錦屏一級水電站壩頂變形監(jiān)測方法分析

盧為偉，羅 浩，徐金順，張 凱

(1.中國電建集團(tuán) 中南勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南 長沙 410014； 2.雅礱江流域水電開發(fā)有限公司，四川 成都 610051)

0 引 言

在水電業(yè)內(nèi)一直有“三峽最大，錦屏最難”的說法。錦屏一級水電站安全不容忽視。常規(guī)水電安全監(jiān)測的重點(diǎn)工作包括變形、滲流及應(yīng)力應(yīng)變等。拱壩變形是錦屏一級水電站最重要的監(jiān)測項(xiàng)目之一，是評價(jià)拱壩安全性態(tài)最重要和最直觀的依據(jù)。對綜合反映水工建筑物結(jié)構(gòu)的工作性態(tài)、評價(jià)大壩安全和指導(dǎo)工程運(yùn)行管理都有著十分重要的意義。國內(nèi)外已建的高拱壩，如小灣、溪洛渡、英古里(Inguri)、薩楊舒申斯克拱壩等，其壩體變形監(jiān)測常用方法包括水準(zhǔn)沉降監(jiān)測、表面變形監(jiān)測、正倒垂系統(tǒng)、激光準(zhǔn)直系統(tǒng)、GNSS(全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng))等。目前已有研究多為對拱壩變形監(jiān)測的精度探討、拱壩變形的誤差處理與分析，但在對特高拱壩不同變形監(jiān)測方法的對比分析中，大多未考慮不同監(jiān)測系統(tǒng)的變形方向，忽略了方位角的存在，且未結(jié)合水位周期性變化對壩體變形進(jìn)行定量對比分析。本文分析了錦屏一級水電站大壩壩頂變形的不同監(jiān)測方法，對同類工程安全監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、實(shí)施及觀測資料分析具有借鑒意義[1-3]。

1 工程概況

錦屏一級水電站位于四川省涼山彝族自治州鹽源縣和木里縣境內(nèi)，是雅礱江干流中下游水電開發(fā)規(guī)劃的控制性梯級水庫，在雅礱江梯級滾動(dòng)開發(fā)中具有承上啟下的重要作用。

錦屏一級水電站擋水建筑物為常態(tài)混凝土雙曲拱壩，壩頂高程1 885.00 m，建基面最低高程為1 580.00 m，最大壩高305 m，為世界已建第一高拱壩。電站裝機(jī)容量3 600 MW，保證出力1 086 MW，多年平均年發(fā)電量166.2億kW·h，年利用4 616 h。水庫正常蓄水位1 880.00 m，死水位1 800.00 m，正常蓄水位以下庫容77.6億m3，調(diào)節(jié)庫容49.1億m3，屬年調(diào)節(jié)水庫。

2 壩頂變形監(jiān)測系統(tǒng)

錦屏一級水電站大壩的壩頂表面變形通過垂線系統(tǒng)、大地測量系統(tǒng)、GNSS系統(tǒng)3種獨(dú)立的監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行相互校驗(yàn)。3套監(jiān)測系統(tǒng)的測點(diǎn)分別對應(yīng)相同壩段(具體包括5，9，11，13，16，19，23號(hào)壩段)布置，垂線測點(diǎn)位于壩軸線附近，大地測量觀測墩位于壩頂上游側(cè)，GNSS系統(tǒng)測站位于壩頂下游側(cè)。

2.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法 由雙人錄入數(shù)據(jù)并核對，采用SPSS 17.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行分析。計(jì)量資料以x±s表示，采用t檢驗(yàn)；計(jì)數(shù)資料采用χ2檢驗(yàn)。檢驗(yàn)水準(zhǔn)α=0.05。

大壩垂線布置如圖1所示，主要分析正垂線PL5-1，PL9-1，PL11-1，PL13-1，PL16-1，PL19-1，PL23-1。大壩壩體表面變形測墩布置如圖2所示，壩頂觀測點(diǎn)分別為：TP5-1，TP9-1，TP11-1，TP13-1，TP16-1，TP19-1，TP23-1。壩頂GNSS測點(diǎn)布置如圖3所示，測點(diǎn)分別為：G-DB5-1，G-DB9-1，G-DB11-1，G-DB13-1，G-DB16-1，G-DB19-1，G-DB23-1。

