大型水庫(kù)施工監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)與研究

宋輝

（中船勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海　200063）

大型水庫(kù)施工監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)與研究

宋輝

（中船勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海200063）

根據(jù)大型水庫(kù)施工區(qū)域的地形調(diào)查與施測(cè)條件，結(jié)合GPS定位理論、自動(dòng)全站儀的優(yōu)勢(shì)條件，以及電子水準(zhǔn)儀的應(yīng)用，設(shè)計(jì)并制定施測(cè)方案。同時(shí)，對(duì)工程進(jìn)行深入剖析，對(duì)前、中、后期的施測(cè)提出不同的解決方案，對(duì)三維控制做重點(diǎn)闡述。在實(shí)際工作中使用這套方案，將很大程度上減少人力的投入，提高工作效率，保質(zhì)保量地完成施測(cè)任務(wù)。

水庫(kù)施工；監(jiān)測(cè)控制網(wǎng)；GPS水準(zhǔn)自動(dòng)全站儀

本項(xiàng)目地位于長(zhǎng)江口南北港分流口下方，水庫(kù)略東西走向，長(zhǎng)約22km，寬約3km，總面積約67.2km2。

1　工程概況

原堤岸兩旁樹木繁多，遮擋嚴(yán)重，通視條件差。高等級(jí)控制點(diǎn)較少，原先堤岸上的控制點(diǎn)精度不夠，隨著加高大堤的施工，有被掩埋破壞的危險(xiǎn)。因此，必須重新建立青草沙測(cè)區(qū)測(cè)量控制網(wǎng)，為以后的監(jiān)測(cè)與測(cè)圖工作提供起算數(shù)據(jù)。

由圖1可以看到（畫線區(qū)域?yàn)楸卷?xiàng)目場(chǎng)地范圍），水庫(kù)區(qū)域內(nèi)淺水區(qū)有沙區(qū)及淤積區(qū)，工程施工還要伴隨清淤及抽沙工程。

2　基準(zhǔn)網(wǎng)的測(cè)設(shè)

測(cè)繪工作流程大體相同，包括平面控制和高程控制，平面控制一般采用GPS、全站儀導(dǎo)線控制等，高程控制可采用水準(zhǔn)測(cè)量獲得精確高程［1］，本項(xiàng)目這兩項(xiàng)控制工作分開進(jìn)行。

2.1平面基準(zhǔn)網(wǎng)的測(cè)設(shè)

平面基準(zhǔn)網(wǎng)采用GPS測(cè)量，根據(jù)本項(xiàng)目對(duì)變形測(cè)量的精度要求，平面基準(zhǔn)網(wǎng)的點(diǎn)位精度擬定為±3.0mm。GPS進(jìn)行控制網(wǎng)測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)為測(cè)量速度快，不受通視、天氣等條件的限制，自動(dòng)化程度高，減少了人為測(cè)量誤差的影響，且能夠進(jìn)行連續(xù)測(cè)量，在較小范圍的工程測(cè)量中其精度能夠達(dá)到毫米級(jí)［2］。鑒于本項(xiàng)目控制網(wǎng)的用途和精度要求，參照《全球定位系統(tǒng)GPS測(cè)量規(guī)范》B級(jí)GPS網(wǎng)的要求，擬采用如下方案：①采用4臺(tái)雙頻GPS接收機(jī)，為減少多路徑效應(yīng)選擇扼流圈電線；②根據(jù)測(cè)區(qū)的概略坐標(biāo)，參考星歷數(shù)據(jù)，選取適宜的觀測(cè)時(shí)間段進(jìn)行野外數(shù)據(jù)采集；③將GPS網(wǎng)起算點(diǎn)與3個(gè)IGS跟蹤站聯(lián)測(cè)，參考站具有高精度ITRF97國(guó)際地球參考框架下的坐標(biāo)，從而提高基線解算精度；④網(wǎng)的重復(fù)設(shè)站數(shù)為4，每時(shí)段觀測(cè)6h，截止高度角15°，采樣間隔30s，一時(shí)段中任一衛(wèi)星的有效觀測(cè)時(shí)間大于15min，作業(yè)過程中每小時(shí)記錄觀測(cè)衛(wèi)星號(hào)、天氣狀況，實(shí)時(shí)定位經(jīng)緯度和大地高、PDOP值；⑤GPS網(wǎng)的基線預(yù)處理采用商用軟件和廣播星歷，精處理采用IGS提供的精密星歷和瑞士伯尼爾大學(xué)的基線處理專業(yè)軟件；⑥在WGS-84坐標(biāo)系下進(jìn)行三維無約束平差，之后應(yīng)進(jìn)行二維約束平差，進(jìn)行二維平差時(shí)固定某一點(diǎn)的54坐標(biāo)和一條邊的長(zhǎng)度和方位。前期施工平面監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)網(wǎng)和后期監(jiān)測(cè)控制網(wǎng)點(diǎn)布置示意圖分別見圖2和圖3。

