北疆某引水樞紐變形監(jiān)測方案設(shè)計

高 鑫

(水利部新疆維吾爾自治區(qū)水利水電勘測設(shè)計研究院，烏魯木齊 830000)

1 概 述

引水樞紐在施工及運行過程中，由于多種因素的影響，會產(chǎn)生一定的變形。按照規(guī)范(或設(shè)計)要求，當(dāng)變形量在規(guī)定的范圍內(nèi)，認(rèn)為是正常現(xiàn)象，處于安全穩(wěn)定狀態(tài)；如果變形量超過規(guī)定的允許限度，就存在一定的危險性，嚴(yán)重的還會發(fā)生跨塌的安全事故[1]。因此，變形觀測是準(zhǔn)確掌握變形規(guī)律，及時作出分析預(yù)報，為引水樞紐的運營維護(hù)管理提供科學(xué)數(shù)據(jù)。同時，變形觀測也為設(shè)計、施工提供及時可靠的資料，并結(jié)合相關(guān)的分析和預(yù)測方法，將有效地評估引水樞紐工程的穩(wěn)定性。

北疆某調(diào)水工程包括攔河引水樞紐、泵站及水庫等建筑物，分屬3個不同地區(qū)，為了方便起見，本文統(tǒng)稱為引水樞紐。通過分析該引水樞紐變形因素，對整體變形監(jiān)測方案進(jìn)行設(shè)計，以期對類似工程的變形監(jiān)測布置提供參考。

2 變形因素分析

引水樞紐由于本身的自重、混凝土的收縮、沉陷及溫度變化等荷載原因，將產(chǎn)生平面和垂直位置的相對移動。地質(zhì)構(gòu)造、地震因素能否使基礎(chǔ)受到水平或垂直方向的應(yīng)力作用，還有待分析論證[2]。

2.1 變形監(jiān)測周期及其精度要求

要達(dá)到變形監(jiān)測的預(yù)期目的，必須通過對變形監(jiān)測對象的分析，提出應(yīng)有的監(jiān)測精度、合適的監(jiān)測頻次，制定相應(yīng)的設(shè)計方案。

2.1.1 變形監(jiān)測的周期

蓄水前應(yīng)全面觀測一次，這期間變形監(jiān)測量主要是檢驗施工質(zhì)量，設(shè)計的正確性是蓄水期的初始觀測值。在觀測過程中，如有基礎(chǔ)附近地面荷載突然增加、長時間連續(xù)降雨等情況，均應(yīng)及時增加觀測次數(shù)。當(dāng)壩體突然發(fā)生大量沉降、不均勻沉降或嚴(yán)重裂縫時，應(yīng)立即連續(xù)觀測。

表1 變形監(jiān)測周期

特別需要說明的是，所謂初始值不僅僅是指點的坐標(biāo)，還包涵以下內(nèi)容：確定的觀測網(wǎng)形、觀測方法；確定的平差基準(zhǔn)、平差方法；點的坐標(biāo)、權(quán)逆陣(協(xié)方差矩陣系數(shù))、單位權(quán)中誤差；確定橫向、軸向及徑向、切向等。

2.1.2 變形監(jiān)測等級及精度要求

根據(jù)《水利水電工程測量規(guī)范》(SL 197-2019)11.13.2條的規(guī)定：混凝土壩、建筑物工程變形監(jiān)測等級劃分為二等，土石壩監(jiān)測劃分為三等[3]。精度要求應(yīng)符合表2的規(guī)定。

表2 變形監(jiān)測的等級及精度要求

基準(zhǔn)點、工作基點、變形監(jiān)測點的劃分主要是根據(jù)標(biāo)點的功能與位置不同確定的。監(jiān)測基準(zhǔn)網(wǎng)和監(jiān)測工作網(wǎng)的層次主要是根據(jù)網(wǎng)的作用不同來劃分的。監(jiān)測基準(zhǔn)網(wǎng)和監(jiān)測工作網(wǎng)可分層次不分等級，按同等精度觀測[1]。

2.2 變形監(jiān)測的基準(zhǔn)

變形監(jiān)測網(wǎng)中各點的變形分析是建立在多期重復(fù)觀測相比較的基礎(chǔ)上，因此需要有一個統(tǒng)一的基準(zhǔn)。采用的基準(zhǔn)不同，相應(yīng)的網(wǎng)點位移量也會不同。點的位移總是相對于一定的基準(zhǔn)而言。

