大壩水平位移觀測(cè)方法與誤差理論分析

田連海，周文俊

(1.懷化市水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，湖南 懷化 418000;2.湖南省地質(zhì)調(diào)查院，湖南 長(zhǎng)沙 410000)

1 工程概述

湖南省芷江縣和平水電站位于沅水一級(jí)支流舞水中下游，地處芷江縣城境內(nèi)，壩址距芷江縣城1km。該電站以發(fā)電為主、兼顧供水、航運(yùn)等綜合功能，水庫(kù)正常蓄水位為244.0m，總庫(kù)容2068萬(wàn)m3，電站裝機(jī)容量為13.5MW，擋水建筑物為混凝土重力壩，大壩總長(zhǎng)為280.6m，最大壩高18.5m。

2 大壩變形觀測(cè)系統(tǒng)的建立

2.1 水平位移觀測(cè)系統(tǒng)的建立

(1)視準(zhǔn)線的確定。按設(shè)計(jì)要求，該大壩水平位移觀測(cè)采用視準(zhǔn)線法，視準(zhǔn)線平行于壩軸線布設(shè)。根據(jù)地形實(shí)際情況，在大壩兩端各埋設(shè)一個(gè)工作基點(diǎn)，右岸山坡上工作基點(diǎn)編號(hào)為TB1，左岸工作基點(diǎn)編號(hào)為TB2，兩個(gè)工作基點(diǎn)之間距離為413.36m。在大壩右端埋設(shè)一校核基點(diǎn)，編號(hào)為TN1。在大壩閘墩上埋設(shè)9個(gè)水平位移觀測(cè)墩，編號(hào)TP1～TP9，相互間距為28m。

一般規(guī)定，水平位移值向下游為正，向上游為負(fù)，向左岸為正，向右岸為負(fù)。將坐標(biāo)原點(diǎn)設(shè)在右岸TB1上，以視準(zhǔn)線方向?yàn)閤軸建立直角坐標(biāo)系，x軸向左岸為正，y軸向下游為正。

(2)觀測(cè)儀器和設(shè)備。包括索佳SET210K全站儀，M—400A精密活動(dòng)覘牌和 M—450A型固定覘牌。

(3)標(biāo)墩強(qiáng)制對(duì)中底盤埋設(shè)。各觀測(cè)標(biāo)墩頂部均采用F—1A型通用式不銹鋼強(qiáng)制對(duì)中基座，底盤安裝水平面傾斜度小于4'，其強(qiáng)制對(duì)中底盤中心，在視準(zhǔn)線上埋設(shè)起始偏距均符合《混凝土壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》(DLT5178-2003)規(guī)定的小于10mm的要求。

2.2 水平位移觀測(cè)方法

將全站儀安置于工作基點(diǎn)TB1上，在另一端的工作基點(diǎn)TB2上安置固定覘標(biāo)，用全站儀瞄準(zhǔn)TB2上的固定覘標(biāo)，將視線固定。在位移觀測(cè)標(biāo)墩上安置活動(dòng)覘牌，并使覘牌面垂直于視準(zhǔn)線，轉(zhuǎn)動(dòng)望遠(yuǎn)鏡瞄準(zhǔn)位移觀測(cè)點(diǎn)，并用對(duì)講機(jī)指揮移動(dòng)活動(dòng)覘牌使其照準(zhǔn)標(biāo)志與全站儀的十字絲豎絲重合，在分劃尺與游標(biāo)尺上讀數(shù);然后移動(dòng)覘牌從相反方向再重新對(duì)準(zhǔn)視準(zhǔn)線并讀數(shù)，取2次讀數(shù)平均值作為上半測(cè)回，即正鏡觀測(cè)。再倒轉(zhuǎn)望遠(yuǎn)鏡，按上述方法測(cè)下半測(cè)回，即倒鏡觀測(cè)，取正、倒鏡讀數(shù)的平均值作為一測(cè)回的成果。隨后，按上述同樣方法觀測(cè)第n個(gè)測(cè)回，取n個(gè)測(cè)回的平均值作為最終成果。每測(cè)回開始和結(jié)束都要重新瞄準(zhǔn)TB2點(diǎn)，檢查儀器及目標(biāo)有無(wú)變動(dòng)。

