大壩外部垂直變形監測中精密三角高程測量的運用

黃太康（貴州黔聚龍投資有限公司，貴州　貴陽　550000）

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大壩外部垂直變形監測中精密三角高程測量的運用

黃太康（貴州黔聚龍投資有限公司，貴州貴陽550000）

本文對精密三角高程測量精度與誤差的來源進行了研究，對它在大壩外部垂直變形的具體測量細節進行闡述并分析其結果。通過實現效率高、速度快、精度高的大壩外部垂直變形測量，促進精密三角高程測量方法的運用，讓一些相似的工程還能以此來借鑒。

垂直變形；精度；三角高程測量；大壩

1　前言

由于中國經濟的不斷發展，洪澇、干旱等一些自然的災害連續發生，因此國家利用和開發水利的速度在加快中，逐漸有許多發電、防洪、灌溉等一系列特殊功能的大壩在我國的大型水系中建成，起到造福人類的目的。在建成了大壩后，一定要對其安全實行監測，以保證大壩運行時的高效安全，其中監測項目中測量大壩外部垂直變形是極重要的一步，一般都是用精密幾何水準來實現測量。此辦法的優點是數據可靠、觀測簡便及精度高等。但中國大壩很多都是在丘陵地帶或山區建立，都是地形復雜的位置。環境與地形條件影響大和低下的作業效率是采用幾何水準監測的缺點?？捎镁苋歉叱虦y量來代替幾何水準監測，因為它不僅有自動照準（ATR）功能的全站儀和自動補償豎軸，而且測量精度很高。它與水準精度在二等以上的水準儀相當，而且該方法能夠克服地形環境的影響、低精度、慢速度等一些缺點，應用于許多大型的工程。所以，一些電站測量大壩外部垂直變形都是采用精密三角高程測量來進行，說明此方法的精度可以滿足大壩外部垂直變形測量的要求，于類似的工程里有很大的發展前景。

2　精密三角高程測量精度分析

H表示對向觀測高差的平均值；D是水平的距離；α21，α21是相應的豎角；K1，K2是大氣折光的系數；R地球的曲率半徑；i1i2是儀器的高；v1，v2是目標高度。假設△K=K2-K1，mα12= mα21=ma，而且mi=mv=m0，上式進行微分將其轉成誤差，存在向觀測高差誤差的公式是：

經測站對照準目標的豎直角和它們間斜距或是水平距離進行觀測，將照準點和測站點間高差計算出，稱為三角高程測量。中間、單向及對向的觀測法是主要觀測法對應的三大類。能夠將部分誤差在過程中消除的是對向觀測法，如大氣折光的誤差，因此廣泛運用到工程測量中。經文獻得出用三角高程測量對向觀測的高差平均值公式：

根據上式知，存在于豎直角觀測的誤差mα，存在于邊長觀測的誤差mD，存在于大氣垂直折光系數差值的誤差m△k和存在于目標棱鏡量高與測站儀器的誤差m0都會對三角高程對向觀測高差測量的精度產生影響。用精密三角高程測量時，都是采用高精度全站儀進行，被稱為 “測量機器人”的徠卡TCA2003全站儀在目前使用是較多的，它測距的精度是1mm+ 1ppm，標稱測角的精度是0.5″。所以（2）式里取mD=±（1mm+ 1ppm×Dkm），取mα=±0.5″。在對向觀測的時候，是不相等的大氣折光系數K1和K2，因此對于K1與K2所帶的不同高差影響其對向觀測也完全抵消不了，取m△k=0.02。要在有強制對中裝置的觀測墩設棱鏡與儀器，于基座的三個不通方向，用游標卡尺對高度分別進行測量，而且測前和測后都要測量一次，因此取m0=0.2mm，以達到將對中誤差影響減少。據式（2）與其他項中誤差取值，將邊長對向觀測的高差精度受不同豎直角影響的值計算出，具體如圖1。

圖1　邊長的對向觀測高差精度與不同豎直角變化的對比

由圖1可知，在豎直角α≤10°以及邊長相等時，mh與豎直角α成正比關系，但相變化的量很小，當α由 1～10°時，mh也只是多了0.04mm，所以高差精度受豎直角變化的影響較小；豎直角是相同時，mh依然跟邊長D成正比的關系，但變化的量是比較大，當邊長從300～1200m時，mh加多了1.80mm，所以高差精度受邊長變化的影響很大，邊長增加，mh相對應的值就變大，不僅只量高中的誤差，對于高差其他幾項的誤差也都會對其產生影響。因此使用精密三角高程測量時，依據具體的需求將邊長控制好，以符合工程精度的要求。與等級水準測量比較時，用對向觀測mh的兩倍當作限差跟二等水準測量進行比較。由圖2中所示，從圖看出，要想精密三角高程測量精度能夠是二等水準的測量，要保證其邊長小于1000m。

