大壩外部垂直變形監(jiān)測中精密三角高程測量的運用

黃太康（貴州黔聚龍投資有限公司，貴州　貴陽　550000）

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大壩外部垂直變形監(jiān)測中精密三角高程測量的運用

黃太康（貴州黔聚龍投資有限公司，貴州貴陽550000）

本文對精密三角高程測量精度與誤差的來源進行了研究，對它在大壩外部垂直變形的具體測量細節(jié)進行闡述并分析其結果。通過實現(xiàn)效率高、速度快、精度高的大壩外部垂直變形測量，促進精密三角高程測量方法的運用，讓一些相似的工程還能以此來借鑒。

垂直變形；精度；三角高程測量；大壩

1　前言

由于中國經(jīng)濟的不斷發(fā)展，洪澇、干旱等一些自然的災害連續(xù)發(fā)生，因此國家利用和開發(fā)水利的速度在加快中，逐漸有許多發(fā)電、防洪、灌溉等一系列特殊功能的大壩在我國的大型水系中建成，起到造福人類的目的。在建成了大壩后，一定要對其安全實行監(jiān)測，以保證大壩運行時的高效安全，其中監(jiān)測項目中測量大壩外部垂直變形是極重要的一步，一般都是用精密幾何水準來實現(xiàn)測量。此辦法的優(yōu)點是數(shù)據(jù)可靠、觀測簡便及精度高等。但中國大壩很多都是在丘陵地帶或山區(qū)建立，都是地形復雜的位置。環(huán)境與地形條件影響大和低下的作業(yè)效率是采用幾何水準監(jiān)測的缺點?？捎镁苋歉叱虦y量來代替幾何水準監(jiān)測，因為它不僅有自動照準（ATR）功能的全站儀和自動補償豎軸，而且測量精度很高。它與水準精度在二等以上的水準儀相當，而且該方法能夠克服地形環(huán)境的影響、低精度、慢速度等一些缺點，應用于許多大型的工程。所以，一些電站測量大壩外部垂直變形都是采用精密三角高程測量來進行，說明此方法的精度可以滿足大壩外部垂直變形測量的要求，于類似的工程里有很大的發(fā)展前景。

2　精密三角高程測量精度分析

H表示對向觀測高差的平均值；D是水平的距離；α21，α21是相應的豎角；K1，K2是大氣折光的系數(shù)；R地球的曲率半徑；i1i2是儀器的高；v1，v2是目標高度。假設△K=K2-K1，mα12= mα21=ma，而且mi=mv=m0，上式進行微分將其轉(zhuǎn)成誤差，存在向觀測高差誤差的公式是：

經(jīng)測站對照準目標的豎直角和它們間斜距或是水平距離進行觀測，將照準點和測站點間高差計算出，稱為三角高程測量。中間、單向及對向的觀測法是主要觀測法對應的三大類。能夠?qū)⒉糠终`差在過程中消除的是對向觀測法，如大氣折光的誤差，因此廣泛運用到工程測量中。經(jīng)文獻得出用三角高程測量對向觀測的高差平均值公式：

根據(jù)上式知，存在于豎直角觀測的誤差mα，存在于邊長觀測的誤差mD，存在于大氣垂直折光系數(shù)差值的誤差m△k和存在于目標棱鏡量高與測站儀器的誤差m0都會對三角高程對向觀測高差測量的精度產(chǎn)生影響。用精密三角高程測量時，都是采用高精度全站儀進行，被稱為 “測量機器人”的徠卡TCA2003全站儀在目前使用是較多的，它測距的精度是1mm+ 1ppm，標稱測角的精度是0.5″。所以（2）式里取mD=±（1mm+ 1ppm×Dkm），取mα=±0.5″。在對向觀測的時候，是不相等的大氣折光系數(shù)K1和K2，因此對于K1與K2所帶的不同高差影響其對向觀測也完全抵消不了，取m△k=0.02。要在有強制對中裝置的觀測墩設棱鏡與儀器，于基座的三個不通方向，用游標卡尺對高度分別進行測量，而且測前和測后都要測量一次，因此取m0=0.2mm，以達到將對中誤差影響減少。據(jù)式（2）與其他項中誤差取值，將邊長對向觀測的高差精度受不同豎直角影響的值計算出，具體如圖1。

圖1　邊長的對向觀測高差精度與不同豎直角變化的對比

由圖1可知，在豎直角α≤10°以及邊長相等時，mh與豎直角α成正比關系，但相變化的量很小，當α由 1～10°時，mh也只是多了0.04mm，所以高差精度受豎直角變化的影響較?。回Q直角是相同時，mh依然跟邊長D成正比的關系，但變化的量是比較大，當邊長從300～1200m時，mh加多了1.80mm，所以高差精度受邊長變化的影響很大，邊長增加，mh相對應的值就變大，不僅只量高中的誤差，對于高差其他幾項的誤差也都會對其產(chǎn)生影響。因此使用精密三角高程測量時，依據(jù)具體的需求將邊長控制好，以符合工程精度的要求。與等級水準測量比較時，用對向觀測mh的兩倍當作限差跟二等水準測量進行比較。由圖2中所示，從圖看出，要想精密三角高程測量精度能夠是二等水準的測量，要保證其邊長小于1000m。

