淺析SK水電站大壩變形監(jiān)測(cè)技術(shù)

朱 亮

(新疆伊犁鞏留恰甫其海水利樞紐管理處，新疆 伊犁 830000)

1 工程概況

SK水電站為某河干流梯級(jí)開發(fā)最末一級(jí)，其發(fā)電原理為利用上游水利樞紐調(diào)節(jié)后的下泄水量進(jìn)行發(fā)電，在發(fā)電的同時(shí)對(duì)上游水利樞紐工程起到反調(diào)節(jié)的作用。根據(jù)《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》(SL 252—2017)的規(guī)定[1]，該工程規(guī)模屬大(2)型。水庫大壩采用混合壩，右岸階地采用黏土心墻壩，樁號(hào)為壩0+400～0+900，壩頂高程為910 m，壩頂寬度為8 m，最大壩高38 m，壩長(zhǎng)450 m。碾壓混凝土重力壩擋水壩位于主河床和左岸階地、右岸階地，壩頂高程910 m，最大壩高48 m,壩頂寬度8 m。黏土心墻壩與碾壓混凝土重力壩采用較為經(jīng)濟(jì)的插入式連接方法。

2 材料與方法

2.1 儀器設(shè)備

對(duì)使用的儀器，在觀測(cè)前對(duì)儀器應(yīng)進(jìn)行了常規(guī)的檢查和校準(zhǔn)，并留有記錄。用于高程測(cè)量的電子水準(zhǔn)儀在觀測(cè)期間每天觀測(cè)前對(duì)水準(zhǔn)儀的i角、水準(zhǔn)儀上的概率水準(zhǔn)器、水準(zhǔn)尺上的圓水準(zhǔn)器、進(jìn)行了檢定，并留有記錄。投入本項(xiàng)目的主要儀器設(shè)備見表1。

表1 主要儀器設(shè)備

2.2 主要軟件

本文中應(yīng)用的主要軟件有[2]：GNSS基線解算軟件：《GAMIT》、Trimble Business Center；GNSS網(wǎng)平差軟件：《科傻GNSS處理系統(tǒng)》；水準(zhǔn)平差軟件：《水準(zhǔn)平差》程序；邊角交會(huì)計(jì)算軟件：《科傻CODAPS》。

3 主要測(cè)量技術(shù)

3.1 GNSS網(wǎng)測(cè)量

3.1.1 GNSS網(wǎng)觀測(cè)

GNSS網(wǎng)[3]分為B級(jí)基準(zhǔn)網(wǎng)和C級(jí)變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)，其中B級(jí)基準(zhǔn)網(wǎng)由基準(zhǔn)點(diǎn)組成；C級(jí)變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)由工作基點(diǎn)、變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)、聯(lián)測(cè)基準(zhǔn)點(diǎn)組成，(見表2、表3)。在GNSS觀測(cè)作業(yè)前通過下載衛(wèi)星星歷文件，選擇最佳觀測(cè)時(shí)間，依據(jù)設(shè)計(jì)技術(shù)方案進(jìn)行觀測(cè)。

表2 B級(jí)GNSS網(wǎng)觀測(cè)計(jì)劃

表3 C級(jí)GNSS網(wǎng)觀測(cè)計(jì)劃

GNSS網(wǎng)的測(cè)量嚴(yán)格按《全球定位系統(tǒng)(GPS)測(cè)量規(guī)范》(GB/T 18314—2009)相應(yīng)等級(jí)要求進(jìn)行，基線解算、精度指標(biāo)也嚴(yán)格按上述規(guī)范要求執(zhí)行；以上測(cè)量資料經(jīng)工地項(xiàng)目負(fù)責(zé)人在工地百分之百檢查；確定測(cè)量數(shù)據(jù)、解算數(shù)據(jù)均滿足規(guī)范要求。

