測(cè)量機(jī)器人在寶瓶河水電站大壩變形監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)網(wǎng)中的應(yīng)用

庹世華,馬江河

(甘肅省張掖市甘蘭水利水電建筑設(shè)計(jì)院，甘肅 張掖 734000)

1 基本情況

寶瓶河水電站位于甘肅省肅南裕固族自治縣和青海省祁連縣交界內(nèi)陸河黑河上游，是黑河上游規(guī)劃建設(shè)的第二座水電站，上游距擬建的黃藏寺水電站15.6km，下游距已建的三道灣水電站廠房26.2km，距張掖市約165km。工程主要任務(wù)是發(fā)電，采用引水式開(kāi)發(fā)，首部樞紐與發(fā)電廠房相距8.6km。壩址以上流域面積7851km2，多年平均流量40.4m3/s，多年平均徑流量12.74億m3。樞紐工程由首部樞紐、引水系統(tǒng)及發(fā)電廠房等組成，為3等中型工程。大壩因壩高超過(guò)80m，提高一級(jí)按2級(jí)建筑物設(shè)計(jì)，引水系統(tǒng)和發(fā)電廠房按3級(jí)建筑物設(shè)計(jì)。 大壩為混凝土面板堆石壩，最大壩高93.5m，壩頂高程2528.60m，防浪墻頂高程2529.80m，壩頂長(zhǎng)147m，壩頂寬8m。上游坡比為1∶1.45，下游壩坡2497.00m高程以上為1∶1.5，2497.00m高程以下為1∶1.4。

泄水建筑物由潛孔式溢洪道和泄洪排沙洞組成。溢洪道布置在大壩左岸，共3孔3槽，單孔孔口尺寸8.0m×9.52m(寬×高)，堰頂高程2511.00m，采用擴(kuò)散挑流消能，最大泄量1738m3/s；泄洪排沙洞進(jìn)口布置在左岸山梁上，由導(dǎo)流洞后期經(jīng)過(guò)龍?zhí)ь^改建而成，總長(zhǎng)369.42m，孔口尺寸8.0m×7.0m(寬×高)，底板高程2480.00m，采用挑流消能，最大泄量1262m3/s。

2 監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)網(wǎng)方法選擇

在國(guó)內(nèi)大壩變形監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)網(wǎng)普遍采用GNSS靜態(tài)觀測(cè)，因?qū)毱亢铀娬敬髩挝挥诟呱綅{谷地帶，兩側(cè)山體陡峭，山體坡度達(dá)到60%～70%，使用GNSS靜態(tài)觀測(cè)受限條件較多，實(shí)施難度大。該電站大壩在施工及建成初期運(yùn)營(yíng)階段監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)網(wǎng)采用視準(zhǔn)線法進(jìn)行，但由于工作基點(diǎn)的不穩(wěn)定性與監(jiān)測(cè)點(diǎn)的同步性問(wèn)題，不能精確反應(yīng)大壩變形情況，給電站大壩運(yùn)行安全性判定帶來(lái)了困難?；谏鲜鲈?，該電站大壩采用高精度測(cè)量機(jī)器人，配合徠卡圓棱鏡邊角測(cè)量進(jìn)行監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)網(wǎng)建設(shè)。以下對(duì)測(cè)量機(jī)器人做一介紹。

測(cè)量機(jī)器人具有極高的智能化和自動(dòng)化，標(biāo)稱測(cè)角精度為±0.5″，測(cè)距精度為(0.6mm+1ppm×D)，具有自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別(Automatic Target Recognition)簡(jiǎn)稱ATR，具有4重角度探測(cè)，儀器有伺服馬達(dá)旋轉(zhuǎn)180°只需2.3s，倒鏡只需2.9s，自動(dòng)搜索圓棱鏡能達(dá)到1000m，能對(duì)目標(biāo)棱鏡進(jìn)行快速自動(dòng)識(shí)別照準(zhǔn)，按照設(shè)計(jì)觀測(cè)順序自動(dòng)進(jìn)行多測(cè)繪數(shù)據(jù)采集記錄。測(cè)量機(jī)器人具有以下優(yōu)點(diǎn)：①外部觀測(cè)環(huán)境受限條件少；②ATR測(cè)角精度達(dá)到±0.5″；③測(cè)距精度0.6mm+1×10-6D；④可以精確進(jìn)行氣象元素改正；⑤機(jī)載多測(cè)回測(cè)角軟件程序控制進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量，能極大減輕作業(yè)人員勞動(dòng)強(qiáng)度和節(jié)省9/10的作業(yè)時(shí)間；⑥可以進(jìn)行全時(shí)段觀測(cè)；⑦在觀測(cè)過(guò)程中自動(dòng)監(jiān)測(cè)各項(xiàng)觀測(cè)限差，若限差超限還能自動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)測(cè)重測(cè)；⑧同一測(cè)站多測(cè)回觀測(cè)時(shí)速度快，有效克服外界因素影響。

