對水電大壩平面監(jiān)測網(wǎng)的特點及執(zhí)行規(guī)范若干問題的探討

李中飛　周賽君

摘要：水電大壩平面監(jiān)測網(wǎng)由于其布網(wǎng)目的和精度有別于大地控制網(wǎng)和其它工程測量控制網(wǎng)，執(zhí)行規(guī)范和觀測限差有其特殊性，嚴格執(zhí)行國家等級測量規(guī)范明顯不合適，本文就大壩平面監(jiān)測網(wǎng)執(zhí)行規(guī)范和觀測限差若干問題進行討論，選擇合適的作業(yè)過程規(guī)范，并對有關(guān)觀測限差條款進行討論，供有關(guān)技術(shù)人員和規(guī)范修訂者參考。

關(guān)鍵詞：平面監(jiān)測網(wǎng)；執(zhí)行規(guī)范；觀測限差；中誤差

1.概述

大壩平面監(jiān)測網(wǎng)的布網(wǎng)目的一是為大壩平面監(jiān)測系統(tǒng)提供統(tǒng)一的基準，二是監(jiān)測近壩區(qū)巖體的變形，特點是網(wǎng)形受限制、觀測等級高、點位精度高，平面監(jiān)測網(wǎng)最終精度指標一般是點位精度，大壩變形監(jiān)測設(shè)計時通常執(zhí)行中華人民共和國能源部水利部《混凝土大壩安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》（GB50026-93），該規(guī)范規(guī)定近壩區(qū)巖體水平位移的位移量中誤差限差為±2.0mm，這一標準通常作為監(jiān)測設(shè)計時平面監(jiān)測網(wǎng)最弱點點位精度標準。

對于不同類型的控制網(wǎng)，由于布設(shè)目的不同，最終精度的要求也不同，監(jiān)測網(wǎng)主要精度指標是最弱點點位精度，而對于施工控制網(wǎng)和其它工程測量控制網(wǎng)，由于布設(shè)目的不同，其最終的精度指標通常是最弱相鄰點邊長相對中誤差、最弱相鄰點相對點位中誤差或平均邊長相對中誤差。衡量控制網(wǎng)的整體質(zhì)量準則一般來說是精度和可靠性，對于變形監(jiān)測網(wǎng)還有靈敏度即變形的可發(fā)現(xiàn)性，因此《混凝土大壩安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》（GB50026-93）明確規(guī)定監(jiān)測網(wǎng)設(shè)計時可靠性評價，可靠性因子γ不宜小于0.2。正是因為監(jiān)測網(wǎng)布置的目的和精度指標有別于大地控制網(wǎng)和其它工程測量控制網(wǎng)，在實施過程中機械地執(zhí)行國家等級測量規(guī)范明顯是不合適的，本文就大壩平面監(jiān)測網(wǎng)執(zhí)行規(guī)范和觀測限差若干問題進行討論，選擇合適的作業(yè)過程規(guī)范和觀測限差，供同行實施在平面變形監(jiān)測網(wǎng)時參考。

2.主要技術(shù)規(guī)范及主要技術(shù)指標的討論

2.1 主要技術(shù)規(guī)范

對于大壩平面監(jiān)測網(wǎng)，可執(zhí)行的規(guī)范有：（1）中華人民共和國電力標準《混凝土大壩安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》（DT/T5178-2003）；（2）中華人民共和國行業(yè)標準《水利水電工程測量規(guī)范（規(guī)劃設(shè)計階段）》（SL 197-97）；（3）中華人民共和國行業(yè)標準《水利水電工程施工測量規(guī)范》（SL52-93）；（4）中華人民共和國電力行業(yè)標準《水電水利工程施工測量規(guī)范》（DL/T5173-2003）；（5）中華人民共和國國家標準《工程測量規(guī)范》（GB50026-93）。

以上規(guī)范涉及到作業(yè)要求時均關(guān)聯(lián)下列國家規(guī)范：（1）中華人民共和國國家標準《國家三角測量規(guī)范》（GB/T17942-2000）；（2）中華人民共和國國家標準《中、短程光電測距規(guī)范》（GB/T16818-1997）；（3）中華人民共和國國家標準《一、二等水準測量規(guī)范》（GB/T12897-1995）（與本文討論內(nèi)容無關(guān)）。