3.1.2 GNSS網(wǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)的檢查

原始數(shù)據(jù)文件需要轉(zhuǎn)換為Rinex格式時(shí)本文主要利用Trimble Business Center轉(zhuǎn)換工具，天線高改化為標(biāo)石中心到天線相位中心的垂直距離[4]。經(jīng)過數(shù)據(jù)檢查，B級(jí)GNSS網(wǎng)，各站重復(fù)架站≥3，累計(jì)觀測(cè)時(shí)間均達(dá)到69 h以上，滿足設(shè)計(jì)及B級(jí)GNSS網(wǎng)的觀測(cè)時(shí)間長(zhǎng)度(69 h)要求；C級(jí)GNSS網(wǎng)，各站重復(fù)架站≥2，累計(jì)觀測(cè)時(shí)間均達(dá)到8 h以上，滿足設(shè)計(jì)書及C級(jí)GNSS網(wǎng)的觀測(cè)時(shí)間長(zhǎng)度(8 h)要求。

3.1.3 GNSS網(wǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量的檢查

(1)B級(jí)GNSS基準(zhǔn)網(wǎng)數(shù)據(jù)質(zhì)量的檢查。根據(jù)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)處理要求，基線解算時(shí)采用精密星歷，從CDDIS網(wǎng)站上下載了9月30日—10月3日的精密星歷，并將其導(dǎo)入高精度GNSS解算軟件Gamit；然后將調(diào)制好的Rinex格式的觀測(cè)數(shù)據(jù)導(dǎo)入進(jìn)行基線向量的解算，解算完成后導(dǎo)出基線向量文件。

利用《科傻GNSS處理系統(tǒng)》數(shù)據(jù)處理軟件提取Gamit基線向量56條，復(fù)測(cè)基線21組，生成同步環(huán)45個(gè)，獨(dú)立閉合環(huán)15個(gè)。

(2)C級(jí)GNSS變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)基線數(shù)據(jù)質(zhì)量的檢查。監(jiān)測(cè)網(wǎng)基線處理使用的是Trimble GNSS接收機(jī)隨機(jī)基線處理軟件TBC，該軟件比較簡(jiǎn)單，運(yùn)行過程中沒有涉及到具有相關(guān)性的同步觀測(cè)基線的，僅使用單基線解，使得模型運(yùn)行結(jié)果存在誤差，所以使用高精度的GNSS接收機(jī)觀測(cè)變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)，標(biāo)稱精度較小，站點(diǎn)間距離也很小，最短的基線僅9 m，從而導(dǎo)致計(jì)算的基線測(cè)量中誤差過小，再根據(jù)基線測(cè)量中誤差計(jì)算同步環(huán)閉合差限差和同步環(huán)坐標(biāo)分量閉合差限差也不合理，所以基線處理時(shí)只進(jìn)行了復(fù)測(cè)基線和獨(dú)立閉合環(huán)的檢驗(yàn)，未進(jìn)行同步環(huán)檢驗(yàn)。

基線解算時(shí)采用精密星歷，從CDDIS網(wǎng)站上下載了10月3—10日的精密星歷，導(dǎo)入TBC解算軟件；然后將調(diào)制好的Rinex格式的觀測(cè)數(shù)據(jù)導(dǎo)入進(jìn)行基線向量的解算，解算完成后導(dǎo)出基線向量文件。利用《科傻GNSS處理系統(tǒng)》數(shù)據(jù)處理軟件提取基線向量223條，復(fù)測(cè)基線36組，生成同步環(huán)165個(gè)，獨(dú)立閉合環(huán)141個(gè)。

3.1.4 GNSS網(wǎng)的平差

(1)B級(jí)GNSS基準(zhǔn)網(wǎng)的平差。通過以上檢查確定測(cè)量數(shù)據(jù)合格，將全部56條基線向量都參與平差計(jì)算；使用《科傻GNSS處理系統(tǒng)》數(shù)據(jù)處理軟件，以SK101為已知點(diǎn)，進(jìn)行三維無約束平差結(jié)果并輸出各點(diǎn)空間直角坐標(biāo)、大地坐標(biāo)及其精度指標(biāo)。經(jīng)判斷較為穩(wěn)定，圖形條件較好的點(diǎn)SK101、SK104、SK106為起算點(diǎn)，平差計(jì)算出各點(diǎn)在獨(dú)立坐標(biāo)系中的平面直角坐標(biāo)及其精度指標(biāo)。

