黃登水電站平面變形監(jiān)測控制網(wǎng)設(shè)計研究

丁學(xué)智，董 燕，謝豐余

（1.昆明理工大學(xué)國土資源工程學(xué)院，云南省昆明市 650093；2.中國電建集團昆明勘測設(shè)計研究院有限公司，云南省昆明市 650051；3.華能瀾滄江水電股份有限公司，云南省昆明市 650214）

0 引言

水電站變形監(jiān)測控制網(wǎng)建立的目的在于：為水電站水工建筑物、邊坡變形監(jiān)測提供可靠的位置基準[1，2]。因此，變形監(jiān)測控制網(wǎng)點位必須滿足通視條件好、地質(zhì)穩(wěn)定、方便使用且利于保護等要求。同時，變形監(jiān)測控制網(wǎng)應(yīng)具備高精度、高可靠性和高靈敏度等特點，以滿足水電站變形監(jiān)測的需要。由于水電站樞紐區(qū)普遍位于高山峽谷中，受地形條件限制，平面變形監(jiān)測控制網(wǎng)點位通視困難，設(shè)計難度大，僅憑一般經(jīng)驗布網(wǎng)往往網(wǎng)形結(jié)構(gòu)不合理，難以保證精度和可靠性。本文根據(jù)黃登水電站樞紐區(qū)水工建筑物、邊坡監(jiān)測需要，結(jié)合變形監(jiān)測控制網(wǎng)精度、可靠性、靈敏度要求，研究以邊、方向觀測量精度先驗值為參數(shù)，采用基于最小二乘法原理的精度估算方法進行平面監(jiān)測控制網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計。同時在起算基準點上布設(shè)倒垂線，增加基準點的外部校核條件，變形監(jiān)測控制網(wǎng)的設(shè)計成果滿足工程需要。

1 工程概況

黃登水電站位于云南省蘭坪縣境內(nèi)的瀾滄江上游河段，是瀾滄江上游古水至苗尾河段“一庫七級”水電梯級開發(fā)方案的第五級水電站。黃登水電站以發(fā)電為主，是兼有防洪、灌溉、供水、水土保持和旅游等綜合效益的大型水利水電工程。黃登水電站最大壩高為204m，裝機容量1900MW。樞紐區(qū)河谷狹窄，呈“V”字形，兩岸地形基本對稱，山坡陡峻，自然坡度一般大于45°，多陡壁，兩岸1950m高程以上局部分布有相對緩坡，坡度一般為15°～35°。兩岸岸坡地形不完整，呈沖溝和山梁相間分布。

黃登水電站樞紐區(qū)變形監(jiān)測對象主要包括碾壓混凝土重力壩、導(dǎo)流洞邊坡、壩肩邊坡以及自然邊坡等。黃登水電站樞紐區(qū)建立平面監(jiān)測控制網(wǎng)，為各監(jiān)測部位建立永久監(jiān)測基準，滿足樞紐區(qū)內(nèi)各主要建筑物和邊坡的永久監(jiān)測，并兼顧建筑物的施工期監(jiān)測。

2 平面監(jiān)測控制網(wǎng)設(shè)計

2.1 平面監(jiān)測控制網(wǎng)點位布置

點位布置時在樞紐區(qū)1∶2000地形圖上初步選定點位，結(jié)合現(xiàn)場踏勘情況，綜合考慮通視條件、利于使用和保護、點位相對穩(wěn)定以及網(wǎng)形等因素后確定點位[3，4]。圖1為平面監(jiān)測控制網(wǎng)布置圖。

黃登水電站平面位移監(jiān)測網(wǎng)沿瀾滄江干流控制范圍約3km，共由19個點組成，包括基準點組和工作基點組兩部分。基準點組編號為J01～J06，基準點組由6個點組成，左右岸各3點，距離大壩最近和最遠的基準點分別距離大壩0.7km和1.8km左右。J01、J02分別布置在距離大壩下游約700m的右岸和左岸山體上，基本不受施工影響，且這兩點位于整網(wǎng)中部偏下游區(qū)域，作為基準點較為適宜。為增加校核，提高可靠性，同時兼顧對壩下游建筑物的監(jiān)測需要，在基準點J01、J02下游左、右岸各布置2個基準點J03～J06作為J01、J02的校核基準。

