基準(zhǔn)線法儀器實(shí)現(xiàn)超量程觀測技術(shù)的研究與應(yīng)用

羅 正 英， 黃 會 寶， 江 華 貴

(國能大渡河流域水電開發(fā)有限公司，四川 成都 610041)

0 引 言

大壩、高邊坡及其它構(gòu)筑物變形，常用視準(zhǔn)線、激光準(zhǔn)直、垂線等基準(zhǔn)線法來監(jiān)測位移量。所謂的基準(zhǔn)線法，是應(yīng)用兩端工作基點(diǎn)固定一條基準(zhǔn)線原理來測量兩端基點(diǎn)之間各測點(diǎn)變化量的一種觀測方法。這些測量儀器因受到現(xiàn)場場地空間和監(jiān)測系統(tǒng)工程造價等諸多因素的影響，其測量總量程一般在50～200 mm之間，正負(fù)量程為25～100 mm。由于觀測儀器測量量程偏小，盡管如真空管道激光準(zhǔn)直、垂線等高精度觀測儀器綜合測量性能十分優(yōu)越，但很難推廣應(yīng)用在如土石壩、高邊坡及其它構(gòu)筑物大位移量觀測中。為此，研究儀器超量程觀測裝置和數(shù)據(jù)銜接方式，確保變形觀測精度以及資料序列的連續(xù)性是十分必要的，對其拓寬基準(zhǔn)線法小量程儀器的應(yīng)用范圍更具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

1 變形觀測中常用的基準(zhǔn)線法及其優(yōu)缺點(diǎn)

1.1 變形觀測正負(fù)規(guī)定

水平位移：上下游方向(X)規(guī)定向下游位移為正，反之為負(fù)；左右岸方向(Y)規(guī)定向左岸位移為正，反之為負(fù)。

垂直位移：鉛直方向(Z)規(guī)定下沉為正，上抬為負(fù)。

1.2 視準(zhǔn)線法

視準(zhǔn)線法是以建筑物兩端的工作基點(diǎn)所控制的視準(zhǔn)線(兩個工作基點(diǎn)的連線)為基準(zhǔn)，使用經(jīng)緯儀和覘標(biāo)來測量建筑物上測點(diǎn)X方向的位移量。按使用的工具和作業(yè)方法的不同，又可分為活動覘標(biāo)法或小角度法。目前活動覘標(biāo)活動范圍有0～100 mm、0～160 mm、0～200 mm等多種規(guī)格[1]。

1.3 垂線法

垂線法是用一根鋼絲將一端固定另一端采用重錘或浮筒鉛直張緊的基準(zhǔn)線，采用垂線坐標(biāo)儀來測量建筑物沿線不同高程測點(diǎn)對于垂線固定點(diǎn)的水平投影距離，求出各測點(diǎn)X和Y方向的位移量。垂線按端點(diǎn)固定的位置不同，可分為正垂線和倒垂線。目前垂線坐標(biāo)儀有光學(xué)式(規(guī)格有0～50 mm、0～100 mm)、步進(jìn)電機(jī)式(規(guī)格有0～50 mm、0～100 mm、0～150 mm)、電容式(規(guī)格有0～10 mm、0～25 mm、0～50 mm、0～100 mm)、CCD光電式(規(guī)格有0～25 mm、0～35 mm、0～50 mm、0～100 mm)等多種類型和規(guī)格。

1.4 激光準(zhǔn)直法

激光準(zhǔn)直法(波帶板激光準(zhǔn)直法)是利用激光的方向性強(qiáng)、亮度高、單色性和相干性好等特點(diǎn)，以及波帶板激光衍射原理，按照三點(diǎn)準(zhǔn)直方法，將激光點(diǎn)光源和光電探測器分別安裝在發(fā)射端和接收端的固定工作基點(diǎn)上，波帶板安裝在位移標(biāo)點(diǎn)上，從激光點(diǎn)光源發(fā)射出的激光束照滿波帶板后在接收端上形成干涉圖像，通過測定圖像的中心位置可求出測點(diǎn)X和Z方向的位移量。目前，真空管道常用的規(guī)格有Φ159 mm、Φ219 mm、Φ273 mm、Φ325 mm管徑[2]，對于基準(zhǔn)線較長的一般采用變徑管道。

