基準線法儀器實現超量程觀測技術的研究與應用

羅 正 英， 黃 會 寶， 江 華 貴

(國能大渡河流域水電開發有限公司，四川 成都 610041)

0 引 言

大壩、高邊坡及其它構筑物變形，常用視準線、激光準直、垂線等基準線法來監測位移量。所謂的基準線法，是應用兩端工作基點固定一條基準線原理來測量兩端基點之間各測點變化量的一種觀測方法。這些測量儀器因受到現場場地空間和監測系統工程造價等諸多因素的影響，其測量總量程一般在50～200 mm之間，正負量程為25～100 mm。由于觀測儀器測量量程偏小，盡管如真空管道激光準直、垂線等高精度觀測儀器綜合測量性能十分優越，但很難推廣應用在如土石壩、高邊坡及其它構筑物大位移量觀測中。為此，研究儀器超量程觀測裝置和數據銜接方式，確保變形觀測精度以及資料序列的連續性是十分必要的，對其拓寬基準線法小量程儀器的應用范圍更具有重大的現實意義。

1 變形觀測中常用的基準線法及其優缺點

1.1 變形觀測正負規定

水平位移：上下游方向(X)規定向下游位移為正，反之為負；左右岸方向(Y)規定向左岸位移為正，反之為負。

垂直位移：鉛直方向(Z)規定下沉為正，上抬為負。

1.2 視準線法

視準線法是以建筑物兩端的工作基點所控制的視準線(兩個工作基點的連線)為基準，使用經緯儀和覘標來測量建筑物上測點X方向的位移量。按使用的工具和作業方法的不同，又可分為活動覘標法或小角度法。目前活動覘標活動范圍有0～100 mm、0～160 mm、0～200 mm等多種規格[1]。

1.3 垂線法

垂線法是用一根鋼絲將一端固定另一端采用重錘或浮筒鉛直張緊的基準線，采用垂線坐標儀來測量建筑物沿線不同高程測點對于垂線固定點的水平投影距離，求出各測點X和Y方向的位移量。垂線按端點固定的位置不同，可分為正垂線和倒垂線。目前垂線坐標儀有光學式(規格有0～50 mm、0～100 mm)、步進電機式(規格有0～50 mm、0～100 mm、0～150 mm)、電容式(規格有0～10 mm、0～25 mm、0～50 mm、0～100 mm)、CCD光電式(規格有0～25 mm、0～35 mm、0～50 mm、0～100 mm)等多種類型和規格。

1.4 激光準直法

激光準直法(波帶板激光準直法)是利用激光的方向性強、亮度高、單色性和相干性好等特點，以及波帶板激光衍射原理，按照三點準直方法，將激光點光源和光電探測器分別安裝在發射端和接收端的固定工作基點上，波帶板安裝在位移標點上，從激光點光源發射出的激光束照滿波帶板后在接收端上形成干涉圖像，通過測定圖像的中心位置可求出測點X和Z方向的位移量。目前，真空管道常用的規格有Φ159 mm、Φ219 mm、Φ273 mm、Φ325 mm管徑[2]，對于基準線較長的一般采用變徑管道。

2 儀器超量程觀測裝置和數據銜接方式

2.1 實現儀器超量程觀測的基本方法

視準線、激光準直、垂線等基準線法，在混凝土壩等建筑物小變形監測中應用十分成功，因受儀器量程、場地空間和監測系統工程造價等諸多因素的影響，在土石壩等建筑物大變形監測中應用較少。在工程監測中，若遇測點變形超出了所選儀器的測量量程，一般有以下兩種處理方式：

(1)當預計測點位移量大小有現成的儀器產品滿足測量要求，就采取更換儀器規格來延續觀測。

(2)當預計測點位移量大小有現成的儀器產品時，若超量程的是個別測點就中斷個別測點的后續監測；若超量程的測點多就中斷該觀測項目，待進行整改恢復后才能延續觀測。

以上兩種處理方法，不僅額外地增加了工程監測費的投入，而且還中斷了監測資料的連續性，對后續資料的系統分析增添了許多難度，而且還不易真實地反映出工程的實際變形情況。

經深入分析基準線法布設特點和建筑物變形規律后認為：除以上兩種處理方式外，還有第三種處理方式，即在測點墩或管道支墩基座板上增加一個儀器設備可移動的裝置，當在觀測過程中預計某些測點即將超儀器量程時，通過調整儀器設備可移動該裝置，就可實現儀器超量程觀測，同時在儀器設備移動前后增加觀測頻次，就能保證監測資料序列的連續性和可靠性。若將儀器設備可移動裝置調節范圍增大，那么基準線法的儀器設備就能拓寬應用范圍，促使大變形量如土石壩等建筑物變形監測的觀測精度得到大幅度的提高。