圖1 黃登水電站平面監(jiān)測控制網(wǎng)布置圖Fig．1 Layout of plane deformation monitoring control network in the Huangdeng Hydroelectric Station

為了提高基準的可靠性，增加外部校核條件，在J01、J02旁各安裝1條倒垂線，編號分別為IP01、IP02，倒垂線通過鉆孔錨固到基巖，檢核這兩個基準點的穩(wěn)定性。

工作基點組由13個點組成，編號為C01～C13。C01～C07位于1650m高程附近，其中C01～C03主要作用是為混凝土重力壩的壩頂和下游壩面、壩肩邊坡位移監(jiān)測提供工作基點；C04、C05主要作用是為混凝土重力壩上游面的位移監(jiān)測提供工作基點；C06、C07主要作用是為導(dǎo)流洞進口邊坡、近壩區(qū)巖體、自然邊坡的監(jiān)測提供工作基點；C08～C12位于1550m高程附近，主要作用是為大壩下游邊坡、導(dǎo)流洞出口邊坡、尾水洞出口邊坡的監(jiān)測提供工作基點；C13位于大壩轉(zhuǎn)折壩段壩頂，對整網(wǎng)起到聯(lián)系壩上下游網(wǎng)點，增強圖形結(jié)構(gòu)的作用。

2.2 平面監(jiān)測控制網(wǎng)圖形設(shè)計

平面監(jiān)測控制網(wǎng)點以三角形和大地四邊形連接，布設(shè)為全測邊測角網(wǎng)。根據(jù)監(jiān)測網(wǎng)點布設(shè)方案，采用基于最小二乘法原理的精度估算方法進行優(yōu)化設(shè)計。優(yōu)化設(shè)計原則是網(wǎng)形選擇力求簡單，滿足精度和可靠性要求，有適當?shù)木雀挥唷Ｗ罱K選定了62條邊、124個方向的觀測量構(gòu)建監(jiān)測控制網(wǎng)。

（1）精度估算。

黃登水電站樞紐區(qū)變形監(jiān)測控制網(wǎng)控制范圍大，網(wǎng)點數(shù)目多，網(wǎng)形結(jié)構(gòu)復(fù)雜，點位精度要求高，根據(jù)工程規(guī)模特點，精度要求最弱點位中誤差小于±2.0mm。在設(shè)計圖上切取控制網(wǎng)點的概略坐標，對上述網(wǎng)形進行精度估算，起算點為J01，J01至J02的方位角為起算方位角，觀測量先驗精度為：方向中誤差±0.35″，測距中誤差±（1.0mm+1.0×10-6·D）。點位精度估算結(jié)果見表1。

表1 點位精度統(tǒng)計表Tab.1 Statistics of the points precision

由計算結(jié)果可知，點位中誤差最大值為±1.69mm（C07），該網(wǎng)形完全滿足精度要求。

（2）可靠性指標。

可靠性指標與多余觀測分量有關(guān)，是無量綱的量，分為內(nèi)部可靠性和外部可靠性。內(nèi)部可靠性指標：在顯著水平α下，以檢驗功效β發(fā)現(xiàn)粗差的下界；外部可靠性指標：表示未能發(fā)現(xiàn)的粗差對平差結(jié)果的影響的指標[5]。取α=0.01，β=0.90，非中心化參數(shù)δ=3.86，通過計算，可靠性指標見表2。

表2 可靠性指標統(tǒng)計表Tab.2 Statistics of the reliability index

從計算結(jié)果可知，監(jiān)測控制網(wǎng)多余觀測分量均滿足規(guī)范大于0.2的要求，內(nèi)、外部可靠性較高，表明監(jiān)測網(wǎng)具有較強的抵抗粗差的能力。

