黃登水電站平面變形監測控制網設計研究

丁學智，董 燕，謝豐余

（1.昆明理工大學國土資源工程學院，云南省昆明市 650093；2.中國電建集團昆明勘測設計研究院有限公司，云南省昆明市 650051；3.華能瀾滄江水電股份有限公司，云南省昆明市 650214）

0 引言

水電站變形監測控制網建立的目的在于：為水電站水工建筑物、邊坡變形監測提供可靠的位置基準[1，2]。因此，變形監測控制網點位必須滿足通視條件好、地質穩定、方便使用且利于保護等要求。同時，變形監測控制網應具備高精度、高可靠性和高靈敏度等特點，以滿足水電站變形監測的需要。由于水電站樞紐區普遍位于高山峽谷中，受地形條件限制，平面變形監測控制網點位通視困難，設計難度大，僅憑一般經驗布網往往網形結構不合理，難以保證精度和可靠性。本文根據黃登水電站樞紐區水工建筑物、邊坡監測需要，結合變形監測控制網精度、可靠性、靈敏度要求，研究以邊、方向觀測量精度先驗值為參數，采用基于最小二乘法原理的精度估算方法進行平面監測控制網優化設計。同時在起算基準點上布設倒垂線，增加基準點的外部校核條件，變形監測控制網的設計成果滿足工程需要。

1 工程概況

黃登水電站位于云南省蘭坪縣境內的瀾滄江上游河段，是瀾滄江上游古水至苗尾河段“一庫七級”水電梯級開發方案的第五級水電站。黃登水電站以發電為主，是兼有防洪、灌溉、供水、水土保持和旅游等綜合效益的大型水利水電工程。黃登水電站最大壩高為204m，裝機容量1900MW。樞紐區河谷狹窄，呈“V”字形，兩岸地形基本對稱，山坡陡峻，自然坡度一般大于45°，多陡壁，兩岸1950m高程以上局部分布有相對緩坡，坡度一般為15°～35°。兩岸岸坡地形不完整，呈沖溝和山梁相間分布。

黃登水電站樞紐區變形監測對象主要包括碾壓混凝土重力壩、導流洞邊坡、壩肩邊坡以及自然邊坡等。黃登水電站樞紐區建立平面監測控制網，為各監測部位建立永久監測基準，滿足樞紐區內各主要建筑物和邊坡的永久監測，并兼顧建筑物的施工期監測。

2 平面監測控制網設計

2.1 平面監測控制網點位布置

點位布置時在樞紐區1∶2000地形圖上初步選定點位，結合現場踏勘情況，綜合考慮通視條件、利于使用和保護、點位相對穩定以及網形等因素后確定點位[3，4]。圖1為平面監測控制網布置圖。

黃登水電站平面位移監測網沿瀾滄江干流控制范圍約3km，共由19個點組成，包括基準點組和工作基點組兩部分。基準點組編號為J01～J06，基準點組由6個點組成，左右岸各3點，距離大壩最近和最遠的基準點分別距離大壩0.7km和1.8km左右。J01、J02分別布置在距離大壩下游約700m的右岸和左岸山體上，基本不受施工影響，且這兩點位于整網中部偏下游區域，作為基準點較為適宜。為增加校核，提高可靠性，同時兼顧對壩下游建筑物的監測需要，在基準點J01、J02下游左、右岸各布置2個基準點J03～J06作為J01、J02的校核基準。

圖1 黃登水電站平面監測控制網布置圖Fig．1 Layout of plane deformation monitoring control network in the Huangdeng Hydroelectric Station

為了提高基準的可靠性，增加外部校核條件，在J01、J02旁各安裝1條倒垂線，編號分別為IP01、IP02，倒垂線通過鉆孔錨固到基巖，檢核這兩個基準點的穩定性。

工作基點組由13個點組成，編號為C01～C13。C01～C07位于1650m高程附近，其中C01～C03主要作用是為混凝土重力壩的壩頂和下游壩面、壩肩邊坡位移監測提供工作基點；C04、C05主要作用是為混凝土重力壩上游面的位移監測提供工作基點；C06、C07主要作用是為導流洞進口邊坡、近壩區巖體、自然邊坡的監測提供工作基點；C08～C12位于1550m高程附近，主要作用是為大壩下游邊坡、導流洞出口邊坡、尾水洞出口邊坡的監測提供工作基點；C13位于大壩轉折壩段壩頂，對整網起到聯系壩上下游網點，增強圖形結構的作用。

2.2 平面監測控制網圖形設計

平面監測控制網點以三角形和大地四邊形連接，布設為全測邊測角網。根據監測網點布設方案，采用基于最小二乘法原理的精度估算方法進行優化設計。優化設計原則是網形選擇力求簡單，滿足精度和可靠性要求，有適當的精度富余。最終選定了62條邊、124個方向的觀測量構建監測控制網。

（1）精度估算。

黃登水電站樞紐區變形監測控制網控制范圍大，網點數目多，網形結構復雜，點位精度要求高，根據工程規模特點，精度要求最弱點位中誤差小于±2.0mm。在設計圖上切取控制網點的概略坐標，對上述網形進行精度估算，起算點為J01，J01至J02的方位角為起算方位角，觀測量先驗精度為：方向中誤差±0.35″，測距中誤差±（1.0mm+1.0×10-6·D）。點位精度估算結果見表1。

