那蘭水電廠變形監(jiān)測網(wǎng)改造方法與研究

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摘 要：該文結(jié)合實(shí)際案例，對水電站原有監(jiān)測網(wǎng)進(jìn)行分析，對不能滿足現(xiàn)有工程需要的監(jiān)測網(wǎng)進(jìn)行設(shè)計(jì)改造，以便能準(zhǔn)確及時(shí)地為水電站變形監(jiān)測提供準(zhǔn)確可靠的數(shù)據(jù)，確保大壩安全。

關(guān)鍵詞：變形監(jiān)測 可靠性 方法 精度

中圖分類號：P228 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）08（a）-0119-02

1 工程概況

那蘭水電廠位于云南省紅河州金平縣境內(nèi)藤條江下游，為藤條江干流五級開發(fā)方案中的最后一級，距金平縣城59 km，距昆明478 km。壩址處集水面積2816.1 km2，多年平均流量115 m3/s。樞紐工程于2002年12月開工，2005年12月下閘蓄水，12月31日首臺機(jī)組投產(chǎn)發(fā)電，2006年第二、三臺機(jī)組相繼投產(chǎn)發(fā)電，總裝機(jī)容量150MW，工程總投資85667.28萬元。

2 改造的必要性

樞紐區(qū)變形監(jiān)測網(wǎng)點(diǎn)采用施工區(qū)視準(zhǔn)線工作基點(diǎn)及施工控制網(wǎng)點(diǎn)，經(jīng)過多年的使用后，已經(jīng)不能滿足大壩等部位變形監(jiān)測要求。主要原因有：（1）除壩頂視準(zhǔn)線工作基點(diǎn)外，其余視準(zhǔn)線工作基點(diǎn)埋設(shè)位置陡峭，難以通行和使用；（2）視準(zhǔn)線工作基點(diǎn)自身的穩(wěn)定性并沒有進(jìn)行檢核，主要原因是視準(zhǔn)線工作基點(diǎn)之間通視條件差，無法構(gòu)成一個(gè)可靠的變形監(jiān)測網(wǎng)對視準(zhǔn)線工作基點(diǎn)的穩(wěn)定性來進(jìn)行檢驗(yàn)；（3）水準(zhǔn)基準(zhǔn)網(wǎng)沒有建立，使大壩垂直位移監(jiān)測工作基點(diǎn)的高程沒有辦法進(jìn)行檢核；（4）采用常規(guī)方法進(jìn)行視準(zhǔn)線觀測，對人員操作儀器技能的要求較高，觀測繁瑣，目前測繪單位已經(jīng)普及的先進(jìn)測量機(jī)器人的作用卻發(fā)揮不出來，造成了資源的浪費(fèi)。

基于以上原因，有必要對樞紐區(qū)變形監(jiān)測網(wǎng)進(jìn)行改造，以建立一套較完善的大壩變形監(jiān)測基準(zhǔn)體系和監(jiān)測方法。

3 改造方案

3.1 大壩變形監(jiān)測方法改造

大壩變形監(jiān)測方法從原經(jīng)緯儀視準(zhǔn)線觀測法改為極坐標(biāo)差分法，這樣可使用先進(jìn)的測量機(jī)器人提高作業(yè)效率。在使用全站儀進(jìn)行單向變形監(jiān)測時(shí)，測量過程受到了很多誤差因素的干擾，例如大氣垂直折光、水平折光，氣溫、氣壓變化，儀器內(nèi)部誤差等，直接求出這些誤差的大小是極其困難的，故采取差分的方法以減弱或消除這些誤差，來提高測量的精度。

極坐標(biāo)測量三維坐標(biāo)的變化量，需要以下幾個(gè)觀測量進(jìn)行差分改正。

斜距的差分改正：

（1）

球氣差的改正：

（2）

方位角的差分改正：

（3）

綜合以上各項(xiàng)差分改正，按極坐標(biāo)計(jì)算公式可準(zhǔn)確求的每周期各變形點(diǎn)的三維坐標(biāo)：

（4）

3.2 監(jiān)測網(wǎng)設(shè)計(jì)布置

3.2.1 平面位移監(jiān)測網(wǎng)

