南水北調(diào)中線總干渠（北京段）變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)布設(shè)

史庚武

（河北省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，天津300250）

南水北調(diào)中線總干渠（北京段）變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)布設(shè)

史庚武

（河北省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，天津300250）

南水北調(diào)中線總干渠（北京段）由多處建筑物和地下PCCP輸水管道組成，承擔(dān)著南水北調(diào)中線工程向北京輸水任務(wù)，工程的安全運(yùn)行對(duì)保障北京城市供水起著重要的作用。南水北調(diào)中線總干渠（北京段）變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)的建立可以獲得工程的空間位置隨時(shí)間變化的特征，判斷工程的穩(wěn)定狀況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)可能存在的危險(xiǎn)并采取有效措施，同時(shí)為工程設(shè)計(jì)和施工提供驗(yàn)證數(shù)據(jù)。

變形監(jiān)測(cè)；GPS；南水北調(diào)

1 工程概況

南水北調(diào)中線總干渠（北京段）起點(diǎn)位于冀京界北拒馬河中支南，經(jīng)北京房山區(qū)、豐臺(tái)區(qū)、海淀區(qū)到達(dá)頤和園團(tuán)城湖。工程主要構(gòu)筑物有隧洞、閘涵和倒虹吸等，線路有PCCP管道及明渠，線路總長(zhǎng)80 km。

2 監(jiān)測(cè)目的和范圍

變形監(jiān)測(cè)就是利用儀器對(duì)變形體進(jìn)行監(jiān)視測(cè)量，獲得變形體的空間位置隨時(shí)間變化的特征，通過分析解釋，判斷變形體的穩(wěn)定狀況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常變化，以便采取安全措施。南水北調(diào)中線總干渠（北京段）有多處建筑物和地下輸水管道，為保證干渠安全輸水，及時(shí)發(fā)現(xiàn)可能存在的危險(xiǎn)并采取有效措施，根據(jù)業(yè)主委托和工程實(shí)際情況，確定1—6#PCCP管道鎮(zhèn)墩、西四環(huán)暗涵出口和團(tuán)城湖閘為本次監(jiān)測(cè)目標(biāo)，對(duì)水平位移和垂直位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

3 變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)精度和儀器的選擇

變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)的精度由變形體的允許變形值確定，一般要求誤差不超過允許變形值的1/10～1/20。為此，變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)的水平位移監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)網(wǎng)采用C級(jí)GPS精度，儀器選用5 mm+1 ppm精度GPS接收機(jī)；垂直位移監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)網(wǎng)采用二等水準(zhǔn)精度，儀器選用0.3 mm/km精度數(shù)字水準(zhǔn)儀。

4 變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)布設(shè)

變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)點(diǎn)一般由基準(zhǔn)點(diǎn)、工作基點(diǎn)和變形觀測(cè)點(diǎn)組成，如現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)條件較好，可只布設(shè)基準(zhǔn)點(diǎn)直接對(duì)變形觀測(cè)點(diǎn)觀測(cè)。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)踏勘，本項(xiàng)目的變形觀測(cè)點(diǎn)在野外，周邊環(huán)境和觀測(cè)條件較好，所以監(jiān)測(cè)網(wǎng)只布設(shè)基準(zhǔn)點(diǎn)。基準(zhǔn)點(diǎn)全線共布設(shè)23座，共同作為水平位移和垂直位移的監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)點(diǎn)。其中，管道鎮(zhèn)墩部分布設(shè)18座，西四環(huán)暗涵出口和團(tuán)城湖閘布設(shè)5座。點(diǎn)位均選在距變形觀測(cè)點(diǎn)200 m左右的地基穩(wěn)定安全的位置，標(biāo)石類型為普通標(biāo)石。變形觀測(cè)點(diǎn)布設(shè)48個(gè)，共同作為水平位移和垂直位移變形觀測(cè)點(diǎn)。其中，1—5#管道鎮(zhèn)墩各7個(gè)、6#管道鎮(zhèn)墩6個(gè)、西四環(huán)暗涵出口4個(gè)、團(tuán)城湖閘3個(gè)，標(biāo)石類型為鋼管標(biāo)。各區(qū)基準(zhǔn)點(diǎn)和變形觀測(cè)點(diǎn)統(tǒng)計(jì)，見表1。