2.2 主要技術(shù)指標及相關(guān)規(guī)定：

1）《混凝土大壩安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》（DT/T5178-2003）

該規(guī)范規(guī)定了變形監(jiān)測的測量中誤差不應(yīng)大于下表1：

規(guī)范同時規(guī)定邊角網(wǎng)設(shè)計時應(yīng)作可靠性評價，可靠性因子γ值不宜小于0.2，并保證測點在指定方向的位移量中誤差不大于上表中的規(guī)定。

2）《水利水電工程測量規(guī)范（規(guī)劃設(shè)計階段）》（SL 197-97）

該規(guī)范將大壩平面監(jiān)測網(wǎng)劃歸為專業(yè)平面控制網(wǎng)并根據(jù)精度要求和實際條件選用專一級和專二級控制網(wǎng)，明確專一級適用于重力壩、拱壩、支墩壩變形監(jiān)測，近壩區(qū)危巖變形監(jiān)測，穩(wěn)定期地形變監(jiān)測；專二級適用于堆石壩變形監(jiān)測，滑坡體和高邊坡變形監(jiān)測，蠕動期地形變監(jiān)測，主要技術(shù)指標和限差見下表2：

3）《水利水電工程施工測量規(guī)范》（SL52-93）

明確是施工期監(jiān)測，對施工區(qū)滑坡監(jiān)測、高邊坡開挖穩(wěn)定性監(jiān)測等有明確規(guī)定，但對大壩平面監(jiān)測網(wǎng)沒有明確規(guī)定相關(guān)要求，參照執(zhí)行DT/T5178-2003。

4）《水利水電工程施工測量規(guī)范》（DL/T5173-2003）

本規(guī)范與《水利水電工程施工測量規(guī)范》（SL52-93）基本相同，對大壩平面監(jiān)測網(wǎng)沒有明確規(guī)定相關(guān)要求，參照執(zhí)行DT/T5178-2003。

5）《工程測量規(guī)范》（GB50026-93）水平位移監(jiān)測網(wǎng)的主要技術(shù)要求如下表3（三等、四等未列）。

值得一提的是中華人民共和國行業(yè)標準《土石壩安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》（SL60-94）對作為觀測基點的監(jiān)測網(wǎng)沒有作任何規(guī)定，變形監(jiān)測網(wǎng)是大壩變形監(jiān)測中重要技術(shù)手段，特別是對蓄水前后近壩區(qū)巖體的變形監(jiān)測是相當重要的，同時在土石壩變形監(jiān)測的實際工作中已普遍應(yīng)用，對于專業(yè)的監(jiān)測技術(shù)規(guī)范沒有相應(yīng)的條款來具體規(guī)范，筆者認為是不合適的。

2.3 主要技術(shù)指標的討論

（1）平面監(jiān)測網(wǎng)等級劃分的討論

從執(zhí)行規(guī)范的層次來講，首先無疑應(yīng)該執(zhí)行T5178-2003，但該規(guī)范是大壩安全監(jiān)測綱領(lǐng)性規(guī)范，偏重于監(jiān)測設(shè)計，實測時可操作性有一定的限制。

該規(guī)范按工作順序規(guī)定了：一是監(jiān)測網(wǎng)最弱點位移量中誤差限差（即近壩區(qū)巖體水平位移量中誤差）不大于±2.0mm、可靠性因子γ不宜小于0.2；二是測角中誤差不得大于±0.7″、測邊使用優(yōu)于±1.0mm±1ppm測距儀測量；三是一般按方向觀測方觀測12測回，按規(guī)范規(guī)定的限差和程序作業(yè)（下面再專門討論）。并沒有對監(jiān)測網(wǎng)等級進行劃分，也就是說不管大壩等級和規(guī)模、監(jiān)測網(wǎng)網(wǎng)形、邊長的長短，都是采用同一等級的作業(yè)程序和規(guī)定、使用同一等級的測量儀器和設(shè)備、最終達到一樣的最弱點中誤差，這一過程值得探討。

