiān)測點(diǎn)的夾角關(guān)系以及兩已知點(diǎn)之間的距離可以分別計(jì)算出兩已知點(diǎn)到監(jiān)測點(diǎn)的距離；通過監(jiān)測得到的距離和垂直角計(jì)算兩已知點(diǎn)高程，取其平均值作為最終高程；通過監(jiān)測得到的距離和夾角計(jì)算得到監(jiān)測點(diǎn)平面坐標(biāo)。采用TCA2003全站儀進(jìn)行觀測時(shí)，假定按照最高精度考慮，則取兩已知點(diǎn)到監(jiān)測點(diǎn)的最長斜距離均為200m（平距為185m，對應(yīng)垂直角為22.1°），最短距離均以60m計(jì)算，儀器直接接高，則計(jì)算得到（β1+β2）=163°、β1=β2=81.5°，考慮接高讀數(shù)誤差和對中誤差為±0.5mm，則高程中誤差為±2.6mm，點(diǎn)位中誤差為±4.7mm。

3）邊角交會(huì)法是將全站儀極坐標(biāo)法與測角前方交會(huì)法相結(jié)合的方法，即將全站儀首先架設(shè)在一個(gè)已知點(diǎn)上，后視另一已知點(diǎn)，測量該點(diǎn)與監(jiān)測點(diǎn)的夾角β1、垂直角α1和斜邊a；再架設(shè)在另一已知點(diǎn)，后視前一已知點(diǎn)，測量該點(diǎn)與監(jiān)測點(diǎn)夾角β2、垂直角α2和斜邊b；利用觀測結(jié)果計(jì)算出監(jiān)測點(diǎn)的高程和平面坐標(biāo)。同時(shí)可計(jì)算出兩組監(jiān)測點(diǎn)的三維空間坐標(biāo)，取其平均值作為最終監(jiān)測成果值。高程精度與平面點(diǎn)位精度的計(jì)算與全站儀極坐標(biāo)法一致，點(diǎn)位中誤差和高程中誤差在全站儀極坐標(biāo)法的基礎(chǔ)上提高了倍。

3.2 筒體變形監(jiān)測方法的選擇

筒體變形監(jiān)測點(diǎn)的平面點(diǎn)位精度和高程精度均必須控制在±3mm以內(nèi)。從精度上分析，全站儀極坐標(biāo)法和邊角交會(huì)法兩種方法均是可行的。由于邊角交會(huì)法要從兩個(gè)不同的方向去測量同一個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，因此采用邊角交會(huì)法監(jiān)測時(shí)必須采用360°反射棱鏡。下面對360°反射棱鏡進(jìn)行二次驗(yàn)證試驗(yàn)。

試驗(yàn)一：首先將360°反射棱鏡安置在已知其坐標(biāo)的某一固定標(biāo)墩上，然后分別架設(shè)全站儀在多個(gè)其他已知坐標(biāo)的固定標(biāo)墩上，從不同的方向測量它們之間的距離，最后將測量結(jié)果與根據(jù)坐標(biāo)計(jì)算得到的結(jié)果作比較。試驗(yàn)結(jié)果表明，采用360°反射棱鏡進(jìn)行監(jiān)測時(shí)，不同方向測量得到的結(jié)果的差值均不一致，最大差值達(dá)到4mm。

試驗(yàn)二：首先將360°反射棱鏡安置在已知其坐標(biāo)的某固定標(biāo)墩上，然后架設(shè)全站儀在另一個(gè)已知坐標(biāo)的某一固定標(biāo)墩上，轉(zhuǎn)動(dòng)360°反射棱鏡到不同的角度方向，測量兩個(gè)標(biāo)墩之間的距離。試驗(yàn)結(jié)果表明，轉(zhuǎn)動(dòng)360°反射棱鏡到不同的角度方向測得的兩個(gè)標(biāo)墩之間的距離均有差別，最大差值也達(dá)到4mm。

由上述試驗(yàn)結(jié)果可知，采用360°反射棱鏡進(jìn)行監(jiān)測測量時(shí)，由于其同心度不一致，無法滿足筒體變形監(jiān)測的要求，故采用邊角交會(huì)法進(jìn)行監(jiān)測是不可行的。

