基于差分技術(shù)的大壩表面變形監(jiān)測研究

付淑娟

（邯鄲市漳滏河灌溉供水管理處，河北 邯鄲 056003）

基于差分技術(shù)的大壩表面變形監(jiān)測研究

付淑娟

（邯鄲市漳滏河灌溉供水管理處，河北 邯鄲 056003）

【摘要】以大氣環(huán)境等影響為前提，介紹了大壩表面變形監(jiān)測系統(tǒng)的組成，探討了系統(tǒng)差分測量的原理及精度。利用基準(zhǔn)點(diǎn)的穩(wěn)定性和基準(zhǔn)網(wǎng)的已知信息，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測點(diǎn)的自動差分計算與平差處理，從而提高監(jiān)測的觀測精度。工程應(yīng)用表明，監(jiān)測系統(tǒng)合理，自動化程度高，測量精度達(dá)到亞毫米級。

【關(guān)鍵詞】臥虎山水庫；變形觀測；TCA測量機(jī)器人；差分技術(shù)

臥虎山水庫大壩全長985m，壩頂高程為139.5m，壩頂寬8.75m，最大壩高37m，大壩前坡為四級邊坡，用干砌粗料石護(hù)砌。大壩后坡為三級邊坡，植草皮護(hù)坡，坡比自下而上分別是1∶2.75、1∶2.5和1∶1.905。從壩體土料分布看，該壩體由亞黏土、礫質(zhì)土、砂礫石、風(fēng)化碎頁巖以及塊石這5類土組成。2010年大壩除險加固施工需對壩前清淤、壩后增高，即引起大壩抗滑力減小、滑動力增大，從而可能引起壩體整體滑動，影響大壩安全。為確保大壩在施工及運(yùn)營期的安全，必須建立實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)對壩體位移進(jìn)行自動監(jiān)測。

1　自動化極坐標(biāo)監(jiān)測系統(tǒng)的組成

1.1監(jiān)測站

根據(jù)現(xiàn)場情況，監(jiān)測站選在大壩的下游，該站由3部分構(gòu)成，第一部分是建立在基巖上的儀器強(qiáng)制對中墩；第二部分是徠卡TCA2003全站儀，他具有自動目標(biāo)識別的ATR功能，實(shí)現(xiàn)角度、距離的自動化測量；第三部分是對全站儀的防護(hù)、保溫和防盜措施。

1.2基準(zhǔn)點(diǎn)

在大壩兩端的山頂各建立了2個穩(wěn)定的基準(zhǔn)點(diǎn)，每個基準(zhǔn)點(diǎn)上配有一套正對監(jiān)測站的單棱鏡組，棱鏡的強(qiáng)制對中裝置均嵌入基巖內(nèi)。監(jiān)測站與基準(zhǔn)點(diǎn)之間的已知距離、方位和高差是整個極坐標(biāo)差分監(jiān)測的基礎(chǔ)，監(jiān)測站至各基準(zhǔn)點(diǎn)的方向和距離覆蓋了整個變形監(jiān)測區(qū)，對實(shí)時差分精度最為有利。

1.3變形監(jiān)測點(diǎn)

監(jiān)測變形點(diǎn)選在能表現(xiàn)大壩邊坡變形情況的位置，本項(xiàng)目沿大壩軸線方向均勻選擇了10個斷面，每個斷面自上而下設(shè)置了3個監(jiān)測點(diǎn)，每個監(jiān)測點(diǎn)需要建立混凝土觀測墩，該觀測墩距離地面約1m，整體現(xiàn)澆施工，頂部預(yù)埋可以安置棱鏡的連接桿，外部半密閉金屬棱鏡保護(hù)罩。