在同等儀器和同一作業(yè)技術(shù)指標的情況下，監(jiān)測網(wǎng)平均邊長的長短決定了最弱點精度（當然還有網(wǎng)形等其它因素）、筆者認為監(jiān)測網(wǎng)實施正確的工作程序應(yīng)該是根據(jù)工程規(guī)模和監(jiān)測目的（關(guān)于根據(jù)監(jiān)測目的確定觀測精度的問題詳見作者《混凝土大壩變形觀測必要精度的探討》一文）來確定監(jiān)測網(wǎng)等級、根據(jù)監(jiān)測網(wǎng)等級選用適當儀器、最后根據(jù)等級和儀器確定作業(yè)限差，這樣作業(yè)成果必然會達到相應(yīng)等級的精度要求。

在上列規(guī)范中，SL 197-97對專業(yè)平面控制網(wǎng)進行了等級劃分，其中專一、專二級適用于變形監(jiān)測，GB50026-93也對水平位移監(jiān)測網(wǎng)劃分了4個等級，但由于行業(yè)的差別，該規(guī)范并不適合大壩變形監(jiān)測。

筆者認為在監(jiān)測專業(yè)規(guī)范中平面監(jiān)測網(wǎng)可劃分二個等級（姑且稱為監(jiān)一級和監(jiān)二級），以適用于不同規(guī)模和不同監(jiān)測目的的工程要求。

（2）主要技術(shù)指標的討論

DT/T5178-2003主要技術(shù)指標是最弱點位移量中誤差，SL 197-97主要技術(shù)指標包括了平均邊長、測角中誤差、測距中誤差、最弱點點位中誤差等，值得注意的是DT/T5178-2003使用的是最弱點位移量中誤差m位，而SL 197-97使用的是最弱點點位中誤差m點，兩者有2的關(guān)系：

m位=2m點

主要技術(shù)指標的確定應(yīng)依據(jù)需要和可能兩個原則，需要是指根據(jù)工程等級、壩型、庫容、監(jiān)測目的及有關(guān)變形計算成果等工程指標而必須達到的精度指標；可能是指在網(wǎng)形（邊長、圖形等）確定的情況下、擬投入的儀器設(shè)備可能達到精度指標，精度指標的確定實際是尋找到需要與可能的平衡點。

DT/T5178-2003規(guī)定監(jiān)測網(wǎng)最弱點位移量中誤差不大于±2.0mm作為監(jiān)測網(wǎng)最高一級（即監(jiān)一級）是合適的，但不應(yīng)是所有大壩監(jiān)測網(wǎng)唯一的標準。要知道水電站大壩的網(wǎng)形條件是極受限制的，一般不會太好，以筆者手頭的資料及工作經(jīng)驗，如果平面監(jiān)測網(wǎng)的平均邊長大于1km，以DT/T5178-2003規(guī)定的儀器和限差作業(yè)要達到±2.0mm的精度標準并不容易。

SL 197-97專業(yè)控制網(wǎng)主要技術(shù)要求是依據(jù)很多統(tǒng)計資料制定的，其中專一網(wǎng)的精度標準與DT/T5178-2003基本相同，最弱點點位中誤差±1.3mm相當于位移量中誤差±1.84mm，但它明確規(guī)定了平均邊長1.0km、測角中誤差±0.5″、測距中誤差±1.3mm，實踐證明只要滿足上列要求，基本可以保證達到最終精度標準。也就是說在基本同一精度標準時SL 197-97比DT/T5178-2003更具操作性。

對于邊長較長或控制范圍較大和邊長較短但儀器標準較低的平面監(jiān)測網(wǎng)而言，要達到上述精度標準是極其困難的，事實有相當數(shù)量的大壩監(jiān)測儀器的投入是有限的，這就要求有較低一級的標準來規(guī)范，這就筆者提出的監(jiān)二級網(wǎng)，監(jiān)二網(wǎng)適合于平均邊長大于1km、圖形強度不佳、即使是以目前的技術(shù)條件下最高作業(yè)級別也無法達到最弱點位移中誤差±2.0mm的監(jiān)測網(wǎng)和平均邊長雖小于1km但儀器設(shè)備投入有限或本身精度要求不高的監(jiān)測網(wǎng)。

因此筆者斗膽提出大壩變形監(jiān)測網(wǎng)主要技術(shù)要求和限差建議方案如下表4，表4的技術(shù)指標一是分兩個等級適合范圍更廣一些，二是各項技術(shù)指標更明確一些，筆者清楚地知道一項技術(shù)指標是要通過準確的理論計算和大量的統(tǒng)計資料才能確定，表3只是作為一個具體操作者的一個建議。