監(jiān)測網(wǎng)有兩種：一種是固定基準(zhǔn)，在各期觀測周期中是不變的，網(wǎng)的平差很簡單，用傳統(tǒng)的經(jīng)典平差基準(zhǔn)；另一種是重心基準(zhǔn)，是指沒有必要起始數(shù)據(jù)的控制網(wǎng)，存在參考系秩虧問題，這時就要采用秩虧自由網(wǎng)平差基準(zhǔn)。一般首次觀測采用固定基準(zhǔn)，后續(xù)觀測中，如果基準(zhǔn)點未發(fā)生變形，仍采用固定基準(zhǔn)。只有基準(zhǔn)點發(fā)生變形時，就要進(jìn)行基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換，采用重心基準(zhǔn)，所以平差基準(zhǔn)存在兩種，即固定基準(zhǔn)和重心基準(zhǔn)。為了真實反映觀測的變形量與實際一直，不管是哪種基準(zhǔn)，都要建立變形監(jiān)測坐標(biāo)系統(tǒng)。

3 變形監(jiān)測網(wǎng)布置

3.1 平面監(jiān)測網(wǎng)

隨著GPS接收機性能的提高和軟件處理技術(shù)的進(jìn)步，GPS相對定位精度從以前的10-6提高到10-7或更高量級。GPS觀測具有時間短、測站間無需通視、儀器操作簡便、全天候定位等特點，其精度和效率顯然優(yōu)于常規(guī)儀器。所以，平面變形監(jiān)測控制網(wǎng)可以采用GPS 定位技術(shù)。

3.1.1 主要技術(shù)要求

變形監(jiān)測衡量精度主要是點位中誤差，水利水電工程測量規(guī)范對水平位移監(jiān)測網(wǎng)的主要技術(shù)要求作出規(guī)定，見表3。

表3 水平位移監(jiān)測網(wǎng)的主要技術(shù)要求

3.1.2 控制網(wǎng)設(shè)計

控制點由基準(zhǔn)點和工作基點組成，是變形觀測的基礎(chǔ)，必須保證堅固和穩(wěn)定，因此點位應(yīng)選在大壩以外、地質(zhì)條件好又能夠永久保存的地方。

1)攔河樞紐：將兩個端點LE1、LE2納入GPS監(jiān)測網(wǎng)，進(jìn)行觀測。其它點作為監(jiān)測點。在下游方向布設(shè)2個工作基點，工作基點外布設(shè)4個基準(zhǔn)點，設(shè)計監(jiān)測點17個，共有23個點。建議使用測量機器人進(jìn)行自動化監(jiān)測，能夠控制成本，而且監(jiān)測的精度也符合要求。根據(jù)情況可以將測量機器人布設(shè)在工作基點上，然后將監(jiān)測棱鏡布設(shè)在原設(shè)計的位移監(jiān)測點處。也可采用GNSS測量自動監(jiān)測系統(tǒng)。見圖1。

圖1 變形監(jiān)測網(wǎng)布置圖

2)分水閘：直線上的兩端點作為2個工作基點，外圍穩(wěn)定區(qū)域布置3個基準(zhǔn)點，閘門墩兩側(cè)監(jiān)測點17點，共有22個點。建議采用測量機器人自動監(jiān)測系統(tǒng)。

3)站廠房：外圍布設(shè)4個工作基點，工作基點外布設(shè)不少于4個基準(zhǔn)點。雙井子泵站監(jiān)測點均在廠房內(nèi)，可考慮增設(shè)2個工作基點。設(shè)計監(jiān)測點28個，建議采用測量機器人自動監(jiān)測系統(tǒng)。

4)水庫：在外圍布設(shè)3個基準(zhǔn)點，設(shè)計位移監(jiān)測點26個，垂直位移監(jiān)測點26點，點位可以共用，則共有29個點。建議采用GNSS測量自動監(jiān)測系統(tǒng)。

3.1.3 控制點埋設(shè)

點位應(yīng)頂空開闊、視場內(nèi)障礙物的高度角不宜大于15°，并應(yīng)遠(yuǎn)離大面積水域、大功率發(fā)射臺或高壓線，其距離不宜小于50 m。應(yīng)建造具有強制歸心裝置的混凝土標(biāo)墩，觀測墩應(yīng)建立在穩(wěn)固的基巖或堅實的土基上。若不能滿足穩(wěn)定要求，應(yīng)進(jìn)行基礎(chǔ)加固處理。

3.2 高程監(jiān)測網(wǎng)

3.2.1 主要技術(shù)要求

根據(jù)規(guī)范要求，混凝土建筑垂直變形監(jiān)測布設(shè)二等水準(zhǔn)高程網(wǎng)，土石壩垂直變形監(jiān)測布設(shè)三等水準(zhǔn)高程網(wǎng)。見表4。

表4 水準(zhǔn)測量的主要技術(shù)要求

2.R為檢測測段的長度，km；K為路線、區(qū)段或測段長度，km；L為符合路線或環(huán)線長度，km；n為測站數(shù)。R<1 km時，按1 km計，K<100 m時按100 m計。

