高山峽谷地區(qū)水平位移控制網(wǎng)設(shè)計(jì)和觀測探討

伍文鋒，稅思梅，裴灼炎

(1.長江勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院 長江空間信息技術(shù)工程有限公司， 湖北 武漢 430010；2.中國電建成都勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司， 四川 成都 610072)

高山峽谷地區(qū)水平位移控制網(wǎng)設(shè)計(jì)和觀測探討

伍文鋒1，稅思梅2，裴灼炎1

(1.長江勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院 長江空間信息技術(shù)工程有限公司， 湖北 武漢 430010；2.中國電建成都勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司， 四川 成都 610072)

隨著我國水電開發(fā)的推進(jìn)，在西南高山峽谷地區(qū)涌現(xiàn)一批300 m級特大型水電站，這些水電工程具有高壩、大庫、地質(zhì)條件復(fù)雜、壩址區(qū)河谷狹窄、邊坡高陡、蓄水影響范圍大等特點(diǎn)。如何在這些工程上建立一個(gè)高精度和高穩(wěn)定性的水平位移控制網(wǎng)，得到準(zhǔn)確可靠的變形監(jiān)測數(shù)據(jù)，是研究水電工程變形監(jiān)測的重點(diǎn)和難點(diǎn)。通過對溪洛渡水電站水平位移控制網(wǎng)的設(shè)計(jì)、施工、觀測的重點(diǎn)和難點(diǎn)進(jìn)行分析，采取了校核網(wǎng)、基準(zhǔn)網(wǎng)、工作基點(diǎn)網(wǎng)三級設(shè)網(wǎng)，逐級控制，并上下分層設(shè)置工作基點(diǎn)，逐步推進(jìn)等措施，最終實(shí)現(xiàn)了溪洛渡工程水平位移控制網(wǎng)的高穩(wěn)定性和高精度傳遞，為工程安全評價(jià)提供了準(zhǔn)確可靠的數(shù)據(jù)支撐。

高山峽谷；水平位移控制網(wǎng)；設(shè)計(jì)；觀測

隨著我國水電開發(fā)的推進(jìn)，在西南高山峽谷地區(qū)涌現(xiàn)一批300 m級特大型水電站，這些水電工程具有高壩、大庫、地質(zhì)條件復(fù)雜等特點(diǎn)。如小灣、溪洛渡、錦屏、白鶴灘、烏東德等水電工程。從水庫形成和投資角度考慮，這些大壩通常選擇在相對狹窄的河谷地區(qū)。壩址區(qū)附近的邊坡具有坡比大、落差大等特點(diǎn)；同時(shí)電站首次蓄水過程中，難以避免的引起誘發(fā)地震以及改變周邊山體的滲流場，導(dǎo)致原來穩(wěn)定的山體進(jìn)一步應(yīng)力調(diào)整，發(fā)生一定變形。

水電工程通常采用以表面變形監(jiān)測[1]為主的監(jiān)測方法[2]，變形監(jiān)測控制網(wǎng)是壩區(qū)變形觀測的基礎(chǔ)和起算基準(zhǔn)，其高精度和高穩(wěn)定性尤為重要，其穩(wěn)定性又是建筑物安全監(jiān)測數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)確可靠的前提，將直接影響工程施工和安全[3]。特大型水電工程壩址區(qū)狹窄的河谷、高陡的邊坡，伴隨首次蓄水的二次變形調(diào)整，大幅提高了變形基準(zhǔn)網(wǎng)的設(shè)計(jì)和實(shí)施難度。如何實(shí)現(xiàn)變形基準(zhǔn)網(wǎng)的高精度和高穩(wěn)定性，是水電工程安全監(jiān)測體系建立所面臨的重點(diǎn)和難點(diǎn)。現(xiàn)以溪洛渡水電站為例，闡述水平位移控制網(wǎng)的設(shè)計(jì)和觀測，為類似工程提供參考和借鑒。

1 概 況

溪洛渡水電站位于四川省雷波縣與云南省永善縣接壤的金沙江溪洛渡峽谷中[4]。溪洛渡水電站是金沙江干流梯級開發(fā)規(guī)劃中的第三個(gè)梯級，以發(fā)電為主，兼有防洪、攔沙和改善下游航運(yùn)條件等綜合效益。壩段控制流域面積45.44萬km2。地下廠房對稱布置在左右岸山體，共18臺機(jī)組，裝機(jī)容量為13 860 MW(770 MW×18臺)[5]。大壩為混凝土雙曲拱壩，壩頂高程610 m，最大壩高285.5 m，水庫正常蓄水位600 m，死水位540 m，庫容126.7億m3。壩址附近兩岸河谷對稱，岸坡陡峻，寬高之比小于2，山體雄厚，地形完整，無溝谷切割。