2.2.8.1 危害癥狀。病株上葉斑形狀不規(guī)則，紅褐色，而后為淡黃褐色。病根和根莖紅褐色，干腐。病株矮小，色淡(圖8)。

圖1 垂線布置示意Fig.1 Vertical layout diagram

圖2 壩體表面變形測點(diǎn)布置示意Fig.2 Layout diagram of dam surface deformation measuring points

圖3 壩頂GNSS測點(diǎn)布置示意Fig.3 Layout diagram of GNSS measuring points on dam crest

3 大地測量角度轉(zhuǎn)換

壩頂3種監(jiān)測系統(tǒng)雖然相互獨(dú)立，但各監(jiān)測系統(tǒng)坐標(biāo)系及變形方向定義不一致、監(jiān)測數(shù)據(jù)成果對比規(guī)律性不理想，因此需對3種監(jiān)測系統(tǒng)變形方向進(jìn)行轉(zhuǎn)換，以便進(jìn)行壩頂變形的可靠性分析。

(1) 垂線系統(tǒng)。垂線系統(tǒng)各測點(diǎn)以其對應(yīng)壩段處的徑向(X)、切向(Y)作為變形方向，為右手坐標(biāo)系，變形向下游、左岸為正，反之為負(fù)[4-5]。

(2) 大地測量系統(tǒng)。錦屏一級水電站大地測量系統(tǒng)采用雅礱江坐標(biāo)系，以正北(N)方向?yàn)榻粕舷掠?X)向，東(E)方向?yàn)榻谱笥野?Y)向，為左手坐標(biāo)系，根據(jù)DL/T 5178-2016《混凝土壩安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》第3.0.4規(guī)定：水平位移向下游為正、向左岸為正，反之為負(fù)[6-8]。

見我不信，他給我講了當(dāng)下各種扶貧政策，他屬于精準(zhǔn)扶貧一類的。我一時(shí)還有些聽不大明白，待他辦了出院手續(xù)回來收拾東西，我說“真的沒花錢？”

得到轉(zhuǎn)換公式：

3.1 角度轉(zhuǎn)換原理

為了進(jìn)行變形的可靠性分析，需統(tǒng)一各監(jiān)測系統(tǒng)變形方向。由于垂線、GNSS系統(tǒng)方向已統(tǒng)一，故僅需對大地測量系統(tǒng)進(jìn)行角度轉(zhuǎn)換，參考測量學(xué)中經(jīng)典的平面直角坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)變換公式[9]，具體轉(zhuǎn)換原理如圖4所示。

圖4 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換示意(同為左手坐標(biāo))Fig.4 Schematic diagram of coordinate conversion(same as left-hand coordinates)

根據(jù)圖4得到以下公式：

(1)

(2)

壩頂?shù)钠矫孀冃畏较蚋鶕?jù)對應(yīng)壩段垂線的設(shè)計(jì)徑向進(jìn)行了轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換角度統(tǒng)計(jì)見表1。

根據(jù)式(1)和式(2)推導(dǎo)：

X′=S×cos(T-T0)

綜上所述，ASO患者介入治療期間配合品管圈活動(dòng)，提高了患者疾病治愈率以及治療方案認(rèn)知、健康教育效果以及護(hù)理人員能力。

X′=X×cosT0+Y×sinT0

從教育屬性看，“教育具有上層建筑與生產(chǎn)力的雙重屬性與雙重職能” [8]81-86。對高職院校來說，人才培養(yǎng)的思想性和技術(shù)技能的應(yīng)用性至關(guān)重要。要把握辦學(xué)定位，遵循高職辦學(xué)規(guī)律，“踐行以學(xué)生為主體、以實(shí)踐為主線、以提高實(shí)踐能力為目的的職業(yè)教育辦學(xué)宗旨”[9]。

Y′=S×sin(T-T0)

=S×(sinT×cosT0-cosT×sinT0)

Y′=Y×cosT0-X×sinT0

如果你不了解這個(gè)地方的歷史，不知道這片桃園的過去和現(xiàn)在，這真是一個(gè)美麗的傳說?？墒?，對于這片桃園及其所在的這塊地方，我卻知根知底，它的故事現(xiàn)實(shí)版是這樣的——

