對水電大壩平面監測網的特點及執行規范若干問題的探討

李中飛　周賽君

摘要：水電大壩平面監測網由于其布網目的和精度有別于大地控制網和其它工程測量控制網，執行規范和觀測限差有其特殊性，嚴格執行國家等級測量規范明顯不合適，本文就大壩平面監測網執行規范和觀測限差若干問題進行討論，選擇合適的作業過程規范，并對有關觀測限差條款進行討論，供有關技術人員和規范修訂者參考。

關鍵詞：平面監測網；執行規范；觀測限差；中誤差

1.概述

大壩平面監測網的布網目的一是為大壩平面監測系統提供統一的基準，二是監測近壩區巖體的變形，特點是網形受限制、觀測等級高、點位精度高，平面監測網最終精度指標一般是點位精度，大壩變形監測設計時通常執行中華人民共和國能源部水利部《混凝土大壩安全監測技術規范》（GB50026-93），該規范規定近壩區巖體水平位移的位移量中誤差限差為±2.0mm，這一標準通常作為監測設計時平面監測網最弱點點位精度標準。

對于不同類型的控制網，由于布設目的不同，最終精度的要求也不同，監測網主要精度指標是最弱點點位精度，而對于施工控制網和其它工程測量控制網，由于布設目的不同，其最終的精度指標通常是最弱相鄰點邊長相對中誤差、最弱相鄰點相對點位中誤差或平均邊長相對中誤差。衡量控制網的整體質量準則一般來說是精度和可靠性，對于變形監測網還有靈敏度即變形的可發現性，因此《混凝土大壩安全監測技術規范》（GB50026-93）明確規定監測網設計時可靠性評價，可靠性因子γ不宜小于0.2。正是因為監測網布置的目的和精度指標有別于大地控制網和其它工程測量控制網，在實施過程中機械地執行國家等級測量規范明顯是不合適的，本文就大壩平面監測網執行規范和觀測限差若干問題進行討論，選擇合適的作業過程規范和觀測限差，供同行實施在平面變形監測網時參考。

2.主要技術規范及主要技術指標的討論

2.1 主要技術規范

對于大壩平面監測網，可執行的規范有：（1）中華人民共和國電力標準《混凝土大壩安全監測技術規范》（DT/T5178-2003）；（2）中華人民共和國行業標準《水利水電工程測量規范（規劃設計階段）》（SL 197-97）；（3）中華人民共和國行業標準《水利水電工程施工測量規范》（SL52-93）；（4）中華人民共和國電力行業標準《水電水利工程施工測量規范》（DL/T5173-2003）；（5）中華人民共和國國家標準《工程測量規范》（GB50026-93）。

以上規范涉及到作業要求時均關聯下列國家規范：（1）中華人民共和國國家標準《國家三角測量規范》（GB/T17942-2000）；（2）中華人民共和國國家標準《中、短程光電測距規范》（GB/T16818-1997）；（3）中華人民共和國國家標準《一、二等水準測量規范》（GB/T12897-1995）（與本文討論內容無關）。

2.2 主要技術指標及相關規定：

1）《混凝土大壩安全監測技術規范》（DT/T5178-2003）

該規范規定了變形監測的測量中誤差不應大于下表1：

規范同時規定邊角網設計時應作可靠性評價，可靠性因子γ值不宜小于0.2，并保證測點在指定方向的位移量中誤差不大于上表中的規定。

2）《水利水電工程測量規范（規劃設計階段）》（SL 197-97）

該規范將大壩平面監測網劃歸為專業平面控制網并根據精度要求和實際條件選用專一級和專二級控制網，明確專一級適用于重力壩、拱壩、支墩壩變形監測，近壩區危巖變形監測，穩定期地形變監測；專二級適用于堆石壩變形監測，滑坡體和高邊坡變形監測，蠕動期地形變監測，主要技術指標和限差見下表2：