表1 各區(qū)基準(zhǔn)點(diǎn)和變形觀測(cè)點(diǎn)統(tǒng)計(jì)

5 水平位移變形監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)網(wǎng)觀測(cè)

（1）由于南水北調(diào)中線總干渠（北京段）線路較長(zhǎng)，各變形監(jiān)測(cè)區(qū)間距近的約4 km，遠(yuǎn)的有13 km，而各區(qū)監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)點(diǎn)間距在200 m左右，如果同時(shí)聯(lián)合觀測(cè)，邊長(zhǎng)相差懸殊，圖形結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較弱，對(duì)網(wǎng)的精度影響較大。因此，水平位移變形監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)網(wǎng)按管道鎮(zhèn)墩分區(qū)，西四環(huán)暗涵出口和團(tuán)城湖閘合并為一區(qū)。各區(qū)獨(dú)立組網(wǎng)，聯(lián)測(cè)南水北調(diào)中線總干渠工程施工測(cè)量控制網(wǎng)復(fù)測(cè)成果的控制點(diǎn)作為起算點(diǎn)，共組建7個(gè)水平位移監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)網(wǎng)，按GPS C級(jí)網(wǎng)精度施測(cè)。GPS水平位移監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)網(wǎng)測(cè)量采用5 mm+ 1ppm精度GPS接收機(jī)，以邊連接的方法拓展GPS網(wǎng)，GPS參數(shù)設(shè)置和指標(biāo)見表2。

表2 GPS參數(shù)和指標(biāo)

（2）GPS水平位移監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)網(wǎng)平差。在基線向量檢核符合要求后，以三維基線向量及其相應(yīng)方差—協(xié)方差陣作為觀測(cè)信息，以一個(gè)點(diǎn)的WGS-84系坐標(biāo)作為起算依據(jù)，進(jìn)行GPS水平位移監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)網(wǎng)的無約束平差，滿足了規(guī)范精度要求，無約束平差后，最大點(diǎn)位誤差為4.5 mm，滿足不大于6.0 mm的限差。然后，利用無約束平差后的可靠觀測(cè)量，采用克拉索夫斯基橢球參數(shù)和高斯正形投影，對(duì)已知點(diǎn)坐標(biāo)、已知距離和已知方位加權(quán)約束平差。約束平差中，基線分量的改正數(shù)與無約束平差結(jié)果的同一基線相應(yīng)改正數(shù)較差的絕對(duì)值最大為3.2 mm，滿足了規(guī)范精度要求。

6 垂直變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)觀測(cè)

（1）同樣考慮垂直位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)各區(qū)相距較遠(yuǎn)，垂直位移監(jiān)測(cè)網(wǎng)也按水平位移監(jiān)測(cè)網(wǎng)相同的分區(qū)進(jìn)行觀測(cè)。垂直位移監(jiān)測(cè)網(wǎng)將基準(zhǔn)點(diǎn)和變形觀測(cè)點(diǎn)同時(shí)觀測(cè)并起閉于已知的南水北調(diào)中線總干渠工程施工測(cè)量控制網(wǎng)復(fù)測(cè)成果的水準(zhǔn)控制點(diǎn)閉合成環(huán)。觀測(cè)采用DINI12數(shù)字水準(zhǔn)儀，儀器精度指標(biāo)為±0.3 mm/ km，按二等水準(zhǔn)精度要求觀測(cè)，二等水準(zhǔn)測(cè)量精度指標(biāo)見表3。

表3 二等水準(zhǔn)測(cè)量精度指標(biāo)