(3) GNSS系統(tǒng)。壩頂GNSS系統(tǒng)于2015年10月初完成安裝，10月15日開始進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，安裝調(diào)試后，變形方向已與垂線方向統(tǒng)一，以各測點(diǎn)壩段處徑向(X)、切向(Y)為變形方向，變形向下游、左岸為正，反之為負(fù)。

(3)

式(3) 在X，Y和X′，Y′均屬于左手坐標(biāo)系情況下推導(dǎo)出。旋轉(zhuǎn)角通常稱為歐勒角，轉(zhuǎn)換過程與左、右手坐標(biāo)系無關(guān)，僅與變換過程中歐勒角順時(shí)針或逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)有關(guān)，式(3) 為順時(shí)針旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換。如果X，Y屬于左手坐標(biāo)系而X′，Y′屬于右手坐標(biāo)系，則涉及左、右手坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換，此時(shí)僅改變Y′方向，在式(3) 基礎(chǔ)上將Y′值取負(fù)即可，相應(yīng)轉(zhuǎn)換公式為

(4)

3.2 變形轉(zhuǎn)換原則

(1) 轉(zhuǎn)換的對象是累計(jì)位移量，不是坐標(biāo)值，對轉(zhuǎn)換角度的精度要求較低。

(2) 根據(jù)DL/T 5178-2016《混凝土壩安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》，拱壩徑向向下游為X正方向，切向向左岸為Y正方向，為右手坐標(biāo)系，轉(zhuǎn)換公式采用式(4)。

(3) 轉(zhuǎn)換角度T0的確定原則：X′方向?yàn)檗D(zhuǎn)換后徑向方向，指向下游為正，Y′方向?yàn)榍邢蚍较?。轉(zhuǎn)換角即X′正軸向位于XY坐標(biāo)系的方位角，XY坐標(biāo)系為雅礱江坐標(biāo)系，其中X，Y分別指向北和東方向。

3.3 轉(zhuǎn)換角度計(jì)算

式中：S為合位移方向值；T為測點(diǎn)在原坐標(biāo)系下的方位角；T0為原坐標(biāo)系至新坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)角；T′為測點(diǎn)在新坐標(biāo)系下的方位角；X，Y為原坐標(biāo)系下X軸、Y軸的分量值；X′，Y′為新坐標(biāo)系下X′軸、Y′軸的分量值。

表1 壩頂及壩后橋各壩段轉(zhuǎn)換角統(tǒng)計(jì)

4 成果對比分析

4.1 水位升降期對比

通過得到的壩頂各壩段轉(zhuǎn)換角度，采用式(4) 對大地測量成果X，Y進(jìn)行轉(zhuǎn)換，統(tǒng)一3種監(jiān)測系統(tǒng)變形方向。對比垂線系統(tǒng)徑向、大地測量系統(tǒng)X向和GNSS系統(tǒng)徑向同時(shí)段變化量，成果見表2。3種監(jiān)測方法對比分析見圖5～6。

杜思雨逃到大街上，一時(shí)真的感到不知如何是好。他依然像逃跑似的，雙腿機(jī)械地快速地移動(dòng)著。他此時(shí)就像一只沒有逃跑方向的孤獨(dú)的野狼。

=S×(cosT×cosT0+sinT×sinT0)

表2 水位升降期壩頂變形3種監(jiān)測方法成果對比統(tǒng)計(jì)

全力做好《黃河流域綜合規(guī)劃》的實(shí)施與管理………………………………… 張俊峰，王 勇，楊慧娟(13.27)

圖5 水位下降期3種監(jiān)測成果對比Fig.5 Comparison histogram of 3 monitoring results in water level falling period

圖6 水位上升期3種監(jiān)測成果對比Fig.6 Comparison histogram of 3 monitoring results during water level rise period

水位升降期，壩頂水平向變形較為明顯，且拱冠梁附近壩段變化量較大。水位下降期，變化量介于-43.56～-2.91 mm；水位上升期，變化量介于2.15～38.07 mm。

