大型水利樞紐工程監(jiān)測基準網的精度探討

馮 歡

（寧夏水利水電勘測設計研究院有限公司 寧夏銀川 750001）

1 引言

隨著現(xiàn)代社會經濟的不斷發(fā)展，水利樞紐發(fā)揮的作用越來越大，依照功能的不同，水利樞紐分為了防洪樞紐、灌溉樞紐、水力發(fā)電樞紐以及航運樞紐等[1]，按照規(guī)模劃分，包含了大型、中型以及小型水利樞紐。在建設水利樞紐工程時，需要結合地質特征、樞紐功能等進行綜合考慮。大型水利樞紐工程具有建設難度大、資金投入高、技術性強等特征。通常情況下大型水利樞紐需要承受較大的水壓力，隨著時間的延遲會導致水利樞紐工程產生一定的形變，為了確保水利樞紐工程的穩(wěn)定性與安全性，建立樞紐工程監(jiān)測基準網非常有必要。在建設過程中需要充分考慮到基準網的精度，為保障監(jiān)測效果提供支持。當下，國外針對大型水利樞紐工程監(jiān)測基準網的建立已經較為成熟，我國還處于不斷發(fā)展階段，需要進行深入探索。為此，本文以某大型水利樞紐工程為例，對工程監(jiān)測基準網要求以及觀測情況進行研究，為提高大型水利樞紐工程監(jiān)測基準網精度奠定基礎。

2 工程概況

某大型水利樞紐工程的主壩與副壩均采用混凝土面板砂礫石壩，主壩高度129m，在我國水利樞紐工程中屬于大型工程，大壩頂部跨長為403m，副壩高度為83m，副壩頂部跨長為108m，主壩和副壩在上游的坡度比例為1:1.5，大壩頂部寬度為14m。

3 平面監(jiān)測基準網設計

3.1 平面監(jiān)測網等級與精度確定

依照該區(qū)域建設管理局的要求，修建的工程監(jiān)測基準網需要滿足《水利水電工程檢測標準》（以下簡稱《標準》）相關規(guī)定。為了保證該大型水利樞紐工程監(jiān)測效果，監(jiān)測網的主要職能是負責對廠房高邊坡、工作閘井邊坡的形變量開展監(jiān)測工作，根據《標準》中的有關要求，使用在堆石壩等部分的穩(wěn)固性監(jiān)測基準網建設等級不能夠低于二級網監(jiān)測標準[2]。如表1 所示《標準》中規(guī)定的平面基準網建設的技術要點與公差范圍。

表1 平面基準網建設的技術要點與公差范圍

平面控制網規(guī)劃方式選用邊角同測網，按照《標準》中對專二等級的相關規(guī)定，要求平面網各邊的平均長度不得低于1400m，但是由于選取的大型水利樞紐工程建設在高山峽谷中，基準網的建設也受到了較大的局限性，造成各個網邊的平均長度僅為900m，結合專業(yè)知識以及實踐經驗可以得知，使用專二層次規(guī)定的測量設備、測量方式、觀測精度偏差以及技術要點開展測量工作，實際取得的測量精度將超過上述表格中的尺寸誤差范圍，由此會導致施工困難度增加[3]。

大型水利樞紐工程監(jiān)測基準網的高程標準要嚴格遵從國家對一等與二等水準測量的精度要求，且不可以通過對水準測定的方式來進行各個端點間的高差，需要依托于對向三角高程途徑來測量，同時使得高程控制網屬于閉合水準類型[4]。

3.2 平面監(jiān)測網方案設計

在該工程當中受地形條件限制，同時兼顧精度需求，共計布置了11 個點，具體為TN01～11，其中基準點選定為TN01、TN04,具體布置如下圖1 中所示。

圖1 平面位移監(jiān)測基準網

為了保證基準網建設的穩(wěn)固性，在基準網中沒一位置點處設計一個直徑為45cm 的鋼筋觀測支撐柱，固定點中有8 個位置點規(guī)劃在巖石上，首先利用專業(yè)設備在巖石上加工出長寬高均為65cm 的坑洞，緊接著將直徑為65cm 長度為100cm 的長錨桿放置到坑洞中，向其中倒入混凝土使之固定[5]。另外一個位置點因為特殊的地理位置，無法將其固定到巖石上，在進行這種情況的支撐柱固定時，需要在地面下開挖一個長寬高均為170cm 的基坑，向挖好的坑洞內澆筑混凝土，使其底部形成一個長寬高為160x160x110cm 的混凝土基礎，再將支撐柱放置到混凝土基礎上，最后向基坑內澆筑混凝土，使得支撐柱與混凝土基礎固定到一起，通過這種方法可以有效保障支撐柱的牢固度，一般情況下支撐柱高點離地面的距離為125cm 左右。