1.4計算機(jī)控制平臺

計算機(jī)控制平臺一般位于辦公區(qū)，控制平臺與監(jiān)測站房之間埋設(shè)專用電纜，實(shí)現(xiàn)機(jī)房中心計算機(jī)和監(jiān)測站上全站儀之間的數(shù)據(jù)通訊。在控制機(jī)房內(nèi)就能實(shí)時全面了解監(jiān)測站全站儀的運(yùn)行情況。另外，大壩表面監(jiān)測系統(tǒng)軟件由2部分構(gòu)成，一部分是APSWin系統(tǒng)，他是徠卡公司在自動化全站儀 （TCA2003）的基礎(chǔ)上提供的基于Windows開發(fā)的自動極坐標(biāo)測量軟件；另一部分是極坐標(biāo)實(shí)時差分?jǐn)?shù)據(jù)處理軟件，他是基于觀測數(shù)據(jù)處理、實(shí)時差分改正、平差計算和變形監(jiān)測點(diǎn)信息輸出報表綜合應(yīng)用軟件。

2　極坐標(biāo)差分測量原理

2.1監(jiān)測點(diǎn)三維坐標(biāo)和變形量計算公式

設(shè)監(jiān)測站的三維坐標(biāo)為（X0，Y0，Z0），按照極坐標(biāo)計算公式可得到每周期各監(jiān)測點(diǎn)的三維坐標(biāo)：

若以監(jiān)測點(diǎn)第1周期的坐標(biāo)值 （X1，Y1，Z1）

P P P作為初始值，則各期監(jiān)測點(diǎn)相對于第1周期的變形量為（ΔXPi，ΔYPi，ΔZPi），即

由式（1）可知引起觀測值誤差的主要因素是距離測量和角度測量，而在測量儀器精度（測距精度和測角精度）不變的情況下，影響距離和角度測量的主要因素是大氣溫度、濕度、風(fēng)力、風(fēng)向和大氣折光等環(huán)境條件。如果能對這些影響因素加以修正，從而可提高監(jiān)測點(diǎn)的三維坐標(biāo)測量精度，得到更高精度的變形量。

2.2系統(tǒng)差分測量原理

2.2.1觀測距離的差分改正

設(shè)監(jiān)測站至某一基準(zhǔn)點(diǎn)C的第1期測量斜距為dC1，在大壩變形觀測過程中，第i期的實(shí)測斜距為dCi，兩者之間的差異就可以認(rèn)為是因大氣環(huán)境條件變化引起的，則大氣環(huán)境改正比例系數(shù)ΔdCi為：

通常情況下基準(zhǔn)點(diǎn)應(yīng)選取2～4個，并且均勻分布在變形監(jiān)測點(diǎn)的四周，求得每一個基準(zhǔn)點(diǎn)的比例系數(shù)后，取其中值作為整個變形監(jiān)測區(qū)的大氣環(huán)境改正比例系數(shù)Δdi。

若同一時刻測得某變形監(jiān)測點(diǎn)的斜距d′i，

P則經(jīng)過大氣環(huán)境差分改正后的真實(shí)斜距為：

2.2.2球氣差的改正

為準(zhǔn)確地測量變形監(jiān)測點(diǎn)的高程，在三角高程的單向測量中，必須考慮地球曲率和大氣垂直折光對高差測量的影響，此影響稱為球氣差改正值c。c的確定通常是根據(jù)水準(zhǔn)測量的高差和三角測量的高差之差來計算。設(shè)監(jiān)測站與各基準(zhǔn)點(diǎn)之間經(jīng)過精密水準(zhǔn)測量，求得各基準(zhǔn)點(diǎn)的已知高差,若第i期測的監(jiān)測站與基準(zhǔn)點(diǎn)間的單向三角高差為hCi，則：

通過各基準(zhǔn)點(diǎn)分別求得的改正系數(shù)ΔcCi值，取其中數(shù)作為一個測區(qū)的平均球氣差改正系數(shù)Δci。在每周期變形監(jiān)測過程中，由于觀測時間較短，可以認(rèn)為Δci值對基準(zhǔn)點(diǎn)和變形監(jiān)測點(diǎn)具有相等的影響，故同距離差分改正一樣可按下式求得監(jiān)測站與各變形監(jiān)測點(diǎn)之間經(jīng)球氣差改正后的三角高差hi：