在按現(xiàn)行規(guī)范作業(yè)時，筆者建議涉及到平面監(jiān)測網(wǎng)技術(shù)指標時建議按SL 197-97執(zhí)行。

3.作業(yè)限差的討論

3.1 觀測儀器與方法

DT/T5178-2002規(guī)定水平角觀測應(yīng)用J1型經(jīng)緯儀或精度不低于J1型經(jīng)緯儀的全站儀進行，測距用標稱精度優(yōu)于1mm±1/106×D測距儀或全站儀直接測量；

SL 197-97規(guī)定專一、專二級網(wǎng)使用DJ1型經(jīng)緯儀或0.5″級電子經(jīng)緯儀進行測角，專一級使用測距儀標稱精度不低于0.2mm+1ppmD測距儀、專二級使用測距儀標稱精度不低于1mm+1ppmD測距儀測邊；

《國家三角測量規(guī)范》（GB/T17942-2000）規(guī)定國家一、二等三角測量使用DJ07、DJ1級經(jīng)緯儀觀測，《中、短程光電測距規(guī)范》（GB/T16818-1997）規(guī)定二等使用Ⅰ、Ⅱ級測距儀（測距儀等級劃分：Ⅰ級測距標準偏差mD≤2mm、Ⅱ級測距標準偏差2mm

從上述規(guī)范可以看出：用于大壩變形監(jiān)測網(wǎng)的測角儀器可使用J1（1″）、J07（0.7″）和0.5″級3個級別的測角儀器，測距儀器應(yīng)使用Ⅰ級測距儀。

考慮到大壩平面監(jiān)測網(wǎng)邊長都較短（相對大地網(wǎng)而言），一般采用方向觀測法，現(xiàn)在的電子儀器特別是目前變形監(jiān)測普遍采用的TCA2003測量機器人作業(yè)時也更適合方向觀測法，當然也不能排除一些特殊的網(wǎng)形特別是邊長相差大多的網(wǎng)形或采用傳統(tǒng)光學(xué)儀器時采用全組合觀測法。因此平面監(jiān)測網(wǎng)規(guī)范均明確了可采用方向觀測法也可采用全組合測角法。

3.2 測回數(shù)

DL/T5178-2003明確規(guī)定水平角觀測方向觀測法12測回，全組合觀測法方向數(shù)m×n=24（25）；相當于《國家三角測量規(guī)范》（GB/T17942-2000）二等三角觀測（如按J1儀器觀測還達不到二等要求），大壩平面監(jiān)測網(wǎng)與大地平面控制網(wǎng)測角過程有較大的差別，在相同觀測綱要的條件下，大地網(wǎng)存在邊長太長、氣象影響大、照準精度低等因素，其最終測角中誤差大于監(jiān)測網(wǎng)，因此按方向觀測法12測回數(shù)，可以達到±0.7″測角中誤差。

SL 197-97規(guī)定了專一級網(wǎng)方向觀測法15測回、全組合測角法方向數(shù)m×n=36（35），專二級網(wǎng)方向觀測法12測回、全組合測角法方向數(shù)m×n=36（35），分別可達到±0.5″和±0.7″測角中誤差。

綜合規(guī)范規(guī)定和實踐經(jīng)驗，對于大壩平面監(jiān)測網(wǎng)測角精度要達到±0.5″，方向觀測法要求15測回、全組合測角法方向數(shù)要求m×n=36（35），如要求測角精度達到±0.7″，方向觀測法要求12測回、全組合測角法方向數(shù)要求m×n=24（25）。

3.3 方向觀測法限差

DL/T5178-2003、SL 197-97和GB/T17942-2000三種規(guī)范方向觀測法觀測限差如表4。

從表5可以看出，幾種規(guī)范對方向觀測法作業(yè)限差的規(guī)定都是基于GB/T17942-2000制定的，不同的是監(jiān)測專業(yè)規(guī)范與大地網(wǎng)在同等的作業(yè)限差條件下所達到的最終測角中誤差要高，這是與監(jiān)測網(wǎng)本身特點所決定的，與大地網(wǎng)相比、監(jiān)測網(wǎng)有更優(yōu)越的作業(yè)條件。

