基于差分技術的大壩表面變形監測研究

2015-07-28 06:03:12付淑娟

山東水利 2015年1期

付淑娟

（邯鄲市漳滏河灌溉供水管理處，河北邯鄲 056003）

基于差分技術的大壩表面變形監測研究

付淑娟

（邯鄲市漳滏河灌溉供水管理處，河北邯鄲 056003）

【摘要】以大氣環境等影響為前提，介紹了大壩表面變形監測系統的組成，探討了系統差分測量的原理及精度。利用基準點的穩定性和基準網的已知信息，實現監測點的自動差分計算與平差處理，從而提高監測的觀測精度。工程應用表明，監測系統合理，自動化程度高，測量精度達到亞毫米級。

【關鍵詞】臥虎山水庫；變形觀測；TCA測量機器人；差分技術

臥虎山水庫大壩全長985m，壩頂高程為139.5m，壩頂寬8.75m，最大壩高37m，大壩前坡為四級邊坡，用干砌粗料石護砌。大壩后坡為三級邊坡，植草皮護坡，坡比自下而上分別是1∶2.75、1∶2.5和1∶1.905。從壩體土料分布看，該壩體由亞黏土、礫質土、砂礫石、風化碎頁巖以及塊石這5類土組成。2010年大壩除險加固施工需對壩前清淤、壩后增高，即引起大壩抗滑力減小、滑動力增大，從而可能引起壩體整體滑動，影響大壩安全。為確保大壩在施工及運營期的安全，必須建立實時監測系統對壩體位移進行自動監測。

1　自動化極坐標監測系統的組成

1.1監測站

根據現場情況，監測站選在大壩的下游，該站由3部分構成，第一部分是建立在基巖上的儀器強制對中墩；第二部分是徠卡TCA2003全站儀，他具有自動目標識別的ATR功能，實現角度、距離的自動化測量；第三部分是對全站儀的防護、保溫和防盜措施。

1.2基準點

在大壩兩端的山頂各建立了2個穩定的基準點，每個基準點上配有一套正對監測站的單棱鏡組，棱鏡的強制對中裝置均嵌入基巖內。監測站與基準點之間的已知距離、方位和高差是整個極坐標差分監測的基礎，監測站至各基準點的方向和距離覆蓋了整個變形監測區，對實時差分精度最為有利。

1.3變形監測點

監測變形點選在能表現大壩邊坡變形情況的位置，本項目沿大壩軸線方向均勻選擇了10個斷面，每個斷面自上而下設置了3個監測點，每個監測點需要建立混凝土觀測墩，該觀測墩距離地面約1m，整體現澆施工，頂部預埋可以安置棱鏡的連接桿，外部半密閉金屬棱鏡保護罩。

1.4計算機控制平臺

計算機控制平臺一般位于辦公區，控制平臺與監測站房之間埋設專用電纜，實現機房中心計算機和監測站上全站儀之間的數據通訊。在控制機房內就能實時全面了解監測站全站儀的運行情況。另外，大壩表面監測系統軟件由2部分構成，一部分是APSWin系統，他是徠卡公司在自動化全站儀（TCA2003）的基礎上提供的基于Windows開發的自動極坐標測量軟件；另一部分是極坐標實時差分數據處理軟件，他是基于觀測數據處理、實時差分改正、平差計算和變形監測點信息輸出報表綜合應用軟件。

2　極坐標差分測量原理

2.1監測點三維坐標和變形量計算公式

設監測站的三維坐標為（X0，Y0，Z0），按照極坐標計算公式可得到每周期各監測點的三維坐標：

若以監測點第1周期的坐標值（X1，Y1，Z1）

P P P作為初始值，則各期監測點相對于第1周期的變形量為（ΔXPi，ΔYPi，ΔZPi），即

由式（1）可知引起觀測值誤差的主要因素是距離測量和角度測量，而在測量儀器精度（測距精度和測角精度）不變的情況下，影響距離和角度測量的主要因素是大氣溫度、濕度、風力、風向和大氣折光等環境條件。如果能對這些影響因素加以修正，從而可提高監測點的三維坐標測量精度，得到更高精度的變形量。

2.2系統差分測量原理

2.2.1觀測距離的差分改正

設監測站至某一基準點C的第1期測量斜距為dC1，在大壩變形觀測過程中，第i期的實測斜距為dCi，兩者之間的差異就可以認為是因大氣環境條件變化引起的，則大氣環境改正比例系數ΔdCi為：

通常情況下基準點應選取2～4個，并且均勻分布在變形監測點的四周，求得每一個基準點的比例系數后，取其中值作為整個變形監測區的大氣環境改正比例系數Δdi。

若同一時刻測得某變形監測點的斜距d′i，

P則經過大氣環境差分改正后的真實斜距為：

2.2.2球氣差的改正

為準確地測量變形監測點的高程，在三角高程的單向測量中，必須考慮地球曲率和大氣垂直折光對高差測量的影響，此影響稱為球氣差改正值c。c的確定通常是根據水準測量的高差和三角測量的高差之差來計算。設監測站與各基準點之間經過精密水準測量，求得各基準點的已知高差,若第i期測的監測站與基準點間的單向三角高差為hCi，則：

通過各基準點分別求得的改正系數ΔcCi值，取其中數作為一個測區的平均球氣差改正系數Δci。在每周期變形監測過程中，由于觀測時間較短，可以認為Δci值對基準點和變形監測點具有相等的影響，故同距離差分改正一樣可按下式求得監測站與各變形監測點之間經球氣差改正后的三角高差hi：

2.2.3方位角的差分改正

在長期的變形監測過程中，水平度盤零方向的變化和大氣水平折光的影響，需要考慮水平方位角的差分改正。在變形監測中，所有的變形量都是相對第1周期而言的。故可以把基準點第一次測量的方位角αC1作為基準方位角。其他周期對基準點測量的方位角αCi與第1周期的方位角的差值為Δαi：

此差值對變形監測點的測量有同等的影響，故在監測點每周期的方位角觀測值αP′i中，實時加入同期基準點求得的ΔαC改正值，即可準確求得監測點的方位角αi：

2.2.4差分后的三維坐標和變形量計算

將以上各項差分改正后的觀測值代入式（1），即可得到經差分后的監測點的三維坐標。

大壩表面變形監測點變形量計算見式（10）。

3　極坐標法變形測量精度分析

徠卡 TCA2003全站儀的標稱測角精度為±0.5″，測距精度為±（0.5mm+1.0ppm×D），自動目標識別測量在600m距離內為±1.5mm。經過多次驗證統計，實際角度測量精度為0.24″，即

監測點的斜距dP；且觀測變形監測點時豎直角不應太大（或天頂距在90°附近）；變形監測點的斜距dP不應超過800m，即可保證監測點的三維坐標的觀測精度小于±1.0mm。

4　結語

從系統運行期間的數據來看，通過極坐標差分測量，監測點坐標中誤差為±0.69mm，高差中誤差為±0.83mm，均達到了亞毫米級的觀測精度。既能滿足工程測量中土石壩水平位移監測精mv=mα=mc=mβ=±0.24″；距離測量精度為±0.2mm，即ms=±0.2mm。設方位角為αp=45°，天頂距為Vp=89°，觀測時間為10時至16時，大氣垂直折光系數K=0.11，則極坐標差分測量精度估算值，如表1所示。

從表1中可以看出：基準點的斜距dC應大于度±2.0mm的要求，也能滿足混凝土重力壩±1.0mm監測精度要求。垂直位移監測的精度也達到了混凝土重力壩±1.0mm監測精度要求，超過土石壩豎向位移±2.0mm的精度要求。