全站儀極坐標(biāo)法采用的是單方向觀測方法，只需采用固定單反射棱鏡，不必考慮單反射棱鏡的加工誤差，因而最終選擇了全站儀極坐標(biāo)法作為筒體變形監(jiān)測方法。

4 變形監(jiān)測實(shí)施

4.1 監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)

在進(jìn)行監(jiān)測的過程中，將水平位移監(jiān)測點(diǎn)和垂直位移監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)為同一監(jiān)測點(diǎn)，目的是反映在施工過程中塔柱結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。在塔柱84.00m高程面以下，每10m布設(shè)一組監(jiān)測點(diǎn)，分布在塔柱的內(nèi)側(cè)；在塔柱84.00m高程面以上，每5m布設(shè)一組監(jiān)測點(diǎn)，分布在塔柱的外側(cè)；每組監(jiān)測點(diǎn)由3條斷面點(diǎn)組成，塔柱左右側(cè)各布置3個(gè)監(jiān)測點(diǎn)。

4.2 監(jiān)測點(diǎn)觀測

1）高程監(jiān)測。塔柱84.00m高程以下監(jiān)測點(diǎn)的高程采用Leica TCA2003高精度全站儀測量，即將高精度全站儀任意架設(shè)在50.00m高程面上，通過調(diào)整水準(zhǔn)儀，利用局部控制網(wǎng)點(diǎn)監(jiān)測全站儀基準(zhǔn)視線高，通過測量得到的垂直角和斜邊長計(jì)算得到監(jiān)測點(diǎn)的高程。塔柱84.00m高程以上監(jiān)測點(diǎn)的高程采用高精度全站儀測量，即將高精度全站儀架設(shè)在與監(jiān)測點(diǎn)高程面高程相近的馬道上，利用周邊專用施工控制網(wǎng)點(diǎn)監(jiān)測全站儀高程基準(zhǔn)視線高，通過多測回測量得到的垂直角和斜邊長計(jì)算得到監(jiān)測點(diǎn)的高程。

2）平面監(jiān)測。將Leica TCA2003高精度全站儀置于某一工作基點(diǎn)上，根據(jù)全站儀極坐標(biāo)法原理，先對準(zhǔn)另一工作基點(diǎn)作為后視，然后依靠馬達(dá)驅(qū)動(dòng)儀器，利用安裝在儀器內(nèi)的機(jī)載軟件，自動(dòng)識(shí)別并精確照準(zhǔn)目標(biāo)，按全圓方向法自動(dòng)觀測角度和邊長，并實(shí)時(shí)存入PC（personal computer）卡中，同時(shí)記錄下測量時(shí)的干溫、濕溫和氣壓，直到完成全部測量工作。

機(jī)載軟件程序在觀測過程中能自動(dòng)判別歸零差、2C互差、指標(biāo)差、同一方向各測回互差、測距測回互差等測量數(shù)據(jù)是否超限。若超限則程序自動(dòng)重測各超限方向，直到測量得到的數(shù)據(jù)符合精度要求為止。

4.3 監(jiān)測數(shù)據(jù)處理

及時(shí)檢查監(jiān)測數(shù)據(jù)的質(zhì)量，及時(shí)了解施工期建筑物的變形情況，現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)采集完后，對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行如下處理。

1）將全站儀PC卡上所存的各種數(shù)據(jù)傳入電腦，對外業(yè)觀測成果進(jìn)行檢查；

2）對邊長加乘常數(shù)進(jìn)行修正，同時(shí)對氣象元素進(jìn)行修正，利用垂直角和修正后的邊長計(jì)算監(jiān)測點(diǎn)高程；

3）利用計(jì)算得到的高程進(jìn)行距離改平，通過改平后的距離以及觀測水平角計(jì)算監(jiān)測點(diǎn)的平面坐標(biāo)；

4）將計(jì)算得到的監(jiān)測點(diǎn)平面坐標(biāo)換算成相對于監(jiān)測點(diǎn)首次觀測得到的平面坐標(biāo)值的水平位移量和垂直位移量；

