TCA2003型電子全站儀在三屯河水庫(kù)大壩外部變形監(jiān)測(cè)中的實(shí)施及應(yīng)用

徐麗

摘 要：本文主要介紹了三屯河水庫(kù)大壩自動(dòng)變形監(jiān)測(cè)在水庫(kù)安全運(yùn)行的實(shí)施效果與應(yīng)用成效，以及在應(yīng)用過(guò)程中的監(jiān)測(cè)成果分析、所出現(xiàn)的問(wèn)題及注意事項(xiàng)。

關(guān)鍵詞：三屯河水庫(kù);安全監(jiān)測(cè);全站儀;監(jiān)測(cè)自動(dòng)化;位移;測(cè)點(diǎn)布置;實(shí)施;應(yīng)用

中圖分類(lèi)號(hào)：TV697.2 ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1006—7973（2020）07-0152-03

大壩外部變形監(jiān)測(cè)有校核設(shè)計(jì)、改進(jìn)施工和評(píng)價(jià)大壩安全狀況的作用，且重在評(píng)價(jià)大壩安全。大壩外部變形監(jiān)測(cè)的淺層意義是為了人們準(zhǔn)確掌握大壩性態(tài);深層意義則是為了更好地發(fā)展工程效益，節(jié)約工程投資。大壩外部變形監(jiān)測(cè)不僅是為了被監(jiān)測(cè)壩的安全評(píng)估，還要有利于其他大壩包括待建壩的安全評(píng)估。

大壩外部變形監(jiān)測(cè)工作就是利用先進(jìn)的自動(dòng)化、即時(shí)監(jiān)測(cè)手段，確保大壩長(zhǎng)期穩(wěn)定、安全的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)效益的最大化，使測(cè)量工作變得更快、更輕松，結(jié)束了三屯河水庫(kù)無(wú)大壩自動(dòng)安全監(jiān)測(cè)的歷史。

1工程概況

三屯河水庫(kù)位于新疆維吾爾自治區(qū)昌吉市以南32公里的碾盤(pán)莊，地處天山北麓中段，準(zhǔn)噶爾盆地南緣，屬雨雪混合補(bǔ)給的山溪性河流。水庫(kù)正常蓄水位1032.94m，相應(yīng)庫(kù)容2600萬(wàn)方;設(shè)計(jì)洪水位1036.94米，相應(yīng)庫(kù)容3355萬(wàn)方，校核洪水位1037.94m，相應(yīng)庫(kù)容3500萬(wàn)方。灌區(qū)灌溉面積78萬(wàn)畝。

水庫(kù)大壩為漿砌石重力壩，壩基前部設(shè)帷幕灌漿二排孔，排距1米孔距2米，帷幕深度25米。壩體設(shè)揚(yáng)壓力測(cè)壓管四排，共20個(gè)。因水庫(kù)修建于70年代，屬典型的“三邊工程”， 即“邊設(shè)計(jì)，邊勘探，邊施工”。水庫(kù)1971年民辦上馬，1976年正式由土石壩改建為漿砌石重力壩，1987年完成樞紐主體工程。1987年投入運(yùn)行后，存在大壩抗滑穩(wěn)定系數(shù)小于規(guī)范化值;壩體和壩肩滲漏嚴(yán)重;1992年，被國(guó)家列為病除水庫(kù)，進(jìn)行除險(xiǎn)加固。在1993年至2000年大壩除險(xiǎn)加固中，將大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)列為一項(xiàng)重要內(nèi)容，2000年達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

2 TCA2003型電子全站儀在水庫(kù)管理中的實(shí)施及應(yīng)用

對(duì)大壩安全情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，是保證大壩安全運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)。三屯河水庫(kù)在結(jié)束無(wú)外部變形監(jiān)測(cè)的歷史后，根據(jù)國(guó)外相關(guān)資料，嘗試使用了電動(dòng)電子全站儀裝備的自動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置——TPS全站儀定位系統(tǒng)，其測(cè)量精度達(dá)到亞毫米級(jí)，能實(shí)時(shí)準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)大壩位移變形情況系統(tǒng)構(gòu)成。

