三峽升船機塔柱施工期變形監測

邱章云，羅 琛

（中國葛洲壩集團股份有限公司測繪工程院，湖北宜昌 443002）

1 前言

三峽升船機是永久通航設施，運行工況復雜，其技術水平和研究難度超過目前世界上已建和在建的許多通航升船機。升船機50.00～196.00m高程為船廂室段塔柱承重結構。三峽升船機塔柱為薄壁型墻體結構，受自重、溫度、風力等因素影響，結構易產生變形，而變形對塔柱混凝土澆筑及附屬其上的螺母柱、齒條等設備安裝精度有影響。為保證塔柱混凝土澆筑及螺母柱、齒條等設備的安裝精度，本文對幾種典型變形監測方法進行了精度分析，根據實際工程需求，選擇全站儀極坐標法作為筒體變形監測方法，本文以3#筒體觀測結果為例，對塔柱施工期變形情況進行了分析，由此得出的變形規律可用于指導相關工程的施工和修正設計工作。

2 變形監測控制要素

2.1 主要內容

監測過程中，除記錄監測時間、風力、風向、環境溫度等外部因素外，還需要計算得到監測點的高程、平面坐標以及縱、橫向水平位移和垂直位移等內部因素[1，2]。

2.2 精度指標

根據文獻[3]規定的變形監測精度指標，監測點觀測平面的點位中誤差和高程中誤差均為±3mm。

2.3 觀測周期

監測點的觀測周期[4]為每天一次，根據當天施工的不同情況，可以對觀測時間段作適當調整。塔柱澆筑完成高程以下的監測點，根據其監測得到的變形規律可以適當減少觀測次數，直至塔柱澆筑到達封頂高程。塔柱封頂后觀測周期改為每月觀測一次，直至塔柱竣工。在汛期、蓄水期以及監測數據出現異常時，需適當增加觀測次數。

3 變形監測方法研究

3.1 典型變形監測方法的精度分析

塔柱變形監測需要在4個筒體的不同高程面上布設監測點，由于受施工條件的約束，不可能在每一個高程面上布設交通通道，故監測點一旦埋設好后，監測人員無法再直接接觸監測點，這樣勢必會限制監測方法的選擇。依據現實條件，能夠選擇實施的監測方法有全站儀極坐標法、測角前方交會法、邊角交會法。

1）全站儀極坐標法是將全站儀架設在一已知點上，后視另一已知點，對監測點進行水平角測量、垂直角測量和斜邊測量，計算得到監測點高程以及平面坐標。采用TCA2003全站儀（測角誤差為0.5″，測距誤差為1mm+1mm/km×D）進行水平角β、垂直角α以及邊長觀測，以最長斜距離200m（平距為185m，對應垂直角為22.1°）和最短斜距離50m（平距為40m，對應垂直角為37°）計算，儀器直接接高，考慮接高讀數誤差和對中誤差為±0.5mm，則最遠監測點高程中誤差為±1.18 mm，點位中誤差為±1.64mm；最近監測點高程中誤差為±0.66mm，點位中誤差為±1.50mm。

2）測角前方交會法是將全站儀首先架設在一個已知點上，后視另一已知點，測量該點與監測點的夾角β1以及垂直角α1；再架設在另一已知點，后視前一已知點，測量該點與監測點夾角β2和垂直角α2。利用測量得到的兩已知點與監測點的夾角關系以及兩已知點之間的距離可以分別計算出兩已知點到監測點的距離；通過監測得到的距離和垂直角計算兩已知點高程，取其平均值作為最終高程；通過監測得到的距離和夾角計算得到監測點平面坐標。采用TCA2003全站儀進行觀測時，假定按照最高精度考慮，則取兩已知點到監測點的最長斜距離均為200m（平距為185m，對應垂直角為22.1°），最短距離均以60m計算，儀器直接接高，則計算得到（β1+β2）=163°、β1=β2=81.5°，考慮接高讀數誤差和對中誤差為±0.5mm，則高程中誤差為±2.6mm，點位中誤差為±4.7mm。

