北疆某引水樞紐變形監測方案設計

高 鑫

(水利部新疆維吾爾自治區水利水電勘測設計研究院，烏魯木齊 830000)

1 概 述

引水樞紐在施工及運行過程中，由于多種因素的影響，會產生一定的變形。按照規范(或設計)要求，當變形量在規定的范圍內，認為是正常現象，處于安全穩定狀態；如果變形量超過規定的允許限度，就存在一定的危險性，嚴重的還會發生跨塌的安全事故[1]。因此，變形觀測是準確掌握變形規律，及時作出分析預報，為引水樞紐的運營維護管理提供科學數據。同時，變形觀測也為設計、施工提供及時可靠的資料，并結合相關的分析和預測方法，將有效地評估引水樞紐工程的穩定性。

北疆某調水工程包括攔河引水樞紐、泵站及水庫等建筑物，分屬3個不同地區，為了方便起見，本文統稱為引水樞紐。通過分析該引水樞紐變形因素，對整體變形監測方案進行設計，以期對類似工程的變形監測布置提供參考。

2 變形因素分析

引水樞紐由于本身的自重、混凝土的收縮、沉陷及溫度變化等荷載原因，將產生平面和垂直位置的相對移動。地質構造、地震因素能否使基礎受到水平或垂直方向的應力作用，還有待分析論證[2]。

2.1 變形監測周期及其精度要求

要達到變形監測的預期目的，必須通過對變形監測對象的分析，提出應有的監測精度、合適的監測頻次，制定相應的設計方案。

2.1.1 變形監測的周期

蓄水前應全面觀測一次，這期間變形監測量主要是檢驗施工質量，設計的正確性是蓄水期的初始觀測值。在觀測過程中，如有基礎附近地面荷載突然增加、長時間連續降雨等情況，均應及時增加觀測次數。當壩體突然發生大量沉降、不均勻沉降或嚴重裂縫時，應立即連續觀測。

表1 變形監測周期

特別需要說明的是，所謂初始值不僅僅是指點的坐標，還包涵以下內容：確定的觀測網形、觀測方法；確定的平差基準、平差方法；點的坐標、權逆陣(協方差矩陣系數)、單位權中誤差；確定橫向、軸向及徑向、切向等。

2.1.2 變形監測等級及精度要求

根據《水利水電工程測量規范》(SL 197-2019)11.13.2條的規定：混凝土壩、建筑物工程變形監測等級劃分為二等，土石壩監測劃分為三等[3]。精度要求應符合表2的規定。

表2 變形監測的等級及精度要求

基準點、工作基點、變形監測點的劃分主要是根據標點的功能與位置不同確定的。監測基準網和監測工作網的層次主要是根據網的作用不同來劃分的。監測基準網和監測工作網可分層次不分等級，按同等精度觀測[1]。

2.2 變形監測的基準

變形監測網中各點的變形分析是建立在多期重復觀測相比較的基礎上，因此需要有一個統一的基準。采用的基準不同，相應的網點位移量也會不同。點的位移總是相對于一定的基準而言。

監測網有兩種：一種是固定基準，在各期觀測周期中是不變的，網的平差很簡單，用傳統的經典平差基準；另一種是重心基準，是指沒有必要起始數據的控制網，存在參考系秩虧問題，這時就要采用秩虧自由網平差基準。一般首次觀測采用固定基準，后續觀測中，如果基準點未發生變形，仍采用固定基準。只有基準點發生變形時，就要進行基準轉換，采用重心基準，所以平差基準存在兩種，即固定基準和重心基準。為了真實反映觀測的變形量與實際一直，不管是哪種基準，都要建立變形監測坐標系統。

3 變形監測網布置

3.1 平面監測網

隨著GPS接收機性能的提高和軟件處理技術的進步，GPS相對定位精度從以前的10-6提高到10-7或更高量級。GPS觀測具有時間短、測站間無需通視、儀器操作簡便、全天候定位等特點，其精度和效率顯然優于常規儀器。所以，平面變形監測控制網可以采用GPS 定位技術。

3.1.1 主要技術要求

變形監測衡量精度主要是點位中誤差，水利水電工程測量規范對水平位移監測網的主要技術要求作出規定，見表3。

表3 水平位移監測網的主要技術要求

3.1.2 控制網設計

控制點由基準點和工作基點組成，是變形觀測的基礎，必須保證堅固和穩定，因此點位應選在大壩以外、地質條件好又能夠永久保存的地方。

1)攔河樞紐：將兩個端點LE1、LE2納入GPS監測網，進行觀測。其它點作為監測點。在下游方向布設2個工作基點，工作基點外布設4個基準點，設計監測點17個，共有23個點。建議使用測量機器人進行自動化監測，能夠控制成本，而且監測的精度也符合要求。根據情況可以將測量機器人布設在工作基點上，然后將監測棱鏡布設在原設計的位移監測點處。也可采用GNSS測量自動監測系統。見圖1。