2 儀器超量程觀測裝置和數(shù)據(jù)銜接方式

2.1 實(shí)現(xiàn)儀器超量程觀測的基本方法

視準(zhǔn)線、激光準(zhǔn)直、垂線等基準(zhǔn)線法，在混凝土壩等建筑物小變形監(jiān)測中應(yīng)用十分成功，因受儀器量程、場地空間和監(jiān)測系統(tǒng)工程造價等諸多因素的影響，在土石壩等建筑物大變形監(jiān)測中應(yīng)用較少。在工程監(jiān)測中，若遇測點(diǎn)變形超出了所選儀器的測量量程，一般有以下兩種處理方式：

(1)當(dāng)預(yù)計測點(diǎn)位移量大小有現(xiàn)成的儀器產(chǎn)品滿足測量要求，就采取更換儀器規(guī)格來延續(xù)觀測。

(2)當(dāng)預(yù)計測點(diǎn)位移量大小有現(xiàn)成的儀器產(chǎn)品時，若超量程的是個別測點(diǎn)就中斷個別測點(diǎn)的后續(xù)監(jiān)測；若超量程的測點(diǎn)多就中斷該觀測項(xiàng)目，待進(jìn)行整改恢復(fù)后才能延續(xù)觀測。

以上兩種處理方法，不僅額外地增加了工程監(jiān)測費(fèi)的投入，而且還中斷了監(jiān)測資料的連續(xù)性，對后續(xù)資料的系統(tǒng)分析增添了許多難度，而且還不易真實(shí)地反映出工程的實(shí)際變形情況。

經(jīng)深入分析基準(zhǔn)線法布設(shè)特點(diǎn)和建筑物變形規(guī)律后認(rèn)為：除以上兩種處理方式外，還有第三種處理方式，即在測點(diǎn)墩或管道支墩基座板上增加一個儀器設(shè)備可移動的裝置，當(dāng)在觀測過程中預(yù)計某些測點(diǎn)即將超儀器量程時，通過調(diào)整儀器設(shè)備可移動該裝置，就可實(shí)現(xiàn)儀器超量程觀測，同時在儀器設(shè)備移動前后增加觀測頻次，就能保證監(jiān)測資料序列的連續(xù)性和可靠性。若將儀器設(shè)備可移動裝置調(diào)節(jié)范圍增大，那么基準(zhǔn)線法的儀器設(shè)備就能拓寬應(yīng)用范圍，促使大變形量如土石壩等建筑物變形監(jiān)測的觀測精度得到大幅度的提高。

2.2 基準(zhǔn)線法儀器設(shè)備可移動裝置

2.2.1 真空激光準(zhǔn)直測點(diǎn)墩和管支墩移動式支撐基座

真空激光準(zhǔn)直原測點(diǎn)儀器箱和真空管道，分別固定在測點(diǎn)墩和管支墩的基座板上。當(dāng)測點(diǎn)墩或管支墩位移超設(shè)計量程后，從發(fā)射端激光點(diǎn)光源發(fā)射出的激光束則無法通過真空管道測量測點(diǎn)的偏移值，從而導(dǎo)致監(jiān)測數(shù)據(jù)中斷，使系統(tǒng)處于癱瘓狀態(tài)。若在系統(tǒng)設(shè)計時，在測點(diǎn)儀器箱與測點(diǎn)墩基座板之間和真空管道與管支墩基座板之間增加一種在X和Z方向的移動裝置,改進(jìn)后的裝置見圖1，就可以彌補(bǔ)真空激光準(zhǔn)直法的技術(shù)難題。如果將測點(diǎn)墩和管支墩在X方向適當(dāng)增長和在Z方向的螺桿調(diào)節(jié)范圍增大，就可應(yīng)用在如土石壩之類的大變形量監(jiān)測中。測點(diǎn)墩移動式支撐基座主要由基座板、儀器連接板和調(diào)節(jié)螺桿組成，其中在基座板和儀器連接板上開有長條孔，松動調(diào)節(jié)螺桿螺母可進(jìn)行X和Z方向的移動。管支墩移動式支撐基座由基座板、管支承板、管道輥軸、側(cè)向擋板和調(diào)節(jié)螺桿組成，其中在基座板和管支承板上開有長條孔，松動調(diào)節(jié)螺桿螺母可進(jìn)行X和Z方向的移動。