3）邊角交會法是將全站儀極坐標法與測角前方交會法相結合的方法，即將全站儀首先架設在一個已知點上，后視另一已知點，測量該點與監測點的夾角β1、垂直角α1和斜邊a；再架設在另一已知點，后視前一已知點，測量該點與監測點夾角β2、垂直角α2和斜邊b；利用觀測結果計算出監測點的高程和平面坐標。同時可計算出兩組監測點的三維空間坐標，取其平均值作為最終監測成果值。高程精度與平面點位精度的計算與全站儀極坐標法一致，點位中誤差和高程中誤差在全站儀極坐標法的基礎上提高了倍。

3.2 筒體變形監測方法的選擇

筒體變形監測點的平面點位精度和高程精度均必須控制在±3mm以內。從精度上分析，全站儀極坐標法和邊角交會法兩種方法均是可行的。由于邊角交會法要從兩個不同的方向去測量同一個監測點，因此采用邊角交會法監測時必須采用360°反射棱鏡。下面對360°反射棱鏡進行二次驗證試驗。

試驗一：首先將360°反射棱鏡安置在已知其坐標的某一固定標墩上，然后分別架設全站儀在多個其他已知坐標的固定標墩上，從不同的方向測量它們之間的距離，最后將測量結果與根據坐標計算得到的結果作比較。試驗結果表明，采用360°反射棱鏡進行監測時，不同方向測量得到的結果的差值均不一致，最大差值達到4mm。

試驗二：首先將360°反射棱鏡安置在已知其坐標的某固定標墩上，然后架設全站儀在另一個已知坐標的某一固定標墩上，轉動360°反射棱鏡到不同的角度方向，測量兩個標墩之間的距離。試驗結果表明，轉動360°反射棱鏡到不同的角度方向測得的兩個標墩之間的距離均有差別，最大差值也達到4mm。

由上述試驗結果可知，采用360°反射棱鏡進行監測測量時，由于其同心度不一致，無法滿足筒體變形監測的要求，故采用邊角交會法進行監測是不可行的。

全站儀極坐標法采用的是單方向觀測方法，只需采用固定單反射棱鏡，不必考慮單反射棱鏡的加工誤差，因而最終選擇了全站儀極坐標法作為筒體變形監測方法。

4 變形監測實施

4.1 監測點布設

在進行監測的過程中，將水平位移監測點和垂直位移監測點布設為同一監測點，目的是反映在施工過程中塔柱結構的穩定性。在塔柱84.00m高程面以下，每10m布設一組監測點，分布在塔柱的內側；在塔柱84.00m高程面以上，每5m布設一組監測點，分布在塔柱的外側；每組監測點由3條斷面點組成，塔柱左右側各布置3個監測點。

4.2 監測點觀測

1）高程監測。塔柱84.00m高程以下監測點的高程采用Leica TCA2003高精度全站儀測量，即將高精度全站儀任意架設在50.00m高程面上，通過調整水準儀，利用局部控制網點監測全站儀基準視線高，通過測量得到的垂直角和斜邊長計算得到監測點的高程。塔柱84.00m高程以上監測點的高程采用高精度全站儀測量，即將高精度全站儀架設在與監測點高程面高程相近的馬道上，利用周邊專用施工控制網點監測全站儀高程基準視線高，通過多測回測量得到的垂直角和斜邊長計算得到監測點的高程。

2）平面監測。將Leica TCA2003高精度全站儀置于某一工作基點上，根據全站儀極坐標法原理，先對準另一工作基點作為后視，然后依靠馬達驅動儀器，利用安裝在儀器內的機載軟件，自動識別并精確照準目標，按全圓方向法自動觀測角度和邊長，并實時存入PC（personal computer）卡中，同時記錄下測量時的干溫、濕溫和氣壓，直到完成全部測量工作。

機載軟件程序在觀測過程中能自動判別歸零差、2C互差、指標差、同一方向各測回互差、測距測回互差等測量數據是否超限。若超限則程序自動重測各超限方向，直到測量得到的數據符合精度要求為止。