通過(guò)該方法，有效克服寶瓶河水電站大壩監(jiān)測(cè)外界環(huán)境的影響，提高監(jiān)測(cè)精度和效率，降低作業(yè)難度和成本。

3 監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)網(wǎng)方案

3.1 基準(zhǔn)網(wǎng)觀測(cè)等級(jí)選擇及技術(shù)要求

根據(jù)SL197—2013《水利水電工程測(cè)量規(guī)范》中表11.12.2各工程類型首級(jí)平面控制網(wǎng)等級(jí)選擇規(guī)定，大型水利水電工程中的土石建筑物，首級(jí)平面控制網(wǎng)等級(jí)可以選擇3、4等，由于該工程為中型水利水電工程，大壩為2級(jí)建筑物，故該工程大壩監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)網(wǎng)等級(jí)選擇為3等。根據(jù)SL197—2013中表11.12.4-1 邊角組合網(wǎng)、測(cè)邊網(wǎng)技術(shù)要求規(guī)定，該電站大壩基準(zhǔn)網(wǎng)建設(shè)技術(shù)要求為邊長(zhǎng)300～1000m，測(cè)角中誤差±1.8″，三角形最大閉合差±7.0″，平均邊長(zhǎng)相對(duì)中誤差1/150000，測(cè)距儀標(biāo)稱精度±3mm/km。

3.2 基準(zhǔn)網(wǎng)布設(shè)及觀測(cè)方法

3.2.1基準(zhǔn)網(wǎng)布設(shè)

本項(xiàng)目先期對(duì)原有監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)網(wǎng)進(jìn)行踏勘與分析，能使用的只有大壩壩頂右岸基巖上的BK1和溢洪道旁邊基巖體上的BK2。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)分析，其他已有基準(zhǔn)點(diǎn)都無(wú)法使用，要控制大壩區(qū)域還需要建設(shè)5個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，以保證監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)網(wǎng)幾何強(qiáng)度最高、精度最優(yōu)為原則。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地形地貌條件，在大壩左岸山腰基巖處增設(shè)BK3，在左岸泄洪沖沙閘上增設(shè)BK4，在庫(kù)區(qū)上游能通視的基巖上增設(shè)BK5，在右岸庫(kù)區(qū)上游增設(shè)BK6，在庫(kù)區(qū)上游右岸垂直于大壩處增設(shè)BK7，這樣構(gòu)成一個(gè)最優(yōu)監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)網(wǎng)，最弱點(diǎn)有3個(gè)通視方向，最強(qiáng)有6個(gè)方向。如圖1所示。

圖1 基準(zhǔn)網(wǎng)布設(shè)

3.2.2觀測(cè)方法

先期選擇使用原有控制網(wǎng)BK1作為起算數(shù)據(jù)X=2000.0000、Y=2000.0000，使用BK1與BK6的方位角作為起算方位角，使用BK1至BK6的水平距離推算BK6的平面坐標(biāo)為X=1560.4920、Y=1803.4390。

根據(jù)邊角組合網(wǎng)、測(cè)邊網(wǎng)技術(shù)要求結(jié)合TS50觀測(cè)速度我們選擇9個(gè)測(cè)回組合，觀測(cè)邊角順序?yàn)椋孩賹K1作為測(cè)站觀測(cè)至BK6、BK4、BK3、BK2、BK7的夾角與邊長(zhǎng)；②將BK2作為測(cè)站觀測(cè)至BK6、BK3、BK1、BK7的夾角與邊長(zhǎng)；③將BK3作為測(cè)站觀測(cè)至BK1、BK7、BK6、BK4、BK2的夾角與邊長(zhǎng)；④將BK4作為測(cè)站觀測(cè)至BK1、BK7、BK6、BK5的夾角與邊長(zhǎng)；⑤將BK5作為測(cè)站觀測(cè)至BK6、BK4、BK7的夾角與邊長(zhǎng)；⑥將BK6作為測(cè)站觀測(cè)至BK1、BK7、BK5、BK4、BK3、BK2的夾角與邊長(zhǎng)；⑦將BK7作為測(cè)站觀測(cè)至BK1、BK6、BK5、BK4、BK3、BK2的夾角與邊長(zhǎng)。