企業(yè)內(nèi)網(wǎng)的安全性研究………………………………………………………………………………………………劉 穎（4.28）

由表2及圖5～6可知：在庫水位下降期與水位抬升期，3種監(jiān)測方法的變化量差值介于0.70～5.98 mm，在6 mm以內(nèi)，量值不大，3種監(jiān)測系統(tǒng)測點(diǎn)位移成果與圖6對比吻合性較好，綜合說明3種監(jiān)測手段趨勢一致、測值相近，同時(shí)可相互驗(yàn)證、反映變形監(jiān)測成果的可靠性。

蓄水期間，大壩水平方向以向下游變形為主，隨著庫水位升或降，壩頂向下游或上游的變形明顯。此外，通過監(jiān)測成果可以看出：3種監(jiān)測方法中，垂線系統(tǒng)的位移變化量較大地測量和GNSS略小，但也存在個(gè)別例外，其中不排除誤差和觀測精度的影響。大壩中間壩段3種監(jiān)測手段規(guī)律性和趨勢性更為吻合，與庫水位的規(guī)律性更好。

4.2 同周期對比

對大地測量、GNSS和垂線系統(tǒng)同周期變化量進(jìn)行對比，成果見表3，典型壩段(5，13號(hào))的3種監(jiān)測方法同周期變形成果歷時(shí)曲線見圖7～8。

由表3可知：3種系統(tǒng)2018年的年變化量差值介于-2.84～2.98 mm之間，在±3 mm以內(nèi)，量值不大。由圖7～8可以看出：3種監(jiān)測方法規(guī)律性趨于一致，與庫水位相關(guān)性十分密切，多手段對比分析壩頂變形的成果是可靠的。

表3 同周期3種監(jiān)測方法成果對比統(tǒng)計(jì)

圖7 5號(hào)壩段3種監(jiān)測方法同周期變形成果歷時(shí)曲線圖Fig.7 Duration curves of deformation results of 3 monitoring methods in the same period of No.5 dam section

圖8 13號(hào)壩段3種監(jiān)測方法同周期變形成果歷時(shí)曲線圖Fig.8 Duration curves of deformation results of three monitoring methods in the same period of No.13 dam section

運(yùn)行期(2016～2018年)，壩頂徑向高/低水位(1 880 m/1 800 m附近)同期間隔年變化量較小。13號(hào)壩段3種檢測方法呈現(xiàn)的變形規(guī)律趨勢最為吻合，各壩段變形與庫水位呈較明顯的正相關(guān)。

對比圖7～8的3種監(jiān)測方法歷時(shí)曲線可以看出：壩頂變形以垂線測量的效果最優(yōu)，GNSS次之，大地測量相對較差。垂線系統(tǒng)數(shù)據(jù)最為穩(wěn)定，且連續(xù)性好；GNSS系統(tǒng)數(shù)據(jù)雖然連續(xù)性較好，但數(shù)據(jù)存在跳動(dòng)和毛刺的現(xiàn)象，與垂線測量數(shù)據(jù)較為吻合[10-11]；大地測量數(shù)據(jù)連續(xù)性較差，且數(shù)據(jù)跳動(dòng)較大。

最后，全國人大常委會(huì)在行使憲法解釋權(quán)時(shí)，要設(shè)定并嚴(yán)格遵守原則，不能沒有界限，更不能成為改革迷失方向的“幫兇”，憲法解釋要以憲法文本為依歸，必須符合憲法的基本原則、基本精神，可以適度合理超越憲法文本，但要守住底線。

4.3 誤差原因分析

(1) 3種監(jiān)測系統(tǒng)測點(diǎn)布設(shè)位置不完全相同。相同壩段大地測量觀測墩布設(shè)在靠上游側(cè)，垂線測點(diǎn)布設(shè)在沿壩軸線附近[12]，GNSS測站布設(shè)在靠下游側(cè)，因此監(jiān)測成果可能存在少量的偏差。錦屏一級大壩壩頂16號(hào)壩段3種監(jiān)測系統(tǒng)布設(shè)如圖9所示。

圖9 16號(hào)壩段3種監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)場布置Fig.9 Site layout of 3 monitoring systems in No.16 dam section