2.2 基準線法儀器設備可移動裝置

2.2.1 真空激光準直測點墩和管支墩移動式支撐基座

真空激光準直原測點儀器箱和真空管道，分別固定在測點墩和管支墩的基座板上。當測點墩或管支墩位移超設計量程后，從發射端激光點光源發射出的激光束則無法通過真空管道測量測點的偏移值，從而導致監測數據中斷，使系統處于癱瘓狀態。若在系統設計時，在測點儀器箱與測點墩基座板之間和真空管道與管支墩基座板之間增加一種在X和Z方向的移動裝置,改進后的裝置見圖1，就可以彌補真空激光準直法的技術難題。如果將測點墩和管支墩在X方向適當增長和在Z方向的螺桿調節范圍增大，就可應用在如土石壩之類的大變形量監測中。測點墩移動式支撐基座主要由基座板、儀器連接板和調節螺桿組成，其中在基座板和儀器連接板上開有長條孔，松動調節螺桿螺母可進行X和Z方向的移動。管支墩移動式支撐基座由基座板、管支承板、管道輥軸、側向擋板和調節螺桿組成，其中在基座板和管支承板上開有長條孔，松動調節螺桿螺母可進行X和Z方向的移動。

(1)改進前 (2)改進后圖1 真空激光準直測點和管支墩基座改進前后示意圖

2.2.2 垂線測點墩移動式基座

垂線原測點儀器，包括自動和人工觀測儀器均固定在測點墩的基座板上。當測點與垂線相對位移超設計量程后，將無法測到測點的偏移值，從而導致監測數據中斷，系統處于癱瘓狀態。這里以人工觀測的光學垂線坐標儀為例，若在系統設計時，在測點儀器強制對中板與測點墩基座板之間增加一種在X和Y方向的移動裝置，改進后的裝置見圖2，就可以解決使用垂線法時出現的技術難題。如果將測點墩在X和Y方向適當增長，就可應用在X、Y方向大變形量監測中。測點墩移動式基座由基座板、儀器連接板和緊固螺栓組成，其中在基座板和儀器連接板上開有長條孔，松動緊固螺栓就可在X和Y方向的移動。

a.改進前 b.改進后圖2 垂線測點墩基座改進前后示意圖

2.2.3 視準線活動覘標測點墩移動式基座

視準線原測點活動覘標，直接放置在測點墩強制對中板上。當測點與垂線相對位移超設計量程后，將無法測到測點的偏移值，從而導致監測數據中斷，系統處于癱瘓狀態。若在系統設計時，在測點墩與強制對中板之間增加一種在X方向的移動裝置，改進后的裝置見圖3，就可以解決在使用視準線活動覘標法時出現的技術難題。如果將測點墩在X方向適當增長，就可應用在土石壩大變形量監測中。測點墩移動式基座由基座板、儀器強制對中板和緊固螺栓組成，其中在基座板上開有長條孔，松動緊固螺栓可在X方向的移動。

a.改進前 b.改進后圖3 視準線測點墩基座改進前后示意圖

2.3 數據銜接方式

基準線法采用以上的移動式裝置，必須隨時分析和掌握各測點的位移變化情況，當發現某測點偏移值有可能超出儀器量程時，應按以下方法及時調整測點墩或管支墩移動式裝置，并在調整前后增加觀測頻次，合理、正確地將前后段的測點數據銜接起來，確保觀測資料序列的連續性和可靠性。

無管道的基準線：如視準線和垂線，當發現測點出現較大位移或位移變化跡象有可能超出儀器測量量程時，應及時增加觀測頻次，分析和掌握發展趨勢。一旦確定偏離值即將超出儀器測量量程時，應立即調整測點墩的移動式裝置以滿足后續觀測要求。

