TS30全站儀在南水大壩外部變形監(jiān)測中的應(yīng)用

王黎陽，魏偉明，張偉華，衛(wèi)建東

（1.南水水電廠，廣東乳源512700；2.信息工程大學(xué)測繪學(xué)院，河南鄭州450052）

0 引言

南水水電站建在廣東乳源的南水，控制流域面積608 m2，多年平均流量33.4 m3/s，設(shè)計(jì)洪水流量4190 m3/s，總庫容12.18億m3，裝機(jī)容量7.5萬kW。主壩壩型為粘土斜墻堆石壩，最大壩高81.3 m，壩頂長度215 m，壩基巖石為砂巖，壩體工程量171.1萬m3，主要泄洪方式為隧洞，大壩特點(diǎn)是定向爆破筑壩。南水大壩監(jiān)測控制網(wǎng)共10個(gè)控制點(diǎn)，其中基準(zhǔn)點(diǎn)J1-J5、J7-J9共8個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，見圖1所示。監(jiān)測點(diǎn)分5個(gè)斷面布設(shè)，其中1斷面（5-8）、2斷面（9-13）位于壩前，3斷面（14-16、17-1、17-2）位于壩面，4斷面（18-21）、5斷面（22、23）位于壩后。其中位于壩前的第1斷面長期位于水中，無法觀測。

2004年以前，南水大壩水平位移是使用T3經(jīng)緯儀，依據(jù)監(jiān)測控制網(wǎng)的8個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)、按4個(gè)方向或3方向角度前方交會(huì)法，測定20個(gè)位移點(diǎn)的坐標(biāo)來實(shí)現(xiàn)的。2004年以后采用TCA2003自動(dòng)全站儀，采用單站極坐標(biāo)差分方法進(jìn)行監(jiān)測，其中：壩前在J4設(shè)站，J5、J3作為差分基點(diǎn)；壩面和壩后監(jiān)測點(diǎn)在J7設(shè)站，J4作為差分基點(diǎn)。采用TCA2003后，實(shí)現(xiàn)了測量自動(dòng)化，大大減輕了測量人員的內(nèi)、外業(yè)勞動(dòng)，極大提高了作業(yè)的效率。隨著時(shí)間推移和技術(shù)更新，TCA2003也面臨淘汰，徠卡公司新推出TS30取代TCA2003，針對(duì)設(shè)備的更新?lián)Q代，南水電廠結(jié)合近十年在自動(dòng)變形監(jiān)測方面的經(jīng)驗(yàn)對(duì)原有的監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行了升級(jí)改造。

圖1 南水大壩變形監(jiān)測點(diǎn)分布圖Fig.1 Distribution of the deformation monitoring points at Nans?hui dam

1 TS30的性能特點(diǎn)

TS30與TCA2003性能基本相當(dāng)，在精密測距、馬達(dá)驅(qū)動(dòng)、內(nèi)核操作系統(tǒng)、顯示屏界面等方面均超過TCA2003性能。主要表現(xiàn)在：精密測距精度指標(biāo)為0.6×10-6mm；TS30采用壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)技術(shù)，馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)速度可轉(zhuǎn)180°/s（TCA2003為45°/s）、且無噪音，實(shí)際測量表明，對(duì)于包括歸零共6個(gè)方向測9個(gè)測回的一站測量，TS30比TCA2003可節(jié)約時(shí)間3 min，約占總測量時(shí)間的1/4-1/5；采用更穩(wěn)定的操作系統(tǒng)平臺(tái)，支持藍(lán)牙；電池采用4.8Ah的鋰電池取代TCA2003的1.8Ah的鎳氫電池，使用時(shí)間更長；儀器重量（包含基座電池）比TCA2003減輕0.22 kg。

2 監(jiān)測新系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

南水電廠過去原監(jiān)測系統(tǒng)采用1測站式的極坐標(biāo)測量，雖然測量工作量少，但圖形較簡單，無法進(jìn)行測量粗差的檢核；測量時(shí)采用逐點(diǎn)測量方式，即一個(gè)點(diǎn)全部測量完成后才測量下一個(gè)點(diǎn)，這樣對(duì)于一組多點(diǎn)多測回測量而言，增加正倒鏡次數(shù)，從而增加了觀測時(shí)間和儀器損耗，而且一組點(diǎn)各點(diǎn)之間觀測時(shí)間不同，氣象條件也會(huì)不一致；在數(shù)據(jù)處理上原系統(tǒng)僅采用差分處理，加上單站極坐標(biāo)測量和逐點(diǎn)測量，數(shù)據(jù)的可靠性不高。

針對(duì)原系統(tǒng)存在的這些不足，在新系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，主要改進(jìn)了以下方面：

（1）一組監(jiān)測點(diǎn)組，允許雙站或多站測量，以增加圖形強(qiáng)度。壩前采用J3、J4兩個(gè)測站，壩后采用J7、J8兩個(gè)測站，具體每站的測量基點(diǎn)和監(jiān)測點(diǎn)見表1所示。

（2）一組點(diǎn)采用全圓觀測法，1測回盤左依次測量全部一組點(diǎn)后，倒鏡盤右依次測量，測量過程中，自動(dòng)進(jìn)行測回內(nèi)、測回間的限差指標(biāo)檢查。

（3）數(shù)據(jù)處理包含多基點(diǎn)差分處理、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和多測站處理等，增加數(shù)據(jù)的可靠性。