(2) 數(shù)據(jù)引用存在時(shí)間節(jié)點(diǎn)偏差。大地測量按2次/月的頻次進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，分別為固定每月8日與23日進(jìn)行，觀測后及時(shí)進(jìn)行平差等數(shù)據(jù)處理；垂線自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)每天采集3次數(shù)據(jù)，分別在00：00，08：00，16：00[13]；GNSS系統(tǒng)每天間隔1 h發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包，并于第二天凌晨00：00將24個(gè)數(shù)據(jù)包通過平均值進(jìn)行解算，在系統(tǒng)中顯示為當(dāng)天00：00的數(shù)據(jù)。因此在數(shù)據(jù)引用及歷時(shí)曲線圖繪制中可能存在滯后性。

當(dāng)然，本文提出的算法還需要做進(jìn)一步的優(yōu)化工作。在種群規(guī)模迅速擴(kuò)大的時(shí)候，算法的運(yùn)行時(shí)間也會(huì)變長，程序會(huì)容易陷入局部最優(yōu)解當(dāng)中，這些都需要在以后的研究工作中加以改進(jìn)。

(3) 工作基點(diǎn)不同。大地測量工作基點(diǎn)采用平面控制網(wǎng)點(diǎn)TN4，TN6，于每年12月控制網(wǎng)復(fù)測后及時(shí)校核工作基點(diǎn)坐標(biāo)，在觀測期間存在工作基點(diǎn)變形的可能。此外，壩頂大地測量僅采用前方交會(huì)法，未進(jìn)行往返對向觀測，導(dǎo)致成果精度相對較低[14]；垂線自動(dòng)化系統(tǒng)以深埋基巖的倒垂作為基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算；GNSS以大壩右岸的G-DB-1作為數(shù)據(jù)解算的基準(zhǔn)點(diǎn)。

(4) 環(huán)境氣象等因素影響。大地測量采用人工觀測，不可避免受人為因素(整平、儀器及鏡高讀數(shù))和環(huán)境氣象因素(大氣折光、干濕溫度、氣壓等)影響。垂線系統(tǒng)和GNSS系統(tǒng)受環(huán)境氣象等因素影響則較小。

(5) 根據(jù)監(jiān)測經(jīng)驗(yàn)，由于GNSS觀測網(wǎng)引入壩體外部穩(wěn)固基準(zhǔn)點(diǎn)，其位移觀測值可認(rèn)為是真實(shí)位移；而垂線系統(tǒng)可能因基座本身受壩體變形影響，導(dǎo)致實(shí)際位移觀測值小于真實(shí)位移。

5 結(jié) 論

(1) 隨著庫水位升降的變化，壩頂向下游或上游的變形明顯，與庫水位相關(guān)性較好，大壩壩頂變形成果可靠。中間壩段3種監(jiān)測手段規(guī)律性和趨勢性較明顯，與庫水位的相關(guān)性更好。

(2) 蓄水周期的歷時(shí)變形成果較好地驗(yàn)證了錦屏一級大壩壩頂變形數(shù)據(jù)的真實(shí)可靠性。由于GNSS和垂線測量均自動(dòng)采集數(shù)據(jù)，能夠較好地呈現(xiàn)大壩壩頂變形的周期性[15]。一旦發(fā)生突變，可第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)并預(yù)警。

(3) 垂線測量精度更高、數(shù)據(jù)連續(xù)性更好、測點(diǎn)布置均勻，且數(shù)據(jù)連續(xù)性好。同時(shí)考慮到垂線系統(tǒng)可能因基座本身受壩體變形影響而導(dǎo)致實(shí)際位移觀測值小于真實(shí)位移的情況，結(jié)合GNSS監(jiān)測數(shù)據(jù)同步分析，以GNSS數(shù)據(jù)為參照，每年對垂線數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。對大壩的變形分析主要以正倒垂線系統(tǒng)為準(zhǔn)，且經(jīng)過以上分析，該方法可靠性較佳。

(4) 工程安全監(jiān)測需要通過多種手段或途徑進(jìn)行對比校驗(yàn)。對比分析可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自檢，較好地反映壩頂?shù)膶?shí)際變形情況，使工程性態(tài)安全評估更有說服力。