桐柏蓄能電站大壩表面水平位移監(jiān)測系統(tǒng)改造

張士平，張江駿，陳 斌，趙賢學(xué)，陳 勤，戴建軍

（1.華東桐柏抽水蓄能發(fā)電有限責(zé)任公司，浙江 天臺317200；2.富春江水力發(fā)電廠，浙江 杭州311500）

1 項目概況

1.1 工程簡述

桐柏蓄能電站上水庫位于浙江省天臺縣三茅溪支流百丈溪，距天臺縣城7 km，電站是一座日調(diào)節(jié)純抽水蓄能電站，共安裝4臺立軸單級混流可逆式水泵水輪機組，機組單機容量300 MW，總裝機容量為1 200 MW，設(shè)計日發(fā)電量600萬kW·h，年發(fā)電量21.18億kW·h。電網(wǎng)中承擔(dān)調(diào)峰、填谷、調(diào)頻、調(diào)相以及事故備用等任務(wù)。

工程等別為一等工程，工程規(guī)模屬大（1）型。電站樞紐建筑物由上水庫、下水庫、輸水系統(tǒng)、地下洞室群、地面開關(guān)站、中控樓等部分組成。上庫主副壩為均質(zhì)土壩，主副壩相連，最大壩高37.49 m，下庫主壩為鋼筋混凝土面板堆石壩，壩高68.25 m，壩頂長度434 m。

1.2 大壩表面水平位移監(jiān)測系統(tǒng)

大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)首先是用以監(jiān)控大壩安全、掌握其運行規(guī)律的手段，其次是用于指導(dǎo)施工和運行及反饋設(shè)計而建立的。大壩表面水平位移監(jiān)測是大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)的一個重要組成部分，監(jiān)測的數(shù)據(jù)是反應(yīng)大壩表面各個部位的上下游及左右岸方向的變形狀態(tài)，監(jiān)測精度要求混凝土大壩中誤差不大于1 mm，土石壩中誤差不大于3 mm，監(jiān)測精度越高監(jiān)測到的大壩水平位移數(shù)據(jù)越能說明大壩變形的真實狀態(tài)。

桐柏蓄能電站上庫大壩表面水平位移監(jiān)測系統(tǒng)，共有28個測點、8條斷面、1個前方交會，頻次為2次/月，觀測工作任務(wù)重。觀測方法分別為邊角交會法、極坐標法。

2 系統(tǒng)改造

2.1 系統(tǒng)分析

桐柏蓄能電站上庫大壩表面水平位移監(jiān)測系統(tǒng)包括3條縱斷面共計11個水平位移測點，下庫大壩表面水平位移監(jiān)測系統(tǒng)包括壩體5條縱斷面及溢洪道側(cè)墻共計27個水平位移測點。表面水平位移的觀測方法采用邊角交會法、極坐標法，工作基點放置TCA2003全站儀，測點安置帶底座的棱鏡，這是通常的作業(yè)方法。但這種作業(yè)方法一定程度上影響水平位移觀測的精度、作業(yè)強度、棱鏡的使用周期。

2.1.1 邊角交會法觀測精度分析

上庫大壩表面變形監(jiān)測點TPS1～TPS6觀測方法采用以DC1及DC2為工作基點采用邊角交會法；下庫表面變形監(jiān)測點 TPX19、TPX20、TPy2、TPy4、TPy7、TPy9以TBX7、TBX8為工作基點采用邊角交會法觀測。精度分析如下：

1）測角中誤差

測角中誤差mβ包括測站平差后的角度中誤差mγ及除此之外的系統(tǒng)誤差ME，規(guī)范中以大量的三角網(wǎng)觀測精度統(tǒng)計得：%，即而代入上式得：，推得估算測回數(shù)n的經(jīng)驗公式式中：n為測回數(shù)；m為測站上一a測回角度中誤差（″）；mβ為按閉合差計算的測角中誤差（″）。

本項目觀測4個測回，n=4；采用TCA2003全站儀，取ma=±1.0″，得：mβ=±1.15″。

2）測邊中誤差

邊長誤差取決于測距精度，對于TCA2003全站儀，測距精度為1 mm+1 ppm。取ml=±1.0 mm。

3）精度估算

本項目邊角交會法觀測水平位移，共4個觀測值，2個角度值和2條邊長值，存在多余觀測條件，觀測值經(jīng)平差計算所得，觀測精度優(yōu)于單純測角及測邊交會法。利用NASEW平差軟件，根據(jù)各測點三角形形狀及測角測邊精度可估算各測點測量值中誤差（mP），位移值是2次觀測值之差，故得位移值的中誤差為，估算成果見表1。由表1可見，各測點位移中誤差基本一致，在±0.79～±1.16 mm之間，滿足規(guī)范要求。

表1 邊角交會測點估算精度一覽表 單位：mm

2.1.2 極坐標法觀測精度分析

上庫大壩表面變形監(jiān)測點TPS7、TPS8以DC2為工作基點采用極坐標法觀測；下庫大壩表面變形監(jiān)測點 TPX7～TPX11、TPy1、TPy6以 TBX3為工作基點、TBX4為后視點采用極坐標法觀測；下庫大壩表面變形監(jiān)測點TPX1～TPX4以TBX1為工作基點、TBX2為后視點采用極坐標法觀測；下庫大壩表面變形監(jiān)測點TPX5、TPX6以TBX2為工作基點、TBX1為后視點采用極坐標法觀測。精度分析如下：