2.1系統(tǒng)的構(gòu)成

該系統(tǒng)主要由TCA2003型電子全站儀（即觀測(cè)站）、基準(zhǔn)點(diǎn)、變形點(diǎn)及控制機(jī)房組成。

系統(tǒng)構(gòu)成如下圖：

全站儀使用瑞士徠卡（Leica）公司生產(chǎn)的TCA2003儀器。TCA2003型電子全站儀標(biāo)稱(chēng)測(cè)角精度+0.5"，測(cè)距精度正負(fù)（1mm+1ppm×D）（D為被測(cè)距離），自動(dòng)目標(biāo)辨識(shí)（ATR）測(cè)量在200m距離內(nèi)優(yōu)于正負(fù)1mm，坐標(biāo)測(cè)量精度可達(dá)到正負(fù)0.2mm。變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)自1999年11月8日12時(shí)開(kāi)始試運(yùn)行，因此將該時(shí)刻各測(cè)點(diǎn)的測(cè)值定為基準(zhǔn)值?；鶞?zhǔn)點(diǎn)和變形點(diǎn)上安設(shè)反射圓棱鏡，相對(duì)于基準(zhǔn)網(wǎng)，對(duì)各變形點(diǎn)在其控制網(wǎng)內(nèi)的變化情況實(shí)施監(jiān)測(cè)。

TCA2003型電子全站儀的大壩外部監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行每天12時(shí)監(jiān)測(cè)一次，用APS軟件所記錄的原始數(shù)據(jù)，后期對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行差分處理，確保大壩位移數(shù)據(jù)的連續(xù)性由瑞士徠卡公司出品，有集成馬達(dá)驅(qū)動(dòng)、視頻成像系統(tǒng)，并配置智能化的控制及應(yīng)用軟件。TCA2003全站儀及時(shí)了解掌握大壩的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，掌握了水庫(kù)大壩在某水位、溫度下的位移及應(yīng)力變化，為水庫(kù)管理工作提供可靠的依據(jù)。在今后的水庫(kù)管理工作和大壩安全監(jiān)測(cè)工作中及時(shí)發(fā)現(xiàn)、解決問(wèn)題，使水庫(kù)大壩安全運(yùn)行、水庫(kù)管理工作發(fā)揮更大的作用。

2.2大壩外部變形監(jiān)測(cè)

大壩外部變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由TCA2003型電子全站儀（即觀測(cè)站）基準(zhǔn)點(diǎn)、大壩變形點(diǎn)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成。基準(zhǔn)點(diǎn)、變形點(diǎn)使用瑞士徠卡公司的反光鏡系統(tǒng)，在壩體變形區(qū)以外的基巖上建立3個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，在壩體上安置7個(gè)變形點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)上配有一套對(duì)準(zhǔn)監(jiān)測(cè)站的反射單棱鏡。計(jì)算機(jī)采用APSwin+RMDiff自動(dòng)級(jí)坐標(biāo)實(shí)地多重差分監(jiān)測(cè)與DSREP變形點(diǎn)信息報(bào)表軟件系統(tǒng)組成。在計(jì)算機(jī)的控制下，通過(guò)測(cè)量機(jī)器人自動(dòng)照準(zhǔn)測(cè)距、測(cè)角，對(duì)基準(zhǔn)點(diǎn)、變形觀測(cè)點(diǎn)的變化數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行大壩位移監(jiān)測(cè)。

觀測(cè)點(diǎn)和三個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)（JZ1、JZ2、JZ3）組成一個(gè)覆蓋各變形點(diǎn)（S1—S7）的多邊形監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)網(wǎng)。三屯河水庫(kù)大壩外部變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)測(cè)點(diǎn)分布見(jiàn)圖2。

2.3 系統(tǒng)控制網(wǎng)坐標(biāo)系

三屯河流域地形地貌復(fù)雜多樣，根據(jù)水庫(kù)大壩的位置，將大壩外部變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)控制網(wǎng)坐標(biāo)系建立在大壩主軸線(xiàn)上，以監(jiān)測(cè)站為坐標(biāo)中心點(diǎn)，垂直主軸（即順河向水平位移）向下游為X軸正向;平行大壩主軸線(xiàn)向右岸為Y軸正向（橫河向水平位移）;鉛垂向上為Z軸正向（垂直位移）。