圖1　監(jiān)測(cè)控制點(diǎn)分布示意圖

圖2　前期施工平面監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)網(wǎng)

圖3　后期監(jiān)測(cè)控制網(wǎng)點(diǎn)布置示意圖

采用此方案后，GPS網(wǎng)的精度優(yōu)于1.5mm。為提高網(wǎng)的可靠性，以及對(duì)GPS網(wǎng)的實(shí)際精度進(jìn)行檢驗(yàn)，采用自動(dòng)全站儀對(duì)平面控制網(wǎng)以邊角網(wǎng)的形式施測(cè)。

2.2高程基準(zhǔn)網(wǎng)的測(cè)設(shè)

高程基準(zhǔn)網(wǎng)由點(diǎn)A、K1、K3、K5點(diǎn)組成，并二等水準(zhǔn)點(diǎn)K2進(jìn)行聯(lián)測(cè)，高程基準(zhǔn)網(wǎng)按二等水準(zhǔn)測(cè)量要求施測(cè)，高程基準(zhǔn)網(wǎng)如圖4所示。近距離跨水高程，可用三角高程法，將高程傳遞到測(cè)量點(diǎn)上。

圖4　高程基準(zhǔn)網(wǎng)點(diǎn)位分布圖

圖4的高程網(wǎng)可和GPS水準(zhǔn)比對(duì)，運(yùn)用重合點(diǎn)，檢核高程值。以上平面基準(zhǔn)網(wǎng)與高程基準(zhǔn)網(wǎng)的測(cè)設(shè)均為工程施工前期、中期服務(wù)。

3　應(yīng)用與分析

水域測(cè)量從監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)網(wǎng)起算，解決水域方面的施測(cè)。壩體施工平面變形監(jiān)測(cè)采用基于徠卡TCA測(cè)量機(jī)器人開發(fā)的監(jiān)測(cè)自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)［3］。

3.1系統(tǒng)構(gòu)成

系統(tǒng)包含1臺(tái)自動(dòng)全站儀、1臺(tái)筆記本電腦、通訊電纜及軟件。

3.2功能亮點(diǎn)

充分運(yùn)用自動(dòng)全站儀的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，功能方面主要有以下亮點(diǎn)：①實(shí)現(xiàn)了從測(cè)量照準(zhǔn)、數(shù)據(jù)采集記錄、數(shù)據(jù)預(yù)處理到測(cè)量手簿生成、平差軟件所需格式文件的輸出全部過程的自動(dòng)化；②可以根據(jù)現(xiàn)行國(guó)家規(guī)范進(jìn)行各種測(cè)量限差的設(shè)置，測(cè)量過程中軟件自動(dòng)進(jìn)行各項(xiàng)指標(biāo)的檢查；③帶有圖形自動(dòng)生成、顯示和輸出功能，操作人員可以根據(jù)圖形調(diào)閱每個(gè)測(cè)站的觀測(cè)量和相關(guān)數(shù)據(jù)指標(biāo)是否達(dá)標(biāo)的情況；④系統(tǒng)可完全利用各種測(cè)量數(shù)據(jù)和已有測(cè)量成果，選擇根據(jù)垂直角數(shù)據(jù)求取平距和按高程數(shù)據(jù)求取平距的選擇，也可按照觀測(cè)數(shù)據(jù)的高差合成高程網(wǎng)全面直觀的觀測(cè)資料，并且同時(shí)完成平面和高程數(shù)據(jù)的采集、計(jì)算、生成等過程［4，5］。