4.3 監測數據處理

及時檢查監測數據的質量，及時了解施工期建筑物的變形情況，現場監測數據采集完后，對監測數據進行如下處理。

1）將全站儀PC卡上所存的各種數據傳入電腦，對外業觀測成果進行檢查；

2）對邊長加乘常數進行修正，同時對氣象元素進行修正，利用垂直角和修正后的邊長計算監測點高程；

3）利用計算得到的高程進行距離改平，通過改平后的距離以及觀測水平角計算監測點的平面坐標；

4）將計算得到的監測點平面坐標換算成相對于監測點首次觀測得到的平面坐標值的水平位移量和垂直位移量；

5）根據得到的相對水平位移量以及相對垂直位移量繪制相應的位移量變化過程線。

5 監測成果與分析

5.1 塔柱變形監測基本情況

塔柱變形監測從2010年5月開始進行，監測點的埋設位置分布在1、2、3、4#筒體以及7號軸上，監測高程為60.00～195.00m，監測周期為每天觀測一次。由于受施工影響，個別監測點未能實現連續觀測。其中2011年2月后，84.00m高程以下監測點由于受齒條、螺母柱二期埋件施工影響，所有監測點被遮擋或毀壞，無法進行后續監測。84.00m高程以下監測點共監測了180次，從其監測成果分析，在綜合考慮到低溫季節、高溫季節，有風、無風，以及塔柱是否處于澆筑上升期等因素的情況下，塔柱上下游及左右岸的累計位移量都在2mm以內。由文獻[3]可知，變形監測的精度指標為監測點平面點位中誤差在±3mm以內，故可認為84.00m高程以下塔柱縱、橫方向沒有發生水平位移。高程受溫度高低影響而變化，溫度高，高程上升；反之，高程下降。同時分布在高高程的監測點比低高程的監測點高程變化量大，高高程的監測點在月平均最低溫度與月平均最高溫度的高程變化達到5mm左右。2011年2月后重點監測塔柱95.00m高程以上的監測點。

5.2 監測點成果

三峽升船機為高薄壁型塔柱結構，主要受溫度及自重影響，發生的變形大。95.00m高程以上各監測點是從2011年1月開始觀測，180.00m高程以上監測點因施工部位于2012年9月才形成而導致監測時間短，沒有經過低高溫監測時段，無法進行成果分析，同時考慮監測點太多，故本次以3＃筒體為例，按照高程分布從上到下選擇180.00m高程以下部分監測點參與進行成果初步分析。

塔柱3＃筒體95.00～175.00m高程部位各監測點2013年3月之前的變形曲線如圖1～圖4所示。其中X方向、Y方向、H方向的符號含義如下：X方向，“+”表示向下游位移，“-”表示向上游位移；Y方向，“+”表示向左岸位移，“-”表示向右岸位移；H方向：“+”表示向下下沉位移量，“-”表示向上上升位移量。

圖1 3#筒體95.00m高程以上監測點月平均溫度與時間關系曲線圖Fig.1 The relationship ofmonitoring pointsmonthly average tem perature and time of 3#cylinder above 95.00m elevation

圖2 3#筒體95.00m高程以上監測點X方向月平均累計位移量與時間關系曲線圖Fig.2 The relationship ofmonitoring points X-directionmonthly average cumulative displacement and timeof 3#cylinder above 95.00m elevation

圖3 3#筒體95.00m高程以上監測點Y方向月平均累計位移量與時間關系曲線圖Fig.3 The relationship ofmonitoring points Y-direction monthly average cumulative displacement and timeof 3#cylinder above 95.00m elevation

圖4 3#筒體95.00m高程以上監測點H方向月平均累計位移量與時間關系曲線圖Fig.4 The relationship ofmonitoring points H-direction monthly average cumulative disp lacem ent and timeof 3#cylinder above 95.00m elevation

