壩頂水平位移監測方法探析

王 君

(烏魯木齊市水利勘測設計院(有限責任公司)，新疆 烏魯木齊 832000)

新疆是個嚴重缺水的干旱地區，為了更好地解決地下水超采問題，發展高效節水灌溉面積，減少非保灌面積；提高灌溉保證率，增加農作物產量；合理建設地表水工程是非常必要的，而灌區水庫工程就是非常重要的調節性工程，水庫建設過程中必須隨時進行安全監測，測定各項指標合格，保證施工質量。

關于水壩安全監測重點涉及到壩基揚壓力監測、應力應變監測、壩體結合縫監測、水平位移監測。為了完成對水壩水平位移監測，已有研究多采用垂線法、激光準直法、小角法、引張線法等[2- 6]。各種方法有各自的優缺點及應用范圍，但對于一些觀測條件惡劣情況，上述方法均失效。

文章以新疆境內的哈姆斯溝水庫為研究對象，介紹壩頂水平位移監測中的一種新方法——測角前方交會法，來彌補上述方法的不足，力求為其應用推廣奠定理論基礎與實際工程應用經驗。

1 工程概況

哈姆斯溝水庫是以灌溉為主的攔河式水庫，水庫主要由引水工程(卡拉克特河引水渠首和水庫引水渠)和水庫樞紐建筑物(大壩、放水涵洞、溢洪道)組成。水庫正常蓄水位797.51m，最大壩高36.9m，壩頂長425m。總庫容972.6m3，控制灌溉面積5.58萬畝。水庫按50年一遇洪水設計，相應洪峰流量50.0m3/s，1000年一遇洪水校核，相應洪峰流量81m3/s。工程規模為小(1)型，工程等別為Ⅳ等，永久性主要建筑物級別為4級，永久性次要建筑物和臨時建筑物級別為5級。

2 原理分析

文章介紹的壩頂水平位移監測新方法稱作測角前方交會法，該方法具有適用于觀測條件不佳、觀測點不能到達的環境的優勢，多應用于尾礦庫安全監測、水上樁基測量以及高陡邊坡監測等項目工程中，具有很好的應用前景[1]。

(1)觀測原理介紹。

首先了解一下測角前方交會法的測量原理，具體原理圖與A水電站碾壓混凝土重力壩壩頂監測布設點具體如圖1所示。

圖1 測量原理及壩頂監測布設點布局圖

設定其二維平面坐標系，將平行壩軸線作為X軸，圖中所示由左向右為正向；垂直壩軸線作為Y軸，圖中所示垂直向上為正向。圖中所示設置監測點A、B、C。在監測點A處放置全站儀TCA2003，檢測獲得已知邊c和交會邊b的夾角a的角度值，同樣在監測點B處放置全站儀TCA2003，檢測獲得已知邊c和交會邊a的夾角b。依次設定監測點A、B、C的坐標分別是(Xa，Ya)、(Xb，Yb)、(Xc，Yc)。根據監測點A與B的坐標值計算獲得已知邊c的方位角w的角度值。根據前方交會角度關系r+a+b=180°，可以利用公式(1)與(2)求出監測點C處的坐標值。

Xc=Xa+c×sinbcos(a+b)/sinr

(1)

Yc=Ya+c×sinbcos(a+b)/sinr

(2)

人為假定監測點C的位移改變量(X軸與Y軸)分別是ΔXc與ΔYc，與之相應的是角度改變量分別是Δa與Δb。利用公式(1)與(2)得到近似計算公式(3)與(4)。

ΔXc=c×[sinbcos(b-w)Δa/sin2r+sinacos(a+w)Δb/sin2r]/p

(3)

ΔYc=c×[sinbsin(b-w)Δa/sin2r+sinasin(a+w)Δb/sin2r]/p

(4)

當完成第一個周期測量工作后，為了方便后面測量，可令c×sinbcos(b-w)/psin2r=T1，c×sinbcos(a+w)/psin2r=T2，c×cosbcos(b-w)/psin2r=T3，c×sinbcos(a+w)/psin2r=T4，依次利用T1，T2，T3，T4代入公式(3)與(4)內，則簡化成公式(5)與(6)。

ΔXc=T1×Δa+T2×Δb

(5)

ΔYc=T3×Δa+T4×Δb

(6)

當進行到第t個周期測量時，其角度值記作at，bt，依次與第一次檢測獲得的角度值a1、b1作差值，計算得到角度變化值Δat與Δbt。將其全部帶入公式(5)與(6)計算求出監測點C在第t周期內沿X軸與Y軸方向的位移改變量，將歷次周期位移改變量累積求和獲得監測點C總的位移改變量。

(2)誤差精度探討。

考慮到全站儀TCA2003測量角度的精度是0.6″，所以設定回測角度時誤差值是md=0.8″。假設每個周期內檢測時對同樣的測角測量n次，則得到公式(7)與(8)。

Δa=[at1-a1+at2-a1+…atn-a1]/n

(7)

Δb=[bt1-b1+bt2-b1+…btn-b1]/n

(8)

根據線性誤差傳播定律不難得出公式(9)。

mΔa=mΔb=md(2/n)0.5

(9)

