山口巖水利樞紐工程變形監(jiān)測工作基點(diǎn)穩(wěn)定性分析

謝長江

（中國水利水電第八工程局有限公司，湖南 長沙410000）

0 引言

山口巖水利樞紐工程地處江西省萍鄉(xiāng)市上游蘆溪縣上埠鎮(zhèn)境內(nèi)，位于贛江支流袁河上游。壩址位于蘆溪縣上埠鎮(zhèn)山口巖村上游1km處，距蘆溪縣城7.6km，距萍鄉(xiāng)市約30km。壩址以上控制集雨面積為230km2，正常蓄水位為黃海高程244.00m，庫容為1.0481×108m3，設(shè)計(jì)防洪庫容0.121×108m3，是一座以供水、防洪為主，兼顧發(fā)電、灌溉等綜合利用的大（2）型水利樞紐工程。其攔河大壩采用碾壓砼雙曲拱壩，最大壩高99.10m，壩底最大寬度30.00m，壩頂寬度5.00m，壩頂長度為268.23m。

攔河大壩在山口巖樞紐工程中起著擋水形成水庫以及泄放水庫容納不下的洪水等重要作用，其安全不僅關(guān)系到工程本身更關(guān)乎整個(gè)下游的公共安全問題。除了在設(shè)計(jì)和施工上確保大壩結(jié)構(gòu)安全外，須通過安全監(jiān)測實(shí)時(shí)反映大壩結(jié)構(gòu)的真實(shí)性態(tài)，并由此揭示施工及運(yùn)行過程中可能出現(xiàn)的問題，以便及時(shí)采取相應(yīng)的工程措施確保大壩安全。

變形是反映大壩結(jié)構(gòu)性態(tài)的重要監(jiān)測對(duì)象，山口巖碾壓混凝土拱壩布置有齊全的變形監(jiān)測系統(tǒng)來反映拱壩在各種環(huán)境因素作用下其壩體及基礎(chǔ)變形狀況，其中壩體表面變形主要利用工作基點(diǎn)通過大地測量的方法觀測監(jiān)測點(diǎn)位置平面坐標(biāo)及高程變化來反映壩體的變形情況，工作基點(diǎn)穩(wěn)定與否對(duì)大壩變形觀測成果有直接影響。因此，工作基點(diǎn)自身一定要穩(wěn)定并要定期進(jìn)行校測和穩(wěn)定性分析。

根據(jù)《工程測量規(guī)范》（GB50026-2007）10.1.5規(guī)定：[1]“監(jiān)測基準(zhǔn)網(wǎng)，應(yīng)由基準(zhǔn)點(diǎn)和部分工作基點(diǎn)構(gòu)成。監(jiān)測基準(zhǔn)網(wǎng)應(yīng)每半年復(fù)測一次；當(dāng)對(duì)變形監(jiān)測成果發(fā)生懷疑時(shí)，應(yīng)隨時(shí)檢核監(jiān)測基準(zhǔn)網(wǎng)?！北疚闹饕ㄟ^對(duì)山口巖水利樞紐工程變形工作基點(diǎn)的校測及成果分析，對(duì)其穩(wěn)定性作出客觀評(píng)價(jià)。

1 變形監(jiān)測基點(diǎn)及穩(wěn)定性校測控制網(wǎng)布置

山口巖碾壓混凝土拱壩和發(fā)電引水進(jìn)水口建筑物通過安全監(jiān)測得到的實(shí)測表面變形為各次觀測到的平面坐標(biāo)及高程值與其首次觀測值之差值。以TN1、TN2、TN5為工作基點(diǎn)采用交會(huì)法來觀測壩體及發(fā)電引水進(jìn)水口建筑物的水平位移，垂直位移則分別以TN1和TN6為工作基點(diǎn)采用幾何水準(zhǔn)方法觀測。因上述工作基點(diǎn)有可能位于大壩作用影響范圍內(nèi)易產(chǎn)生位移而不穩(wěn)定，對(duì)相應(yīng)表面位移的觀測成果精確可靠性造成不利影響，所以應(yīng)定期對(duì)其進(jìn)行校測，判斷其穩(wěn)定性，必要時(shí)根據(jù)工作基點(diǎn)實(shí)際位移情況對(duì)變形監(jiān)測成果進(jìn)行修正。