5）根據(jù)得到的相對水平位移量以及相對垂直位移量繪制相應(yīng)的位移量變化過程線。

5 監(jiān)測成果與分析

5.1 塔柱變形監(jiān)測基本情況

塔柱變形監(jiān)測從2010年5月開始進(jìn)行，監(jiān)測點(diǎn)的埋設(shè)位置分布在1、2、3、4#筒體以及7號(hào)軸上，監(jiān)測高程為60.00～195.00m，監(jiān)測周期為每天觀測一次。由于受施工影響，個(gè)別監(jiān)測點(diǎn)未能實(shí)現(xiàn)連續(xù)觀測。其中2011年2月后，84.00m高程以下監(jiān)測點(diǎn)由于受齒條、螺母柱二期埋件施工影響，所有監(jiān)測點(diǎn)被遮擋或毀壞，無法進(jìn)行后續(xù)監(jiān)測。84.00m高程以下監(jiān)測點(diǎn)共監(jiān)測了180次，從其監(jiān)測成果分析，在綜合考慮到低溫季節(jié)、高溫季節(jié)，有風(fēng)、無風(fēng)，以及塔柱是否處于澆筑上升期等因素的情況下，塔柱上下游及左右岸的累計(jì)位移量都在2mm以內(nèi)。由文獻(xiàn)[3]可知，變形監(jiān)測的精度指標(biāo)為監(jiān)測點(diǎn)平面點(diǎn)位中誤差在±3mm以內(nèi)，故可認(rèn)為84.00m高程以下塔柱縱、橫方向沒有發(fā)生水平位移。高程受溫度高低影響而變化，溫度高，高程上升；反之，高程下降。同時(shí)分布在高高程的監(jiān)測點(diǎn)比低高程的監(jiān)測點(diǎn)高程變化量大，高高程的監(jiān)測點(diǎn)在月平均最低溫度與月平均最高溫度的高程變化達(dá)到5mm左右。2011年2月后重點(diǎn)監(jiān)測塔柱95.00m高程以上的監(jiān)測點(diǎn)。

5.2 監(jiān)測點(diǎn)成果

三峽升船機(jī)為高薄壁型塔柱結(jié)構(gòu)，主要受溫度及自重影響，發(fā)生的變形大。95.00m高程以上各監(jiān)測點(diǎn)是從2011年1月開始觀測，180.00m高程以上監(jiān)測點(diǎn)因施工部位于2012年9月才形成而導(dǎo)致監(jiān)測時(shí)間短，沒有經(jīng)過低高溫監(jiān)測時(shí)段，無法進(jìn)行成果分析，同時(shí)考慮監(jiān)測點(diǎn)太多，故本次以3＃筒體為例，按照高程分布從上到下選擇180.00m高程以下部分監(jiān)測點(diǎn)參與進(jìn)行成果初步分析。

塔柱3＃筒體95.00～175.00m高程部位各監(jiān)測點(diǎn)2013年3月之前的變形曲線如圖1～圖4所示。其中X方向、Y方向、H方向的符號(hào)含義如下：X方向，“+”表示向下游位移，“-”表示向上游位移；Y方向，“+”表示向左岸位移，“-”表示向右岸位移；H方向：“+”表示向下下沉位移量，“-”表示向上上升位移量。

圖1 3#筒體95.00m高程以上監(jiān)測點(diǎn)月平均溫度與時(shí)間關(guān)系曲線圖Fig.1 The relationship ofmonitoring pointsmonthly average tem perature and time of 3#cylinder above 95.00m elevation

圖2 3#筒體95.00m高程以上監(jiān)測點(diǎn)X方向月平均累計(jì)位移量與時(shí)間關(guān)系曲線圖Fig.2 The relationship ofmonitoring points X-directionmonthly average cumulative displacement and timeof 3#cylinder above 95.00m elevation

圖3 3#筒體95.00m高程以上監(jiān)測點(diǎn)Y方向月平均累計(jì)位移量與時(shí)間關(guān)系曲線圖Fig.3 The relationship ofmonitoring points Y-direction monthly average cumulative displacement and timeof 3#cylinder above 95.00m elevation

圖4 3#筒體95.00m高程以上監(jiān)測點(diǎn)H方向月平均累計(jì)位移量與時(shí)間關(guān)系曲線圖Fig.4 The relationship ofmonitoring points H-direction monthly average cumulative disp lacem ent and timeof 3#cylinder above 95.00m elevation

通過不同觀測年份同一月份月平均累計(jì)位移量和同一觀測年份最高溫和最低溫月份月平均累計(jì)位移量進(jìn)行比較，獲得的成果如表1～表6所示。

表1 3#筒體不同年份同一月份X方向月平均累計(jì)位移量差值表Table1 The X-directionmonthly average cumulative disp lacementdifference tableof the samemonth in different years for 3#cylinder