圖2　以對向觀測的2作限差跟二等水準測量的限差對比

3　工程應用

3.1工程概況

一共有九個點于某個抽水蓄能電站大壩外部的變形監(jiān)測網(wǎng)中，都是觀測墩，強制對中裝置都有埋設其中，具體網(wǎng)形如圖3。

該網(wǎng)中邊最短約是129.9m，邊最長約是1087.5m，邊長平均值612.4m；豎直角最小是-1.5°，豎直角最大是5.7°，豎直角的平均值是2.4°。網(wǎng)點高程用一等水準引測只有LS3與LS4，一般都是使用三角高程法獲取其它的點。根據(jù)設計要求全網(wǎng)觀測的邊50條左右，天頂距50個，形成獨立的三角形有29個。所以觀測網(wǎng)中的天頂距與邊長時要使用配有二次開發(fā)機載測量軟件的TCA2003全站儀。網(wǎng)中一共進行三期等精度的觀測，而且每期觀測時測量十二測回天頂距，測量四測回邊長，每測回讀四組，邊長要選用對向觀測的平均值。測量限差的設置如表1。

圖3　某抽水蓄能電站大壩外部變形的監(jiān)測網(wǎng)

表1　測量限差的設置

鏡站點和測站點的濕溫、氣壓、干溫是邊長觀測必須要測定的值，氣象改正參數(shù)應取它們的平均值。并且用游標卡尺測出儀器的高度和棱鏡的高度，至0.5mm，這是在鏡站點跟測站點的三方向上進行。在160m吳淞高程的面上投影改正之后的邊長。為了減少測量時大氣湍流與大氣折光對其的影響，要選在大氣穩(wěn)定以及呈像清晰時來觀測。

3.2數(shù)據(jù)處理與成果分析

按有關設計和規(guī)范規(guī)定，三角高程法測量高差的三角形三邊高差閉合的差限差是：

式中：ρ=206265″，三角形第n條邊長Sn。對全網(wǎng)29個三角形閉合環(huán)進行對比每期的限差和高差閉合差，其比較的圖形如圖4。

圖4　三角形限差和高差閉合差對比圖

并且根據(jù)優(yōu)良率對閉合差統(tǒng)計，如表2。

表2　三角形三邊高差閉合差優(yōu)良率的統(tǒng)計表

由圖4與表2可知，表中測量的高差閉合差都沒有超過允許限差，可看出是可靠的觀測成果，優(yōu)良的精度。由于觀測的成果完全可靠，在對三角高程網(wǎng)計算其平差時，已知值要采用一等水準引測的LS4與LS3高程，平差時要用平面近似邊長、近似坐標以及天頂距觀測值作為條件計算，圖4計算三角高程網(wǎng)平差的點位高程其誤差于表3中。

由表3可知，各點都是很小的高程中誤差，±1.52mm、±1.34mm以及±1.52mm是最弱點三期高程中的誤差，說明三角高程網(wǎng)測量達到的精度都很高，對有關規(guī)定的±2mm精度要求足以滿足。

表3　三角高程網(wǎng)點位高程中誤差　單位：mm

4　結語

將實際大壩外部的垂直位移測量和精密三角高程測量精度分析、誤差來源相結合，總結出幾點：

（1）能夠克服速度慢、效率低的缺點并且精度滿足大壩外部的垂直變形的相關要求，采用精密三角高程測量的辦法可以達到。

（2）為使工作者測量時能減少勞動強度，工作時間得到節(jié)省，測量精度和工作效率能夠提高，則在精密三角高程測量時，應選擇智能型且高精度全站儀，還需將二次開發(fā)的機載測量軟件配備好。

（3）在觀測中需將測角和測距精度調(diào)高，注意測量豎直角的誤差要盡量減少，觀測時間要合理選擇，對于棱鏡與儀器量高的誤差也要將其減小；進行高程網(wǎng)平差計算時的已知點應選擇網(wǎng)中較高等級的高程。對三角高程監(jiān)測網(wǎng)布設的時候應將其邊長控制，點位埋設的觀測墩要具備有強制對中的基盤；只有通過以上幾個才能使大壩垂直位變形測量達到要求的精度。

［1］周國樹.精密三角高程測量在大壩沉降監(jiān)測中應用的試驗研究［J］.大壩觀測與土工測試，2014，20（5）：23～27.

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［3］黃 騰，陳光保，張書豐.自動識別系統(tǒng)ATR測角精度研究［J］.水電自動化與大壩監(jiān)測，2004，28（3）：37～40.

黃太康（1972-），貴州道真人，高級工程師，本科，主要從事測繪工作。

P224.2

A

2095-2066（2016）19-0029-02

2016-4-5