3 視準(zhǔn)線法進(jìn)行水平位移的誤差分析和計(jì)算

提供視準(zhǔn)線儀器的三軸誤差以及活動(dòng)覘牌的刻度誤差對(duì)水平位移觀測(cè)成果的精度有一定的影響，但由于目前精密全站儀和精密活動(dòng)覘牌制作工藝先進(jìn)，且都經(jīng)嚴(yán)格的出廠檢驗(yàn)，操作者只要按規(guī)定按時(shí)送檢儀器，規(guī)范操作，就可以將其影響削弱或基本消除，對(duì)觀測(cè)成果不會(huì)產(chǎn)生較大的影響。由于采用強(qiáng)制對(duì)中的方法，儀器和覘牌的對(duì)中誤差、覘牌讀數(shù)誤差(精密活動(dòng)覘牌可估讀至0.01mm)也可忽略不計(jì);大氣折光、氣壓的影響，隨時(shí)間、地點(diǎn)、氣溫等具體不同而異，目前可以通過儀器常數(shù)的設(shè)置自動(dòng)進(jìn)行改正，且影響也較小。因此進(jìn)行精度評(píng)算時(shí)，一般以其誤差的主要來(lái)源——照準(zhǔn)誤差來(lái)作為精度估算的依據(jù)，如圖1。

圖1 照準(zhǔn)誤差示意圖

照準(zhǔn)誤差是視準(zhǔn)線法觀測(cè)大壩水平位移的主要誤差，它的大小與人眼的極限分辨角、儀器望遠(yuǎn)鏡的放大倍率，視線長(zhǎng)度和外界條件等因素有關(guān)。一般人眼的極限分辨角為60″，此次使用的儀器SET210K全站儀望遠(yuǎn)鏡的放大倍率為30倍，則通過望遠(yuǎn)鏡照準(zhǔn)的極限分辨角為，取極限誤差為中誤差的兩倍，這時(shí)一個(gè)方向的照準(zhǔn)中誤差為

3.1 一測(cè)回中誤差計(jì)算

安置全站儀于TB1點(diǎn)后視TB2點(diǎn)作為固定視線，定向后，瞄準(zhǔn)觀測(cè)標(biāo)墩上的活動(dòng)覘牌讀取讀數(shù)，并重復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)活動(dòng)覘牌上的微動(dòng)螺旋，使之與視準(zhǔn)線重合，讀取兩個(gè)讀數(shù)，是為半測(cè)回(即正鏡觀測(cè))，再倒轉(zhuǎn)望遠(yuǎn)鏡按上述方法觀測(cè)，合為一測(cè)回，則后視TB2的照準(zhǔn)誤差對(duì)活動(dòng)覘牌點(diǎn)所產(chǎn)生的定向誤差m為:

式中:S—TB1至位移觀測(cè)點(diǎn)的距離，mm;

ρ—206265″。

根據(jù)誤差傳播定律，按同精度觀測(cè)計(jì)算，推導(dǎo)出一測(cè)回的中誤差計(jì)算公式如下:

3.2 活動(dòng)覘牌2次照準(zhǔn)讀數(shù)互差的允許限差Δ允計(jì)算

根據(jù)誤差傳播定律，按同精度觀測(cè)計(jì)算，推導(dǎo)出活動(dòng)覘牌2次照準(zhǔn)讀數(shù)互差的允許限差Δ允的計(jì)算公式如下:

3.3 兩個(gè)半測(cè)回之差的允許限差計(jì)算

正鏡觀測(cè)2次讀數(shù)完畢為上半測(cè)回，倒鏡觀測(cè)2次讀數(shù)完畢為下半測(cè)回，兩個(gè)半測(cè)回之差的允許限差由下式計(jì)算:

3.4 兩測(cè)回讀數(shù)平均值之差的限差計(jì)算

根據(jù)誤差傳播定律，按同精度觀測(cè)計(jì)算，得出兩個(gè)測(cè)回讀數(shù)平均值之差的限差為:

3.5 測(cè)回?cái)?shù)n的計(jì)算

參照《工程測(cè)量規(guī)范》(GB50026-2007)規(guī)定和《水工建筑物觀測(cè)工作手冊(cè)》視準(zhǔn)線法觀測(cè)的精度要求，用視準(zhǔn)線法校測(cè)工作基點(diǎn)，觀測(cè)混凝土建筑物上的位移標(biāo)點(diǎn)時(shí)，m移極限誤差不大于2mm(取2倍中誤差)的規(guī)定，來(lái)反推要達(dá)到該精度要求所需施測(cè)的測(cè)回?cái)?shù)。按上述方法觀測(cè)，則應(yīng)測(cè)的測(cè)回?cái)?shù)計(jì)算式為:

式中:m移—要求位移值中誤差，取1mm。

3.6 各項(xiàng)限差與水平位移觀測(cè)測(cè)回?cái)?shù)的理論計(jì)算值

根據(jù)誤差傳播定律推導(dǎo)的以上公式和該大壩變形觀測(cè)系統(tǒng)布置的實(shí)際情況，計(jì)算出各項(xiàng)限差理論值以及為達(dá)到容許誤差需要觀測(cè)的測(cè)回?cái)?shù)見表1。

3.7 各項(xiàng)限差及測(cè)回?cái)?shù)的實(shí)際取值

為保證觀測(cè)精度，并考慮其他影響誤差，今后觀測(cè)，各項(xiàng)限差、測(cè)回?cái)?shù)實(shí)際取值均采用表2中的數(shù)據(jù)。

3.8 水平位移觀測(cè)值中誤差的計(jì)算

按上述的作業(yè)方法施測(cè)n個(gè)測(cè)回，則實(shí)際水平位移值中誤差m移可由下式計(jì)算:

由公式7計(jì)算出各位移標(biāo)點(diǎn)水平位移值中誤差見表3。

表1 各項(xiàng)限差及測(cè)回?cái)?shù)理論值計(jì)算表

表2 各項(xiàng)限差、測(cè)回?cái)?shù)實(shí)際采用值

表3 位移標(biāo)點(diǎn)水平位移值中誤差值

4 結(jié)論與建議

通過對(duì)項(xiàng)目的實(shí)際計(jì)算，該方法可以作為和平電站大壩水平位移觀測(cè)的技術(shù)方案，對(duì)不同距離的觀測(cè)墩即變形觀測(cè)點(diǎn)，通過不同測(cè)回?cái)?shù)的觀測(cè)，使得各變形觀測(cè)點(diǎn)的位移觀測(cè)值中誤差在規(guī)范規(guī)定值以內(nèi)，因而各項(xiàng)限差值可以作為以后觀測(cè)限差的依據(jù)。

對(duì)于今后大壩變形觀測(cè)工作，還應(yīng)注意以下問題:應(yīng)使用同一儀器和設(shè)備，固定觀測(cè)人員，在基本相同的環(huán)境和條件下進(jìn)行觀測(cè)工作，盡量做到同精度觀測(cè)，各項(xiàng)限差和測(cè)回?cái)?shù)嚴(yán)格采用表2數(shù)值。

［1］趙志仁，葉澤榮.混凝土壩外部觀測(cè)技術(shù)［M］.北京:水利水電出版社，1988.

［2］張正祿，等.工程測(cè)量學(xué)［M］.武漢:武漢大學(xué)出版社，2005.

［3］於宗儔，魯成林.測(cè)量平差基礎(chǔ)［M］.北京:測(cè)繪出版社，1983.

［4］SL 197-2013.水利水電工程測(cè)量規(guī)范［S］.

［5］GB 50026-2007.工程測(cè)量規(guī)范［S］.