平面位移監(jiān)測網(wǎng)共由10個(gè)點(diǎn)組成。全網(wǎng)由基準(zhǔn)點(diǎn)組和工作基點(diǎn)組組成，基準(zhǔn)點(diǎn)為Ⅱ01、Ⅱ02、Ⅱ06，工作基點(diǎn)為Ⅱ03～Ⅱ05、Ⅱ07～Ⅱ10。

基準(zhǔn)點(diǎn)組由3個(gè)點(diǎn)組成，Ⅱ01、Ⅱ02位于監(jiān)測網(wǎng)的下游部分，距離大壩壩軸線約0.8 km，遠(yuǎn)離大壩施工區(qū)，且點(diǎn)位附近未進(jìn)行大規(guī)模邊坡處理，地質(zhì)條件較好，不受壩推力和庫水位壓力影響，穩(wěn)定性較好。Ⅱ06在大壩左岸邊坡上，相對穩(wěn)定，不易被破壞。

工作基點(diǎn)組由7個(gè)點(diǎn)組成。其中，Ⅱ03、Ⅱ05、Ⅱ08位于大壩右岸，便于對大壩下游及附近水工建筑物的監(jiān)測。Ⅱ04、Ⅱ07位于壩軸線兩端附近，主要作用是為大壩的壩頂平面位移監(jiān)測提供工作基點(diǎn)；Ⅱ09位于壩腳，可為監(jiān)測大壩下游面及兩岸邊坡的監(jiān)測提供工作基點(diǎn)；也可為進(jìn)水口邊坡、溢洪道進(jìn)口邊坡的監(jiān)測提供工作基點(diǎn)。同時(shí)，所有的工作基點(diǎn)還可以兼作近壩區(qū)的平面位移監(jiān)測點(diǎn)。

3.2.2 垂直位移監(jiān)測網(wǎng)

垂直位移監(jiān)測網(wǎng)的基準(zhǔn)點(diǎn)盡量遠(yuǎn)離施工區(qū)和庫水位的影響范圍?；鶞?zhǔn)點(diǎn)組由3個(gè)點(diǎn)（BG01～BG03）組成，選擇位于大壩下游約1.4 km處，遠(yuǎn)離水庫，不受庫水位變化的影響。其中，BG01作為起算基準(zhǔn)點(diǎn)，而BG02、BG03作為校核基準(zhǔn)點(diǎn)，3個(gè)基點(diǎn)組成閉合環(huán)進(jìn)行相互檢核以檢定其穩(wěn)定性。一旦發(fā)現(xiàn)某個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)有位移，就可以通過其他基準(zhǔn)點(diǎn)確定新的基準(zhǔn)，然后根據(jù)自由網(wǎng)的基準(zhǔn)變換原理，使前期各次觀測的位移量無縫地轉(zhuǎn)換到本次新確定的基準(zhǔn)上。由于3個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)相距不遠(yuǎn)，無論基準(zhǔn)如何變換，對全網(wǎng)的精度幾乎沒有影響。

3.3 監(jiān)測網(wǎng)觀測實(shí)施

3.3.1 平面位移監(jiān)測網(wǎng)

平面位移監(jiān)測網(wǎng)首次觀測使用帶自動目標(biāo)識別功能的Leica TCA2003全站儀和徠卡圓棱鏡進(jìn)行，儀器標(biāo)稱測角精度±0.5″，邊長測量精度±（1mm+1ppm×D）。復(fù)測時(shí)采用帶自動目標(biāo)識別功能的Leica TM30全站儀和徠卡圓棱鏡進(jìn)行，儀器標(biāo)稱測角精度±0.5″，邊長測量精度±（0.6mm+1ppm×D）。