溪洛渡電站基礎(chǔ)復(fù)雜[6-7]，壩區(qū)邊坡巖體堅(jiān)硬較完整，宏觀上以次塊狀結(jié)構(gòu)為主，巖體質(zhì)量較好；層間、層內(nèi)錯(cuò)動帶傾角平緩，錯(cuò)動帶物質(zhì)以堅(jiān)硬的玄武巖角礫為主，擠壓較緊密，裂隙短小、粗糙，隨機(jī)分布；兩岸未見大規(guī)模的變形體，僅在斜坡的陡壁部位見局部的崩塌和冒落，坡腳未見大的崩塌堆積體分布。兩岸地層產(chǎn)狀平緩，總體以3°～7°緩傾下游偏左岸。壩區(qū)山高谷深，氣候的垂直差異突出。

2 設(shè) 計(jì)

變形監(jiān)測網(wǎng)的建立是變形監(jiān)測中的首要任務(wù)[8]。變形監(jiān)測網(wǎng)網(wǎng)形的最佳設(shè)計(jì)實(shí)質(zhì)是網(wǎng)點(diǎn)點(diǎn)位的最佳設(shè)計(jì)[9]。合理的設(shè)計(jì)是水平位移監(jiān)測控制網(wǎng)高穩(wěn)定性和高精度傳遞的保障。除滿足規(guī)范要求外，還需考慮工程的特點(diǎn)和面臨的困難?，F(xiàn)從設(shè)計(jì)目的和原則、面臨的困難和應(yīng)對措施、設(shè)計(jì)方案三個(gè)方面闡述溪洛渡工程水平位移監(jiān)測控制網(wǎng)的設(shè)計(jì)。

2.1 設(shè)計(jì)的目的和原則

設(shè)計(jì)目的：為壩區(qū)水工建筑物及岸坡水平位移監(jiān)測提供穩(wěn)定可靠的基準(zhǔn)；及時(shí)獲得滿足設(shè)計(jì)精度要求的變形觀測成果。

設(shè)計(jì)原則：保持變形觀測數(shù)據(jù)的可靠性、及時(shí)性和連續(xù)性； 監(jiān)測儀器設(shè)備的選型，力求耐久、可靠、實(shí)用、有效，滿足工程需要和便于實(shí)現(xiàn)自動化；力求做到合理且經(jīng)濟(jì)。

2.2 面臨的困難和應(yīng)對措施

面臨的困難：基準(zhǔn)點(diǎn)的選定是一個(gè)難點(diǎn)，首先基準(zhǔn)點(diǎn)距離測量儀器或變形點(diǎn)不能太遠(yuǎn)，否則影響測量精度；其次，基準(zhǔn)點(diǎn)距離測量儀器或變形點(diǎn)不能太近，否則其穩(wěn)定性難以保證[10]。河谷狹窄、岸坡陡峻，河床方向延伸空間有限，如何避開蓄水影響區(qū)域，選擇施工期和運(yùn)行期都處于穩(wěn)定的基準(zhǔn)點(diǎn)難度大。監(jiān)測范圍上下游達(dá)到3 km，高差最大超過500 m，而左右岸最大寬度不超過1 km，如何建立一個(gè)覆蓋整個(gè)監(jiān)測范圍，且精度高的監(jiān)測網(wǎng)難度大。

應(yīng)對措施：分級設(shè)網(wǎng)，逐級控制，并增設(shè)校核網(wǎng)對基準(zhǔn)點(diǎn)的穩(wěn)定進(jìn)行校核和改算；逐步推進(jìn)、上下分層設(shè)置工作基點(diǎn)，改善基準(zhǔn)網(wǎng)的網(wǎng)形，形成高精度、全覆蓋的工作基點(diǎn)網(wǎng)；盡量遠(yuǎn)離邊坡臨空面，優(yōu)先選擇沖溝后、低高程的部位實(shí)施倒垂孔布設(shè)校核網(wǎng)點(diǎn)，遠(yuǎn)離邊坡開挖卸荷和蓄水影響，確保校核點(diǎn)的穩(wěn)定；由于早期難以全面準(zhǔn)確的把握高壩大庫的蓄水影響區(qū)，因此點(diǎn)位還需考慮壩下游不同山體結(jié)構(gòu)， 且數(shù)量應(yīng)有富余。