P

2.2.3方位角的差分改正

在長期的變形監(jiān)測過程中，水平度盤零方向的變化和大氣水平折光的影響，需要考慮水平方位角的差分改正。在變形監(jiān)測中，所有的變形量都是相對第1周期而言的。故可以把基準(zhǔn)點(diǎn)第一次測量的方位角αC1作為基準(zhǔn)方位角。其他周期對基準(zhǔn)點(diǎn)測量的方位角αCi與第1周期的方位角的差值為Δαi：

C

此差值對變形監(jiān)測點(diǎn)的測量有同等的影響，故在監(jiān)測點(diǎn)每周期的方位角觀測值αP′i中，實(shí)時加入同期基準(zhǔn)點(diǎn)求得的ΔαC改正值，即可準(zhǔn)確求得監(jiān)測點(diǎn)的方位角αi：

P

2.2.4差分后的三維坐標(biāo)和變形量計算

將以上各項(xiàng)差分改正后的觀測值代入式（1），即可得到經(jīng)差分后的監(jiān)測點(diǎn)的三維坐標(biāo)。

大壩表面變形監(jiān)測點(diǎn)變形量計算見式（10）。

3　極坐標(biāo)法變形測量精度分析

徠卡 TCA2003全站儀的標(biāo)稱測角精度為±0.5″，測距精度為±（0.5mm+1.0ppm×D），自動目標(biāo)識別測量在600m距離內(nèi)為±1.5mm。經(jīng)過多次驗(yàn)證統(tǒng)計，實(shí)際角度測量精度為0.24″，即

監(jiān)測點(diǎn)的斜距dP；且觀測變形監(jiān)測點(diǎn)時豎直角不應(yīng)太大（或天頂距在90°附近）；變形監(jiān)測點(diǎn)的斜距dP不應(yīng)超過800m，即可保證監(jiān)測點(diǎn)的三維坐標(biāo)的觀測精度小于±1.0mm。

4　結(jié)語

從系統(tǒng)運(yùn)行期間的數(shù)據(jù)來看，通過極坐標(biāo)差分測量，監(jiān)測點(diǎn)坐標(biāo)中誤差為±0.69mm，高差中誤差為±0.83mm，均達(dá)到了亞毫米級的觀測精度。既能滿足工程測量中土石壩水平位移監(jiān)測精mv=mα=mc=mβ=±0.24″；距離測量精度為±0.2mm，即ms=±0.2mm。設(shè)方位角為αp=45°，天頂距為Vp=89°，觀測時間為10時至16時，大氣垂直折光系數(shù)K=0.11，則極坐標(biāo)差分測量精度估算值，如表1所示。

從表1中可以看出：基準(zhǔn)點(diǎn)的斜距dC應(yīng)大于度±2.0mm的要求，也能滿足混凝土重力壩±1.0mm監(jiān)測精度要求。垂直位移監(jiān)測的精度也達(dá)到了混凝土重力壩±1.0mm監(jiān)測精度要求，超過土石壩豎向位移±2.0mm的精度要求。

表1極坐標(biāo)差分測量理論精度估算值 mm

在系統(tǒng)運(yùn)行期間，對大壩頂部的監(jiān)測點(diǎn)同時進(jìn)行了幾何水準(zhǔn)豎向位移觀測，采用Dini12電子水準(zhǔn)儀配條碼尺進(jìn)行二等水準(zhǔn)測量，從相同觀測點(diǎn)同時段相對位移量來看，兩種方法的豎向位移監(jiān)測結(jié)果符合較好，變形趨勢基本一致。

（責(zé)任編輯 崔春梅）

【中圖分類號】TV698.1

【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】B

【文章編號】1009-6159（2015）-01-0028-03

收稿日期：2014-12-03

作者簡介：付淑娟（1981—），女，助理工程師