測量機器人在寶瓶河水電站大壩變形監測基準網中的應用

庹世華,馬江河

(甘肅省張掖市甘蘭水利水電建筑設計院，甘肅 張掖 734000)

1 基本情況

寶瓶河水電站位于甘肅省肅南裕固族自治縣和青海省祁連縣交界內陸河黑河上游，是黑河上游規劃建設的第二座水電站，上游距擬建的黃藏寺水電站15.6km，下游距已建的三道灣水電站廠房26.2km，距張掖市約165km。工程主要任務是發電，采用引水式開發，首部樞紐與發電廠房相距8.6km。壩址以上流域面積7851km2，多年平均流量40.4m3/s，多年平均徑流量12.74億m3。樞紐工程由首部樞紐、引水系統及發電廠房等組成，為3等中型工程。大壩因壩高超過80m，提高一級按2級建筑物設計，引水系統和發電廠房按3級建筑物設計。 大壩為混凝土面板堆石壩，最大壩高93.5m，壩頂高程2528.60m，防浪墻頂高程2529.80m，壩頂長147m，壩頂寬8m。上游坡比為1∶1.45，下游壩坡2497.00m高程以上為1∶1.5，2497.00m高程以下為1∶1.4。

泄水建筑物由潛孔式溢洪道和泄洪排沙洞組成。溢洪道布置在大壩左岸，共3孔3槽，單孔孔口尺寸8.0m×9.52m(寬×高)，堰頂高程2511.00m，采用擴散挑流消能，最大泄量1738m3/s；泄洪排沙洞進口布置在左岸山梁上，由導流洞后期經過龍抬頭改建而成，總長369.42m，孔口尺寸8.0m×7.0m(寬×高)，底板高程2480.00m，采用挑流消能，最大泄量1262m3/s。

2 監測基準網方法選擇

在國內大壩變形監測基準網普遍采用GNSS靜態觀測，因寶瓶河水電站大壩位于高山峽谷地帶，兩側山體陡峭，山體坡度達到60%～70%，使用GNSS靜態觀測受限條件較多，實施難度大。該電站大壩在施工及建成初期運營階段監測基準網采用視準線法進行，但由于工作基點的不穩定性與監測點的同步性問題，不能精確反應大壩變形情況，給電站大壩運行安全性判定帶來了困難。基于上述原因，該電站大壩采用高精度測量機器人，配合徠卡圓棱鏡邊角測量進行監測基準網建設。以下對測量機器人做一介紹。

測量機器人具有極高的智能化和自動化，標稱測角精度為±0.5″，測距精度為(0.6mm+1ppm×D)，具有自動目標識別(Automatic Target Recognition)簡稱ATR，具有4重角度探測，儀器有伺服馬達旋轉180°只需2.3s，倒鏡只需2.9s，自動搜索圓棱鏡能達到1000m，能對目標棱鏡進行快速自動識別照準，按照設計觀測順序自動進行多測繪數據采集記錄。測量機器人具有以下優點：①外部觀測環境受限條件少；②ATR測角精度達到±0.5″；③測距精度0.6mm+1×10-6D；④可以精確進行氣象元素改正；⑤機載多測回測角軟件程序控制進行自動測量，能極大減輕作業人員勞動強度和節省9/10的作業時間；⑥可以進行全時段觀測；⑦在觀測過程中自動監測各項觀測限差，若限差超限還能自動進行補測重測；⑧同一測站多測回觀測時速度快，有效克服外界因素影響。

通過該方法，有效克服寶瓶河水電站大壩監測外界環境的影響，提高監測精度和效率，降低作業難度和成本。

3 監測基準網方案

3.1 基準網觀測等級選擇及技術要求

根據SL197—2013《水利水電工程測量規范》中表11.12.2各工程類型首級平面控制網等級選擇規定，大型水利水電工程中的土石建筑物，首級平面控制網等級可以選擇3、4等，由于該工程為中型水利水電工程，大壩為2級建筑物，故該工程大壩監測基準網等級選擇為3等。根據SL197—2013中表11.12.4-1 邊角組合網、測邊網技術要求規定，該電站大壩基準網建設技術要求為邊長300～1000m，測角中誤差±1.8″，三角形最大閉合差±7.0″，平均邊長相對中誤差1/150000，測距儀標稱精度±3mm/km。