全站儀由機(jī)載程序控制進(jìn)行自動觀測，并在觀測過程中自動檢測各項(xiàng)觀測限差，限差超限時(shí)還能進(jìn)行自動重測，大大減輕了人員勞動強(qiáng)度，同時(shí)提高了觀測精度。

3.3.2 垂直位移監(jiān)測網(wǎng)

二等水準(zhǔn)測量使用Leica電子水準(zhǔn)儀DNA03進(jìn)行觀測。儀器在作業(yè)前，經(jīng)過了國家認(rèn)可的質(zhì)檢機(jī)構(gòu)鑒定合格。水準(zhǔn)儀由機(jī)載程序控制觀測程序，人工進(jìn)行照準(zhǔn)后由儀器自動讀數(shù)，并自動檢測各項(xiàng)觀測限差，限差超限時(shí)提示重測，大大減輕了人員勞動強(qiáng)度，同時(shí)提高了觀測精度。

3.4 監(jiān)測網(wǎng)數(shù)據(jù)處理和變形分析

3.4.1 監(jiān)測網(wǎng)平差模型

監(jiān)測網(wǎng)的特點(diǎn)是：重復(fù)觀測、精度高、可靠性高。監(jiān)測控制網(wǎng)經(jīng)過嚴(yán)格的觀測措施，復(fù)雜的圖形條件檢驗(yàn)，粗差探測等，未能發(fā)現(xiàn)的粗差或系統(tǒng)誤差對點(diǎn)的坐標(biāo)的影響已經(jīng)很小，可以看作隨機(jī)誤差，因此監(jiān)測網(wǎng)的平差函數(shù)模型通常采用高斯-馬爾柯夫函數(shù)模型。

自由網(wǎng)平差分為經(jīng)典自由網(wǎng)平差、秩虧自由網(wǎng)平差、擬穩(wěn)平差3種。

設(shè)有基準(zhǔn)約束條件的高斯—馬爾柯夫模型，按附有約束條件的間接平差法得：

（5）

（6）

在VTPV=min的條件下，導(dǎo)得自由網(wǎng)平差模型解的通式：

（7）

（8）

（1）經(jīng)典自由網(wǎng)。

設(shè)網(wǎng)中只有必要的起算數(shù)據(jù)，如邊角網(wǎng)中假設(shè)一個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)，此點(diǎn)到另一個(gè)點(diǎn)的方位角或邊長已知；水準(zhǔn)網(wǎng)中已知一個(gè)點(diǎn)的高程等，這樣有固定基準(zhǔn)的網(wǎng)稱為經(jīng)典自由網(wǎng)。按附有限制條件的間接平差法平差時(shí)，邊角網(wǎng)的d=1，水準(zhǔn)網(wǎng)或測角網(wǎng)的d=0，平差函數(shù)模型為：

當(dāng)d=0時(shí)，解方程為：

（9）

（10）

按附加條件法進(jìn)行平差時(shí)，G陣形式類似下面將要介紹的擬穩(wěn)平差的GS陣，只是穩(wěn)定點(diǎn)的數(shù)目等于必要觀測數(shù)。

（2）秩虧自由網(wǎng)。

設(shè)網(wǎng)中無固定的起算數(shù)據(jù)，而以全網(wǎng)的重心作為基準(zhǔn)，當(dāng)水準(zhǔn)網(wǎng)時(shí)d=1，當(dāng)邊角網(wǎng)時(shí)d=3，當(dāng)測角網(wǎng)時(shí)d=4，此為秩虧自由網(wǎng)。由7、8式導(dǎo)得：

秩虧自由網(wǎng)平差的解為：

（3）自由網(wǎng)擬穩(wěn)平差。

設(shè)網(wǎng)中有部分點(diǎn)是穩(wěn)定點(diǎn)，另一部分點(diǎn)是非穩(wěn)定點(diǎn)，穩(wěn)定點(diǎn)的個(gè)數(shù)大于必要的起算數(shù)據(jù)，此時(shí)稱為擬穩(wěn)平差，由7、8式導(dǎo)得：

