二灘水電站大壩水平位移基準網及校核網系統(tǒng)穩(wěn)定分析

何 濤， 田 超， 李 曉 波

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072)

1 概 述

二灘水電站位于四川省攀枝花市雅礱江干流，系雅礱江流域水電梯級開發(fā)的第一座水電站。二灘水電站為一等工程，攔河壩、泄洪建筑物、輸水建筑物和地下廠房為1級建筑物；大壩下游消能建筑物中二道壩為2級建筑物，水墊塘為3級建筑物；過水建筑物為3級建筑物。二灘水電站以發(fā)電為主，水庫正常蓄水位高程1 200 m，總庫容58億m3，調節(jié)庫容33.7億m3，水庫具有季調節(jié)能力。電站總裝機容量為3 300 MW，多年平均發(fā)電量為170億kW·h。

大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)是監(jiān)測大壩運行狀況、及時發(fā)現(xiàn)工程隱患的重要設施之一，是大壩運行管理的耳目。因此，大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)評價亦被列為水電站大壩安全定期檢查專題項目之一。為保證大壩安全監(jiān)測信息的可靠性，按照國家法令和規(guī)程規(guī)范中對大壩安全定期檢查的有關規(guī)定和要求，需要對大壩現(xiàn)有的監(jiān)測設施定期進行全面檢查、測試和評價，在檢查考證施工資料、現(xiàn)場檢查和測試并對歷年監(jiān)測資料進行對比分析等工作的基礎上，對整個監(jiān)測系統(tǒng)作出綜合評價，為大壩安全定期檢查提供技術資料。

對大壩水平位移基準網及校核網的系統(tǒng)穩(wěn)定性進行分析的步驟：首先，通過歷年取得的監(jiān)測數據分析判斷控制網的工作狀態(tài)及可靠性；其次，通過現(xiàn)場檢查和測試查看測點的布置形式、工作環(huán)境和保護情況等，評價監(jiān)測系統(tǒng)是否具備反映建筑物性態(tài)的能力；最后，通過對監(jiān)測數據進行對比分析，結合建筑物的結構特性和運行情況，對整個監(jiān)測系統(tǒng)的完備性、監(jiān)測精度和可靠性作出系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析和評價。闡述了對二灘水電站大壩水平位移基準網及校核網系統(tǒng)進行的穩(wěn)定分析過程。

2 水平位移基準網及校核網的現(xiàn)場檢查與測試

2.1 大壩水平位移基準網及校核網的布置情況

二灘水電站水平位移基準網由原水平位移校核網點C0～C4、原水平位移基準網點C5～C12以及原臨時平面監(jiān)測網點Ⅲ06、Ⅲ11共同組成，全網共15個網點。大壩水平位移基準網及校核網見圖1。水平位移基準網于2000年2月至4月間完成首次觀測，起算點為C3點，起算方向為C3點至C4點方位[1]。

2000年10月，原水平位移校核網點C4遭到破壞，后于2001年恢復，并將原水平位移校核網與水平位移基準網統(tǒng)一觀測，起算方向改為C3至C1方位。C4點作為工作基點，用于監(jiān)測其附近地下煤層采空區(qū)的巖體變形。對原網中與C7、C8相連的邊改為只進行邊長測量?；謴虲4后，于2001年2月至3月進行了觀測，此次觀測視作重建水平位移基準網，獨立觀測了兩次。以后每年均對控制網進行了復測，復測均以C3為固定點，C3至C1方向為固定方向進行平差[2]。水平位移基準網點位的布置滿足規(guī)范要求及該工程需要，網形結構較好，網點基本覆蓋監(jiān)測區(qū)域，滿足規(guī)范對網形的要求[3]。

圖1 大壩水平位移基準網及校核網示意圖

2.2 監(jiān)測方法檢查

二灘水電站大壩水平位移基準網及校核網于2000年3月首次觀測后，按照1次/a的頻次進行復測。通過查閱電站基準網及校核網的年度報告和測繪成果質量檢查報告，對控制網觀測的合法性、執(zhí)行標準的合理性、成果真實有效性等方面進行了檢查，具體檢查了復核基準網及校核網的觀測限差、外業(yè)觀測質量統(tǒng)計、平差計算及精度評定等內容。

2.3 現(xiàn)場檢查

按照安全監(jiān)測系統(tǒng)鑒定的檢查要求對二灘水電站大壩水平位移基準網及校核網點位情況進行了現(xiàn)場巡查，并對現(xiàn)場觀測進行了現(xiàn)場檢查。主要對使用全站儀對水平角、天頂距和邊長進行觀測的外業(yè)施測、全站儀機載軟件進行外業(yè)數據采集、氣象元素的觀測等項目進行了現(xiàn)場檢查。

2000年至2015年施測方使用徠卡TCA2003全站儀對水平角、天頂距和邊長進行了觀測[4]。儀器標稱精度為測角中誤差±0.5″，測邊精度±(1 mm+1 ppm)。2016年至2019年施測方使用TM50全站儀對水平角、天頂距和邊長進行了觀測。儀器標稱精度為測角中誤差±0.5″，測邊精度±(0.6 mm+1 ppm)。觀測時儀器自動讀數和記錄，內業(yè)處理時導入計算機進行數據處理，觀測儀器在檢定有效期內。