4 觀測情況

通過電子經緯儀對相關角度進行測量，根據現(xiàn)成的實際工況得出，總共需要測量的角度數量為14個，測量方法選取分時間段最佳測量法，在上午天氣環(huán)境適宜的情況下測量7 個角度，再在下午適宜環(huán)境中測量7 個角度，將已有的照準標準單一微讀數方法改為兩次讀數，盡可能的降低照準偏差，并且兩次讀取數值的大小差別不能夠超過3″。于此同時在任何一個觀測時間范圍內部測量到半數測回過程中都需要調整照準部的旋轉方向，也可以選取測回間的方式來調整方向。在進行觀測過程中，當旋轉方向發(fā)生變化時，都需要進行歸零操作，并且保證每次歸零的誤差范圍控制在4″以內。在正式觀測前要做好準備工作，第一步要依照規(guī)定對望遠鏡的焦距以及讀數反光鏡的方位進行改變，并且在相同的測回中要穩(wěn)定不變，在實際開展觀測工作時，氣泡圓心位置與整置中心點的偏差量不能夠超過一格，當偏差量處于極限位置時，則需要對儀器進行重新調整，之后再進行觀測?；谒浇怯^測的照準目標一般選取直徑為5mm 長度為18mm 的塔形桿，在桿的頂端噴涂上紅色油漆，在尾部噴涂上白色油漆，之后將桿放入到強制對中的螺栓孔中[6]。

通過水準儀開展水準測量工作，觀測過程中各個部分的往返測都劃分為上午與下午兩個時間段，但是當天氣環(huán)境較好或者處于陰天狀態(tài)時，可以將同一個地點的往返測均放置在上午或者下午，需要注意的時采用這種方法進行的往返測數量不能夠超過總測量數的2 成。在將水準儀放置到各個觀測站上時，必須要確保水平儀中兩個地面支點的連線與水準線相平行，另外一個支點處于水平線的左邊或者右邊均可以。在往測環(huán)節(jié)結束以后開展返測環(huán)節(jié)時，各自的水準尺也要進行相應的位置調換，同時依照規(guī)定要求對水平儀進行重新調試。此外，任何一個測站的往測數量與返測數量均不得為奇數。

5 基準網精度評定

5.1 水平位移基準網的預期精度

整個監(jiān)測網以TN01、TN04 為固定點來計算符合網的平差估算，最終得到水平位移基準網的預期精度，具體如下表2 中所示。根據相關規(guī)范的要求，表2 中的預期精度數據估算實際上是對最大誤差與方位角的估算，從表2 中的統(tǒng)計數據中可以發(fā)現(xiàn)，點位中的誤差大約為±1.892mm，橢圓長半軸與短半軸的誤差則分別為±1.621mm 與±0.954mm，完全能夠滿足規(guī)范要求。

表2 水平位移基準網的預期精度（注明的單位均為mm）

5.2 監(jiān)測網的可靠指標統(tǒng)計

共計監(jiān)測了38 條邊與76 個方向，對相關觀測的可靠性指標進行統(tǒng)計分析，結果如下表3 中所示，從表中的統(tǒng)計數據中可以發(fā)現(xiàn)，該工程項目當中水平位移基準網觀測的可靠性因子均高于規(guī)范規(guī)定的0.2 限值，這說明該控制網抵御粗差的能力相對較強。此外，從表2 中的統(tǒng)計數據中可以發(fā)現(xiàn)該監(jiān)測網的靈敏度長半軸位于0.645～0.653mm 之間，靈敏度也能滿足實際需求。

表3 監(jiān)測網可靠性指標統(tǒng)計

6 提高工程監(jiān)測基準網精度的方法

現(xiàn)階段隨著GPS 衛(wèi)星定位技術的快速發(fā)展，在大型水利樞紐工程監(jiān)測基準網建設上發(fā)揮了重要的作用，通過GPS 測量技術的應用，彌補了以往觀測技術中存在的問題，顯著改善了監(jiān)測效率與準確性[7]。GPS 衛(wèi)星定位技術運用最優(yōu)觀測時段技術，盡可能的解決了GPS 衛(wèi)星運行過程中產生的周期性誤差，減低了計算的復雜程度，避免了外業(yè)數據檢核處理的復雜運算，有效的改善了測繪精度。在將GPS 技術應用到工程監(jiān)測基準網設立工作中時，一方面要確保觀測時間的設置要日夜平衡，同時保證夜間觀測時長要占據總觀測時長的2.5 成以上；另一方面在計算基線精處理的限差過程中，應當避免使用基線向量的方差陣進行計算。

7 結束語

綜上所述，大型水利樞紐建設難度高、投資成本大、建設周期長，所發(fā)揮出的社會功能也更大，為此本文以某大型水利樞紐為例，首先確定監(jiān)測精準網的等級以及精度，并明確了基準網的設計方案，深入探究了工程監(jiān)測基準網的精度設計與評定，得到了各項參數偏差范圍都符合二級網允許的偏差范圍，由此說明監(jiān)測基準網精度能夠很好的滿足大型樹立樞紐工程監(jiān)測要求。