圖1 變形監測網布置圖

2)分水閘：直線上的兩端點作為2個工作基點，外圍穩定區域布置3個基準點，閘門墩兩側監測點17點，共有22個點。建議采用測量機器人自動監測系統。

3)站廠房：外圍布設4個工作基點，工作基點外布設不少于4個基準點。雙井子泵站監測點均在廠房內，可考慮增設2個工作基點。設計監測點28個，建議采用測量機器人自動監測系統。

4)水庫：在外圍布設3個基準點，設計位移監測點26個，垂直位移監測點26點，點位可以共用，則共有29個點。建議采用GNSS測量自動監測系統。

3.1.3 控制點埋設

點位應頂空開闊、視場內障礙物的高度角不宜大于15°，并應遠離大面積水域、大功率發射臺或高壓線，其距離不宜小于50 m。應建造具有強制歸心裝置的混凝土標墩，觀測墩應建立在穩固的基巖或堅實的土基上。若不能滿足穩定要求，應進行基礎加固處理。

3.2 高程監測網

3.2.1 主要技術要求

根據規范要求，混凝土建筑垂直變形監測布設二等水準高程網，土石壩垂直變形監測布設三等水準高程網。見表4。

表4 水準測量的主要技術要求

2.R為檢測測段的長度，km；K為路線、區段或測段長度，km；L為符合路線或環線長度，km；n為測站數。R<1 km時，按1 km計，K<100 m時按100 m計。

3.當每千米水準測量單程測站數n>16站，可按n計算高差不符值。

3.2.2 水準網設計

控制點由基準點和工作基點組成，工作基點是垂直變形觀測的基礎點，必須具有足夠的堅固和穩定。根據庫區地形特點，在大壩下游較近處布設不少于3個工作基點。為了檢驗點位的穩定性，還應在外圍地質條件穩定區域布設3個水準基準點，選在地質條件好、又能夠永久保存的地方。有條件時垂直監測網最好與平面監測網共用一個點，即觀測墩頂部安裝有強制對中底盤，觀測墩底座安裝有水準標志。

1)攔河樞紐：在距攔河樞紐1 km以外布設2座水準基點，基點至攔河樞紐之間布設不少于3個水準工作基點，垂直監測點與水平位移觀測墩共用一個點。

2)泵站、廠房：共同布設一個水準網，在1 km以外布設2座水準基點，基點至分水閘之間布設不少于3個水準工作基點，分水閘和泵站垂直監測點與水平監測點可以共用。

3)水庫：距水庫2 km以外布設2座水準基點，在大壩外圍布設不少于3個點作為水準工作基點，垂直位移監測點與水平位移觀測墩可以共用。

4 變形分析

4.1 點位穩定性分析

變形分析的重要步驟之一是點位穩定性分析。不管是基準點還是工作基點、測點都要經過點位穩定性分析。只有經過這一步分析，才能確定變形體外圍基準點、工作基點是否穩定。測點經過點位穩定性分析后，就能確定是否位移及位移量的大小。

點位穩定性分析方法很多，歸納起來有兩種：一是先進行兩周期圖形一致性檢驗(或稱整體檢驗)，如果檢驗通過，則認為所有參考點是穩定的；否則，就要找出不穩定的點，尋找不穩定點需要人工干預，方法較為復雜。二是利用兩期觀測，以多組起始數據平差所得兩期坐標差，或利用多期觀測，每兩期所得坐標差計算其均值或均方差，如果點位沒有位移，它們就應小于極限誤差即中誤差的t倍。其特點是直接求得點位是否穩定，稱為限差檢驗法。

4.2 監測資料的整編和分析

主要內容包括觀測資料整理、繪制位移過程線、監測資料分析及變形預報。在獲得目標點的三維坐標值，便可以根據實際的情況判定建筑物的變形狀況。當監測物出現較為明顯的裂痕，觀測的周期便需要作出調整，通過多個周期的觀測，進行匯總分析。按照時間順序，將監測的數據進行分析和處理，便能夠預測出建筑物變形的發展趨勢和速率。將監測的結果用折線圖的方式呈現出來，就可以看到監測樁所有周期的監測結果。對觀測目標點的數據進行總體分析，還可以獲得建筑物變形的最大區段及可能造成的影響。針對可能發生的情形，便可預先制定相應的預案，降低變形造成的不利影響。

5 結 語

建立一個可靠、高效能實時分析、快速反饋的安全監測系統，是一個復雜的系統工程，涉及多個專業和學科，需要統籌考慮、精心設計，以使監測系統的總體結構優化、布置方案合理。該工程的安全監測設計，遵照“以變形監測為重點，儀器布置少而精”的設計思想，建立起一套合理、高效的變形監測系統[4]。該系統既有監視工程安全的靈敏“耳目”，又有分析判斷工程安全程度的智能“頭腦”，希望對類似樞紐工程的變形監測起到參考的作用。