(2)C級(jí)GNSS變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)的平差。通過以上檢查確定測(cè)量數(shù)據(jù)合格，將全部220條基線向量都參與平差計(jì)算；使用《科傻GNSS處理系統(tǒng)》數(shù)據(jù)處理軟件，以SK101為已知點(diǎn)，進(jìn)行三維無約束平差結(jié)果并輸出各點(diǎn)空間直角坐標(biāo)、大地坐標(biāo)及其精度指標(biāo)。二維平差考慮SK104、SK105離變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)較遠(yuǎn)，其余5個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)能覆蓋變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)，因此將本次觀測(cè)的基準(zhǔn)點(diǎn)SK101、SK102、SK103、SK106、SK107的坐標(biāo)作為起算點(diǎn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行二維約束平差計(jì)算，計(jì)算出各點(diǎn)在工程坐標(biāo)系中的平面直角坐標(biāo)及其精度指標(biāo)。

3.2 邊角網(wǎng)測(cè)量

按設(shè)計(jì)要求，不能GNSS方法聯(lián)測(cè)的TBG6施測(cè)了邊角網(wǎng)，采用SOKKIA NET05對(duì)水平角和邊長(zhǎng)按設(shè)計(jì)書要求進(jìn)行觀測(cè)，在儀器中輸入氣象元素進(jìn)行改正，內(nèi)業(yè)使用Excel對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了加常數(shù)、乘常數(shù)、邊長(zhǎng)投影、斜距改平距等改化后，使用《科傻CODAPS》軟件進(jìn)行邊角網(wǎng)平差計(jì)算[5]。為了檢核GNSS施測(cè)的質(zhì)量，按設(shè)計(jì)書要求施測(cè)4條二等邊長(zhǎng)，內(nèi)業(yè)使用Excel對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了氣象改正、邊長(zhǎng)投影、高差改化后，邊長(zhǎng)劃算至900 m高程面和GNSS邊長(zhǎng)比較，精度良好，具體值見表4。

(1)經(jīng)過對(duì)邊角網(wǎng)觀測(cè)手簿進(jìn)行100%檢查；確定測(cè)距邊長(zhǎng)及水平角觀測(cè)數(shù)據(jù)的各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求，測(cè)量數(shù)據(jù)質(zhì)量良好。

(2)將上述測(cè)量數(shù)據(jù)調(diào)制成《科傻CODAPS》平差文件；利用《科傻CODAPS》進(jìn)行邊角網(wǎng)平差計(jì)算。

3.3 高程控制測(cè)量

3.3.1 變形點(diǎn)的高程測(cè)量與計(jì)算

SK水電站變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)首級(jí)高程控制為一等水準(zhǔn)，對(duì)SK103～I(xiàn)S02進(jìn)行高差檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果滿足規(guī)范要求；然后以SK103為起點(diǎn)聯(lián)測(cè)IS01、SK207、SK107、IS06、IS05、SK105、TU1-1、TU2-1、TU2-2、TU1-2、TU1-3、TU2-3、TU3-1、TU3-2、TU3-3、TU3-4、TU3-5、TU2-4、TU1-4、TU1-5、TU2-5、TU2-6、TU1-6、TU1-7、TU2-7、TBG4、TBG5、BM01閉合至SK103。對(duì)高差較大的點(diǎn)SK106、SK102、SK104、TBG1、TBG2、TBG3聯(lián)測(cè)，二等水準(zhǔn)有“BM01-SK102-SK104-SK104”“IS05-TBG3-TBG2-TBG1-SK101” 2條水準(zhǔn)支線。水準(zhǔn)測(cè)量采用Leica LS10電子水準(zhǔn)儀觀測(cè)，觀測(cè)完畢對(duì)觀測(cè)手簿進(jìn)行100%的檢查，檢查無誤后；使用《水準(zhǔn)平差》程序，加入了水準(zhǔn)尺每米真長(zhǎng)誤差的改正和閉合差改正進(jìn)行平差計(jì)算。