3）《水利水電工程施工測量規范》（SL52-93）

明確是施工期監測，對施工區滑坡監測、高邊坡開挖穩定性監測等有明確規定，但對大壩平面監測網沒有明確規定相關要求，參照執行DT/T5178-2003。

4）《水利水電工程施工測量規范》（DL/T5173-2003）

本規范與《水利水電工程施工測量規范》（SL52-93）基本相同，對大壩平面監測網沒有明確規定相關要求，參照執行DT/T5178-2003。

5）《工程測量規范》（GB50026-93）水平位移監測網的主要技術要求如下表3（三等、四等未列）。

值得一提的是中華人民共和國行業標準《土石壩安全監測技術規范》（SL60-94）對作為觀測基點的監測網沒有作任何規定，變形監測網是大壩變形監測中重要技術手段，特別是對蓄水前后近壩區巖體的變形監測是相當重要的，同時在土石壩變形監測的實際工作中已普遍應用，對于專業的監測技術規范沒有相應的條款來具體規范，筆者認為是不合適的。

2.3 主要技術指標的討論

（1）平面監測網等級劃分的討論

從執行規范的層次來講，首先無疑應該執行T5178-2003，但該規范是大壩安全監測綱領性規范，偏重于監測設計，實測時可操作性有一定的限制。

該規范按工作順序規定了：一是監測網最弱點位移量中誤差限差（即近壩區巖體水平位移量中誤差）不大于±2.0mm、可靠性因子γ不宜小于0.2；二是測角中誤差不得大于±0.7″、測邊使用優于±1.0mm±1ppm測距儀測量；三是一般按方向觀測方觀測12測回，按規范規定的限差和程序作業（下面再專門討論）。并沒有對監測網等級進行劃分，也就是說不管大壩等級和規模、監測網網形、邊長的長短，都是采用同一等級的作業程序和規定、使用同一等級的測量儀器和設備、最終達到一樣的最弱點中誤差，這一過程值得探討。

在同等儀器和同一作業技術指標的情況下，監測網平均邊長的長短決定了最弱點精度（當然還有網形等其它因素）、筆者認為監測網實施正確的工作程序應該是根據工程規模和監測目的（關于根據監測目的確定觀測精度的問題詳見作者《混凝土大壩變形觀測必要精度的探討》一文）來確定監測網等級、根據監測網等級選用適當儀器、最后根據等級和儀器確定作業限差，這樣作業成果必然會達到相應等級的精度要求。

在上列規范中，SL 197-97對專業平面控制網進行了等級劃分，其中專一、專二級適用于變形監測，GB50026-93也對水平位移監測網劃分了4個等級，但由于行業的差別，該規范并不適合大壩變形監測。

筆者認為在監測專業規范中平面監測網可劃分二個等級（姑且稱為監一級和監二級），以適用于不同規模和不同監測目的的工程要求。

（2）主要技術指標的討論

DT/T5178-2003主要技術指標是最弱點位移量中誤差，SL 197-97主要技術指標包括了平均邊長、測角中誤差、測距中誤差、最弱點點位中誤差等，值得注意的是DT/T5178-2003使用的是最弱點位移量中誤差m位，而SL 197-97使用的是最弱點點位中誤差m點，兩者有2的關系：

m位=2m點

主要技術指標的確定應依據需要和可能兩個原則，需要是指根據工程等級、壩型、庫容、監測目的及有關變形計算成果等工程指標而必須達到的精度指標；可能是指在網形（邊長、圖形等）確定的情況下、擬投入的儀器設備可能達到精度指標，精度指標的確定實際是尋找到需要與可能的平衡點。

DT/T5178-2003規定監測網最弱點位移量中誤差不大于±2.0mm作為監測網最高一級（即監一級）是合適的，但不應是所有大壩監測網唯一的標準。要知道水電站大壩的網形條件是極受限制的，一般不會太好，以筆者手頭的資料及工作經驗，如果平面監測網的平均邊長大于1km，以DT/T5178-2003規定的儀器和限差作業要達到±2.0mm的精度標準并不容易。