2.3 設(shè)計(jì)方案

針對溪洛渡工程特點(diǎn)和面臨的困難，進(jìn)行水平位移基準(zhǔn)網(wǎng)設(shè)計(jì)和研究。溪洛渡水平位移監(jiān)測控制網(wǎng)由水平位移校核網(wǎng)、水平位移基準(zhǔn)網(wǎng)、水平位移工作基點(diǎn)網(wǎng)組成，基準(zhǔn)網(wǎng)為工作基點(diǎn)網(wǎng)提供起算基準(zhǔn)，校核網(wǎng)為基準(zhǔn)網(wǎng)提供起算基點(diǎn)并檢校其穩(wěn)定性。

(1) 水平位移校核網(wǎng)?；鶞?zhǔn)網(wǎng)的穩(wěn)定性是一個(gè)相對的概念，由于受到開挖、蓄水等因素的影響，基準(zhǔn)點(diǎn)有時(shí)也會產(chǎn)生位移。鑒于此，增設(shè)校核網(wǎng)，為整個(gè)網(wǎng)的起算基準(zhǔn)和檢校其穩(wěn)定性。校核點(diǎn)要求測點(diǎn)所在部位山體長期穩(wěn)定性好。根據(jù)現(xiàn)場地形地貌和地質(zhì)條件，宜在壩下游離施工區(qū)較遠(yuǎn)(部分選在過沖溝)、組網(wǎng)條件好(合適的網(wǎng)形確保精度)、穩(wěn)定堅(jiān)固的基巖上，同時(shí)兼顧通視條件佳、安全可靠、遠(yuǎn)離高壓電線或其它可能的干擾源、交通便利、使用方便的部位布設(shè)校核網(wǎng)點(diǎn)。溪洛渡水平位移校核網(wǎng)由4個(gè)測點(diǎn)組成，布置見圖1。

(2) 水平位移基準(zhǔn)網(wǎng)?；鶞?zhǔn)網(wǎng)是用來為工作基點(diǎn)提供起算基準(zhǔn)，要求穩(wěn)定可靠，避免改算數(shù)據(jù)過大，導(dǎo)致短期內(nèi)數(shù)據(jù)偏差過大。宜在穩(wěn)定的山體部位、組網(wǎng)條件好(合適的網(wǎng)形確保精度)、穩(wěn)定堅(jiān)固的基巖上，同時(shí)兼顧通視條件佳、安全可靠、遠(yuǎn)離高壓電線或其它可能的干擾源、交通便利、使用方便的部位布設(shè)基準(zhǔn)網(wǎng)點(diǎn)。溪洛渡水平位移基準(zhǔn)網(wǎng)共計(jì)11個(gè)測點(diǎn)，由6個(gè)變形觀測墩、4個(gè)倒垂點(diǎn)、1個(gè)鋼管標(biāo)組成。水平位移基準(zhǔn)網(wǎng)布置見圖2。

圖1 水平位移基準(zhǔn)網(wǎng)及校核網(wǎng)圖

圖2 溪洛渡水電站水平位移基準(zhǔn)網(wǎng)布置圖

(3) 水平位移工作基點(diǎn)。水平位移工作基點(diǎn)網(wǎng)實(shí)際上是對基準(zhǔn)網(wǎng)點(diǎn)進(jìn)行加密和補(bǔ)充，主要用來改善交會角度、邊長差，用以提高整個(gè)變形網(wǎng)的觀測精度。其選點(diǎn)要求與基準(zhǔn)網(wǎng)點(diǎn)基本一致。溪洛渡工作基點(diǎn)網(wǎng)由13個(gè)測點(diǎn)組成，布置見圖3。

圖3 水平位移工作基點(diǎn)網(wǎng)圖

3 觀 測

觀測工作開展盡量做到固定作業(yè)人員、固定儀器設(shè)備、固定作業(yè)方法(包括起算數(shù)據(jù)固定)“三固定”原則，以確保觀測成果的質(zhì)量。

水平位移監(jiān)測控制網(wǎng)嚴(yán)格按規(guī)范和設(shè)計(jì)要求定期開展觀測，及時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和精度分析，最后對變形測點(diǎn)的成果進(jìn)行改算，為工程安全評價(jià)提供精確的數(shù)據(jù)支撐。溪洛渡水平位移控制網(wǎng)采用金沙江坐標(biāo)系，采用1956年黃海高程為基準(zhǔn)，選在中部470 m高程面為投影面，地球曲率半徑為6 369 000 m。