有管道的基準線：如真空激光準直，超出設計量程有兩種情況，第一種情況與無管道的基準線相同，處理方式大致相同，不同之處是還要對測點相鄰的管道進行適當的調整；第二種情況是管支墩位移引起的基準線相撞，這時只需調整管支墩的移動式裝置，并滿足后續觀測要求即可。

以上在調整移動式裝置前后，要進行多次的重復觀測，剔除粗差后，取其前后觀測數據的均值之差作為該測點儀器移動前后段觀測資料的固定常差(系統誤差)。初期可將該測點后續的觀測數據減去固定常差后與前期的觀測數據銜接，后期可采用統計模型計算出固定常差來修正，從而就確保了觀測資料序列的連續性和系統資料的整體性。

3 工程應用實例

瀑布溝水電站大壩為礫石土心墻堆石壩，壩高186 m，壩頂長540.5 m，壩基覆蓋層最大厚度75.36 m，總庫容53.37億m3。設計在基礎廊道布置了一條長338 m的管徑為Φ219 mm的真空激光準直系統，發射端和接收端分別位于右岸和左岸的基巖上，在河床覆蓋層段共布設了9個測點，用于監測基礎廊道水平和垂直方向的位移量。

在壩體集水井施工期過程中，由于抽水泵故障導致水淹真空激光系統和兩端觀測房，系統處于癱瘓狀態。

在2011年的恢復過程中，對其真空激光準直系統應用土石壩監測的可行性進行了充分的論證。根據前期廊道沉陷和測斜管觀測資料分析成果得知，河床中部最大沉降量為110.4 mm，向下游位移量為127.57 mm，而Φ219 mm的真空激光準直系統在河床中部允許的最大位移量變幅約為100 mm[3]，由此說明，采用Φ219 mm管徑的真空激光準直系統監測是有難度的。為此設想了多種恢復方案進行比較，最后確定保留原有的真空管道，采用測點墩和管支墩移動式支撐基座，實現儀器超量程觀測。

依據瀑布溝大壩基礎灌漿廊道變形規律以及預計的位移變幅，確定測點墩和管支墩的尺寸。管支墩：將位于發射端與相鄰測點墩、接收端與相鄰測點墩之間的管支墩尺寸沿Y方向定為30 cm，沿X方向定位40 cm；其余的管支墩尺寸沿Y方向定為30 cm，沿X方向定位50 cm。測點墩尺寸：沿Y方向定為53 cm，沿X方向定位60 cm。另外考慮到X方向的位移趨勢是向下游變化，因此，將測點墩和管支墩的激光軸線位置分別定于距上游側25 cm和20 cm之處。這樣，當測點墩或管支墩向下游位移時，移動式支撐基座可向上游調整的最大幅度為0～170 mm；當測點墩或管支墩向上游位移時，移動式支撐基座可向下游調整的最大幅度為0～70 mm。Z方向位移一般呈下沉趨勢，暫選定160 mm長的螺桿，當實際變形不能滿足調節需求時再更換螺桿長度。

將儀器超量程觀測技術座應用于瀑布溝大壩基礎灌漿廊道真空激光準直系統十分成功，為后期的變形監測以及資料序列的連續性和系統資料的可靠性分析提供了可靠的根據。

4 結 語

常用的視準線、激光準直、垂線等基準線法，盡管儀器規格類型多，但推廣應用在如土石壩之類的大變形量監測中卻很少見。究其根本原因，是受這些儀器設備自身的結構特點以及現場場地空間和工程監測系統建設造價等諸多因素的影響，導致在建筑物的大變形量監測中形成技術難題。為此，通過對儀器超設計量程的常規處理方式進行了深入地分析，結合基準線法的布設特點和建筑物的變形規律，提煉形成了基準線法，實現超量程觀測的技術。采用基準線法測點墩或管支墩移動式基座和相應的觀測方法，不僅可以增大基準線法儀器的量程，將推廣應用在如土石壩之類的大變形量監測中，而且還可確保觀測資料序列的連續性和系統資料的整體性，為準確分析和揭示建筑物真實的變形情況提供了數據保障。另外，采用此觀測技術后，還可以將基準線法的測量儀器統一到一個常用的規格水平上，從而可以節省許多費用。