3.當(dāng)每千米水準(zhǔn)測量單程測站數(shù)n>16站，可按n計算高差不符值。

3.2.2 水準(zhǔn)網(wǎng)設(shè)計

控制點由基準(zhǔn)點和工作基點組成，工作基點是垂直變形觀測的基礎(chǔ)點，必須具有足夠的堅固和穩(wěn)定。根據(jù)庫區(qū)地形特點，在大壩下游較近處布設(shè)不少于3個工作基點。為了檢驗點位的穩(wěn)定性，還應(yīng)在外圍地質(zhì)條件穩(wěn)定區(qū)域布設(shè)3個水準(zhǔn)基準(zhǔn)點，選在地質(zhì)條件好、又能夠永久保存的地方。有條件時垂直監(jiān)測網(wǎng)最好與平面監(jiān)測網(wǎng)共用一個點，即觀測墩頂部安裝有強制對中底盤，觀測墩底座安裝有水準(zhǔn)標(biāo)志。

1)攔河樞紐：在距攔河樞紐1 km以外布設(shè)2座水準(zhǔn)基點，基點至攔河樞紐之間布設(shè)不少于3個水準(zhǔn)工作基點，垂直監(jiān)測點與水平位移觀測墩共用一個點。

2)泵站、廠房：共同布設(shè)一個水準(zhǔn)網(wǎng)，在1 km以外布設(shè)2座水準(zhǔn)基點，基點至分水閘之間布設(shè)不少于3個水準(zhǔn)工作基點，分水閘和泵站垂直監(jiān)測點與水平監(jiān)測點可以共用。

3)水庫：距水庫2 km以外布設(shè)2座水準(zhǔn)基點，在大壩外圍布設(shè)不少于3個點作為水準(zhǔn)工作基點，垂直位移監(jiān)測點與水平位移觀測墩可以共用。

4 變形分析

4.1 點位穩(wěn)定性分析

變形分析的重要步驟之一是點位穩(wěn)定性分析。不管是基準(zhǔn)點還是工作基點、測點都要經(jīng)過點位穩(wěn)定性分析。只有經(jīng)過這一步分析，才能確定變形體外圍基準(zhǔn)點、工作基點是否穩(wěn)定。測點經(jīng)過點位穩(wěn)定性分析后，就能確定是否位移及位移量的大小。

點位穩(wěn)定性分析方法很多，歸納起來有兩種：一是先進(jìn)行兩周期圖形一致性檢驗(或稱整體檢驗)，如果檢驗通過，則認(rèn)為所有參考點是穩(wěn)定的；否則，就要找出不穩(wěn)定的點，尋找不穩(wěn)定點需要人工干預(yù)，方法較為復(fù)雜。二是利用兩期觀測，以多組起始數(shù)據(jù)平差所得兩期坐標(biāo)差，或利用多期觀測，每兩期所得坐標(biāo)差計算其均值或均方差，如果點位沒有位移，它們就應(yīng)小于極限誤差即中誤差的t倍。其特點是直接求得點位是否穩(wěn)定，稱為限差檢驗法。

4.2 監(jiān)測資料的整編和分析

主要內(nèi)容包括觀測資料整理、繪制位移過程線、監(jiān)測資料分析及變形預(yù)報。在獲得目標(biāo)點的三維坐標(biāo)值，便可以根據(jù)實際的情況判定建筑物的變形狀況。當(dāng)監(jiān)測物出現(xiàn)較為明顯的裂痕，觀測的周期便需要作出調(diào)整，通過多個周期的觀測，進(jìn)行匯總分析。按照時間順序，將監(jiān)測的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，便能夠預(yù)測出建筑物變形的發(fā)展趨勢和速率。將監(jiān)測的結(jié)果用折線圖的方式呈現(xiàn)出來，就可以看到監(jiān)測樁所有周期的監(jiān)測結(jié)果。對觀測目標(biāo)點的數(shù)據(jù)進(jìn)行總體分析，還可以獲得建筑物變形的最大區(qū)段及可能造成的影響。針對可能發(fā)生的情形，便可預(yù)先制定相應(yīng)的預(yù)案，降低變形造成的不利影響。

5 結(jié) 語

建立一個可靠、高效能實時分析、快速反饋的安全監(jiān)測系統(tǒng)，是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及多個專業(yè)和學(xué)科，需要統(tǒng)籌考慮、精心設(shè)計，以使監(jiān)測系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)優(yōu)化、布置方案合理。該工程的安全監(jiān)測設(shè)計，遵照“以變形監(jiān)測為重點，儀器布置少而精”的設(shè)計思想，建立起一套合理、高效的變形監(jiān)測系統(tǒng)[4]。該系統(tǒng)既有監(jiān)視工程安全的靈敏“耳目”，又有分析判斷工程安全程度的智能“頭腦”，希望對類似樞紐工程的變形監(jiān)測起到參考的作用。