值得注意的是，大壩平面監(jiān)測網(wǎng)點往往高差較大，在觀測實施過程中一測回2C互差容易超限，SL 197-97中規(guī)定了“當觀測方向的垂直角超過±3°時，該方向的2C較差可按同一觀測時段內(nèi)相鄰測回進行比較”，筆者認為這是應(yīng)在專業(yè)監(jiān)測規(guī)范中保留的技術(shù)條款。

3.4 測距限差

DL/T5178-2003沒有對測距作限差規(guī)定，SL 197-97和《中、短程光電測距規(guī)范》（GB/T16818-1997）明確了測距作業(yè)限差如下表5。

GB/T16818-1997是國家級控制測量測距規(guī)范，由于測距長度遠大于大壩變形監(jiān)測網(wǎng)測距長度，小于3km為短程測距，而工程測量中測距長度大多不大于3km，如果在工程測量中完全執(zhí)行GB/T16818-1997相關(guān)技術(shù)條款，保證不了短程測距的相對精度，因此作業(yè)限差中SL 197-97比GB/T16818-1997更嚴一些，只有這樣才能保證測邊相對精度，并使測邊精度與高精度的測角相匹配，從而保證整個監(jiān)測網(wǎng)的精度。

測量實施過程中SL 197-97“往返各2時段每時段各2測回”比GB/T16818-1997“往返各4測回或不同時段代替往返測”嚴格得多，是否必要完全執(zhí)行“往返各2時段每時段各2測回”有待進一步探討，另外，時間段較差與往返測較差在SL 197-97附錄中進行了專門的討論和說明，其最終結(jié)論是往返測中數(shù)較差限差取用2（a+b×d×10-6），但筆者認為執(zhí)行GB/T16818-1997規(guī)定的2（a+b×d×10-6）更嚴密一些。

4.結(jié)語

大壩平面變形監(jiān)測網(wǎng)特點是短邊、高精度，它既不同于大地控制網(wǎng)，也不同于服務(wù)于施工的施工控制網(wǎng)和服務(wù)于測圖樞紐測圖控制網(wǎng)，難以全面應(yīng)用現(xiàn)行的國家標準《國家三角測量規(guī)范》（GB/T17942-2000）和《中、短程光電測距規(guī)范》（GB/T16818-1997），現(xiàn)行的監(jiān)測專業(yè)規(guī)范《混凝土大壩安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》（DT/T5178-2003）只涉及到大壩變形監(jiān)測網(wǎng)部份指標，尚不具體，也不具操作性，因此，有必要對大壩變形監(jiān)測網(wǎng)精度指標和作業(yè)指標進行討論并提出相應(yīng)的規(guī)范修訂意見。

中華人民共和國行業(yè)標準《水利水電工程測量規(guī)范（規(guī)劃設(shè)計階段）》（SL 197-97）有專用平面控制網(wǎng)技術(shù)條款，對控制網(wǎng)主要技術(shù)指標和作業(yè)限差都有明確的規(guī)定，因此，在目前監(jiān)測專業(yè)規(guī)范對相關(guān)技術(shù)條款不是很全面的情況下，建議大壩平面監(jiān)測網(wǎng)設(shè)計和實施過程中執(zhí)行《水利水電工程測量規(guī)范（規(guī)劃設(shè)計階段）》（SL 197-97）。

參考文獻：

[1]中華人民共和國電力標準《混凝土大壩安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》（DT/T5178-2003）。

[2]中華人民共和國行業(yè)標準《水利水電工程測量規(guī)范（規(guī)劃設(shè)計階段）》（SL 197-97）。

[3]中華人民共和國行業(yè)標準《水利水電工程施工測量規(guī)范》（SL52-93）。

[4]中華人民共和國電力行業(yè)標準《水電水利工程施工測量規(guī)范》（DL/T5173-2003）。

[5]中華人民共和國國家標準《工程測量規(guī)范》（GB50026-93）。

[6]中華人民共和國國家標準《國家三角測量規(guī)范》（GB/T17942-2000）。

[7]中華人民共和國國家標準《中、短程光電測距規(guī)范》（GB/T16818-1997）。