表1 點位精度統計表Tab.1 Statistics of the points precision

由計算結果可知，點位中誤差最大值為±1.69mm（C07），該網形完全滿足精度要求。

（2）可靠性指標。

可靠性指標與多余觀測分量有關，是無量綱的量，分為內部可靠性和外部可靠性。內部可靠性指標：在顯著水平α下，以檢驗功效β發現粗差的下界；外部可靠性指標：表示未能發現的粗差對平差結果的影響的指標[5]。取α=0.01，β=0.90，非中心化參數δ=3.86，通過計算，可靠性指標見表2。

表2 可靠性指標統計表Tab.2 Statistics of the reliability index

從計算結果可知，監測控制網多余觀測分量均滿足規范大于0.2的要求，內、外部可靠性較高，表明監測網具有較強的抵抗粗差的能力。

（3）靈敏度指標。

靈敏度指標反映監測網發現某一變形的能力，通常以靈敏度橢圓表示，即超出該橢圓的變形才能被發現，位于橢圓內部的變形均不能被發現。

靈敏度與網形結構強度、觀測精度、顯著水平和檢驗功效有關。取顯著水平α=0.01，相應的檢驗功效β=0.9時，靈敏度指標見表3。

表3 靈敏度指標統計表Tab.3 Statistics of the sensitivity index

從計算結果可知，靈敏度橢圓長半軸最大值為±3.18mm，該網形具備較高靈敏度，有利于監測網的變形分析，滿足工程需要。

2.3 觀測技術要求

平面網初期建網在蓄水前完成，初期建網不包括C13，C13待大壩澆筑到壩頂后再建造并納入整網觀測。初期建網時，連續、獨立觀測兩遍，成果合格后取平均值作為初始值[6]。大壩蓄水后進行一次復測，以后的復測周期視監測網控制點穩定情況而定，一般以一年一次為宜。當發生大規模施工爆破、特大洪水、地震后或其他危及監測網穩定的情況時，應及時復測。以測角中誤差為±0.5''的儀器為例，觀測技術要求如下。

水平角觀測：按全圓方向法觀測15個測回，二次照準目標讀數之差小于2.5″，半測回歸零差小于4″，一測回2C較差小于8″，同一方向各測回較差小于4″。天頂距觀測：采用中絲法測量天頂距4個測回，兩次重合讀數差限差1″，指標互差小于6″，測回差小于4″。斜距觀測：每條邊往、返各觀測4測回，邊長往返測二時段較差小于2（a+b×D）mm，邊長往返測較差小于2（a+b×D）mm，其中，a、b分別為儀器測距加、乘常數；D為斜距[7]。

倒垂線觀測：J01、J02對應的倒垂線IP01、IP02用電容式（智能型）或CCD式垂線坐標儀進行觀測。

2.4 數據處理技術要求

（1）觀測數據檢驗。

觀測數據檢驗根據有關規范的要求完成，各項檢驗的限值必須滿足規范要求。主要的檢驗項目包括以下幾項：邊長測量檢驗項目包含往返觀測不符值、一次測量中誤差、往返測量中誤差；角度測量檢驗項目包含三角形閉合差、按菲列羅公式計算的測角中誤差；其他檢驗項目包含測邊網組合角條件檢驗、測角網極條件、邊角網正弦條件和余弦條件等。

（2）監測網平差。

初始觀測時，邊角網平差計算前采用方差分量估計計算邊角權比，然后以J01、J02作為起算基準進行經典自由網平差。復測時，平差計算應先比較各網點兩期測量的邊長、角度，并進行擬穩分析和點位穩定性分析后確定起算點、起算方位及平差計算網點坐標值。

倒垂線觀測成果與擬穩平差成果相互檢核驗證J01、J02的穩定性，J01、J02對應的倒垂線位移量不超過2mm時，可不對基準點進行改算；如果超過2mm，則需對基準點進行改算[8]。

3 結束語

黃登水電站變形監測控制網沿瀾滄江干流控制范圍約3km，點位布設合理，基準點布置在大壩下游遠離施工區影響的穩定區域，在起算基準點J01、J02旁分別安裝深入基巖的倒垂線IP01、IP02，檢核這兩個基準點的穩定性，提高了基準的可靠性。為避免利用工作基點監測時垂直角過大影響監測精度，工作基點基本按照1650m和1550m兩個高程面布設，兼顧了大壩頂部以上高程和大壩中部以下高程的變形監測。

通過基于最小二乘原理的精度估算方法進行優化設計，最終選定了62條邊、124個方向的觀測量構網。最大點位中誤差為±1.69 mm（C07），多余觀測分量均滿足規范大于0.2的要求，內、外部可靠性和高靈敏度高，可作為變形監測的基準。同時，提出了監測控制網觀測、數據處理的技術指標和要求，設計成果滿足黃登水電站工程施工期及運營期變形監測的需要。

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