表2 3#筒體不同年份同一月份Y方向月平均累計(jì)位移量差值表Table2 The Y-directionmonthly average cumulative disp lacement difference tableof the samemonth in different years for 3#cylinder

表3 3#筒體不同年份同一月份H方向月平均累計(jì)位移量差值表Table 3 The H-directionm onthly average cumulative disp lacem ent difference table of the samemonth in different years for 3#cylinder

表4 3#筒體同一年份最高溫和最低溫月份X方向月平均累計(jì)位移量差值表Table 4 The X-directionmonthly average disp lacement difference table on themonthswhich havemaximum and m inimum tem peratures in the same year for 3#cylinder

表5 3#筒體同一年份最高溫和最低溫月份Y方向月平均累計(jì)位移量差值表Table 5 The Y-directionmonthly average disp lacem ent difference table on themonthswhich havemaximum and m inimum tem peratures in the same year for 3#cylinder

表6 3#筒體同一年份最高溫和最低溫月份H方向月平均累計(jì)位移量差值表Table6 The H-directionmonthly average disp lacement difference tableon themonthswhich havemaximum and m inimum tem peratures in the same year for 3#cylinder

5.3 監(jiān)測成果分析

由圖1～圖4和表1～表6可以得出如下變形監(jiān)測結(jié)果分析結(jié)論。

1）筒體監(jiān)測點(diǎn)X、Y、H三個(gè)方向的月平均累計(jì)位移量都隨溫度變化而變化，溫度降低，X方向月平均累計(jì)位移量增大，Y方向月平均累計(jì)位移量減小，H方向月平均累計(jì)位移量向正值方向增大；反之，溫度升高，X方向月平均累計(jì)位移量減小，Y方向月平均累計(jì)位移量增大，H方向月平均累計(jì)位移量向負(fù)值方向增大。

2）對于筒體，隨著時(shí)間的推移，筒體不斷升高，通過不同觀測年份同一月份月平均累計(jì)位移量比較分析，總體來看：X方向3#筒體往上游偏移，不同的高度偏移量不一樣，高度越高偏移越大；Y方向，3#筒體都往船廂室側(cè)偏移，不同的高度偏移量不一樣，高度越高偏移越大；H方向，3#筒體都在下沉，不同的高度下沉量不一樣，高度越高下沉越大。

3）對于筒體，隨著時(shí)間的推移，筒體不斷升高，通過同一觀測年份最高溫和最低溫月份月平均累計(jì)位移量比較分析，年溫差最大達(dá)到24.6℃，其變形情況為：X、Y、H方向不同高程的監(jiān)測點(diǎn)高低溫月平均累計(jì)位移量之差不一致，其改變趨勢是高度越高差量越大，其最大差量一般出現(xiàn)在170.00～175.00m高程附近。

總之，筒體隨溫度變化而變化，溫差大變形大，溫差小或恒溫狀態(tài)時(shí)變形很小或沒有變形，此變形情況符合建筑物變形規(guī)律。

6 結(jié)語

三峽升船機(jī)為高薄壁型塔柱結(jié)構(gòu)，主要受溫度及自重影響，發(fā)生的變形大。本文通過對幾種典型監(jiān)測方法精度分析及360°反射棱鏡進(jìn)行二次驗(yàn)證試驗(yàn)，最后決定采用全站儀極坐標(biāo)法作為筒體變形監(jiān)測方法。塔柱變形監(jiān)測從2010年5月開始進(jìn)行，利用測量得到的塔柱變形長期累積的觀測數(shù)據(jù)，對塔柱外觀形變進(jìn)行了分析。觀測成果和分析結(jié)果表明，變形情況符合建筑物變形規(guī)律，由此證明所采用的監(jiān)測方法是切實(shí)可行的。本文所采用的變形監(jiān)測方法能夠?yàn)橄嚓P(guān)工程的施工和修正設(shè)計(jì)工作提供一定的參考借鑒。

[1] 李青岳，陳永奇.工程測量學(xué)[M].第3版.北京：測繪出版社，2008.

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[3] 國家能源局.DL/T 5173—2012水電水利工程施工測量規(guī)范[S].北京：中國電力出版社，2012.

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