校核位移監(jiān)測工作基點(diǎn)的方法有多種，本工程通過建立水平位移監(jiān)測控制網(wǎng)及垂直位移監(jiān)測控制網(wǎng)來分別校測水平及垂直位移監(jiān)測工作基點(diǎn)。山口巖水利樞紐變形測點(diǎn)、水平及垂直位移監(jiān)測控制網(wǎng)布置示意圖分別見圖1和圖2。

圖1 山口巖水利樞紐水平位移監(jiān)測控制網(wǎng)布置示意圖

圖2 山口巖水利樞紐變形監(jiān)測二等水準(zhǔn)路線布置示意圖

平面位移監(jiān)測控制網(wǎng)由TN1～TN6等6個(gè)基點(diǎn)組成二等邊角網(wǎng)，采用1954年北京坐標(biāo)系。垂直位移監(jiān)測控制網(wǎng)則是由1個(gè)水準(zhǔn)基點(diǎn)、2個(gè)工作基點(diǎn)、12個(gè)變形監(jiān)測點(diǎn)組成的二等網(wǎng)，高程系統(tǒng)采用1985年國家高程基準(zhǔn)。

2 變形監(jiān)測控制網(wǎng)觀測及精度分析

2.1 平面監(jiān)測控制網(wǎng)觀測精度分析

平面控制網(wǎng)觀測采用精度為±0.6mm+1ppm的TM50全站儀，在沒有云霧的陰天或者夜間進(jìn)行觀測，陰天或夜間氣象條件相對(duì)較好能提高觀測精度，邊長測量時(shí)同時(shí)記錄測站和鏡站的溫度、濕度和氣壓；垂直控制網(wǎng)觀測使用自動(dòng)安平電子水準(zhǔn)儀DNA03、1副3m銦瓦標(biāo)尺[2]。

平面位移監(jiān)測控制網(wǎng)采用邊角網(wǎng)進(jìn)行觀測，儀器設(shè)6個(gè)測站，共觀測22個(gè)方向值，11條邊。測站方向觀測按二等三角測量標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，采用TM50全站儀進(jìn)行全自動(dòng)化觀測。根據(jù)《國家三角測量規(guī)范》（GB/T 17942-2000）要求，二等三角測量精度測角中誤差、方位角中誤差、最弱邊邊長相對(duì)中誤差分別按±1.0″、±1.5″、1/120000控制。三角測量采用全圓方向觀測法，共觀測9測回，其觀測限差兩次照準(zhǔn)目標(biāo)讀數(shù)差、上下半測回歸零差、一測回2C互差、一方向值各測回互差及三角形最大閉合差分別按 3″、5″、9″、5″和 3.5″控制。

三角高程檢查項(xiàng)目包括測回差及限差、高差附合差、高差附合差限差、高程中誤差等。由圖1所示平面監(jiān)測控制網(wǎng)共有6個(gè)基點(diǎn)，實(shí)線連接11條邊，統(tǒng)計(jì)各邊長觀測往返差最小為0.14mm（邊長TN1～TN4），最大為2.37mm（邊長TN1～TN2），皆在相應(yīng)允許值內(nèi)。其對(duì)向觀測平均值中誤差md=±0.55mm，邊長觀測單位權(quán)中誤差μ=±0.77mm，平均邊長相對(duì)中誤差M=1/501 679，邊長觀測精度完全符合規(guī)范要求。

根據(jù)n個(gè)三角形組合的3個(gè)觀測內(nèi)角A、B、C，按式（1）計(jì)算三角形閉合差W：

式中，W為三角閉合差；A、B、C為三角形3個(gè)觀測內(nèi)角。

由式（2）計(jì)算測角中誤差[3]：

式中，n為三角形個(gè)數(shù)；W為三角閉合差。

經(jīng)計(jì)算統(tǒng)計(jì)，平面監(jiān)測網(wǎng)本次測量三角形最大閉合差 1.88″（TN3、TN4、TN2），三角形最小閉合差 0.12″（TN3、TN5、TN1），在二等測量三角形閉合差限差±3.5″范圍內(nèi)。測角中誤差為 mβ=±0.314″，小于±1″，符合規(guī)范要求。

根據(jù)平面網(wǎng)圖形所構(gòu)成的大地四邊形、中點(diǎn)多邊形和扇形結(jié)構(gòu)，以大地四邊形任意頂點(diǎn)為極，中點(diǎn)多邊形中點(diǎn)為極，扇形的外點(diǎn)為極驗(yàn)算各項(xiàng)極條件：