(1)改進(jìn)前 (2)改進(jìn)后圖1 真空激光準(zhǔn)直測點(diǎn)和管支墩基座改進(jìn)前后示意圖

2.2.2 垂線測點(diǎn)墩移動式基座

垂線原測點(diǎn)儀器，包括自動和人工觀測儀器均固定在測點(diǎn)墩的基座板上。當(dāng)測點(diǎn)與垂線相對位移超設(shè)計量程后，將無法測到測點(diǎn)的偏移值，從而導(dǎo)致監(jiān)測數(shù)據(jù)中斷，系統(tǒng)處于癱瘓狀態(tài)。這里以人工觀測的光學(xué)垂線坐標(biāo)儀為例，若在系統(tǒng)設(shè)計時，在測點(diǎn)儀器強(qiáng)制對中板與測點(diǎn)墩基座板之間增加一種在X和Y方向的移動裝置，改進(jìn)后的裝置見圖2，就可以解決使用垂線法時出現(xiàn)的技術(shù)難題。如果將測點(diǎn)墩在X和Y方向適當(dāng)增長，就可應(yīng)用在X、Y方向大變形量監(jiān)測中。測點(diǎn)墩移動式基座由基座板、儀器連接板和緊固螺栓組成，其中在基座板和儀器連接板上開有長條孔，松動緊固螺栓就可在X和Y方向的移動。

a.改進(jìn)前 b.改進(jìn)后圖2 垂線測點(diǎn)墩基座改進(jìn)前后示意圖

2.2.3 視準(zhǔn)線活動覘標(biāo)測點(diǎn)墩移動式基座

視準(zhǔn)線原測點(diǎn)活動覘標(biāo)，直接放置在測點(diǎn)墩強(qiáng)制對中板上。當(dāng)測點(diǎn)與垂線相對位移超設(shè)計量程后，將無法測到測點(diǎn)的偏移值，從而導(dǎo)致監(jiān)測數(shù)據(jù)中斷，系統(tǒng)處于癱瘓狀態(tài)。若在系統(tǒng)設(shè)計時，在測點(diǎn)墩與強(qiáng)制對中板之間增加一種在X方向的移動裝置，改進(jìn)后的裝置見圖3，就可以解決在使用視準(zhǔn)線活動覘標(biāo)法時出現(xiàn)的技術(shù)難題。如果將測點(diǎn)墩在X方向適當(dāng)增長，就可應(yīng)用在土石壩大變形量監(jiān)測中。測點(diǎn)墩移動式基座由基座板、儀器強(qiáng)制對中板和緊固螺栓組成，其中在基座板上開有長條孔，松動緊固螺栓可在X方向的移動。

a.改進(jìn)前 b.改進(jìn)后圖3 視準(zhǔn)線測點(diǎn)墩基座改進(jìn)前后示意圖

2.3 數(shù)據(jù)銜接方式

基準(zhǔn)線法采用以上的移動式裝置，必須隨時分析和掌握各測點(diǎn)的位移變化情況，當(dāng)發(fā)現(xiàn)某測點(diǎn)偏移值有可能超出儀器量程時，應(yīng)按以下方法及時調(diào)整測點(diǎn)墩或管支墩移動式裝置，并在調(diào)整前后增加觀測頻次，合理、正確地將前后段的測點(diǎn)數(shù)據(jù)銜接起來，確保觀測資料序列的連續(xù)性和可靠性。

無管道的基準(zhǔn)線：如視準(zhǔn)線和垂線，當(dāng)發(fā)現(xiàn)測點(diǎn)出現(xiàn)較大位移或位移變化跡象有可能超出儀器測量量程時，應(yīng)及時增加觀測頻次，分析和掌握發(fā)展趨勢。一旦確定偏離值即將超出儀器測量量程時，應(yīng)立即調(diào)整測點(diǎn)墩的移動式裝置以滿足后續(xù)觀測要求。

有管道的基準(zhǔn)線：如真空激光準(zhǔn)直，超出設(shè)計量程有兩種情況，第一種情況與無管道的基準(zhǔn)線相同，處理方式大致相同，不同之處是還要對測點(diǎn)相鄰的管道進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整；第二種情況是管支墩位移引起的基準(zhǔn)線相撞，這時只需調(diào)整管支墩的移動式裝置，并滿足后續(xù)觀測要求即可。

以上在調(diào)整移動式裝置前后，要進(jìn)行多次的重復(fù)觀測，剔除粗差后，取其前后觀測數(shù)據(jù)的均值之差作為該測點(diǎn)儀器移動前后段觀測資料的固定常差(系統(tǒng)誤差)。初期可將該測點(diǎn)后續(xù)的觀測數(shù)據(jù)減去固定常差后與前期的觀測數(shù)據(jù)銜接，后期可采用統(tǒng)計模型計算出固定常差來修正，從而就確保了觀測資料序列的連續(xù)性和系統(tǒng)資料的整體性。