（2）垂直位移監(jiān)測(cè)網(wǎng)平差。每區(qū)垂直位移監(jiān)測(cè)網(wǎng)以1個(gè)已知的南水北調(diào)中線總干渠工程施工測(cè)量控制網(wǎng)復(fù)測(cè)成果的水準(zhǔn)控制點(diǎn)為起算數(shù)據(jù)，形成閉合環(huán)，共采用7個(gè)水準(zhǔn)控制點(diǎn)，檢測(cè)1個(gè)水準(zhǔn)控制點(diǎn)。采用水利水電工程測(cè)量?jī)?nèi)外業(yè)一體化系統(tǒng)軟件，利用間接法水準(zhǔn)網(wǎng)平差模塊，按距離定權(quán)進(jìn)行平差。各監(jiān)測(cè)網(wǎng)總長(zhǎng)度、自由度、總點(diǎn)數(shù)、測(cè)段數(shù)、每千米偶然中誤差等平差信息統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見表4。

表4 各區(qū)垂直位移監(jiān)測(cè)精度統(tǒng)計(jì)

7 變形觀測(cè)點(diǎn)水平位移觀測(cè)

（1）變形觀測(cè)點(diǎn)水平位移觀測(cè)采用雙測(cè)站極坐標(biāo)法，分別在2個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)上架設(shè)全站儀，以另一基準(zhǔn)點(diǎn)為后視方位，按變形監(jiān)測(cè)二等精度觀測(cè)，完成變形觀測(cè)點(diǎn)的首期觀測(cè)。觀測(cè)儀器采用索佳NET05型，測(cè)角精度為0.5″，測(cè)距精度采用0.8 mm+1 ppm全站儀進(jìn)行觀測(cè)。水平角觀測(cè)主要技術(shù)要求，見表5。

表5 水平角觀測(cè)主要技術(shù)指標(biāo)

（2）水平方向觀測(cè)采用方向觀測(cè)法觀測(cè)變形觀測(cè)點(diǎn)，半測(cè)回歸零差或起始方向2C變動(dòng)范圍超限時(shí)需重測(cè)該測(cè)回，其他方向2C變動(dòng)范圍或測(cè)回差超限時(shí)只重測(cè)超限方向并聯(lián)測(cè)零方向。一測(cè)回中重測(cè)方向超過所測(cè)方向的1/3時(shí)重測(cè)該測(cè)回，當(dāng)重測(cè)的測(cè)回?cái)?shù)超過總測(cè)回?cái)?shù)的1/3時(shí)重測(cè)該站。以各測(cè)回的水平角觀測(cè)值的平均數(shù)作為測(cè)站觀測(cè)成果。

（3）垂直角觀測(cè)。垂直角觀測(cè)3個(gè)測(cè)回，量取儀器高兩次且互差不大于2mm。其主要技術(shù)指標(biāo)，見表6。

表6 垂直角測(cè)量主要技術(shù)指標(biāo)

（4）電磁波測(cè)距。邊長(zhǎng)采用全站儀實(shí)施測(cè)量，全站儀測(cè)距精度為0.8 mm+1 ppm。電磁波測(cè)距主要技術(shù)指標(biāo)，見表7。

（5）變形觀測(cè)點(diǎn)平差計(jì)算。變形觀測(cè)點(diǎn)計(jì)算采用水利水電工程內(nèi)外業(yè)一體化系統(tǒng)軟件完成，按照程序要求的格式編輯*.csv文件完成坐標(biāo)計(jì)算，并輸出格式化的成果圖表，同時(shí)輸出點(diǎn)位精度、單位權(quán)中誤差及其他精度評(píng)定值等。經(jīng)對(duì)所有的監(jiān)測(cè)點(diǎn)成果進(jìn)行比較，其點(diǎn)位精度均不大于±3 mm。

表7 電磁波測(cè)距主要技術(shù)指標(biāo)

8 結(jié)論

變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)觀測(cè)儀器采用GPS接收機(jī)，避免了聯(lián)測(cè)起始控制點(diǎn)的距離遠(yuǎn)和常規(guī)測(cè)量?jī)x器測(cè)量需要通視的問題，提高了作業(yè)效率和觀測(cè)精度。