式中，ai、bi為傳距角；mβ為測角中誤差；δ為傳距角的正弦對(duì)數(shù)秒差，以對(duì)數(shù)第六位為單位。

得到最大自由項(xiàng) 6.2770（TN3-TN4、TN2、TN1），最小自由項(xiàng)-0.3877（TN2-TN1、TN3、TN4），均在規(guī)定限差內(nèi)。

平面網(wǎng)三角形測量由邊長測量反算角度與實(shí)測角之差：

式中，Si、Ai為邊長和觀測角；mβ為測角中誤差；ms為測距中誤差。

進(jìn)行三角形組合余弦條件驗(yàn)算，其中最大自由項(xiàng)-2.201（三角形 TN3、TN2、TN，以TN3為頂點(diǎn)，限差±3.258）；最小自由項(xiàng)-0.040（三角形 TN1、TN5、TN6，以TN1為頂點(diǎn)，限差±2.137），無超限余弦條件。

2.2 垂直變形監(jiān)測控制網(wǎng)觀測精度分析

山口巖水利樞紐工程二等水準(zhǔn)網(wǎng)由3個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)（TN1、TN3、TN6）、壩頂及公路旁 9個(gè)變形點(diǎn)（W8、W15、W16、W17、W18、W19、W20、W21、W22）、進(jìn)水口 3 個(gè)變形點(diǎn)（W23、W24、W25）3個(gè)部分組成4個(gè)閉合環(huán)。按二等水準(zhǔn)測量觀測，測段最大往返差為0.88mm（測段為TN3下標(biāo)～TN1下標(biāo)，限差±2.31mm）；最大環(huán)閉合差為-0.5mm，限差為±3.9mm；一站水準(zhǔn)測量高差中數(shù)的偶然中誤差M=±0.05mm；每公里往、返測高差中數(shù)的偶然中誤差M△=±0.30mm，均滿足規(guī)范要求。

3 工作基點(diǎn)穩(wěn)定性分析及評(píng)判

3.1 水平位移監(jiān)測控制網(wǎng)穩(wěn)定性分析

通過定期對(duì)山口巖變形監(jiān)測網(wǎng)校測，由各次校測成果分析比較可知各網(wǎng)點(diǎn)尤其是工作基點(diǎn)的穩(wěn)定狀況。校測時(shí)，一般先分析TN1、TN3、TN4的內(nèi)符合性，本次校測成果的邊長和角度與首次觀測坐標(biāo)成果反算邊長和角度比較表明，TN1-TN3、TN1-TN4、TN3-TN4各邊長較差分別為0.90mm、1.09mm和2.94mm；以TN1、TN3、TN4為三角形頂點(diǎn)的各三角形內(nèi)角差值分別為-1.4″、0.7″和 0.8″。

以TN3為固定點(diǎn)，TN3→TN4為已知方向，進(jìn)行經(jīng)典自由網(wǎng)平差，其平面監(jiān)測網(wǎng)平差結(jié)果方向測量中誤差為0.314″；最弱邊長相對(duì)中誤差為1/400 000（TN1～TN6）；最弱點(diǎn)位中誤差為 0.82（TN5），均滿足規(guī)范要求。所以本監(jiān)測網(wǎng)的靈敏度和內(nèi)外部可靠性均滿足設(shè)計(jì)要求，保證了平面監(jiān)測網(wǎng)觀測成果的正確可靠以及較高的測量精度。

通過對(duì)TN1、TN3、TN4的對(duì)比分析，可以基本確定這3個(gè)點(diǎn)處于穩(wěn)定狀態(tài)，存在少量的差值是由于觀測誤差及作業(yè)方法的不同所至。

3.2 垂直位移監(jiān)測網(wǎng)穩(wěn)定性分析

使用徠卡DNA03數(shù)字水準(zhǔn)儀施測了22km水準(zhǔn)路線[2]，由國家一等水準(zhǔn)點(diǎn)易清33起測，嚴(yán)格按照《國家一二等水準(zhǔn)測量規(guī)范》進(jìn)行，采用每測段往返觀測。在接測的6個(gè)水準(zhǔn)點(diǎn)中，各測段往返測不符值均滿足要求，往返測不符值最大測段為易清33至SKY1，不符值為3.2mm，測段長度為5.88km，限差為9.69mm。

