湯河水庫壩體水平位移觀測(cè)方法分析

劉丹

（遼寧省湯河水庫管理局，遼寧遼陽111000）

湯河水庫壩體水平位移觀測(cè)方法分析

劉丹

（遼寧省湯河水庫管理局，遼寧遼陽111000）

壩體水平位移觀測(cè)，是湯河水庫一個(gè)重要的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，是分析壩體運(yùn)行情況的重要手段。2014年湯河水庫對(duì)原有觀測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行改造，觀測(cè)儀器及觀測(cè)方法同時(shí)更新。本文對(duì)比分析了更新前后的觀測(cè)方法及精度，并探討了觀測(cè)數(shù)據(jù)的銜接問題。

水平位移監(jiān)測(cè)；視準(zhǔn)線法；全站儀法；湯河水庫

1 概況

湯河水庫是一座以防洪、城市和工業(yè)供水、農(nóng)業(yè)灌溉為主，結(jié)合發(fā)電、養(yǎng)魚等綜合利用的國(guó)家大（2）型水利樞紐工程。壩體為粘土斜墻砂殼壩，分別在防浪墻、壩坡共計(jì)布設(shè)17個(gè)位移觀測(cè)標(biāo)點(diǎn)，用以監(jiān)測(cè)壩體的變形情況。其中，在防浪墻頂布設(shè)8個(gè)標(biāo)點(diǎn)，即C1-C8；在壩體下游坡面分別于樁號(hào)0+100，0+220，0+340壩段布置3個(gè)觀測(cè)斷面，共計(jì)9個(gè)標(biāo)點(diǎn)，即B1-B9。

2 觀測(cè)方法分析

湯河水庫主要采用視準(zhǔn)線法和全站儀坐標(biāo)法進(jìn)行觀測(cè)。

2.1 視準(zhǔn)線法

湯河水庫采用視準(zhǔn)線法通過N3型經(jīng)緯儀進(jìn)行水平位移觀測(cè)時(shí)，分4個(gè)斷面進(jìn)行，路線為：E1-C1-C2-C3-C4-C5-C6-C7-C8-E5；E2-B1-B4-B7-E6；E3-B2-B5-B8-E7；E4-B3-B6-B9-E8。

點(diǎn)E（1—8）分別是各條基準(zhǔn)線的基準(zhǔn)點(diǎn)，是水平位移的觀測(cè)基點(diǎn)，分別位于壩體東西兩端的山體上。以第一條觀測(cè)線路為例，觀測(cè)時(shí)，將N3經(jīng)緯儀置于壩體西側(cè)山體上的基準(zhǔn)點(diǎn)E1，后視覘標(biāo)置于壩體東側(cè)山體上的基準(zhǔn)點(diǎn)E5，形成視準(zhǔn)線，然后將移動(dòng)覘標(biāo)置于各觀測(cè)點(diǎn)C1—C8，通過讀取讀數(shù)，計(jì)算出各觀測(cè)點(diǎn)到E1-E5視準(zhǔn)線的距離，通過前后2次觀測(cè)的距離，算出間隔時(shí)間內(nèi)各觀測(cè)點(diǎn)的水平位移量。

1）優(yōu)點(diǎn)。視準(zhǔn)線觀測(cè)法原理簡(jiǎn)單，簡(jiǎn)便實(shí)用。湯河水庫自建壩開展位移觀測(cè)項(xiàng)目起，一直采用視準(zhǔn)線法，使用經(jīng)緯儀進(jìn)行壩體水平位移觀測(cè)。直至2014年湯河水庫進(jìn)行除險(xiǎn)加固工程，對(duì)原有觀測(cè)基點(diǎn)進(jìn)行了改造，并引用了新的觀測(cè)儀器和觀測(cè)方法。