3.1 觀測方案

(1) 水平角。水平角用徠卡TM50精密全站儀采用全圓方向法按一等網(wǎng)精度要求進(jìn)行全自動觀測，各項(xiàng)限差按表1的規(guī)定執(zhí)行。

表1 水平角觀測限差表

(2) 邊長。邊長采用徠卡TM50精密全站儀按一等精度要求進(jìn)行觀測。每條邊異午對向往返觀測，若為全陰天可適當(dāng)放寬為同午對向往返觀測，每條測距邊往返觀測各4測回，每測回照準(zhǔn)1次，讀數(shù)4次。每條邊在一個(gè)時(shí)間段內(nèi)的觀測始末，要測定干溫、濕溫及氣壓。溫度估讀到0.2℃，氣壓估讀到0.5毫巴。溫度計(jì)應(yīng)置于傘下，使不受陽光直接輻射的影響。

(3) 精度和可靠性預(yù)期。水平位移監(jiān)測控制網(wǎng)網(wǎng)點(diǎn)的主要參數(shù)指標(biāo)估算精度均滿足規(guī)范要求，詳見表2。對水平位移校核基準(zhǔn)網(wǎng)和水平位移基準(zhǔn)網(wǎng)各觀測量進(jìn)行可靠性計(jì)算，方向觀測與邊長觀測內(nèi)外可靠性指標(biāo)基本上都在5和3以內(nèi)，網(wǎng)的內(nèi)外可靠性均較好。

表2 典型網(wǎng)點(diǎn)估算精度統(tǒng)計(jì)表

3.2 數(shù)據(jù)處理

觀測數(shù)據(jù)采集完成后，所有資料在平差計(jì)算前按相應(yīng)規(guī)范的要求進(jìn)行各項(xiàng)限差檢查驗(yàn)算；選擇校核網(wǎng)點(diǎn)的坐標(biāo)為起算數(shù)據(jù)，平差計(jì)算出其它網(wǎng)點(diǎn)的坐標(biāo)。

(1) 觀測數(shù)據(jù)預(yù)處理。邊長改正：溫度、濕度、氣壓等氣象改正，儀器加、乘常數(shù)改正，觀測斜距精確歸算到標(biāo)心斜距，最后歸算到470 m高程橢球面平距，地球曲率半徑6 369 000 m；對經(jīng)預(yù)處理后的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行各項(xiàng)驗(yàn)算：三角形閉合差、角極條件、邊極條件等。

(2) 平差計(jì)算?；鶞?zhǔn)網(wǎng)以校核網(wǎng)點(diǎn)推算出來的TN2n、TN3n、TN5n、TN6n坐標(biāo)值為起算數(shù)據(jù)，采用金沙江坐標(biāo)系進(jìn)行平差和評定其余基準(zhǔn)網(wǎng)點(diǎn)坐標(biāo)精度。

3.3 觀測成果

通過合理的觀測方法和數(shù)據(jù)處理，測得溪洛渡水電站水平位移監(jiān)測控制網(wǎng)的三角形閉合差、角極條件自由項(xiàng)、測邊極條件自由項(xiàng)、測邊邊長不同時(shí)間段差均小于限差，且80%在小于1/2限差。測角中誤差為±0.56″，小于規(guī)范限值的±0.70″。水平位移監(jiān)測控制網(wǎng)觀測成果滿足設(shè)計(jì)和規(guī)范的要求。典型網(wǎng)點(diǎn)觀測精度見表3。

本次觀測成果相較于上次，上下游方向變化很小，y方向均表現(xiàn)為向河谷方向的位移，量級不大。

監(jiān)測網(wǎng)的質(zhì)量包括精度靈敏度、觀測、費(fèi)用、可靠性等多因素質(zhì)量準(zhǔn)則[11]。對照質(zhì)量準(zhǔn)則，從觀測成果分析，溪洛渡水平位移監(jiān)測控制網(wǎng)成果質(zhì)量優(yōu)良。目前基準(zhǔn)網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)良好，滿足工程安全監(jiān)測的需要。