3.3作業(yè)流程

設(shè)置好儀器設(shè)備，將設(shè)備與筆記本電腦通過通訊電纜連接后，初始化儀器，后將儀器粗略照準(zhǔn)定向點(diǎn)，在儀器自動(dòng)完成定向過程后進(jìn)入各種數(shù)據(jù)設(shè)置。系統(tǒng)根據(jù)本站觀測(cè)點(diǎn)設(shè)置，開始自動(dòng)完成該站的測(cè)量。所有測(cè)站完成后，進(jìn)行各測(cè)站的數(shù)據(jù)處理，同時(shí)可以進(jìn)行三角形閉合差計(jì)算、觀測(cè)手簿生成、平差數(shù)據(jù)文件的生成。

邊坡工程變形自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)成如圖5所示。

3.3.1監(jiān)測(cè)站。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件，在變形移動(dòng)區(qū)外基巖上建立監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)站，以強(qiáng)制對(duì)中方式安置自動(dòng)化全站儀。在監(jiān)測(cè)站上還需配置數(shù)字溫度計(jì)、氣壓計(jì)、濕度計(jì)、光電測(cè)距儀和頻率校準(zhǔn)儀等進(jìn)行氣象改正的專用儀器。

3.3.2控制機(jī)房。控制機(jī)房通常選在辦公區(qū)附近。在控制機(jī)房?jī)?nèi)和監(jiān)測(cè)站房之間埋設(shè)傳輸電纜，實(shí)現(xiàn)機(jī)房和監(jiān)測(cè)站之間的數(shù)據(jù)通訊，在機(jī)房即能實(shí)時(shí)全面了解監(jiān)測(cè)站設(shè)備的運(yùn)行情況。

圖5　邊坡變形自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成

3.3.3基準(zhǔn)點(diǎn)。在變形體以外，設(shè)立多個(gè)建立在穩(wěn)定基礎(chǔ)上的基準(zhǔn)點(diǎn)，每個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)上設(shè)置一套反射單棱鏡。監(jiān)測(cè)站至各反射單棱鏡的方向與距離盡量覆蓋整個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域。

3.3.4監(jiān)測(cè)點(diǎn)。根據(jù)實(shí)際情況，在變形體上設(shè)置若干個(gè)變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)上設(shè)置類似于基準(zhǔn)點(diǎn)的反射單棱鏡。

圖6　監(jiān)測(cè)實(shí)施示意圖

3.3.5數(shù)據(jù)采集。根據(jù)不同用戶、不同監(jiān)測(cè)精度和不同儀器設(shè)備條件，設(shè)計(jì)了多種數(shù)據(jù)采集方式。例如，瞄準(zhǔn)測(cè)量目標(biāo)時(shí)，可采用完全人工、人工精瞄和完全自動(dòng)3種方式；儀器測(cè)距時(shí)的尺長(zhǎng)改正數(shù)計(jì)算，可采用儀器檢定時(shí)的尺長(zhǎng)改正數(shù)和自動(dòng)測(cè)量頻率2種；自動(dòng)測(cè)頻時(shí)測(cè)頻裝置的校準(zhǔn)由計(jì)算機(jī)控制，又可采用忽略校準(zhǔn)、周期性校準(zhǔn)和測(cè)量前校準(zhǔn)3種方式。當(dāng)要求自動(dòng)化監(jiān)測(cè)時(shí)，所有數(shù)據(jù)用自動(dòng)方式來采集，并自動(dòng)存貯在數(shù)據(jù)庫(kù)中，以便后續(xù)計(jì)算和分析時(shí)使用。