本項(xiàng)目變形監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)網(wǎng)聯(lián)測(cè)了南水北調(diào)中線總干渠工程施工測(cè)量控制網(wǎng)復(fù)測(cè)成果，由于已知控制點(diǎn)破壞較多，可選用的聯(lián)測(cè)點(diǎn)距離較遠(yuǎn)，而基準(zhǔn)點(diǎn)之間的距離相對(duì)較短，造成變形監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)網(wǎng)的邊長(zhǎng)相差較大，對(duì)監(jiān)測(cè)網(wǎng)圖形強(qiáng)度有一定影響。

變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)的建立為南水北調(diào)總干渠（北京段）的安全運(yùn)行管理提拱了可靠的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，也會(huì)為項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和施工提供必要的驗(yàn)證數(shù)據(jù)。

[1]JGJ8-2007，建筑變形測(cè)量規(guī)范[S].

[2]GB50026-2007，工程測(cè)量規(guī)范[S].

[3]GB/T 18314-2001，全球定位系統(tǒng)（GPS）測(cè)量規(guī)范[S].

[4]GB 12897-1991，國(guó)家一、二等水準(zhǔn)測(cè)量規(guī)范[S].

[5]周中謨，義杰軍.GPS衛(wèi)星測(cè)量原理與應(yīng)用[M].北京：測(cè)繪出版社，1997.

表3 工程各斷面不同重現(xiàn)期最大洪峰流量計(jì)算成果

4 施工分期設(shè)計(jì)洪水

4.1 施工分期洪水分析

根據(jù)施工組織設(shè)計(jì)的要求和有關(guān)規(guī)范，施工分期設(shè)計(jì)洪水主要解決的問題是在施工期為安全施工而進(jìn)行的導(dǎo)流、圍堰等工程設(shè)計(jì)[3]。根據(jù)本流域暴雨洪水特點(diǎn)和施工分期要求，需要導(dǎo)流的施工分期為2—5月，計(jì)算該分期的設(shè)計(jì)洪水作為施工分期洪水，洪水重現(xiàn)期為5年。

4.2 施工分期洪水計(jì)算

本次設(shè)計(jì)根據(jù)崖口水文站實(shí)測(cè)洪水系列，采用頻率法計(jì)算分期設(shè)計(jì)洪水，再根據(jù)設(shè)計(jì)位置處年最大洪水與分期洪水的比例關(guān)系，經(jīng)計(jì)算得到本治理段5年一遇分期設(shè)計(jì)洪峰流量為8.4 m3/s。

5 結(jié)論

通過對(duì)流域氣象水文、河流泥沙以及洪水的分析，利用單因子經(jīng)驗(yàn)公式法、多因子經(jīng)驗(yàn)公式法和推理公式法計(jì)算出還鄉(xiāng)河道斷面不同重現(xiàn)期最大洪峰流量，從本治理段安全角度考慮，本次設(shè)計(jì)采用較大值作為設(shè)計(jì)值，即采用單因子經(jīng)驗(yàn)公式法的計(jì)算成果作為設(shè)計(jì)成果，用頻率法計(jì)算分期設(shè)計(jì)洪水量。該水文計(jì)算成果為本河道河勢(shì)穩(wěn)定、保證堤防防洪安全、保障沿岸設(shè)施正常運(yùn)用及滿足生態(tài)環(huán)境要求奠定了基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]鄒翔，薛小紅，趙健.赤水河流域水土流失特點(diǎn)與分區(qū)防治研究[J].長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，2010，（8）：12-15.

[2]徐華.推理公式法計(jì)算山洪溝設(shè)計(jì)洪水[J].水利科技與經(jīng)濟(jì)，2014，（3）：111-113.

[3]米勇.壩上地區(qū)風(fēng)電場(chǎng)工程水土流失特點(diǎn)及防治措施[J].水土保持應(yīng)用技術(shù)，2012，（5）：16-17.

TV68；TV698.1+1

B

1004-7328（2015）01-0063-03

10.3969/j.issn.1004-7328.2015.01.023

2014-10-11

史庚武（1965-），男，高級(jí)工程師，主要從事水利工程測(cè)量工作。