充分結合公式(3)與公式(4)，計算求出監測點C分位移與總位移直接的誤差關系公式(10)、(11)及(12)。

mΔX=+(2/n)0.5(sin2bcos2(b-w)+sin2acos2(a+w))0.5(c×md/psin2r)

(10)

mΔY=+(2/n)0.5(sin2bsin2(b-w)+sin2asin2(a+w))0.5(c×md/psin2r)

(11)

mΔt=+(2/n)0.5(sin2a+sin2b)0.5(c×md/psin2r)

(12)

將A水電站已經獲得的基線邊長c數值(458.9745m)、測角a與b全部回代進公式(10)、(11)、(12)中，并不斷改變測量次數n(從1開始，以步長為1的逐漸增加)，依次可獲得壩頂監測點水平位移量，整理匯總成表1。當n的數值調整到11時，點位中偏差m低于0.8mm，達到相關技術規范的規定標準[8]。即停止改變測量次數n，此時取定n是11。

表1 不同監測點點位中偏差對比匯總表

3 精度影響分析

(1)檢測點布置

根據壩頂監測點位置分布誤差精度計算公式(10)、(11)、(12)的計算原理分析，不難得出，當測角精度不發生改變時，監測點水平位移量的誤差主要受到交會角r的影響，當且僅當r角度為直角時，監測點中誤差值達到最低值。A水電站監測點的點位中誤差值在鄰近壩肩邊坡的壩頂處較大，分析其原因是由于受到其交會角r與直角偏差較大而造成的。在通常情形下，采用測角前方交會法完成測量，其監測點布置，必須保證其交會角r處于70～110°范圍內，這樣才能保證監測點點位中誤差達到相應規范規定的標準。

在確定檢測點時，不僅要考慮到達到通視條件，而且要考慮工作基點與監測點的穩定性問題。為了解決上述穩定性問題，最常見的方法是選擇混凝土澆筑的觀測墩，并在其中部放置對中盤。若資金充裕，可以選擇每一個觀測墩內放置一個Leica圓棱鏡，充當永久觀測裝置的一部分，通過這種方法可有效避免不同棱鏡之間對位中誤差差異造成的干擾。

在確定工作基點時，應保證工作基點A與工作基點B兩者之間的對視傾角相對較小，盡量降低斜距轉化成平距的偏差。一旦交會圖形確定下來，同樣盡量縮小已知邊c的長度降低偏差。因此保證基點A與B兩者間的水平距離是布設基點工作的關鍵。

水電站壩頂水平位移測量是最為常年觀測項目，工作基點必須定期利用高精度控制網對其校核，確保工作基點穩定性達標。

(2)檢測過程

制定全站儀檢查制度，落實完成降低儀器自身軸系誤差。工作基點采用元水準氣泡架設后，必須借助精度較高的水準管完成儀器對中整平工作。

借助全站儀檢測時，避免棱鏡周圍存在強光反射，確保全站儀準確無誤地自動識別目標。在A水電站壩頂監測點水平位移檢測全過程中，為了避免不銹鋼扶手強光反射干擾檢測，特意選用土工布將其覆蓋包裹。在檢測后，可將其包裹的土工布去除。

選擇盤左盤右檢測時，為了保證檢測值的準確性，抵消儀器豎軸傾斜造成的偏差。等到測量完成后，如果儀器顯示測角見偏差比較多時，必須重新進行測量。

(3)儀器影響

分析計算公式(10)、(11)、(12)可以得到，在基線水平距離數據已知的情況下，1測回測角精度mj越大，位中誤差mΔt越大。近幾年來，全站儀測角精度不斷縮小，更加精準，會降低檢測次數，提升檢測速度。以A水電站壩頂監測點為例，若采用測角精度達到0.5″，則僅測量9次即可符合相關規程中規定的低于0.8mm的點位中誤差精度；若全站儀測角精度達到0.4″，僅需要測量6次即可；若全站儀測角精度達到0.3″，僅需要4次即可；若全站儀測角精度達到0.2″，則僅需要測量3次就可以到達相關規程中規定的標準精度。只要全站儀測角精度不斷縮小，測角前方交會法在壩頂水平位移監測中應用前景十分廣泛。

4 結論

文章以哈姆斯溝水庫均質土壩為研究對象，介紹壩頂水平位移監測中的一種新方法——測角前方交會法如何應用。詳細介紹其檢測原理與應用中具體監測點布置，獲得各個角度與檢測邊的三角函數關系，定量化表達位中誤差的影響因素。從監測點布置、監測過程、儀器精度3個方面分析如何影響測角前方交會法的檢測精度，并提出相應措施，為測角前方交會法的應用推廣奠定實用基礎。總的概括，測角前方交會法具有布置基點不受約束，并能同時觀測水平與豎直兩個方向的優勢，所以具有很好的應用前景。

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[6] 陳斌. 湖南鎮大壩壩頂水平位移監測系統改造方案[J]. 大壩與安全, 2015(05): 37- 42.

[7] 陳正威, 崔秀偉, 蔣劍, 等. 測角前方交會法在壩頂水平位移監測中的應用——以阿海水電站為例[J]. 人民長江, 2016, 47(S1): 167- 169.

[8] DL/T 5178- 2003. 混凝土壩安全監測技術規范[S].