（3）靈敏度指標。

靈敏度指標反映監(jiān)測網(wǎng)發(fā)現(xiàn)某一變形的能力，通常以靈敏度橢圓表示，即超出該橢圓的變形才能被發(fā)現(xiàn)，位于橢圓內(nèi)部的變形均不能被發(fā)現(xiàn)。

靈敏度與網(wǎng)形結(jié)構(gòu)強度、觀測精度、顯著水平和檢驗功效有關(guān)。取顯著水平α=0.01，相應(yīng)的檢驗功效β=0.9時，靈敏度指標見表3。

表3 靈敏度指標統(tǒng)計表Tab.3 Statistics of the sensitivity index

從計算結(jié)果可知，靈敏度橢圓長半軸最大值為±3.18mm，該網(wǎng)形具備較高靈敏度，有利于監(jiān)測網(wǎng)的變形分析，滿足工程需要。

2.3 觀測技術(shù)要求

平面網(wǎng)初期建網(wǎng)在蓄水前完成，初期建網(wǎng)不包括C13，C13待大壩澆筑到壩頂后再建造并納入整網(wǎng)觀測。初期建網(wǎng)時，連續(xù)、獨立觀測兩遍，成果合格后取平均值作為初始值[6]。大壩蓄水后進行一次復(fù)測，以后的復(fù)測周期視監(jiān)測網(wǎng)控制點穩(wěn)定情況而定，一般以一年一次為宜。當發(fā)生大規(guī)模施工爆破、特大洪水、地震后或其他危及監(jiān)測網(wǎng)穩(wěn)定的情況時，應(yīng)及時復(fù)測。以測角中誤差為±0.5''的儀器為例，觀測技術(shù)要求如下。

水平角觀測：按全圓方向法觀測15個測回，二次照準目標讀數(shù)之差小于2.5″，半測回歸零差小于4″，一測回2C較差小于8″，同一方向各測回較差小于4″。天頂距觀測：采用中絲法測量天頂距4個測回，兩次重合讀數(shù)差限差1″，指標互差小于6″，測回差小于4″。斜距觀測：每條邊往、返各觀測4測回，邊長往返測二時段較差小于2（a+b×D）mm，邊長往返測較差小于2（a+b×D）mm，其中，a、b分別為儀器測距加、乘常數(shù)；D為斜距[7]。

倒垂線觀測：J01、J02對應(yīng)的倒垂線IP01、IP02用電容式（智能型）或CCD式垂線坐標儀進行觀測。

2.4 數(shù)據(jù)處理技術(shù)要求

（1）觀測數(shù)據(jù)檢驗。

觀測數(shù)據(jù)檢驗根據(jù)有關(guān)規(guī)范的要求完成，各項檢驗的限值必須滿足規(guī)范要求。主要的檢驗項目包括以下幾項：邊長測量檢驗項目包含往返觀測不符值、一次測量中誤差、往返測量中誤差；角度測量檢驗項目包含三角形閉合差、按菲列羅公式計算的測角中誤差；其他檢驗項目包含測邊網(wǎng)組合角條件檢驗、測角網(wǎng)極條件、邊角網(wǎng)正弦條件和余弦條件等。

（2）監(jiān)測網(wǎng)平差。

初始觀測時，邊角網(wǎng)平差計算前采用方差分量估計計算邊角權(quán)比，然后以J01、J02作為起算基準進行經(jīng)典自由網(wǎng)平差。復(fù)測時，平差計算應(yīng)先比較各網(wǎng)點兩期測量的邊長、角度，并進行擬穩(wěn)分析和點位穩(wěn)定性分析后確定起算點、起算方位及平差計算網(wǎng)點坐標值。

倒垂線觀測成果與擬穩(wěn)平差成果相互檢核驗證J01、J02的穩(wěn)定性，J01、J02對應(yīng)的倒垂線位移量不超過2mm時，可不對基準點進行改算；如果超過2mm，則需對基準點進行改算[8]。