3 工程應(yīng)用實(shí)例

瀑布溝水電站大壩為礫石土心墻堆石壩，壩高186 m，壩頂長540.5 m，壩基覆蓋層最大厚度75.36 m，總庫容53.37億m3。設(shè)計在基礎(chǔ)廊道布置了一條長338 m的管徑為Φ219 mm的真空激光準(zhǔn)直系統(tǒng)，發(fā)射端和接收端分別位于右岸和左岸的基巖上，在河床覆蓋層段共布設(shè)了9個測點(diǎn)，用于監(jiān)測基礎(chǔ)廊道水平和垂直方向的位移量。

在壩體集水井施工期過程中，由于抽水泵故障導(dǎo)致水淹真空激光系統(tǒng)和兩端觀測房，系統(tǒng)處于癱瘓狀態(tài)。

在2011年的恢復(fù)過程中，對其真空激光準(zhǔn)直系統(tǒng)應(yīng)用土石壩監(jiān)測的可行性進(jìn)行了充分的論證。根據(jù)前期廊道沉陷和測斜管觀測資料分析成果得知，河床中部最大沉降量為110.4 mm，向下游位移量為127.57 mm，而Φ219 mm的真空激光準(zhǔn)直系統(tǒng)在河床中部允許的最大位移量變幅約為100 mm[3]，由此說明，采用Φ219 mm管徑的真空激光準(zhǔn)直系統(tǒng)監(jiān)測是有難度的。為此設(shè)想了多種恢復(fù)方案進(jìn)行比較，最后確定保留原有的真空管道，采用測點(diǎn)墩和管支墩移動式支撐基座，實(shí)現(xiàn)儀器超量程觀測。

依據(jù)瀑布溝大壩基礎(chǔ)灌漿廊道變形規(guī)律以及預(yù)計的位移變幅，確定測點(diǎn)墩和管支墩的尺寸。管支墩：將位于發(fā)射端與相鄰測點(diǎn)墩、接收端與相鄰測點(diǎn)墩之間的管支墩尺寸沿Y方向定為30 cm，沿X方向定位40 cm；其余的管支墩尺寸沿Y方向定為30 cm，沿X方向定位50 cm。測點(diǎn)墩尺寸：沿Y方向定為53 cm，沿X方向定位60 cm。另外考慮到X方向的位移趨勢是向下游變化，因此，將測點(diǎn)墩和管支墩的激光軸線位置分別定于距上游側(cè)25 cm和20 cm之處。這樣，當(dāng)測點(diǎn)墩或管支墩向下游位移時，移動式支撐基座可向上游調(diào)整的最大幅度為0～170 mm；當(dāng)測點(diǎn)墩或管支墩向上游位移時，移動式支撐基座可向下游調(diào)整的最大幅度為0～70 mm。Z方向位移一般呈下沉趨勢，暫選定160 mm長的螺桿，當(dāng)實(shí)際變形不能滿足調(diào)節(jié)需求時再更換螺桿長度。

將儀器超量程觀測技術(shù)座應(yīng)用于瀑布溝大壩基礎(chǔ)灌漿廊道真空激光準(zhǔn)直系統(tǒng)十分成功，為后期的變形監(jiān)測以及資料序列的連續(xù)性和系統(tǒng)資料的可靠性分析提供了可靠的根據(jù)。

4 結(jié) 語

常用的視準(zhǔn)線、激光準(zhǔn)直、垂線等基準(zhǔn)線法，盡管儀器規(guī)格類型多，但推廣應(yīng)用在如土石壩之類的大變形量監(jiān)測中卻很少見。究其根本原因，是受這些儀器設(shè)備自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及現(xiàn)場場地空間和工程監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)造價等諸多因素的影響，導(dǎo)致在建筑物的大變形量監(jiān)測中形成技術(shù)難題。為此，通過對儀器超設(shè)計量程的常規(guī)處理方式進(jìn)行了深入地分析，結(jié)合基準(zhǔn)線法的布設(shè)特點(diǎn)和建筑物的變形規(guī)律，提煉形成了基準(zhǔn)線法，實(shí)現(xiàn)超量程觀測的技術(shù)。采用基準(zhǔn)線法測點(diǎn)墩或管支墩移動式基座和相應(yīng)的觀測方法，不僅可以增大基準(zhǔn)線法儀器的量程，將推廣應(yīng)用在如土石壩之類的大變形量監(jiān)測中，而且還可確保觀測資料序列的連續(xù)性和系統(tǒng)資料的整體性，為準(zhǔn)確分析和揭示建筑物真實(shí)的變形情況提供了數(shù)據(jù)保障。另外，采用此觀測技術(shù)后，還可以將基準(zhǔn)線法的測量儀器統(tǒng)一到一個常用的規(guī)格水平上，從而可以節(jié)省許多費(fèi)用。