通過不同觀測年份同一月份月平均累計位移量和同一觀測年份最高溫和最低溫月份月平均累計位移量進行比較，獲得的成果如表1～表6所示。

表1 3#筒體不同年份同一月份X方向月平均累計位移量差值表Table1 The X-directionmonthly average cumulative disp lacementdifference tableof the samemonth in different years for 3#cylinder

表2 3#筒體不同年份同一月份Y方向月平均累計位移量差值表Table2 The Y-directionmonthly average cumulative disp lacement difference tableof the samemonth in different years for 3#cylinder

表3 3#筒體不同年份同一月份H方向月平均累計位移量差值表Table 3 The H-directionm onthly average cumulative disp lacem ent difference table of the samemonth in different years for 3#cylinder

表4 3#筒體同一年份最高溫和最低溫月份X方向月平均累計位移量差值表Table 4 The X-directionmonthly average disp lacement difference table on themonthswhich havemaximum and m inimum tem peratures in the same year for 3#cylinder

表5 3#筒體同一年份最高溫和最低溫月份Y方向月平均累計位移量差值表Table 5 The Y-directionmonthly average disp lacem ent difference table on themonthswhich havemaximum and m inimum tem peratures in the same year for 3#cylinder

表6 3#筒體同一年份最高溫和最低溫月份H方向月平均累計位移量差值表Table6 The H-directionmonthly average disp lacement difference tableon themonthswhich havemaximum and m inimum tem peratures in the same year for 3#cylinder

5.3 監測成果分析

由圖1～圖4和表1～表6可以得出如下變形監測結果分析結論。

1）筒體監測點X、Y、H三個方向的月平均累計位移量都隨溫度變化而變化，溫度降低，X方向月平均累計位移量增大，Y方向月平均累計位移量減小，H方向月平均累計位移量向正值方向增大；反之，溫度升高，X方向月平均累計位移量減小，Y方向月平均累計位移量增大，H方向月平均累計位移量向負值方向增大。

2）對于筒體，隨著時間的推移，筒體不斷升高，通過不同觀測年份同一月份月平均累計位移量比較分析，總體來看：X方向3#筒體往上游偏移，不同的高度偏移量不一樣，高度越高偏移越大；Y方向，3#筒體都往船廂室側偏移，不同的高度偏移量不一樣，高度越高偏移越大；H方向，3#筒體都在下沉，不同的高度下沉量不一樣，高度越高下沉越大。

3）對于筒體，隨著時間的推移，筒體不斷升高，通過同一觀測年份最高溫和最低溫月份月平均累計位移量比較分析，年溫差最大達到24.6℃，其變形情況為：X、Y、H方向不同高程的監測點高低溫月平均累計位移量之差不一致，其改變趨勢是高度越高差量越大，其最大差量一般出現在170.00～175.00m高程附近。

總之，筒體隨溫度變化而變化，溫差大變形大，溫差小或恒溫狀態時變形很小或沒有變形，此變形情況符合建筑物變形規律。

6 結語

三峽升船機為高薄壁型塔柱結構，主要受溫度及自重影響，發生的變形大。本文通過對幾種典型監測方法精度分析及360°反射棱鏡進行二次驗證試驗，最后決定采用全站儀極坐標法作為筒體變形監測方法。塔柱變形監測從2010年5月開始進行，利用測量得到的塔柱變形長期累積的觀測數據，對塔柱外觀形變進行了分析。觀測成果和分析結果表明，變形情況符合建筑物變形規律，由此證明所采用的監測方法是切實可行的。本文所采用的變形監測方法能夠為相關工程的施工和修正設計工作提供一定的參考借鑒。

[1] 李青岳，陳永奇.工程測量學[M].第3版.北京：測繪出版社，2008.

[2] 吳子安，吳棟材.水利工程測量[M].北京：測繪出版社，1990.

[3] 國家能源局.DL/T 5173—2012水電水利工程施工測量規范[S].北京：中國電力出版社，2012.

[4] 中華人民共和國國家經濟貿易委員會.DL/T 5178—2003混凝土壩安全監測技術規范[S].北京：中國電力出版社，2003.