3.2 基準網布設及觀測方法

3.2.1基準網布設

本項目先期對原有監測基準網進行踏勘與分析，能使用的只有大壩壩頂右岸基巖上的BK1和溢洪道旁邊基巖體上的BK2。根據現場分析，其他已有基準點都無法使用，要控制大壩區域還需要建設5個基準點，以保證監測基準網幾何強度最高、精度最優為原則。根據現場地形地貌條件，在大壩左岸山腰基巖處增設BK3，在左岸泄洪沖沙閘上增設BK4，在庫區上游能通視的基巖上增設BK5，在右岸庫區上游增設BK6，在庫區上游右岸垂直于大壩處增設BK7，這樣構成一個最優監測基準網，最弱點有3個通視方向，最強有6個方向。如圖1所示。

圖1 基準網布設

3.2.2觀測方法

先期選擇使用原有控制網BK1作為起算數據X=2000.0000、Y=2000.0000，使用BK1與BK6的方位角作為起算方位角，使用BK1至BK6的水平距離推算BK6的平面坐標為X=1560.4920、Y=1803.4390。

根據邊角組合網、測邊網技術要求結合TS50觀測速度我們選擇9個測回組合，觀測邊角順序為：①將BK1作為測站觀測至BK6、BK4、BK3、BK2、BK7的夾角與邊長；②將BK2作為測站觀測至BK6、BK3、BK1、BK7的夾角與邊長；③將BK3作為測站觀測至BK1、BK7、BK6、BK4、BK2的夾角與邊長；④將BK4作為測站觀測至BK1、BK7、BK6、BK5的夾角與邊長；⑤將BK5作為測站觀測至BK6、BK4、BK7的夾角與邊長；⑥將BK6作為測站觀測至BK1、BK7、BK5、BK4、BK3、BK2的夾角與邊長；⑦將BK7作為測站觀測至BK1、BK6、BK5、BK4、BK3、BK2的夾角與邊長。

3.3 基準網數據平差處理

3.3.1基準網平差模型的特點與選擇

監測基準網特點有：多余度觀測、多測回觀測、網形幾何精度高、測量方法手段先進、人員操作要求高、系統誤差對監測基準網成果影響小等。

本次邊角組合網采用經典自由網平差，因在網形中只給定必要起算數據BK1和BK6。只有5個未知點，總觀測測段數有16個。

3.3.2數據處理

使用測量機器人配套的LGO多測回數據處理軟件以及南方平差易軟件，對數據進行平差計算，多測回觀測成果見表1—2，平面點位誤差見表3，平面點間誤差見表4，數據成果見表5。

3.4 精度分析

對測量機器人多測回觀測原始數據分析得：在多測回數據中，可以看出測回間和盤左盤右測角互差均小于1.8″，同樣的方法若人工操作觀測無法達到該精度。斜距觀測中，測距精度優于0.5mm，該精度在這種氣象復雜的觀測條件下是相當有難度的。

表1 多測回觀測成果表(盤向I)

表2 多測回觀測成果表(盤向II)

表3 平面點位誤差表

表4 平面點間誤差表

表5 數據成果表 單位：m

由原始觀測數據可以得出本項目平均邊長為303.8786m，最大邊長為515.2820，最小邊長為127.2787，測角中誤差為1.2″，經平差計算后三角形最大閉合差為-1.7″，由平面點位誤差表和平面點間誤差表分析看出，最大點位誤差為BK5的1.3mm，最小點位誤差為BK7的0.5mm，邊長點間相對中誤差最優則達到了1/1038951，最弱邊為最短邊BK1-BK2邊長點間相對中誤差也達到了1/273517。與技術要求對比表明：精度遠遠優于3等邊角網技術要求，且優于2等邊角網技術要求。

4 結論

通過將測量機器人用于寶瓶河水電站大壩變形監測基準網建設可知，該設備性能優良，使用方便，ATR測角精度優于市場任何一款儀器設備，具有測距精度高、觀測智能化程度高、測回間觀測速度快的優勢。從監測結果來看，成果可靠性高，精度有保障，為及時、準確、科學地分析和預報大壩的變形狀況提供可靠的數據支撐，尤其適合于高山峽谷地段的大壩高精度基準網建設。