陸渾水庫變形觀測之水平位移測量技術(shù)淺談

河南省陸渾水庫管理局

摘要：隨著全球定位系統(tǒng)和全站儀普及應(yīng)用，測量技術(shù)對現(xiàn)代測量人員要求的越來越高。陸渾水庫目前實(shí)施的測量方案（手段）仍停留在上世紀(jì)90年代水平，為整合現(xiàn)有配備資源，通過改進(jìn)和修正測量方法（方案），是老儀器能重新煥發(fā)功能，施測出滿足精度要求的安全監(jiān)測數(shù)據(jù)。本文通過對水平位移的視準(zhǔn)線法和測小角法的原理及優(yōu)缺點(diǎn)的比較，對水平位移測量技術(shù)方案的測量方法的提出了修正意見，使得該法仍具便于操作、測量數(shù)據(jù)滿足精度的要求。

關(guān)鍵詞：水平位移 ；視準(zhǔn)線法；測小角法；現(xiàn)代測量技術(shù)

1.工程概況

陸渾水庫位于黃河流域伊河支流的嵩縣境內(nèi)，距洛陽市67km，是一座集防洪發(fā)電、灌溉、供水、養(yǎng)殖為一體的大（Ⅰ）型水利樞紐工程，主要由大壩、輸水洞、泄洪洞、溢洪道、灌溉洞及水電站組成。設(shè)計(jì)等級除輸水洞為二級建筑物外，其余均為一級建筑物?？刂屏饔蛎娣e3492km，總庫容13.2億m3，水庫防洪標(biāo)準(zhǔn)為千年一遇設(shè)計(jì)，萬年一遇校核，設(shè)計(jì)總泄量5622m3/s。水庫地理位置非常重要，下游有洛陽、鄭州、開封三個重要工業(yè)城市及以此為中心的中原經(jīng)濟(jì)區(qū)，有隴海、焦枝、京廣三條鐵路干線和連—霍、洛—界、洛—欒等高速公路及著名的世界文化遺產(chǎn)龍門石窟，故確保水庫下游社會環(huán)境安全具有重大戰(zhàn)略意義。

2.開展的監(jiān)測項(xiàng)目

陸渾水庫目前開展的主要監(jiān)測項(xiàng)目有變形觀測（水平和垂直位移，按規(guī)范規(guī)定年度不少于2次，安排在5月和10月）、地下水、滲流觀測、天然鋪蓋及雨量觀測等，但變形監(jiān)測是確保水庫樞紐工程安全運(yùn)行研判的最主要監(jiān)測項(xiàng)目之一，該項(xiàng)監(jiān)測工作不僅復(fù)雜、耗時長，而且需投入大量的人力、設(shè)備，而且后期內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)檢索、整理及分析工作量大、要求高，因此該項(xiàng)工作十分重要。

3.變形觀測之水平位移的施測方法

3.1 視準(zhǔn)線法

圖1 視準(zhǔn)線法

3.1.1 視準(zhǔn)線法的測量原理

如上圖1中，點(diǎn)A、B是視準(zhǔn)線的兩個基準(zhǔn)點(diǎn)（端點(diǎn)），d1 ， d2 ， d3 為水平位移監(jiān)測點(diǎn)。觀測時將經(jīng)緯儀置于A點(diǎn)，將儀器照準(zhǔn)B點(diǎn)，將水平制動裝置制動。豎直方向轉(zhuǎn)動經(jīng)緯儀望遠(yuǎn)鏡，分別轉(zhuǎn)至d1d1 ， d2 d2， d3d3 三個點(diǎn)附近，用小鋼尺等工具分別量取水平位移監(jiān)測點(diǎn)1d1 ， d2 d2， d3d3 至A—B這條視準(zhǔn)線的距離。根據(jù)前后兩次量取的距離，得出這段時間內(nèi)水平位移量[1]。

3.1.2 精度分析

由視準(zhǔn)線的設(shè)置過程可知，觀測誤差主要包括儀器測站點(diǎn)儀器對中誤差、視準(zhǔn)線照準(zhǔn)誤差、讀數(shù)照準(zhǔn)誤差，其中，影響最大的無疑是讀數(shù)照準(zhǔn)誤差?？芍?，當(dāng)視準(zhǔn)線太長時， 目標(biāo)模糊，讀數(shù)照準(zhǔn)精度太差。且后視點(diǎn)與測點(diǎn)距離相差太遠(yuǎn)，望遠(yuǎn)鏡調(diào)焦誤差較大，無疑對觀測成果有較大影響。另外此方法還受到大氣折光等因素的影響。

3.1.3視準(zhǔn)線法的優(yōu)點(diǎn)與不足

優(yōu)點(diǎn)： 視準(zhǔn)線觀測方法因其原理簡單、方法實(shí)用、實(shí)施簡便、投資較少的特點(diǎn)；不足：對較長的視準(zhǔn)線而言， 由于視線長， 使照準(zhǔn)誤差增大， 甚至可能造成照準(zhǔn)困難。當(dāng)視 準(zhǔn)線太長時，目標(biāo)模糊，照準(zhǔn)精度太差且后視點(diǎn)與測點(diǎn)距離相差太遠(yuǎn)，望遠(yuǎn)鏡調(diào)焦誤差較大， 無疑對觀測成果有較大影響。