2）不足。在采用視準(zhǔn)線法觀測(cè)水平位移時(shí)，影響觀測(cè)精度的因素較多，主要有儀器自身的誤差和人為誤差。以第一條觀測(cè)路線為例，觀測(cè)時(shí)，觀測(cè)人員通過放置在E1點(diǎn)的N3經(jīng)緯儀照準(zhǔn)放置在E5點(diǎn)的后視覘標(biāo)，形成視準(zhǔn)線，記錄人員在C1-C8各觀測(cè)點(diǎn)活動(dòng)移動(dòng)覘標(biāo)，待移動(dòng)覘標(biāo)中線對(duì)準(zhǔn)視準(zhǔn)線時(shí)，觀測(cè)人員通過對(duì)講機(jī)告訴記錄人員，此時(shí)記錄人員讀取移動(dòng)覘標(biāo)上的數(shù)值。該數(shù)值與前一次觀測(cè)所測(cè)數(shù)值之差，即為前后2次間隔時(shí)間段內(nèi)觀測(cè)點(diǎn)的水平位移值。在此觀測(cè)過程中，視準(zhǔn)線長(zhǎng)度、照準(zhǔn)精度、大氣折光等都能影響觀測(cè)的精度，另外通過對(duì)講機(jī)下達(dá)指令來停止轉(zhuǎn)動(dòng)覘標(biāo)螺旋，經(jīng)常會(huì)有時(shí)間延遲，導(dǎo)致讀數(shù)有較大誤差。

2.2 全站儀法

湯河水庫壩體除險(xiǎn)加固工程中對(duì)壩體觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行了重新改造，觀測(cè)儀器由原來的N3型經(jīng)緯儀更換為TS30型徠卡全站儀，觀測(cè)方法由原來的視準(zhǔn)線法改為全站儀法。

觀測(cè)路線為：E7-C8-C7-C6-C5-C4-C3-C2-C1-B1-B4-B7-B2-B5-B8-B3-B6-B9。觀測(cè)時(shí)將全站儀放置于已知坐標(biāo)點(diǎn)E7，以另一已知坐標(biāo)點(diǎn)E1為后視點(diǎn)。由于TS30型徠卡全站儀為高精度智能型全站儀，具有電子驅(qū)動(dòng)、目標(biāo)自動(dòng)搜索功能，因此在E7點(diǎn)上人工建立測(cè)站以后，其余測(cè)量工作均由儀器自動(dòng)完成，測(cè)量過程中儀器自動(dòng)搜索觀測(cè)點(diǎn)、自動(dòng)瞄準(zhǔn)、自動(dòng)讀數(shù)，在一測(cè)回觀測(cè)過程中半測(cè)回結(jié)束后儀器可以自動(dòng)進(jìn)行倒鏡測(cè)量，儀器觀測(cè)結(jié)果為各觀測(cè)點(diǎn)距E7的方向角和距離。觀測(cè)結(jié)束后，通過全站儀內(nèi)業(yè)軟件進(jìn)行平差以及數(shù)據(jù)處理，將斜距轉(zhuǎn)化為平距，計(jì)算各點(diǎn)坐標(biāo)。

與傳統(tǒng)的視準(zhǔn)線法觀測(cè)壩體水平位移相比較，采用TS30型徠卡全站儀進(jìn)行觀測(cè)有如下優(yōu)點(diǎn)：

1）誤差小、精度高。采用TS30型徠卡全站儀觀測(cè)，直接將精密棱鏡置于位移觀測(cè)點(diǎn)的預(yù)埋件上，儀器自動(dòng)觀測(cè)、瞄準(zhǔn)、讀數(shù)，避免了人為瞄準(zhǔn)及人工讀取移動(dòng)覘標(biāo)的讀數(shù)誤差；同時(shí)，徠卡TS30為超高精度全站儀，測(cè)角精度為0.5"，有棱鏡模式下測(cè)距精度為0.6 mm+1 ppm，自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別定位精度為1 mm，因此大大提高了壩體水位位移變形觀測(cè)的測(cè)量精度。

2）工作效率高。采用視準(zhǔn)線法通過N3經(jīng)緯儀進(jìn)行壩體水平位移觀測(cè)時(shí)，共分4條視準(zhǔn)線進(jìn)行，其中共需整平對(duì)中N3經(jīng)緯儀4次，且根據(jù)精度需要在測(cè)量過程中需進(jìn)行倒鏡重新整平對(duì)中；后視覘標(biāo)放置4次；觀測(cè)中移動(dòng)覘標(biāo)需逐個(gè)放置于各觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè)，共觀測(cè)17次。測(cè)量工作耗時(shí)較長(zhǎng)，效率較低。采用TS30型徠卡全站儀觀測(cè)，將17根精密棱鏡分別放置于觀測(cè)點(diǎn)的預(yù)埋件上，首先對(duì)全站儀整平對(duì)中，對(duì)準(zhǔn)后視、建立測(cè)站后，儀器自動(dòng)觀測(cè)、瞄準(zhǔn)、讀數(shù)，自動(dòng)計(jì)算觀測(cè)結(jié)果，觀測(cè)過程省時(shí)省力，大大提高了工作效率。

