TCA2003型電子全站儀在三屯河水庫大壩外部變形監測中的實施及應用

徐麗

摘 要：本文主要介紹了三屯河水庫大壩自動變形監測在水庫安全運行的實施效果與應用成效，以及在應用過程中的監測成果分析、所出現的問題及注意事項。

關鍵詞：三屯河水庫;安全監測;全站儀;監測自動化;位移;測點布置;實施;應用

中圖分類號：TV697.2 ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ?文章編號：1006—7973（2020）07-0152-03

大壩外部變形監測有校核設計、改進施工和評價大壩安全狀況的作用，且重在評價大壩安全。大壩外部變形監測的淺層意義是為了人們準確掌握大壩性態;深層意義則是為了更好地發展工程效益，節約工程投資。大壩外部變形監測不僅是為了被監測壩的安全評估，還要有利于其他大壩包括待建壩的安全評估。

大壩外部變形監測工作就是利用先進的自動化、即時監測手段，確保大壩長期穩定、安全的運行，實現效益的最大化，使測量工作變得更快、更輕松，結束了三屯河水庫無大壩自動安全監測的歷史。

1工程概況

三屯河水庫位于新疆維吾爾自治區昌吉市以南32公里的碾盤莊，地處天山北麓中段，準噶爾盆地南緣，屬雨雪混合補給的山溪性河流。水庫正常蓄水位1032.94m，相應庫容2600萬方;設計洪水位1036.94米，相應庫容3355萬方，校核洪水位1037.94m，相應庫容3500萬方。灌區灌溉面積78萬畝。

水庫大壩為漿砌石重力壩，壩基前部設帷幕灌漿二排孔，排距1米孔距2米，帷幕深度25米。壩體設揚壓力測壓管四排，共20個。因水庫修建于70年代，屬典型的“三邊工程”， 即“邊設計，邊勘探，邊施工”。水庫1971年民辦上馬，1976年正式由土石壩改建為漿砌石重力壩，1987年完成樞紐主體工程。1987年投入運行后，存在大壩抗滑穩定系數小于規范化值;壩體和壩肩滲漏嚴重;1992年，被國家列為病除水庫，進行除險加固。在1993年至2000年大壩除險加固中，將大壩安全監測系統列為一項重要內容，2000年達到設計要求。

2 TCA2003型電子全站儀在水庫管理中的實施及應用

對大壩安全情況進行監測，是保證大壩安全運行的重要環節。三屯河水庫在結束無外部變形監測的歷史后，根據國外相關資料，嘗試使用了電動電子全站儀裝備的自動監測裝置——TPS全站儀定位系統，其測量精度達到亞毫米級，能實時準確監測大壩位移變形情況系統構成。

2.1系統的構成

該系統主要由TCA2003型電子全站儀（即觀測站）、基準點、變形點及控制機房組成。

系統構成如下圖：

全站儀使用瑞士徠卡（Leica）公司生產的TCA2003儀器。TCA2003型電子全站儀標稱測角精度+0.5"，測距精度正負（1mm+1ppm×D）（D為被測距離），自動目標辨識（ATR）測量在200m距離內優于正負1mm，坐標測量精度可達到正負0.2mm。變形監測系統自1999年11月8日12時開始試運行，因此將該時刻各測點的測值定為基準值。基準點和變形點上安設反射圓棱鏡，相對于基準網，對各變形點在其控制網內的變化情況實施監測。

TCA2003型電子全站儀的大壩外部監測系統對各監測點進行每天12時監測一次，用APS軟件所記錄的原始數據，后期對數據進行差分處理，確保大壩位移數據的連續性由瑞士徠卡公司出品，有集成馬達驅動、視頻成像系統，并配置智能化的控制及應用軟件。TCA2003全站儀及時了解掌握大壩的實際運行狀態，掌握了水庫大壩在某水位、溫度下的位移及應力變化，為水庫管理工作提供可靠的依據。在今后的水庫管理工作和大壩安全監測工作中及時發現、解決問題，使水庫大壩安全運行、水庫管理工作發揮更大的作用。

2.2大壩外部變形監測

大壩外部變形監測系統由TCA2003型電子全站儀（即觀測站）基準點、大壩變形點、計算機系統組成。基準點、變形點使用瑞士徠卡公司的反光鏡系統，在壩體變形區以外的基巖上建立3個基準點，在壩體上安置7個變形點，每個點上配有一套對準監測站的反射單棱鏡。計算機采用APSwin+RMDiff自動級坐標實地多重差分監測與DSREP變形點信息報表軟件系統組成。在計算機的控制下，通過測量機器人自動照準測距、測角，對基準點、變形觀測點的變化數據來進行大壩位移監測。

觀測點和三個基準點（JZ1、JZ2、JZ3）組成一個覆蓋各變形點（S1—S7）的多邊形監測基準網。三屯河水庫大壩外部變形監測網測點分布見圖2。

2.3 系統控制網坐標系

三屯河流域地形地貌復雜多樣，根據水庫大壩的位置，將大壩外部變形監測系統控制網坐標系建立在大壩主軸線上，以監測站為坐標中心點，垂直主軸（即順河向水平位移）向下游為X軸正向;平行大壩主軸線向右岸為Y軸正向（橫河向水平位移）;鉛垂向上為Z軸正向（垂直位移）。