1）測角中誤差

同邊角交會法，mβ=±1.15″。

2）測邊中誤差

同邊角交會法，測距精度為1 mm+1 ppm。

3）精度計算

式中：ml為測邊中誤差（mm），取±1.0 mm；mβ為測角中誤差（″），取 ±1.15″；mxp為 X 方向的點位中誤差；myp為Y方向的點位中誤差；mp為測點點位中誤差。

根據(jù)上述公式，各極坐標測點水平位移估算中誤差見表2。由表2可見，各測點位移中誤差在1.54～1.94 mm之間，滿足要求。

表2 極坐標測點估算精度一覽表 單位：mm

2.1.3 實際觀測過程中影響觀測精度因素

2）對崗位管理和工件加工工藝進行調(diào)整。通過輪崗的方式減少操作人員受噪聲影響的時間；同樣的零件采用多工序加工要比單工序加工產(chǎn)生的噪聲小。

以上精度分析只從全站儀精度及邊角交會和極坐標的結(jié)構(gòu)圖形分析得出的，但實際過程中還受到測點棱鏡放置時，棱鏡組基座及支架偏心差、基座圓水準軸誤差以及調(diào)平誤差共同影響導(dǎo)致的中誤差一般在±0.5 mm以上，有時甚至在±1 mm以上，這樣觀測的精度可能會超過規(guī)范的要求。為了減小或消除這些誤差，確保觀測精度滿足規(guī)范要求，只能是測點棱鏡固定而不是每次觀測時放置，但要做到這點必須進行改造。

2.2 改造方案

常規(guī)觀測只是在每次觀測時在測點上安放棱鏡，為了消除棱鏡組基座及支架偏心差、基座圓水準軸誤差以及調(diào)平誤差帶給觀測精度的影響，每個測點需固定放置高精度免調(diào)節(jié)變形監(jiān)測棱鏡組，但因為電站大壩屬開放式管理，防止人員碰動或拿走棱鏡，必須安裝高強度不銹鋼防盜保護罩，這樣才能真真達到改造的目的。

2.2.1 加工棱鏡連接桿

原使用的棱鏡組帶有安平調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)，這樣棱鏡組基座及支架偏心差、基座圓水準軸誤差以及調(diào)平誤差將嚴重影響觀測精度?，F(xiàn)精密加工一個連接桿直接將棱鏡與測點底座緊密相接，這種連接在變形監(jiān)測中可行，因為變形量是每次觀測值與首次測值之間的差值，只要每次觀測現(xiàn)狀一致，精度就會越高，但此方法只適合變形監(jiān)測而不適合其他工程測量。

2.2.2 加工保護裝置

保護裝置必須具備的功能：防止棱鏡日曬、雨淋、外力碰撞導(dǎo)致變位、人為損壞偷盜等。為此專門設(shè)計了如圖1的一個保護裝置。

圖1 免調(diào)節(jié)棱鏡及防護裝置安裝照片

2.2.3 安裝

2.2.4 改造后資料的銜接

大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)更新改造工作中，應(yīng)保證監(jiān)測系統(tǒng)改造前后監(jiān)測數(shù)據(jù)的連續(xù)性和有效傳遞，對于改造工作期間觀測點位移量未產(chǎn)生變化或產(chǎn)生的變化可以忽略不計的（盡可能在最短的時間內(nèi)完成），可在改造工作期間通過過渡觀測，對基準值進行修正，保持監(jiān)測數(shù)據(jù)的連續(xù)性和有效傳遞。

對于位移量ΔX=X1（本次觀測值）-X0（首次觀測值）的水平位移等監(jiān)測項目，改造后的累計位移量ΔL=L1（改造前的過渡期觀測值）-L0（改造前基準值）+L1′（改造后正常觀測值）-L0′（改造后的過渡期觀測值），即

設(shè)改造后的累計位移量ΔL觀測中誤差為M，后期正常觀測（L1′-L0）或（L0-L1′）引起的中誤差為M0，改造工作帶來的修正值觀測（L1-L0′）或（L0′-L1）引起的中誤差為M1。

為使改造工作引起的中誤差M1不影響原有的觀測中誤差，按控制測量的不影響原則規(guī)定，即按偶然誤差傳播定律計算得到的因改造工作引起的修正值觀測中誤差對原有的ΔL觀測中誤差M的影響僅在10%以內(nèi)，這一影響實際上可忽略不計。即要求：

設(shè)改造工作采用n倍原正常觀測測次，則

即要使得M1不大于倍的M0，必須采用4.8倍以上原來的觀測測回數(shù)，故一般采用5倍原來的觀測測回進行。因原正常觀測是4測回的，監(jiān)測系統(tǒng)改造前后均必須采用2次的各10測回進行觀測。

3 結(jié)論

經(jīng)改造后消除了測點安置棱鏡組基座及支架偏心差、基座圓水準軸誤差以及調(diào)平誤差造成的誤差，從而確保了表面水面位移觀測精度在2 mm之內(nèi)滿足規(guī)范要求。

改造后因測點棱鏡固定，每個表面水平位移項目在實際觀測時只需2個人（全站儀施測者和記錄者），改造前另需2人安置調(diào)平測點棱鏡，從而減少了工作人員。

改造后因無需測點安置調(diào)平棱鏡，則不需每次觀測時在27個測點上分別安置棱鏡，特別是有些至測點行走路線不安全，所以經(jīng)改造后既大大減輕了勞動強度，又提高了室外作業(yè)人員的安全性。