3.3 基準(zhǔn)網(wǎng)數(shù)據(jù)平差處理

3.3.1基準(zhǔn)網(wǎng)平差模型的特點(diǎn)與選擇

監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)網(wǎng)特點(diǎn)有：多余度觀測(cè)、多測(cè)回觀測(cè)、網(wǎng)形幾何精度高、測(cè)量方法手段先進(jìn)、人員操作要求高、系統(tǒng)誤差對(duì)監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)網(wǎng)成果影響小等。

本次邊角組合網(wǎng)采用經(jīng)典自由網(wǎng)平差，因在網(wǎng)形中只給定必要起算數(shù)據(jù)BK1和BK6。只有5個(gè)未知點(diǎn)，總觀測(cè)測(cè)段數(shù)有16個(gè)。

3.3.2數(shù)據(jù)處理

使用測(cè)量機(jī)器人配套的LGO多測(cè)回?cái)?shù)據(jù)處理軟件以及南方平差易軟件，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行平差計(jì)算，多測(cè)回觀測(cè)成果見(jiàn)表1—2，平面點(diǎn)位誤差見(jiàn)表3，平面點(diǎn)間誤差見(jiàn)表4，數(shù)據(jù)成果見(jiàn)表5。

3.4 精度分析

對(duì)測(cè)量機(jī)器人多測(cè)回觀測(cè)原始數(shù)據(jù)分析得：在多測(cè)回?cái)?shù)據(jù)中，可以看出測(cè)回間和盤(pán)左盤(pán)右測(cè)角互差均小于1.8″，同樣的方法若人工操作觀測(cè)無(wú)法達(dá)到該精度。斜距觀測(cè)中，測(cè)距精度優(yōu)于0.5mm，該精度在這種氣象復(fù)雜的觀測(cè)條件下是相當(dāng)有難度的。

表1 多測(cè)回觀測(cè)成果表(盤(pán)向I)

表2 多測(cè)回觀測(cè)成果表(盤(pán)向II)

表3 平面點(diǎn)位誤差表

表4 平面點(diǎn)間誤差表

表5 數(shù)據(jù)成果表 單位：m

由原始觀測(cè)數(shù)據(jù)可以得出本項(xiàng)目平均邊長(zhǎng)為303.8786m，最大邊長(zhǎng)為515.2820，最小邊長(zhǎng)為127.2787，測(cè)角中誤差為1.2″，經(jīng)平差計(jì)算后三角形最大閉合差為-1.7″，由平面點(diǎn)位誤差表和平面點(diǎn)間誤差表分析看出，最大點(diǎn)位誤差為BK5的1.3mm，最小點(diǎn)位誤差為BK7的0.5mm，邊長(zhǎng)點(diǎn)間相對(duì)中誤差最優(yōu)則達(dá)到了1/1038951，最弱邊為最短邊BK1-BK2邊長(zhǎng)點(diǎn)間相對(duì)中誤差也達(dá)到了1/273517。與技術(shù)要求對(duì)比表明：精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于3等邊角網(wǎng)技術(shù)要求，且優(yōu)于2等邊角網(wǎng)技術(shù)要求。

4 結(jié)論

通過(guò)將測(cè)量機(jī)器人用于寶瓶河水電站大壩變形監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)網(wǎng)建設(shè)可知，該設(shè)備性能優(yōu)良，使用方便，ATR測(cè)角精度優(yōu)于市場(chǎng)任何一款儀器設(shè)備，具有測(cè)距精度高、觀測(cè)智能化程度高、測(cè)回間觀測(cè)速度快的優(yōu)勢(shì)。從監(jiān)測(cè)結(jié)果來(lái)看，成果可靠性高，精度有保障，為及時(shí)、準(zhǔn)確、科學(xué)地分析和預(yù)報(bào)大壩的變形狀況提供可靠的數(shù)據(jù)支撐，尤其適合于高山峽谷地段的大壩高精度基準(zhǔn)網(wǎng)建設(shè)。