SL 197-97專業控制網主要技術要求是依據很多統計資料制定的，其中專一網的精度標準與DT/T5178-2003基本相同，最弱點點位中誤差±1.3mm相當于位移量中誤差±1.84mm，但它明確規定了平均邊長1.0km、測角中誤差±0.5″、測距中誤差±1.3mm，實踐證明只要滿足上列要求，基本可以保證達到最終精度標準。也就是說在基本同一精度標準時SL 197-97比DT/T5178-2003更具操作性。

對于邊長較長或控制范圍較大和邊長較短但儀器標準較低的平面監測網而言，要達到上述精度標準是極其困難的，事實有相當數量的大壩監測儀器的投入是有限的，這就要求有較低一級的標準來規范，這就筆者提出的監二級網，監二網適合于平均邊長大于1km、圖形強度不佳、即使是以目前的技術條件下最高作業級別也無法達到最弱點位移中誤差±2.0mm的監測網和平均邊長雖小于1km但儀器設備投入有限或本身精度要求不高的監測網。

因此筆者斗膽提出大壩變形監測網主要技術要求和限差建議方案如下表4，表4的技術指標一是分兩個等級適合范圍更廣一些，二是各項技術指標更明確一些，筆者清楚地知道一項技術指標是要通過準確的理論計算和大量的統計資料才能確定，表3只是作為一個具體操作者的一個建議。

在按現行規范作業時，筆者建議涉及到平面監測網技術指標時建議按SL 197-97執行。

3.作業限差的討論

3.1 觀測儀器與方法

DT/T5178-2002規定水平角觀測應用J1型經緯儀或精度不低于J1型經緯儀的全站儀進行，測距用標稱精度優于1mm±1/106×D測距儀或全站儀直接測量；

SL 197-97規定專一、專二級網使用DJ1型經緯儀或0.5″級電子經緯儀進行測角，專一級使用測距儀標稱精度不低于0.2mm+1ppmD測距儀、專二級使用測距儀標稱精度不低于1mm+1ppmD測距儀測邊；

《國家三角測量規范》（GB/T17942-2000）規定國家一、二等三角測量使用DJ07、DJ1級經緯儀觀測，《中、短程光電測距規范》（GB/T16818-1997）規定二等使用Ⅰ、Ⅱ級測距儀（測距儀等級劃分：Ⅰ級測距標準偏差mD≤2mm、Ⅱ級測距標準偏差2mm

從上述規范可以看出：用于大壩變形監測網的測角儀器可使用J1（1″）、J07（0.7″）和0.5″級3個級別的測角儀器，測距儀器應使用Ⅰ級測距儀。

考慮到大壩平面監測網邊長都較短（相對大地網而言），一般采用方向觀測法，現在的電子儀器特別是目前變形監測普遍采用的TCA2003測量機器人作業時也更適合方向觀測法，當然也不能排除一些特殊的網形特別是邊長相差大多的網形或采用傳統光學儀器時采用全組合觀測法。因此平面監測網規范均明確了可采用方向觀測法也可采用全組合測角法。

3.2 測回數

DL/T5178-2003明確規定水平角觀測方向觀測法12測回，全組合觀測法方向數m×n=24（25）；相當于《國家三角測量規范》（GB/T17942-2000）二等三角觀測（如按J1儀器觀測還達不到二等要求），大壩平面監測網與大地平面控制網測角過程有較大的差別，在相同觀測綱要的條件下，大地網存在邊長太長、氣象影響大、照準精度低等因素，其最終測角中誤差大于監測網，因此按方向觀測法12測回數，可以達到±0.7″測角中誤差。

SL 197-97規定了專一級網方向觀測法15測回、全組合測角法方向數m×n=36（35），專二級網方向觀測法12測回、全組合測角法方向數m×n=36（35），分別可達到±0.5″和±0.7″測角中誤差。