2.4系統軟件

大壩外部變形監測開發掛靠軟件MRDiff實時多重差分平滑改正軟件對于新疆的低溫、高溫，高海拔和氣候造成的系統誤差影響進行實時差分改正。開始監測時，照準JZ1，水平角歸零后，啟動TCA2003全站儀內置自動監測程序，即可實現對觀測點的自動找點（10個點）、自動測量、自動發送、自動結束。按極坐標的方式采集目標點，水平角、垂直角、斜距等測值傳送到監控室，由報表軟件DyRep動態三維報表，并可輸入水位、溫度、風力風向，生成相關曲線。

2.5外部變形監測初步成果分析

大壩外部監測系統對各監測點進行每小時觀測一次，全年運行8760次，確保大壩位移數據的連續性。通過對三屯河水庫歷年大壩外部變形監測資料的初步分析，觀測點的位移與水位、氣溫的變化過程來看，主要從上下游方向、壩體左右岸方向、壩體垂直方向上有以下幾點變化特征和規律：

（1）壩體順河向水平位移。依據水庫大壩安全管理規范和除險加固工程技術要求，通過幾年實測資料各觀測點的位移特征值進行初步的比較、數據綜合分析，壩體順河向水平位移主要受庫水位的變化影響，當庫水位升高時，壩體上變形點位移值均大于零，壩體向下游位移;庫水位降低時，變形點位移值小于零，壩體向上游位移。氣溫變化對壩體位移也有一定的影響，但影響甚微，表現在氣溫升高，壩體向上游位移;氣溫降低時，壩體向下游位移。

（2）觀測資料成果表明，壩體左右岸方向水平位移也受庫水位和溫度變化的影響。氣溫上升時，壩體向右岸位移;氣溫降低時，壩體向左岸位移;庫水位升高時，壩體向右岸位移;庫水位降低時，壩體向左岸位移，且壩體中部的測點較兩側測點的位移大。

（3）壩體垂直位移。壩體垂直方向也受庫水位和氣溫的變化影響，但不明顯，庫水位升高時，揚壓力值增大，壩體向上位移，否則反之。

2.6應用分析結果

通過對水庫大壩外部變形監測數據的綜合分析，其結果表明在水庫兩次蓄放的過程中，壩體順河向水平位移受庫水位的影響，庫水位升高，壩體向下游位移;庫水位降低，壩體向上游位移;氣溫變化對壩體橫向位移有一定影響。以上大壩變形監測成果表明，位移變化特征是合理的，符合壩體的變化規律，說明了在水庫大壩除險加固后，強度明顯提高，剛度增大，大壩變形量較小，各方向位移量的最大變幅一般在5.0mm以下，沉降量一般在3.0mm以下，均滿足設計要求。

3 應用成效、存在問題及注意事項

3.1應用成效

（1）TCA2003型電子全站儀自1999年11月8日在三屯河建成正式運行至今，全天候24小時制運行，對基準點、變形點跟蹤式測量，記錄每一時刻各點的位移情況。如果各點位移超出了規定的限制值，全站儀系統就會報警，提示超限點的位移量;在氣象條件不好的情況下，對某一點觀測不到，全站儀系統也會提示該點觀測不到數據的信息。并生成各點位移過程圖，使位移變化情況一目了然，對水庫大壩安全分析起到重要的作用。

（2）TCA2003型電子全站儀在三屯河水庫大壩外部變形監測中發揮著先進、準確的測量作用，為判斷大壩安全提供必要的信息，為水庫管理工作提供了可靠的依據，并獲得了良好的成效。

3.2大壩安全監測在水庫運行管理中存在的問題及注意事項

（1）現行每間隔1h測定一次位移值，對初期觀測大壩變形起到了積極作用，多年的實際監測資料表明，現大壩位移量最大變幅在5.0mm以內，變幅量小，壩體較穩定。因此，現每日24次測定次數過密，應當減少觀測頻次。

（2）每年應對儀器進行校核檢修一次，按照水庫的實際工作需要改進完善系統。

（3）TCA2003儀器因為常年受季節和天氣變化的影響，應每季度對儀器進行全方位內部保養。

（4）大壩外部變形監測范圍空間應包括水庫周邊的動態監測，時間應從設計開始，大壩安全監測的內容不僅包括位移、滲流和水雨情，還要有與大壩安全有關的泄洪及機電設備。

（5）大壩外部變形監測應與氣象、水情、洪水預報及水庫調度結合起來，使之成為水庫運行調度決策支持系統的一部分，使其為工程效益的最大化服務。

（6）大壩外部變形監測應將大壩安全評估與設計標準，設計參數（如安全系數，可靠度指標）等指標結合起來，充分利用大壩安全監測的成功經驗和方法，從而易于理解，掌握和應用。

（7）大壩外部監測應充分利用科技進步，走向即時化、智能化、網絡化。

4結語

TCA2003型電子全站儀在三屯河水庫大壩外部變形監測中發揮著先進、準確的測量作用，經過幾年的應用和實踐，了解掌握大壩的實際運行狀態，已對大壩變形、揚壓力自動化正常、安全運行等做了改進，同時不斷探索總結以使整個系統實效性加強，提高系統和行業的匹配性。對監測結果的分析及對系統的改進，將是我們今后工作的目標。

參考文獻：

[1]馬偉民. TCA機器人在三屯河水庫大壩外部變形監測中的應用[J].大壩與安全，2004（6）：45-47.

[2]方衛華.對大壩安全監測的幾點認識[J].大壩與安全，2004（6）26-28.

[3]李小平，周啟，盧德軍. 新疆三屯河水庫大壩安全監測成果分析[J].人民長江，2003，34（12）.

[4]劉觀標.混凝土大壩安全自動化監測技術的發展方向[J].水電自動化與大壩監測，2004，28（2）：1-5.