圖2　以對向觀測的2作限差跟二等水準測量的限差對比

3　工程應用

3.1工程概況

一共有九個點于某個抽水蓄能電站大壩外部的變形監測網中，都是觀測墩，強制對中裝置都有埋設其中，具體網形如圖3。

該網中邊最短約是129.9m，邊最長約是1087.5m，邊長平均值612.4m；豎直角最小是-1.5°，豎直角最大是5.7°，豎直角的平均值是2.4°。網點高程用一等水準引測只有LS3與LS4，一般都是使用三角高程法獲取其它的點。根據設計要求全網觀測的邊50條左右，天頂距50個，形成獨立的三角形有29個。所以觀測網中的天頂距與邊長時要使用配有二次開發機載測量軟件的TCA2003全站儀。網中一共進行三期等精度的觀測，而且每期觀測時測量十二測回天頂距，測量四測回邊長，每測回讀四組，邊長要選用對向觀測的平均值。測量限差的設置如表1。

圖3　某抽水蓄能電站大壩外部變形的監測網

表1　測量限差的設置

鏡站點和測站點的濕溫、氣壓、干溫是邊長觀測必須要測定的值，氣象改正參數應取它們的平均值。并且用游標卡尺測出儀器的高度和棱鏡的高度，至0.5mm，這是在鏡站點跟測站點的三方向上進行。在160m吳淞高程的面上投影改正之后的邊長。為了減少測量時大氣湍流與大氣折光對其的影響，要選在大氣穩定以及呈像清晰時來觀測。

3.2數據處理與成果分析

按有關設計和規范規定，三角高程法測量高差的三角形三邊高差閉合的差限差是：

式中：ρ=206265″，三角形第n條邊長Sn。對全網29個三角形閉合環進行對比每期的限差和高差閉合差，其比較的圖形如圖4。

圖4　三角形限差和高差閉合差對比圖

并且根據優良率對閉合差統計，如表2。

表2　三角形三邊高差閉合差優良率的統計表

由圖4與表2可知，表中測量的高差閉合差都沒有超過允許限差，可看出是可靠的觀測成果，優良的精度。由于觀測的成果完全可靠，在對三角高程網計算其平差時，已知值要采用一等水準引測的LS4與LS3高程，平差時要用平面近似邊長、近似坐標以及天頂距觀測值作為條件計算，圖4計算三角高程網平差的點位高程其誤差于表3中。

由表3可知，各點都是很小的高程中誤差，±1.52mm、±1.34mm以及±1.52mm是最弱點三期高程中的誤差，說明三角高程網測量達到的精度都很高，對有關規定的±2mm精度要求足以滿足。

表3　三角高程網點位高程中誤差　單位：mm

4　結語

將實際大壩外部的垂直位移測量和精密三角高程測量精度分析、誤差來源相結合，總結出幾點：

（1）能夠克服速度慢、效率低的缺點并且精度滿足大壩外部的垂直變形的相關要求，采用精密三角高程測量的辦法可以達到。

（2）為使工作者測量時能減少勞動強度，工作時間得到節省，測量精度和工作效率能夠提高，則在精密三角高程測量時，應選擇智能型且高精度全站儀，還需將二次開發的機載測量軟件配備好。

（3）在觀測中需將測角和測距精度調高，注意測量豎直角的誤差要盡量減少，觀測時間要合理選擇，對于棱鏡與儀器量高的誤差也要將其減??；進行高程網平差計算時的已知點應選擇網中較高等級的高程。對三角高程監測網布設的時候應將其邊長控制，點位埋設的觀測墩要具備有強制對中的基盤；只有通過以上幾個才能使大壩垂直位變形測量達到要求的精度。

［1］周國樹.精密三角高程測量在大壩沉降監測中應用的試驗研究［J］.大壩觀測與土工測試，2014，20（5）：23～27.

［2］付淑娟.基于差分技術的大壩表面變形監測研究［J］.工程建設與管理，2015（1）：29～30.

［3］黃 騰，陳光保，張書豐.自動識別系統ATR測角精度研究［J］.水電自動化與大壩監測，2004，28（3）：37～40.

黃太康（1972-），貴州道真人，高級工程師，本科，主要從事測繪工作。

P224.2

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2095-2066（2016）19-0029-02

2016-4-5