3 結(jié)束語

黃登水電站變形監(jiān)測控制網(wǎng)沿瀾滄江干流控制范圍約3km，點位布設(shè)合理，基準點布置在大壩下游遠離施工區(qū)影響的穩(wěn)定區(qū)域，在起算基準點J01、J02旁分別安裝深入基巖的倒垂線IP01、IP02，檢核這兩個基準點的穩(wěn)定性，提高了基準的可靠性。為避免利用工作基點監(jiān)測時垂直角過大影響監(jiān)測精度，工作基點基本按照1650m和1550m兩個高程面布設(shè)，兼顧了大壩頂部以上高程和大壩中部以下高程的變形監(jiān)測。

通過基于最小二乘原理的精度估算方法進行優(yōu)化設(shè)計，最終選定了62條邊、124個方向的觀測量構(gòu)網(wǎng)。最大點位中誤差為±1.69 mm（C07），多余觀測分量均滿足規(guī)范大于0.2的要求，內(nèi)、外部可靠性和高靈敏度高，可作為變形監(jiān)測的基準。同時，提出了監(jiān)測控制網(wǎng)觀測、數(shù)據(jù)處理的技術(shù)指標和要求，設(shè)計成果滿足黃登水電站工程施工期及運營期變形監(jiān)測的需要。

[1] 張正祿，李廣云，潘國榮，等．工程測量學(xué)[M]．武漢：武漢大學(xué)出版社，2005．ZHANG Zhenglu，LI Guangyun，PAN Guorong，et al．Engineering surveying[M]．Wuhan ：Wuhan University Press，2005．

[2] 丁學(xué)智，鄒興宏．水電工程邊坡變形監(jiān)測成果分析與研究[J]．測繪地理信息，2014，39（5）：43-46．DING Xuezhi，ZOU Xinghong． Analysis and research of deformation monitoring results of hydropower engineering slope[J]．Journal of Geomatics，2014，39（5）：43-46．

[3] 菅強，王衛(wèi)國，張群，等． 基于CATIA三維平臺的水電工程平面監(jiān)測網(wǎng)設(shè)計[J]．水力發(fā)電，2015，41（2）：86-89，97．JIAN Qiang，WANG Weiguo，ZHANG Qun，et al．CATIA-based design method for horizontal control network in hydropower projects[J]． Journal of Water Power，2015，41（2）：86-89，97．

[4] 張亮，劉峰，柳志云，張有興，等．大崗山水電站監(jiān)測控制網(wǎng)布設(shè)綜述 [J]．人民長江，2011， 42（14）：99-101 ZHANG Liang，LIU Feng，LIU Zhiyun，ZHANG Youxing．et al． Review of layout of monitoring network of Dagangshan Hydropower Station[J]． Journal of Yangtze River，2011，42（14）：99-101

[5] 孔祥元，郭際明．控制測量學(xué)[M]．武漢：武漢大學(xué)出版社，2006．KONG Xiangyuan，GUO Jiming．Control Surveying[M]．Wuhan：Wuhan University Press，2006．

[6] DL/T 5178-2016混凝土壩安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范[S]．北京：中國電力出版社，2016．DL/T 5178-2016 Technical specification for concrete dam safety monitoring[S]．Beijing ：China electric Power Press，2016．

[7] SL197-2013水利水電工程測量規(guī)范[S]．北京：中國水利水電出報社，2013．SL197-2013 Code for surveying of water resources and hydropower engineering[S]． Beijing ：China Water & Power Press，2013．

[8] 丁學(xué)智，柳志云，吳永剛，等．倒垂系統(tǒng)在大崗山水電站監(jiān)測控制網(wǎng)中的應(yīng)用[J]．水電自動化與大壩監(jiān)測，2014，38（4）：45-47．DING Xuezhi，LIU Zhiyun，WU Yonggang，et al． The application of the inverse plummet system in the monitoring control network of dagangshan hydropower station[J]．Hydropower Automation and Dam Monitoring，2014，38（4）：45-47．