綜合規范規定和實踐經驗，對于大壩平面監測網測角精度要達到±0.5″，方向觀測法要求15測回、全組合測角法方向數要求m×n=36（35），如要求測角精度達到±0.7″，方向觀測法要求12測回、全組合測角法方向數要求m×n=24（25）。

3.3 方向觀測法限差

DL/T5178-2003、SL 197-97和GB/T17942-2000三種規范方向觀測法觀測限差如表4。

從表5可以看出，幾種規范對方向觀測法作業限差的規定都是基于GB/T17942-2000制定的，不同的是監測專業規范與大地網在同等的作業限差條件下所達到的最終測角中誤差要高，這是與監測網本身特點所決定的，與大地網相比、監測網有更優越的作業條件。

值得注意的是，大壩平面監測網點往往高差較大，在觀測實施過程中一測回2C互差容易超限，SL 197-97中規定了“當觀測方向的垂直角超過±3°時，該方向的2C較差可按同一觀測時段內相鄰測回進行比較”，筆者認為這是應在專業監測規范中保留的技術條款。

3.4 測距限差

DL/T5178-2003沒有對測距作限差規定，SL 197-97和《中、短程光電測距規范》（GB/T16818-1997）明確了測距作業限差如下表5。

GB/T16818-1997是國家級控制測量測距規范，由于測距長度遠大于大壩變形監測網測距長度，小于3km為短程測距，而工程測量中測距長度大多不大于3km，如果在工程測量中完全執行GB/T16818-1997相關技術條款，保證不了短程測距的相對精度，因此作業限差中SL 197-97比GB/T16818-1997更嚴一些，只有這樣才能保證測邊相對精度，并使測邊精度與高精度的測角相匹配，從而保證整個監測網的精度。

測量實施過程中SL 197-97“往返各2時段每時段各2測回”比GB/T16818-1997“往返各4測回或不同時段代替往返測”嚴格得多，是否必要完全執行“往返各2時段每時段各2測回”有待進一步探討，另外，時間段較差與往返測較差在SL 197-97附錄中進行了專門的討論和說明，其最終結論是往返測中數較差限差取用2（a+b×d×10-6），但筆者認為執行GB/T16818-1997規定的2（a+b×d×10-6）更嚴密一些。

4.結語

大壩平面變形監測網特點是短邊、高精度，它既不同于大地控制網，也不同于服務于施工的施工控制網和服務于測圖樞紐測圖控制網，難以全面應用現行的國家標準《國家三角測量規范》（GB/T17942-2000）和《中、短程光電測距規范》（GB/T16818-1997），現行的監測專業規范《混凝土大壩安全監測技術規范》（DT/T5178-2003）只涉及到大壩變形監測網部份指標，尚不具體，也不具操作性，因此，有必要對大壩變形監測網精度指標和作業指標進行討論并提出相應的規范修訂意見。

中華人民共和國行業標準《水利水電工程測量規范（規劃設計階段）》（SL 197-97）有專用平面控制網技術條款，對控制網主要技術指標和作業限差都有明確的規定，因此，在目前監測專業規范對相關技術條款不是很全面的情況下，建議大壩平面監測網設計和實施過程中執行《水利水電工程測量規范（規劃設計階段）》（SL 197-97）。

參考文獻：

[1]中華人民共和國電力標準《混凝土大壩安全監測技術規范》（DT/T5178-2003）。

[2]中華人民共和國行業標準《水利水電工程測量規范（規劃設計階段）》（SL 197-97）。

[3]中華人民共和國行業標準《水利水電工程施工測量規范》（SL52-93）。

[4]中華人民共和國電力行業標準《水電水利工程施工測量規范》（DL/T5173-2003）。

[5]中華人民共和國國家標準《工程測量規范》（GB50026-93）。

[6]中華人民共和國國家標準《國家三角測量規范》（GB/T17942-2000）。

[7]中華人民共和國國家標準《中、短程光電測距規范》（GB/T16818-1997）。