3.3.2 其它平面點(diǎn)的高程測(cè)量

按設(shè)計(jì)要求，不能水準(zhǔn)方法聯(lián)測(cè)的TBG6施測(cè)了三角高程，采用SOKKIA NET05對(duì)天頂距和邊長(zhǎng)按設(shè)計(jì)書要求進(jìn)行觀測(cè)，三角高程測(cè)量均進(jìn)行了往返測(cè)，在儀器中輸入氣象元素進(jìn)行改正，內(nèi)業(yè)使用Excel對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了加常數(shù)、乘常數(shù)、邊長(zhǎng)投影、斜距改平距等改化后，使用《科傻CODAPS》軟件進(jìn)行三角高程平差計(jì)算。

4 監(jiān)測(cè)的成果分析

4.1 邊長(zhǎng)比較分析

為了驗(yàn)證控制網(wǎng)的可靠性，使用全站儀測(cè)了4條邊與GNSS平差坐標(biāo)反算邊長(zhǎng)進(jìn)行比較[6-8]，見表4。以SK107為起點(diǎn)，TBG5為終點(diǎn)，全站儀測(cè)量邊長(zhǎng)與GNSS測(cè)量邊長(zhǎng)的差值的絕對(duì)值最大，為3.8。同時(shí)以SK103為起點(diǎn)，SK107為終點(diǎn)全站儀測(cè)量邊長(zhǎng)與GNSS測(cè)量邊長(zhǎng)的差值的絕對(duì)值最小，為2.0。

表4 邊長(zhǎng)檢測(cè)統(tǒng)計(jì)

4.2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)成果

監(jiān)測(cè)點(diǎn)成果比較如表5所示，監(jiān)測(cè)網(wǎng)最弱點(diǎn)點(diǎn)位中誤差限差為3 mm，以2倍中誤差限差±6.0作為判斷監(jiān)測(cè)點(diǎn)是否發(fā)生位移的參考值，除TU1-2其他點(diǎn)點(diǎn)位差值均在參考值以內(nèi)，結(jié)合水準(zhǔn)測(cè)量高程成果，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)未發(fā)生明顯位移。

TU1-2本期觀測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)該監(jiān)測(cè)點(diǎn)旁有新設(shè)立的路燈建筑物，該物體緊靠TU1-2的觀測(cè)墩標(biāo)，見表5。這會(huì)對(duì)GNSS接收機(jī)天線造成遮擋，影響GPS衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量，所以本期TU1-2監(jiān)測(cè)點(diǎn)成果不可靠，不用于變形分析，建議管理站將該點(diǎn)旁邊的建筑物移除或挪至別處(距離監(jiān)測(cè)點(diǎn)5 m以上)。

表5 監(jiān)測(cè)點(diǎn)成果對(duì)比

5 結(jié) 論

SK水電站在已有的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，利用GNSS網(wǎng)測(cè)量、邊角網(wǎng)測(cè)量、高程控制測(cè)量3種主要監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)已建好的變形監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)網(wǎng)點(diǎn)、工作基點(diǎn)、監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，并將基準(zhǔn)點(diǎn)、工作基點(diǎn)、監(jiān)測(cè)點(diǎn)的觀測(cè)值與初測(cè)值進(jìn)行比較，確定基準(zhǔn)網(wǎng)及工作基點(diǎn)穩(wěn)定性，為后續(xù)樞紐運(yùn)行過程中的變形監(jiān)測(cè)提供準(zhǔn)確基準(zhǔn)值。

通過變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)成果分析比較，各點(diǎn)之間的相對(duì)關(guān)系基本穩(wěn)定建議按規(guī)范要求定期對(duì)水利樞紐工程進(jìn)行巡檢，及內(nèi)、外觀變形監(jiān)測(cè)；也可在下期外部變形監(jiān)測(cè)時(shí)將壩頂?shù)谋O(jiān)測(cè)點(diǎn)納入到水平位移監(jiān)測(cè)網(wǎng)中，以分析壩綜合變形情況，同時(shí)結(jié)合滲流、地質(zhì)、水文數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析。