單向三角高程測量在大壩變形監測中的應用

楊 敏

（1.國家測繪地理信息局 重慶測繪院，重慶 400015）

單向三角高程測量在大壩變形監測中的應用

楊 敏1

（1.國家測繪地理信息局 重慶測繪院，重慶 400015）

簡述了單向三角高程測量原理，通過相關項目的應用論述了單向三角高程測量的可行性，再利用項目實例，論證了利用高精度的測量儀器通過單向三角高程測量進行大壩垂直變形監測是成功的。該方法減輕了常規的水準測量或靜力水準測量的勞動強度，節約了成本，提高勞動效率，可作為后期項目的借鑒。

單向三角高程；高精度；垂直變形監測

在經濟迅速發展的今天，能源需求量日益增加，水能的大規模開發和利用勢在必行，合理地利用水利資源也是我國實現可持續發展的重要一步。而在這一步中，大壩又起著舉足輕重的作用。由于大壩的技術要求高，變形細微，若不重視便可能發生潰壩事故，造成巨大的經濟損失。目前常用的垂直位移監測方法有幾何水準測量法[1]、流體靜力水準法[1]、GPS高程擬合法[2]和三角高程測量法。本文著重論述單向三角高程測量法在變形監測中的應用，其他方法就不贅述。

1 單向三角高程測量法

三角高程測量的基本原理[3]如圖1，A、B為地面上兩點，自A點觀測B點的豎直角為α1,2，S0為兩點間水平距離，i1為A點儀器高，v2為B點覘標高，則A、B兩點間高差為：

圖1 三角高程原理圖

式（1）是假設地球表面為一平面，觀測視線為直線條件推導出來的。在大地測量中，當兩點距離大于300 m時，應考慮地球曲率和大氣折光對高差的影響，為了提高三角高程測量的精度，通常采取對向觀測方法，求兩點間高差，以減弱大氣垂直折光的影響，在單向三角高程測量時，其公式為：

式中，C為球氣差常數。

三角高程測量因其測量原理，在一定程度上不受地形條件的限制，尤其在地形復雜，很難架設儀器的地方，只要能讓兩點直接通視，控制兩高差點的距離，嚴格按照規范加上球氣差改正就能達到較高精度。

由于三角高程測量在變形監測中有相當的優勢，因此小浪底工程外部變形監測[4]、瑯琊山抽水蓄能電站大壩[5]、溪洛渡電站變形監測[6]等項目中均利用高精度的測量儀器，采用單向三角高程測量進行變形監測，均滿足規范要求。

2 單向三角高程測量監測實例

某水利樞紐是長江上游的一個大型開發梯級項目，其大壩是目前世界上唯一一座壩高超過200 m的面板堆石壩。項目建成后為保證大壩的安全運行，需對壩體上設置的不同高程面上的4排共51個變形監測點進行周期性的觀測。由于該壩體處于地勢低洼地帶，利用GPS進行變形監測，觀測衛星數較少，精度無法保證。施工方在監測時使用常規水準進行壩體監測，效率低、勞動強度大、投入人力多，項目移交后大壩管理方想嘗試用一種經濟、便捷、效率高的方式來替代常規水準，通過查閱有關文獻[7]得知：測邊精度為1 mm+1×10-6×D，測角精度為0．5"的全站儀，監測點的三維點位精度、平面精度和高程精度在2 000 m測距范圍內均能滿足mm級精度要求。該大壩監測點到基準點最長邊約為760 m，最短邊約為350 m，因此采用高精度的全站儀來進行監測，并對比監測效果。

采用TCA2003儀器，其測邊精度為1 mm+1×10-6× D，測角精度為0．5"，利用單向三角高程測量，分別在2 個參考點上架設儀器對壩體上的監測點進行了5期變形監測，獲得壩體上的所有監測點高程值，并進行球氣差改正，最終對兩站的高程值求平均值。由于篇幅所限，本文只列舉壩體最上面的SA2高程面（共7點）和SA3高程面（共10點）的監測數據。利用各期的高程值分別與第1期的高程值求差，得出各高程點的變形量，如表1、表2所示。SA3高程面上監測點垂直沉降曲線如圖2所示。SA2高程面上監測點垂直沉降曲線如圖3所示。

表1 SA3高程面監測點各期高程值與1期高程值的較差表/ mm

圖2 SA3高程面上監測點各期沉降曲線圖

表2 SA2高程面監測點各期高程值與1期高程值的較差表/ mm

由SA2和SA3兩個高程面的沉降曲線圖可知，大壩在觀測期間一直在發生沉降，其中位于大壩兩側的點沉降量相對較小，比較穩定；位于大壩中間的點沉降量比較大，尤其以最頂層SA2高程面上的監測點最為突出，其沉降量反映了大壩沉降的總量。通過對各監測點的高程值求中誤差，得到本次變形監測點的高程中誤差為±1．6 mm，其觀測值與前期水準觀測值的最大較差為-2．5 mm，最小較差為+0．5 mm，滿足管理方要求的變形監測點測量精度不大于2 mm的要求。

圖3 SA2高程面上監測點各期沉降曲線圖

3 結 語

從項目數據可以證實，利用單向三角高程監測大壩垂直變形是成功的。但在利用單向三角高程測量進行變形監測時需注意以下幾點：

①必須采用高精度的全站儀，尤其對于監測點相對較多的項目，這樣既能提高作業效率，也能減輕勞動強度。②可根據測站到監測點的距離設置多個工作基站，每個工作基站的距離盡量不超過600 m，垂直角不大于30°[8]。③為確保成果的可靠性，防止工作基點整體移動，需定期觀測基準網，但周期可稍長（一季度或0．5 a聯測一次）。④在監測時，應同時記錄工作基站附近的溫度和氣壓，最好使用干濕溫度計。要選擇空氣相對穩定的時間段進行觀測，在太陽升起和落山的1 h內不要觀測，此時大氣的垂直折光變化劇烈，會影響觀測精度。⑤為提高三角高程測量的精度和核檢測量結果，在有條件的監測點處，可聯測部分高精度或等精度的水準數據。

[1] 袁天奇,張冰．大壩外部變形監測技術現狀與發展趨勢[J]．水力發電,2003(6)：52-55

[2] 郟紅偉． GPS水準測量應用探討[J]．測繪通報,2005(8)∶34-38

[3] 孔祥元,郭際明． 控制測量學[M]．武漢：武漢大學出版社,2006

[4] 劉朋俊,丁萬慶,張榮林． TCA2003在小浪底工程外部變形監測系統中的應用研究[J]．廣西水利水電,2003(2)∶3-7

[5] 孫景領,黃騰,鄧標．TCA2003全站儀自動識別系統ATR的實測三維精度分析[J]．測繪工程,2007,16(3)：48-51

[6] 李雙平,方濤,王當強．測量機器人在溪洛渡電站變形監測網中的應用[J]．人民長江,2007,38(17)∶54-56

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[8] 張正祿,鄧勇,羅長林,等．精密三角高程代替一等水準測量的研究[J]．武漢大學學報∶信息科學版,2006(1)∶5-8

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1672-4623（2016）01-0097-02

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.01.029

楊敏，碩士，工程師，主要從事工程測量、大地測量、數據分析和處理以及相關方面的科研和生產工作。

2015-04-22。