（4）數(shù)據(jù)庫盡可能保存相關(guān)數(shù)據(jù)，包括各種原始觀測值數(shù)據(jù)、基準(zhǔn)數(shù)據(jù)、平差數(shù)據(jù)、坐標(biāo)數(shù)據(jù)及變化量數(shù)據(jù)等所有相關(guān)數(shù)據(jù)。

表1 測站設(shè)置一覽表Table 1 Station sets

3 現(xiàn)場監(jiān)測效果分析

現(xiàn)場測試與原系統(tǒng)一起進(jìn)行，原系統(tǒng)先進(jìn)行測量，測量完成后安裝新系統(tǒng)測量，由于原系統(tǒng)只測量J4測站、J7測站，測量過程見表2所示。

3.1 差分方法與坐標(biāo)轉(zhuǎn)換結(jié)果對(duì)比

差分方法與坐標(biāo)轉(zhuǎn)換對(duì)比見表3所示。從表3看出，差分方法和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換一致性很好，基本上相差在1 mm以內(nèi)，X、Y方向上比Z方向更好些。

3.2 同計(jì)算方法同監(jiān)測點(diǎn)不同測站結(jié)果對(duì)比

對(duì)同計(jì)算方法同監(jiān)測點(diǎn)不同測站的對(duì)比見表4所示。壩前監(jiān)測點(diǎn)用設(shè)站點(diǎn)J3的測量結(jié)果減去設(shè)站點(diǎn)J4點(diǎn)的測量結(jié)果，壩面和壩后監(jiān)測點(diǎn)用設(shè)站點(diǎn)J8的測量結(jié)果減去設(shè)站點(diǎn)J7點(diǎn)的測量結(jié)果。從表4可以看出，同一方法不同測站的測量結(jié)果一致性也很好。

表2 系統(tǒng)測試過程一覽表Table 2 Test process of the system

表3 差分方法與坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法結(jié)果對(duì)比一覽表Table 3 Comparison between the result by difference method and the result by coordinate transformation method

表4 同計(jì)算方法同監(jiān)測點(diǎn)不同測站計(jì)算結(jié)果對(duì)比一覽表Table 4 Comparison of the calculation results with same calculation method,same monitoring point but different stations

3.3 監(jiān)測系統(tǒng)測量結(jié)果與監(jiān)測控制網(wǎng)測量結(jié)果對(duì)比

由于15、17-1納入基準(zhǔn)網(wǎng)測量，針對(duì)這兩個(gè)監(jiān)測點(diǎn)與基準(zhǔn)網(wǎng)結(jié)果也進(jìn)行了對(duì)比，見表5所示。從表5可以看出，監(jiān)測系統(tǒng)測量結(jié)果與監(jiān)測控制網(wǎng)測量結(jié)果一致性也很好，其中雙站計(jì)算坐標(biāo)與控制網(wǎng)測量結(jié)果相比一致性更好。

3.4 同方法同測站同監(jiān)測點(diǎn)不同次觀測結(jié)果對(duì)比

在隔日進(jìn)行現(xiàn)場培訓(xùn)時(shí)又采集了J4站的數(shù)據(jù)，對(duì)11月3日和5日這兩日J(rèn)4站觀測結(jié)果對(duì)比見表6所示。從表6可以看出，差分和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換結(jié)果一致性也很好，差分方法略優(yōu)于坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，X、Y方向精度優(yōu)于Z方向上的精度。

表5 監(jiān)測系統(tǒng)測量結(jié)果同控制網(wǎng)結(jié)果對(duì)比一覽表Table 5 Comparison between the result by monitoring system and the result by control network

表6 兩次觀測結(jié)果對(duì)比一覽表Table 6 Comparison of two observation results

4 結(jié)語

南水大壩外部變形自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)升級(jí)為基于TS30的監(jiān)測系統(tǒng)后，在測量速度、測量精度、數(shù)據(jù)可靠性上均有明顯的提高。測試結(jié)果表明，TS30在測量速度和精度上都優(yōu)于TCA2003，新系統(tǒng)提高了數(shù)據(jù)處理的精度和可靠性，操作簡單，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足技術(shù)要求，可以應(yīng)用在大壩、橋梁、隧道等監(jiān)測領(lǐng)域。■

[1]GB50026-2007，工程測量規(guī)范[S].2007.

[2]喻興旺.TCA2003全站儀在港口灣水庫大壩變形監(jiān)測中的應(yīng)用[J].水電自動(dòng)化與大壩監(jiān)測，2003，27（5）：48-50.

[3]趙景瞻.TCA2003全站儀及其在二灘大壩外部變形監(jiān)測中的應(yīng)用[J].水電自動(dòng)化與大壩監(jiān)測，2002，26（2）：34-38.

[4]衛(wèi)建東.TCA2003測量機(jī)器人在南水監(jiān)測網(wǎng)測量中的應(yīng)用[J].水電自動(dòng)化與大壩監(jiān)測，2005，29（1）：70-73.

[5]張良琚，徐忠陽.自動(dòng)極坐標(biāo)實(shí)時(shí)差分監(jiān)測系統(tǒng)及其在大壩外部變形監(jiān)測中的應(yīng)用[J].測繪通報(bào)，2001（9）：28-30.

[6]魏娜.TCA2003全站儀監(jiān)測數(shù)據(jù)處理新方法[J].地理空間信息，2008，6（4）：138-140.