3.2測量小角法

3.2.1 測量小角法的原理

如下列圖2中，如需觀測某特定方向上的水平位移 PP′，在距離監(jiān)測區(qū)域一定距離以外選定工作基點(diǎn)A，水平 位移監(jiān)測點(diǎn)的布設(shè)應(yīng)盡量與工作基點(diǎn)在一條直線上。在一定遠(yuǎn)處（施工影響范圍之外）選定一 個控制點(diǎn)B，作為零方向。在B點(diǎn)安置覘牌，用測回法觀測水平角∠BAP ，測定一段時間內(nèi)觀測 點(diǎn)與基準(zhǔn)點(diǎn)連線與零方向之間的角度變化值，根據(jù)公式：δ = ?β × D / ρ′′（式中D為監(jiān)測點(diǎn)P至工作基點(diǎn)A的水平距離， ρ′′′=206265。）計(jì)算得出水平位移量。

圖2 測小角法

3.2.2精度分析

由小角法的觀測原理可知，水平位移觀測全都受距離D和水平角β的觀測誤差的影響， 由于D經(jīng)一次觀測后可作為固定值，水平位移觀測精度可認(rèn)為僅與測角精度有關(guān)，其觀測中誤差可按照公式：mδ ≈ m?β ? D / ρ′′計(jì)算。水平位移觀測中誤差的公式表明：距離觀測誤差對水平位移觀測誤差影響甚微，一般情況下此部分誤差可以忽略不計(jì)，采用鋼尺等一般方法量取即可滿足要求；影響水平位移觀測精 度的主要因素是水平角觀測精度，應(yīng)盡量使用高精度儀器或適當(dāng)增加測回?cái)?shù)來提高觀測度；經(jīng)緯儀的選用應(yīng)根據(jù)建筑物的觀測精度等級確定，在滿足觀測精度要求的前提下，可以使用精度較低的儀器，以降低觀測成本。

3.2.1 測量小角法的優(yōu)點(diǎn)與不足

優(yōu)點(diǎn)：此方法簡單易行，便于實(shí)地操作，精度較高；不足：須場地較為開闊，基準(zhǔn)點(diǎn)應(yīng)該離開監(jiān)測區(qū)域一定的距離之外，設(shè)在不受施工影響的地方。

4.工程施測工況及精度分析

陸渾水庫攔河大壩長1200m，現(xiàn)有觀測基點(diǎn)52個。分別位于大壩上游、壩頂和大壩下游的不同位置，用于垂直位移和水平位移觀測觀測。水平和垂直位移觀測基座共用，基準(zhǔn)為強(qiáng)制對中，上部為現(xiàn)澆60cm高混凝土基座，頂端平面鑲?cè)胍恢睆郊s20cm不銹鋼圓盤，圓盤正中有一儀器按防孔；下部基礎(chǔ)埋深80cm，基礎(chǔ)與四周接觸面留有10cm縫隙，用瀝青填充，以便使大壩表面的變化不至于影響基礎(chǔ)的穩(wěn)定性，保證測量的精度。測樁的布設(shè)特別是321m排和330m排，東壩頭的基樁設(shè)置的地方位于樹林的下部，在西壩頭后視東壩頭基樁的時候，在天氣晴朗的情況下，勉強(qiáng)可以看清后視樁；但是在陰天的時候視線就模糊不清，讀數(shù)精度大幅降低。另外，基樁周圍沒有防護(hù)措施，經(jīng)常處于風(fēng)吹雨淋的狀態(tài)下，多數(shù)螺絲固定不緊，也使讀數(shù)精度降低。再者，現(xiàn)在的所用的J2經(jīng)緯儀，長時間沒有經(jīng)過校對，也使讀數(shù)精度降低。

綜上所述，現(xiàn)在的陸渾水庫的水平位移的測量精度不高，而且返工重測的幾率較大，浪費(fèi)了較多人力和物力。建議在當(dāng)下情況，用測小角法的測量方法，雖然多耗費(fèi)了時間及人工、外業(yè)和內(nèi)業(yè)的工作量倍增，但從實(shí)際測量數(shù)據(jù)分析能保證測量精度、滿足大壩安全監(jiān)測的要求。

5.結(jié)束語

近年來隨著現(xiàn)代測量技術(shù)的發(fā)展，以及電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的普及，特別是現(xiàn)代全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)的普及，為測量技術(shù)的進(jìn)一步提高提供了發(fā)展契機(jī)。陸渾水庫也于2006年配備了全站儀和GPS的新型測量儀器，但是在測量配套的后續(xù)工作上沒有跟上，現(xiàn)在水平位移和垂直位移基本上仍是采用傳統(tǒng)的儀器和方法。建議在以后工作中，加強(qiáng)人員技術(shù)培訓(xùn)，使新技術(shù)在水庫管理中普及應(yīng)用，為水庫安全運(yùn)行提供保障。