表3 典型網(wǎng)點(diǎn)觀測精度統(tǒng)計(jì)表

4 結(jié) 論

溪洛渡水電工程具有高壩大庫，壩址區(qū)河谷狹窄，地質(zhì)條件復(fù)雜，樞紐區(qū)邊坡坡比大、落差大，蓄水影響范圍大等特點(diǎn)。通過分級設(shè)網(wǎng)，逐級控制，增設(shè)校核網(wǎng)，提高網(wǎng)的穩(wěn)定性；逐步推進(jìn)、上下分層布設(shè)網(wǎng)點(diǎn)，改善網(wǎng)形，提高精度；采用合理的觀測方案和數(shù)據(jù)處理方法，確保觀測成果的準(zhǔn)確等手段。最終實(shí)現(xiàn)了溪洛渡工程水平位移控制網(wǎng)的高穩(wěn)定性和高精度傳遞，為工程安全評價(jià)提供了準(zhǔn)確可靠的數(shù)據(jù)支撐。

[1] 黃志鵬，董燕軍，廖年春，等.錦屏一級水電站左岸開挖高邊坡變形監(jiān)測分析[J].巖土力學(xué)，2011，33(S2)：235-242.[2] 趙明華，劉小軍，馮漢斌，等.小灣電站高邊坡的穩(wěn)定性監(jiān)測及分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2006，25(S1)：2746-2750.

[3] 陳 濤.安全監(jiān)測基準(zhǔn)網(wǎng)粗差剔除與穩(wěn)定性分析的實(shí)現(xiàn)[D].南京：南京信息工程大學(xué)，2011：1-62．

[4] 伍文鋒.溪洛渡水電站特大型地下廠房洞室群開挖質(zhì)量控制[J].水利與建筑工程學(xué)報(bào)，2012，10(6)：138-142.

[5] 伍文鋒.溪洛渡水電站超大型地下廠房圍巖監(jiān)測資料分析和穩(wěn)定性評價(jià)[J].水利與建筑工程學(xué)報(bào)，2014，12(2)：112-116.

[6] 王仁坤.溪洛渡拱壩設(shè)計(jì)綜述[J].水力發(fā)電，2003，29(11)：17-19.

[7] 王仁坤.金沙江溪洛渡水電站樞紐建筑物設(shè)計(jì)綜述[J].中國三峽建設(shè)，2005(6)：47-50．

[8] 李雙平,方 濤,王當(dāng)強(qiáng).測量機(jī)器人在溪洛渡電站變形監(jiān)測網(wǎng)中的應(yīng)用[J]．人民長江，2007，38(10)：54-56．

[9] 陶華學(xué).變形監(jiān)測網(wǎng)網(wǎng)形結(jié)構(gòu)的動態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)——三級動態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].勘查科學(xué)技術(shù)，1990(3)：48-51．

[10] 詹龍喜,唐繼民,汪維春，等.變形監(jiān)測基準(zhǔn)點(diǎn)的穩(wěn)定性檢驗(yàn)[J].上海地質(zhì)，2004(2)：34-36．

[11] 陶華學(xué)，潘行莊.顧及多因素影響的變形監(jiān)測網(wǎng)網(wǎng)形結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].勘查科學(xué)技術(shù)，1995(2)：42-47．

Design and Observation of Horizontal Displacement Control Network in the Alpine Canyon Area

WU Wenfeng1, SHUI Simei2, PEI Zhuoyan1

(1.SpatialInformationTechnologyCo.，Ltd.,ChangjiangInstituteofSurvey,Planning,DesignandResearch,Wuhan,Hubei430010,China; 2.ChengduEngineeringCorporationLimitedofPowerChina,Chengdu,Sichuan610072,China)

With the development of hydropower development in our country, a large number of 300 m class large hydropower stations have been designed in the southwest alpine canyon area, the hydropower project has the characteristics of high dams, large reservoirs, complex geological condition, narrow valley, high steep slope, wide range of water storage etc. How to establish a high precision and high stability of the horizontal displacement control network in these projects and obtain accurate and reliable deformation monitoring data is an important issue. Through the analysis key and difficult points of design, construction, observation in horizontal displacement control network. Tthe check of network, network, network level reference point set, step by step control was proposed; According to the characteristics of Xiluodu project, through the addition of check network, reasonable choice of shop etc., the high stability and high accuracy transfer of horizontal displacement control network are realized, which could provide accurate and reliable data support for engineering safety evaluation.

alpine canyon; horizontal displacement control network; design; observation

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.03.015

2017-02-17

2017-03-10

伍文鋒(1981—)，男，湖南衡陽人，高級工程師，主要從事水利水電工程大壩安全監(jiān)測工作。E-mail：wuwenfeng123@126.com

P221

A

1672—1144(2017)03—0077—04