3.3.6數(shù)據(jù)處理。在采集數(shù)據(jù)后，計(jì)算機(jī)首先計(jì)算出各種距離改正數(shù)，包括氣象代表性誤差改正、頻率改正、氣象改正和儀器常數(shù)改正等；其次將觀測(cè)值加上各種改正后，求出實(shí)際邊長(zhǎng)值，然后由邊長(zhǎng)、方位角、天頂距求得變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)值；接下來計(jì)算變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移量、移動(dòng)速度，并進(jìn)行回歸分析與預(yù)報(bào)；最后與設(shè)計(jì)臨界變形值或臨界移動(dòng)速度進(jìn)行比較，如果超限則報(bào)警，與此同時(shí)計(jì)算結(jié)果自動(dòng)存盤，以便查詢或作進(jìn)一步分析處理。

4　后期監(jiān)測(cè)控制網(wǎng)的實(shí)施

同類大型水利項(xiàng)目采用衛(wèi)星定位相對(duì)定位，相對(duì)距離過大，精度高。數(shù)據(jù)起算利用對(duì)岸國(guó)家級(jí)平面與高程控制點(diǎn)，制定合理的數(shù)據(jù)觀測(cè)網(wǎng)型，構(gòu)成GPS大地水準(zhǔn)網(wǎng)。通過曲面擬合的方法，從而把GPS大地高轉(zhuǎn)化為正常高，其精度是完全可以保證的，而三角高程是難以實(shí)現(xiàn)的［6］。衛(wèi)星定位技術(shù)在工程測(cè)量中已經(jīng)普遍使用，高效快捷地替代了常規(guī)測(cè)量中內(nèi)、外業(yè)的繁重的作業(yè)過程。

5　結(jié)語(yǔ)

本文論述了使用衛(wèi)星系統(tǒng)對(duì)工程進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)的方法，主要通過數(shù)據(jù)的自動(dòng)化采集，深度分析計(jì)算機(jī)自動(dòng)計(jì)算生成的達(dá)到各項(xiàng)指標(biāo)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，從而判斷變形區(qū)域是否穩(wěn)定。

通過后期整體監(jiān)測(cè)的實(shí)施，根據(jù)不同工況，在上游加密監(jiān)測(cè)控制點(diǎn)，實(shí)施自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集作業(yè)，建立系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)關(guān)鍵區(qū)域?qū)嵤┤旌虿婚g斷測(cè)量，自動(dòng)預(yù)警，技術(shù)上可行，經(jīng)濟(jì)合理，達(dá)到了預(yù)期的目的，可為類似項(xiàng)目工程提供借鑒。

［1］GB50026-93.工程測(cè)量規(guī)范［S］.

［2］衛(wèi)建東.TCA測(cè)量機(jī)器人在南水大壩監(jiān)測(cè)網(wǎng)測(cè)量中的應(yīng)用［J］.水電自動(dòng)化與大壩監(jiān)測(cè)，2005（1）：70-73.

［3］SL52-93.水利水電工程施工測(cè)量規(guī)范［S］.

［4］岳建平，岳東杰.工程GPS水準(zhǔn)測(cè)量的精度及其應(yīng)用［J］.測(cè)繪通報(bào)，1999（11）：27-30.

［5］尹暉.變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理［M］.武漢：武漢大學(xué)出版社，2002.

［6］張正祿.工程測(cè)量學(xué)［M］.武漢：武漢大學(xué)出版社，2002.

Design and Research of Construction Monitoring Scheme for Large Scale Reservoir

Song Hui
（China Ship Survey and Design Institute Co.Ltd.，Shanghai 200063）

According to the topographic survey and measurement conditions of the construction area of large reservoir，combined with GPS positioning theory，the advantages of automatic total station，as well as the application of electronic level，the measurement program was designed and developed.At the same time，n depth analysis of the project，different solutions were proposed for the former，middle and late stage of the application，three dimensional control was described mainly.In practical work，the use of this program will greatly reduce human input，improve work efficiency，quality and quantity to complete the test task.

reservoir construction；monitoring and control network；GPS level automatic total station instrument

TV697.3

A

1003-5168（2016）07-0091-03

2016-06-15

宋輝（1984-），男，本科，助理工程師，研究方向：大地測(cè)量、海洋測(cè)繪、工程測(cè)量，變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析。