2.4系統(tǒng)軟件

大壩外部變形監(jiān)測(cè)開(kāi)發(fā)掛靠軟件MRDiff實(shí)時(shí)多重差分平滑改正軟件對(duì)于新疆的低溫、高溫，高海拔和氣候造成的系統(tǒng)誤差影響進(jìn)行實(shí)時(shí)差分改正。開(kāi)始監(jiān)測(cè)時(shí)，照準(zhǔn)JZ1，水平角歸零后，啟動(dòng)TCA2003全站儀內(nèi)置自動(dòng)監(jiān)測(cè)程序，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)觀測(cè)點(diǎn)的自動(dòng)找點(diǎn)（10個(gè)點(diǎn)）、自動(dòng)測(cè)量、自動(dòng)發(fā)送、自動(dòng)結(jié)束。按極坐標(biāo)的方式采集目標(biāo)點(diǎn)，水平角、垂直角、斜距等測(cè)值傳送到監(jiān)控室，由報(bào)表軟件DyRep動(dòng)態(tài)三維報(bào)表，并可輸入水位、溫度、風(fēng)力風(fēng)向，生成相關(guān)曲線(xiàn)。

2.5外部變形監(jiān)測(cè)初步成果分析

大壩外部監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行每小時(shí)觀測(cè)一次，全年運(yùn)行8760次，確保大壩位移數(shù)據(jù)的連續(xù)性。通過(guò)對(duì)三屯河水庫(kù)歷年大壩外部變形監(jiān)測(cè)資料的初步分析，觀測(cè)點(diǎn)的位移與水位、氣溫的變化過(guò)程來(lái)看，主要從上下游方向、壩體左右岸方向、壩體垂直方向上有以下幾點(diǎn)變化特征和規(guī)律：

（1）壩體順河向水平位移。依據(jù)水庫(kù)大壩安全管理規(guī)范和除險(xiǎn)加固工程技術(shù)要求，通過(guò)幾年實(shí)測(cè)資料各觀測(cè)點(diǎn)的位移特征值進(jìn)行初步的比較、數(shù)據(jù)綜合分析，壩體順河向水平位移主要受庫(kù)水位的變化影響，當(dāng)庫(kù)水位升高時(shí)，壩體上變形點(diǎn)位移值均大于零，壩體向下游位移;庫(kù)水位降低時(shí)，變形點(diǎn)位移值小于零，壩體向上游位移。氣溫變化對(duì)壩體位移也有一定的影響，但影響甚微，表現(xiàn)在氣溫升高，壩體向上游位移;氣溫降低時(shí)，壩體向下游位移。

（2）觀測(cè)資料成果表明，壩體左右岸方向水平位移也受庫(kù)水位和溫度變化的影響。氣溫上升時(shí)，壩體向右岸位移;氣溫降低時(shí)，壩體向左岸位移;庫(kù)水位升高時(shí)，壩體向右岸位移;庫(kù)水位降低時(shí)，壩體向左岸位移，且壩體中部的測(cè)點(diǎn)較兩側(cè)測(cè)點(diǎn)的位移大。

（3）壩體垂直位移。壩體垂直方向也受庫(kù)水位和氣溫的變化影響，但不明顯，庫(kù)水位升高時(shí)，揚(yáng)壓力值增大，壩體向上位移，否則反之。

2.6應(yīng)用分析結(jié)果

通過(guò)對(duì)水庫(kù)大壩外部變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的綜合分析，其結(jié)果表明在水庫(kù)兩次蓄放的過(guò)程中，壩體順河向水平位移受庫(kù)水位的影響，庫(kù)水位升高，壩體向下游位移;庫(kù)水位降低，壩體向上游位移;氣溫變化對(duì)壩體橫向位移有一定影響。以上大壩變形監(jiān)測(cè)成果表明，位移變化特征是合理的，符合壩體的變化規(guī)律，說(shuō)明了在水庫(kù)大壩除險(xiǎn)加固后，強(qiáng)度明顯提高，剛度增大，大壩變形量較小，各方向位移量的最大變幅一般在5.0mm以下，沉降量一般在3.0mm以下，均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

3 應(yīng)用成效、存在問(wèn)題及注意事項(xiàng)