（13）

（14）

3.4.2 平差模型特性

根據(jù)自由網(wǎng)平差理論，各種平差方法所得到的結(jié)果具有如下的性質(zhì)特點(diǎn)，在后面進(jìn)行的統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)時(shí)將用到這些重要性質(zhì)。

（1）3種平差結(jié)果的觀測值改正數(shù)相同，PVV相同，單位權(quán)中誤差也相同，即最小二乘解是相同的。

（2）基準(zhǔn)改正數(shù)之和等于零，經(jīng)典平差是固定點(diǎn)的坐標(biāo)改正數(shù)為零，秩虧平差是所有點(diǎn)的坐標(biāo)改正數(shù)之和為零，擬穩(wěn)平差是擬穩(wěn)點(diǎn)的坐標(biāo)改正數(shù)之和為零。

（3）經(jīng)典平差中未知數(shù)的權(quán)陣是非奇異方陣，存在凱利逆，秩虧平差和擬穩(wěn)平差的未知數(shù)的權(quán)陣是奇異方陣，秩虧平差法方程系數(shù)陣的偽逆是未知數(shù)的協(xié)因數(shù)陣，擬穩(wěn)平差法方程系數(shù)陣的反射逆是未知數(shù)的協(xié)因數(shù)陣。

3.4.3 基準(zhǔn)與平差方法的選擇

建立變形監(jiān)測網(wǎng)的目的就是監(jiān)測點(diǎn)位的變形，變形是在統(tǒng)一基準(zhǔn)下才能進(jìn)行分析判斷的，監(jiān)測網(wǎng)一方面要有很高的精度，很強(qiáng)的可監(jiān)測性；另一方面又要保證有統(tǒng)一穩(wěn)定的基準(zhǔn)。經(jīng)典平差的基準(zhǔn)是固定基準(zhǔn)，秩虧自由網(wǎng)平差的基準(zhǔn)是重心基準(zhǔn)，擬穩(wěn)平差的基準(zhǔn)是擬穩(wěn)點(diǎn)重心基準(zhǔn)。平差方法的選擇也就是基準(zhǔn)的選擇。

變形監(jiān)測網(wǎng)建立宜采用經(jīng)典自由網(wǎng)平差或擬穩(wěn)平差；小型電站可以采用秩虧自由網(wǎng)平差或經(jīng)典平差等。

統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)常用的方法有以下幾種：線性假設(shè)檢驗(yàn)法；穩(wěn)健迭代權(quán)法等。

3.4.4 變形分析方法研究

（1）線性假設(shè)法由Koch于1975年提出，是發(fā)展較完善的一種統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法，被廣泛采用。Pelzer則首先提出通過多期平差所求得的位移量構(gòu)成統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)量，從而檢驗(yàn)其位移是否顯著，稱為平均間隙法。本節(jié)先簡單介紹線性假設(shè)法的原理，再推導(dǎo)監(jiān)測網(wǎng)常用的擴(kuò)展模型的線性假設(shè)法。

根據(jù)線性假設(shè)檢驗(yàn)公式，推求兩期觀測形變模型位移顯著檢驗(yàn)公式如下：

（15）

當(dāng)F

（2）穩(wěn)健迭代權(quán)法。穩(wěn)健迭代權(quán)法，也稱為一次范數(shù)最小估計(jì)，將位移視為模型誤差，運(yùn)用穩(wěn)健迭代權(quán)估計(jì)具有較強(qiáng)定位模型誤差的能力，將自由網(wǎng)平差中基準(zhǔn)變換公式中基準(zhǔn)的權(quán)陣以穩(wěn)健迭代權(quán)估計(jì)法的權(quán)函數(shù)代替進(jìn)行迭代計(jì)算，以求得較理想的基準(zhǔn)。

不同的基準(zhǔn)之間位移向量和協(xié)因數(shù)陣轉(zhuǎn)換見下式

（17）

式中PX是定義參考基準(zhǔn)時(shí)各參考點(diǎn)的權(quán)，由于事先不知道各點(diǎn)的穩(wěn)定程度，因此很難確定權(quán)PX，取PX=diag（1 1 1 1）。