水平位移基準網和水平校核網以C3為固定點，以C3～C1為固定方向進行經典自由網平差。 平差計算前首先對觀測邊長進行了氣象改正、加乘常數改正，再用各自的二等水準高程將斜距改化為平距。氣象元素為現(xiàn)場測定的測站和鏡站的干濕溫度和氣壓。在平差計算中，兩類觀測量綱的權先按方向值的先驗權以儀器標稱精度確定，即σm=±0.5″；距離先驗中誤差按測距儀的標稱精度確定，即固定誤差a=1 mm，比例誤差b=1 ppm(a與b均為儀器出廠標稱精度)，σs=1 mm+1 ppm，其先驗權按和給出(先驗權為平差計算先選定的常數值)。為了正確解決邊角同測網涉及兩類觀測值權比，使測角和測邊的精度做到整體、真實的表達，程序計算時按赫爾默特法對兩類觀測值的權進行了迭代求算，迭代趨近值P的限值設定為0.01。最終取經迭代求算后的兩類觀測綱量權代替先驗權按經典自由網平差求得成果。

3 水平位移基準網及校核網的穩(wěn)定性分析及評價

3.1 起算基點穩(wěn)定性分析及精度分析

水平位移基準網和校核網中各網點的穩(wěn)定性分析建立在較多期的復測成果基礎上，所采用的基準不同，相應網點的位移量亦會不同。采用不同基準、使用不同類型自由網平差計算方法求出的各點位移量也存在一定的差異。

二灘水電站水平位移基準網和校核網點位的穩(wěn)定性分析采用變形誤差橢圓檢驗法。變形誤差橢圓法即在每一點上作變形誤差橢圓和取k倍中誤差為極限變形誤差橢圓，根據該點位移向量的分布是否落在這些橢圓之內判斷位移是否顯著。

水平位移基準網的精度分析主要以基準網外業(yè)觀測質量統(tǒng)計表和基準網平差計算后精度指標(2014年至2019年)統(tǒng)計表為主，水平位移基準網外業(yè)觀測質量統(tǒng)計情況見表1，水平位移基準網平差計算精度指標統(tǒng)計情況見表2。水平位移基準網和校核網點位復測平差后點位精度滿足技術設計的要求。

表1 水平位移基準網外業(yè)觀測質量統(tǒng)計表

表2 水平位移基準網平差計算精度指標統(tǒng)計表

水平位移基準網和校核網點位在每期測量成果報告中均經過了變形誤差橢圓法對各點位的變形量顯著性檢驗，發(fā)現(xiàn)個別點位位移量比較顯著(該點位移向量的k值中誤差為極限變形誤差橢圓之內的分布情況，判斷位移是否顯著)，其余點位移量不顯著或在某個觀測期內發(fā)現(xiàn)顯著。位移量顯著性檢驗統(tǒng)計(2014年至2019年)情況見表3和表4，水平位移校核網相對于首期位移量顯著性檢驗統(tǒng)計情況見表3，水平位移基準網相對于首期位移量顯著性檢驗統(tǒng)計情況見表4。

表3 水平位移校核網相對于首期位移量顯著性檢驗統(tǒng)計表

表4 水平位移基準網相對于首期位移量顯著性檢驗統(tǒng)計表

從位移量顯著性檢驗對網點的穩(wěn)定性進行分析得知：各網點每期位移量比較顯著的點主要集中在C3點、C4點、C10點和C11點，其余各基準網點不存在顯著位移，但每期位移量顯著性不統(tǒng)一，整體規(guī)律性不強。

3.2 評價意見

水平位移基準網和校核網施測使用的觀測儀器在檢定有效期內。歷次校測采用的儀器合理合法，符合測量規(guī)范要求的精度[5]。水平位移基準網和校核網是以一個固定點(C3)、一個(C3～C1)固定方向進行經典自由網平差。歷次校測的測量方法是延續(xù)和統(tǒng)一的，是現(xiàn)有網形中合理并滿足設計要求的。水平位移基準網和校核網的數據平差處理、精度評定和監(jiān)測成果滿足技術設計書要求，通過了國家測繪部門所要求的檢查驗收，滿足現(xiàn)行國家測繪管理部門對測繪成果的要求。

4 結 語

二灘水電站水平位移基準網按照一點一方向作為起算基準對計算成果進行復核和分析取得的結果表明：二灘水電站水平位移基準網和校核網整體穩(wěn)定。對水平位移基準網和校核網各次監(jiān)測精度進行分析取得的結果表明：網點精度符合控制網的誤差傳遞理論；最弱點點位精度滿足《混凝土壩安全監(jiān)測技術規(guī)范》DL/T 5178-2016要求[6]；水平位移基準網網形強度和成果數據可靠。由于水平位移基準網的初始起算條件的穩(wěn)定性有觀測誤差的引入，導致水平位移基準網點點位變化量顯著且規(guī)律性不強。隨著監(jiān)測技術的不斷進步，建議結合不同的監(jiān)測技術手段開展該電站基準網專項的長周期資料分析，并對基準網的計算平差進行優(yōu)化。