由于TN2、TN4、TN5位于山坡上，水準(zhǔn)測量無法施測，故采用測距三角高程法獲取高程值。外業(yè)作業(yè)中，在 TN1、TN2、TN3、TN4、TN5、TN6 分別設(shè)站進(jìn)行對(duì)向觀測，由于各點(diǎn)間距離大部分都在500m之內(nèi)，在進(jìn)行各測站點(diǎn)高差解算時(shí)選取大氣折光系數(shù)為經(jīng)驗(yàn)值0.13，根據(jù)往返測高差和平距進(jìn)行平差計(jì)算，從而獲得各點(diǎn)三角高程值。

通過對(duì)TN1、TN3、TN6三點(diǎn)間所測得的高差與原水準(zhǔn)高程反算高差比較，其間高差最大較差為-0.5mm?？烧J(rèn)定這三個(gè)點(diǎn)是穩(wěn)定的。

3.3 工作基點(diǎn)穩(wěn)定性判斷

組成變形監(jiān)測控制網(wǎng)的各基點(diǎn)尤其是作為觀測山口巖碾壓混凝土拱壩表面變形的工作基點(diǎn)，其穩(wěn)定性可以通過各次校測成果與初始觀測成果比較得出相應(yīng)估計(jì)和判斷。本次監(jiān)測網(wǎng)觀測值與首次觀測比較見表1。

從表1統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析得出，本次觀測成果與首次觀測成果比較，平面位移量變化較大的點(diǎn)是TN5。

TN5的X坐標(biāo)方向（向南）變動(dòng)2.8mm、Y坐標(biāo)方向（向西）變動(dòng)3.3mm、點(diǎn)位位移距離為2.2mm，TN5點(diǎn)位變化量超出SL 197-2013《水利水電工程測量規(guī)范》11.13.2條款中規(guī)定的“變形比較敏感的大中型水工建筑物、大型高邊坡與高切破、大型岸坡崩塌滑坡體等”[3]水平位移量允許中誤差±3mm的要求；

表1 山口巖水利樞紐工程變形監(jiān)測控制網(wǎng)各次觀測值比較表m

TN4的X坐標(biāo)方向（向南）變動(dòng)2mm、Y坐標(biāo)方向（向西）變動(dòng)1mm、點(diǎn)位位移距離為4.3mm，TN4點(diǎn)位變化量滿足SL 197-2013《水利水電工程測量規(guī)范》11.13.2條款中規(guī)定的水平位移量允許中誤差±3mm的要求；

TN1、TN2、TN6三個(gè)點(diǎn)的X、Y方向坐標(biāo)變動(dòng)值較TN4都小，故TN1、TN2、TN6三點(diǎn)的水平位移量允許中誤差變化值均在規(guī)范允許范圍之內(nèi)。由此說明TN5有少量位移，水平位移監(jiān)測網(wǎng)其余各點(diǎn)平面位置基本穩(wěn)定的。

高程位移變化最大TN5上升1.8mm，說明平面監(jiān)測網(wǎng)各點(diǎn)垂直位移變化很小，總體來看基本上是穩(wěn)定的。

通過對(duì)控制網(wǎng)點(diǎn) TN1、TN2、TN3、TN4、TN5、TN6 平面和垂直測值的對(duì)比分析計(jì)算，各測點(diǎn)觀測成果與首次觀測成果比較均較小，說明測點(diǎn)穩(wěn)定，變形量小，測量控制點(diǎn)的固定角和固定邊滿足規(guī)范要求?；鶞?zhǔn)控制點(diǎn)的穩(wěn)定對(duì)提高大壩變形監(jiān)測點(diǎn)的觀測精度，為準(zhǔn)確預(yù)報(bào)大壩的安全運(yùn)行提供了保障[4]。

4 結(jié)論

大壩表面變形是反映大壩結(jié)構(gòu)性態(tài)的主要監(jiān)測效應(yīng)量，所以作為保證其測值精度及可靠性的工作基點(diǎn)穩(wěn)定性至關(guān)重要。變形監(jiān)測控制網(wǎng)是校測大壩變形監(jiān)測工作基點(diǎn)穩(wěn)定性的一種有效手段，山口巖水利樞紐工程從自身實(shí)際情況出發(fā)建立相應(yīng)的控制網(wǎng)定期校測相應(yīng)工作基點(diǎn)的穩(wěn)定性，收到了良好效果，可為類似工程變形監(jiān)測控制提供參考。