設(shè)d是”穩(wěn)健法”計(jì)算的位移向量，Qd是相應(yīng)的協(xié)因數(shù)陣，第i點(diǎn)的位移和協(xié)因數(shù)陣分別為di和Qdi，對于二維網(wǎng)和一維網(wǎng)，構(gòu)造如下檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量，即為單點(diǎn)檢驗(yàn)公式：

（18）

3.4.5 那蘭電廠變形監(jiān)測網(wǎng)數(shù)據(jù)處理

（1）二等水準(zhǔn)網(wǎng)平差采用以BG03為固定點(diǎn)的經(jīng)典平差。

（2）二等邊角網(wǎng)平差采用赫爾墨特方差分量估計(jì)進(jìn)行邊角權(quán)比的計(jì)算。初始值計(jì)算，采用Ⅱ09作為固定點(diǎn)、Ⅱ09→Ⅱ03的方位角作為固定方位對監(jiān)測網(wǎng)進(jìn)行經(jīng)典自由網(wǎng)平差，求得各控制網(wǎng)點(diǎn)坐標(biāo)。然后，以Ⅱ04作為固定點(diǎn)、Ⅱ04→Ⅱ05的方位角作為固定方位對監(jiān)測網(wǎng)進(jìn)行經(jīng)典自由網(wǎng)平差，分別求得整網(wǎng)的兩次觀測坐標(biāo)。復(fù)測計(jì)算，以Ⅱ01作為固定點(diǎn)、Ⅱ01→Ⅱ02的方位角作為固定方位對監(jiān)測網(wǎng)進(jìn)行經(jīng)典自由網(wǎng)平差，求得整網(wǎng)的坐標(biāo)。

（3）變形分析由于本次基準(zhǔn)點(diǎn)埋設(shè)時(shí)基坑開挖基本到了基巖位置，埋設(shè)質(zhì)量較好。采用的舊點(diǎn)也是經(jīng)過多年穩(wěn)定后，本次又經(jīng)過了除險(xiǎn)加固、整飾，具有較好的穩(wěn)定性和實(shí)用性。

從變形監(jiān)測網(wǎng)復(fù)測結(jié)果看，超過限差的點(diǎn)位僅有II03，位移量為2.4mm，方向是向江邊位移。其余點(diǎn)位變化量較小，穩(wěn)定性也較好，雖然有微弱的變化量，也在誤差范圍內(nèi)。

從二等水準(zhǔn)網(wǎng)變形監(jiān)測網(wǎng)復(fù)測結(jié)果看，超過限差的點(diǎn)位有：II04、II06、II09、II10、BG01、BM02、BM03共7點(diǎn)，且均為沉降，也符合常理。除II06點(diǎn)沉降量略偏大外，其余點(diǎn)位基本穩(wěn)定，均在合理范圍內(nèi)。

II06點(diǎn)比初始觀測時(shí)下沉了8.0mm。分析原因可能是由于觀測II06點(diǎn)所在位置在邊坡上，雖然地質(zhì)條件較好，但還沒有經(jīng)過一年的穩(wěn)定周期（旱季和雨季），下沉略大也屬于正?，F(xiàn)象。為提高精度，下次復(fù)測時(shí)創(chuàng)造條件采用水準(zhǔn)高程聯(lián)測。

4 結(jié)語

經(jīng)過變形監(jiān)測網(wǎng)建網(wǎng)、初始觀測、復(fù)測后比較，從超限點(diǎn)的位移量、沉降量、位移方向以及點(diǎn)位所在位置的地形地貌等特征分析、判定均符合常理。本次監(jiān)測網(wǎng)改造成果穩(wěn)定性較好，成果準(zhǔn)確可靠，為今后大壩及水工建筑物變形監(jiān)測奠定了穩(wěn)定的基準(zhǔn)。

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