3 觀測(cè)數(shù)據(jù)的銜接

湯河水庫自1986年9月首次進(jìn)行壩體水平位移觀測(cè)起，每年進(jìn)行2次觀測(cè)，汛前汛后各1次，至2013年底除險(xiǎn)加固工程前，湯河水庫進(jìn)行壩體水平位移觀測(cè)共計(jì)55次，均采用視準(zhǔn)線法進(jìn)行，通過讀取移動(dòng)覘標(biāo)讀數(shù)，計(jì)算此次讀數(shù)與原始讀數(shù)之差，即為觀測(cè)點(diǎn)垂直于視準(zhǔn)線（即壩軸線）方向上的水平位移累計(jì)位移量（見表1）。2014年除險(xiǎn)加固工程后，各觀測(cè)點(diǎn)以及工作基點(diǎn)均進(jìn)行了調(diào)整，且采用全站儀進(jìn)行觀測(cè)的結(jié)果為各觀測(cè)點(diǎn)距E7點(diǎn)的方向角及距離，因此需要通過計(jì)算，將全站儀的觀測(cè)結(jié)果轉(zhuǎn)換為各點(diǎn)坐標(biāo)值，同時(shí)計(jì)算出各觀測(cè)點(diǎn)垂直于壩軸線的位移量，即壩體水平位移量（見表2）。確保湯河水庫壩體水平位移觀測(cè)資料連續(xù)完整。

通常判斷壩體水平位移的變化情況主要根據(jù)2個(gè)數(shù)據(jù)，即間隔位移量和累計(jì)位移量。由表1，2可知，通過視準(zhǔn)線法觀測(cè)水平位移的觀測(cè)結(jié)果，間隔位移量為各觀測(cè)點(diǎn)此次覘標(biāo)讀數(shù)與上次覘標(biāo)讀數(shù)之差，累計(jì)位移量為各觀測(cè)點(diǎn)此次覘標(biāo)讀數(shù)與原始覘標(biāo)讀數(shù)之差，移動(dòng)方向垂直于視準(zhǔn)線。通過全站儀法觀測(cè)水平位移的觀測(cè)結(jié)果，間隔位移量為各觀測(cè)點(diǎn)此次距壩軸線距離（即軸距）與上次距壩軸線距離之差，累計(jì)位移量為各觀測(cè)點(diǎn)此次軸距與初始軸距之差，（其中初始軸距為觀測(cè)點(diǎn)改造后采用全站儀首次觀測(cè)所得各點(diǎn)距壩軸線的距離），移動(dòng)方向垂直于壩軸線。

表1 視準(zhǔn)線法觀測(cè)水平位移量成果表mm

表2 全站儀法觀測(cè)水平位移量成果表m

由于除險(xiǎn)加固工程改造觀測(cè)基點(diǎn)的施工過程中，未對(duì)改造前后的各觀測(cè)基點(diǎn)進(jìn)行及時(shí)觀測(cè)，直至2014年10月對(duì)改造后的觀測(cè)基點(diǎn)采用全站儀法進(jìn)行了首次觀測(cè)，因而導(dǎo)致了2013年10月至2014年10月期間壩體變形數(shù)據(jù)缺失。

通過坐標(biāo)計(jì)算得出，視準(zhǔn)線E1-E5、E2-E6、E3-E7、E4-E8均與壩軸線平行，各觀測(cè)點(diǎn)改造前后所計(jì)算出的壩體水平位移量方向一致，因此建議壩體水平位移累計(jì)位移量采用兩部分之和來計(jì)算，即截至2013年10月的累計(jì)位移量與2014年10月至此次觀測(cè)的累計(jì)位移量之和。

4 結(jié)語

自2014年10月湯河水庫首次采用全站儀進(jìn)行壩體水平位移觀測(cè)后，通過多次的實(shí)際觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，工作效率、數(shù)據(jù)精度等均照以往有較大程度提高，因此采用TS30型徠卡全站儀進(jìn)行湯河水庫壩體水平位移觀測(cè)實(shí)用、可靠。

［1］湯河水庫管理局.湯河水庫志［M］.北京：中國(guó)水利水電，2009.

［2］李春楊，牛煥文.萊卡TS30全站儀在桃山水庫大壩水平位移觀測(cè)中應(yīng)用［J］.黑龍江水利科技，2014（9）：174-175.

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