3.1應(yīng)用成效

（1）TCA2003型電子全站儀自1999年11月8日在三屯河建成正式運(yùn)行至今，全天候24小時(shí)制運(yùn)行，對(duì)基準(zhǔn)點(diǎn)、變形點(diǎn)跟蹤式測(cè)量，記錄每一時(shí)刻各點(diǎn)的位移情況。如果各點(diǎn)位移超出了規(guī)定的限制值，全站儀系統(tǒng)就會(huì)報(bào)警，提示超限點(diǎn)的位移量;在氣象條件不好的情況下，對(duì)某一點(diǎn)觀測(cè)不到，全站儀系統(tǒng)也會(huì)提示該點(diǎn)觀測(cè)不到數(shù)據(jù)的信息。并生成各點(diǎn)位移過(guò)程圖，使位移變化情況一目了然，對(duì)水庫(kù)大壩安全分析起到重要的作用。

（2）TCA2003型電子全站儀在三屯河水庫(kù)大壩外部變形監(jiān)測(cè)中發(fā)揮著先進(jìn)、準(zhǔn)確的測(cè)量作用，為判斷大壩安全提供必要的信息，為水庫(kù)管理工作提供了可靠的依據(jù)，并獲得了良好的成效。

3.2大壩安全監(jiān)測(cè)在水庫(kù)運(yùn)行管理中存在的問(wèn)題及注意事項(xiàng)

（1）現(xiàn)行每間隔1h測(cè)定一次位移值，對(duì)初期觀測(cè)大壩變形起到了積極作用，多年的實(shí)際監(jiān)測(cè)資料表明，現(xiàn)大壩位移量最大變幅在5.0mm以?xún)?nèi)，變幅量小，壩體較穩(wěn)定。因此，現(xiàn)每日24次測(cè)定次數(shù)過(guò)密，應(yīng)當(dāng)減少觀測(cè)頻次。

（2）每年應(yīng)對(duì)儀器進(jìn)行校核檢修一次，按照水庫(kù)的實(shí)際工作需要改進(jìn)完善系統(tǒng)。

（3）TCA2003儀器因?yàn)槌Ｄ晔芗竟?jié)和天氣變化的影響，應(yīng)每季度對(duì)儀器進(jìn)行全方位內(nèi)部保養(yǎng)。

（4）大壩外部變形監(jiān)測(cè)范圍空間應(yīng)包括水庫(kù)周邊的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，時(shí)間應(yīng)從設(shè)計(jì)開(kāi)始，大壩安全監(jiān)測(cè)的內(nèi)容不僅包括位移、滲流和水雨情，還要有與大壩安全有關(guān)的泄洪及機(jī)電設(shè)備。

（5）大壩外部變形監(jiān)測(cè)應(yīng)與氣象、水情、洪水預(yù)報(bào)及水庫(kù)調(diào)度結(jié)合起來(lái)，使之成為水庫(kù)運(yùn)行調(diào)度決策支持系統(tǒng)的一部分，使其為工程效益的最大化服務(wù)。

（6）大壩外部變形監(jiān)測(cè)應(yīng)將大壩安全評(píng)估與設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)參數(shù)（如安全系數(shù)，可靠度指標(biāo)）等指標(biāo)結(jié)合起來(lái)，充分利用大壩安全監(jiān)測(cè)的成功經(jīng)驗(yàn)和方法，從而易于理解，掌握和應(yīng)用。

（7）大壩外部監(jiān)測(cè)應(yīng)充分利用科技進(jìn)步，走向即時(shí)化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化。

4結(jié)語(yǔ)

TCA2003型電子全站儀在三屯河水庫(kù)大壩外部變形監(jiān)測(cè)中發(fā)揮著先進(jìn)、準(zhǔn)確的測(cè)量作用，經(jīng)過(guò)幾年的應(yīng)用和實(shí)踐，了解掌握大壩的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，已對(duì)大壩變形、揚(yáng)壓力自動(dòng)化正常、安全運(yùn)行等做了改進(jìn)，同時(shí)不斷探索總結(jié)以使整個(gè)系統(tǒng)實(shí)效性加強(qiáng)，提高系統(tǒng)和行業(yè)的匹配性。對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果的分析及對(duì)系統(tǒng)的改進(jìn)，將是我們今后工作的目標(biāo)。

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