鍋浪蹺水電站大壩變形監測網復測及穩定性分析

白 雷 雷

(大唐雅安電力開發有限公司,四川 雅安 625500)

0 引 言

大壩變形監測網是在壩址區開展各種安全監測的坐標基準,它由垂直位移監測網和平面位移監測網組成,但大壩監測網點要受施工、交通、泄洪、地震、滑坡等外部環境的影響。為了保證安全監測的精度,需要按照相關規范定期對大壩監測網進行復測。《土石壩安全監測技術規范》[1]規定,壩區平面和垂直位移監測網在施工期、首次蓄水期、初蓄期、運行期都要定期復測。

鍋浪蹺水電站位于四川省雅安市天全縣喇叭河鎮境內,系青衣江一級支流天全河梯級開發中的龍頭電站。電站總庫容1.84億m3,調節庫容1.31億m3,具有年調節能力。電站正常蓄水位1 280.00 m,設計洪水位1 280.56 m,校核洪水位1 282.34 m,擋水建筑物為混凝土面板堆石壩,最大壩高186.30 m。大壩工程按Ⅰ級建筑物設計,泄水建筑物按Ⅱ級設計,引水發電系統及廠房按Ⅲ級建筑物設計。鍋浪蹺水電站2022年10月通過一期蓄水驗收,2022年12月四臺機組全部投產。

水電站大壩監測網建立于2021年11月。2022年9月5日瀘定縣發生6.8級地震,電站樞紐區有明顯震感,所以,開展大壩監測網的復測工作對保持大壩監測基準的穩定性、監測成果的準確性和一致性具有重要意義。電站大壩監測網復測工作于2023年5月下旬至6月上旬完成。由于監測網精度等級高和復測的專業性強,故將復測經驗加以總結,可為類似項目提供有益參考。

1 鍋浪蹺水電站大壩監測網概況

鍋浪蹺水電站大壩監測網包括平面位移監測網和垂直位移監測網。為了保證水電站各個階段監測資料的有效銜接和監測工作的一致性,大壩監測網沿用了前期監測工作采用的平面坐標系統和高程系統。平面坐標系統為掛靠在1954年北京坐標系下的獨立坐標系,中央子午線102°31′,地球平均曲率半徑R=6 367 500 m,邊長投影面高程Hm=1 200 m;高程系統為1956年黃海高程系統。

1.1 垂直位移監測網

水電站垂直位移監測網布設為水準網,水準路線見圖1。它由附合水準線路Ⅲ05-BM02-1-BM02-G05x-G03x-G01x-BM04-1-G06x-BM03-BM03-1和支水準線路BM04-1-G04x-G02x組成。其中G01x、G02x、G03x、G04x、G05x、G06x為平面監測網點G01、G02、G03、G04、G05、G06的下標;Ⅲ05為施工期平面控制網點,也是首次觀測時的高程起算點。

圖1 水準路線

水準測量的等級為一等,主要精度要求[2]為每千米水準測量的偶然中誤差不應超過±0.45 mm。

1.2 平面位移監測網

電站平面位移監測網布設為邊角網。本網包含G01、G02、G03、G04、G05、G06、Ⅲ05、Ⅲ20等8點,各點預埋了強制對中盤的觀測墩,平面位移監測網形見圖2。Ⅲ05和Ⅲ20為施工控制網點,Ⅲ05本年度新納入平面位移監測網,G01-Ⅲ20為建網時的起算方向,Ⅲ20僅和G01通視,在日常監測中未使用。

圖2 平面位移監測網形

平面位移監測網的等級為一等。主要精度要求[3]為點位中誤差±1.5 mm,平均邊長300～700 m,測距中誤差≤(1+1ppm×D)mm,測邊相對中誤差≤1/300 000,測角中誤差≤±0.7″。

2 垂直位移監測網復測

垂直位移監測網復測包含水準觀測、觀測成果整理與計算、起算數據的選取、平差計算等內容。

2.1 水準觀測

投入的儀器為DINI03水準儀和因瓦水準標尺。DINI03水準儀的標稱精度為±0.3 mm/km,滿足一等水準對水準儀精度的要求。水準儀和水準標尺的鑒定證書在有效期內。水準儀使用前、中、后進行了i角測定,i角小于限差15″。

一等水準測量采用單線路往返測,同一測段的往返測沿同一線路進行,往測和返測的測站數為偶數。往測轉向返測時,兩支標尺互換位置并重新整平儀器后進行觀測。

水準觀測在標尺分劃成像清晰穩定時進行,測站主要技術要求見表1。

表1 測站主要技術要求

對數字水準儀,同一標尺兩次讀數差不設限差,兩次讀數所測高差的差執行基輔分劃所測高差之差的限差。

DINI03水準儀觀測時,照準標尺的順序為奇數站“后—前—前—后”、偶數站“前—后—后—前”。測站觀測限差見表2。

表2 測站觀測限差

2.2 觀測成果的整理與計算

一等水準測量測段的往返測高差不符值、環閉合差和檢測高差之差的限差應不超過水準測量成果檢驗標準(表3)。

表3 水準測量成果檢驗表

測段高差在平差前還進行了尺長改正和溫度改正。一測段高差的尺長改正計算公式為:

δ=f×h

(1)

式中f為往測或返測高差值,m;f為標尺改正系數,mm/m。本次使用水準標尺的尺長改正系數為0.010 mm/m。

一測段水準高差的標尺溫度改正計算公式為:

?=∑[(t-t0)×a×h]

(2)

式中t為標尺溫度,℃;t0為標尺長度檢定溫度,℃;a為標尺銦瓦帶膨脹系數,mm/(m·℃) ,h為測溫時段中的測站高差,m。檢定證書中給出t0為20 ℃,河北珠峰儀器儀表設備有限公司生產的精密因瓦水準標尺的因瓦合金帶線膨脹系數a≤1.3×10-6mm/(m·℃),本處a取經驗值1.0×10-6mm/(m·℃)。

本次測量時測段標尺溫度改正的最大數值為0.17 mm。

測段高差經過尺長改正和溫度改正,取往返測高差中數作為測段高差參與平差計算。

2.3 起算數據的選取

2021年監測網建立時新建了6個水準點,分別為BM02、BM02-1、BM03、BM03-1、BM04、BM04-1。本次復測時BM04被渣土遮擋,其余5個點位保存完好。采用測段高差比較的方法來判斷水準點的穩定性。BM02-BM02-1、BM03-BM03-1、BM02-BM03測段2021年測量高差、復測高差及較差見表4。

表4 2021年測量高差、復測高差及較差

從表4可知測段BM02-BM02-1、BM03-BM03-1、BM02-BM03高差較差較小,由此判斷BM02、BM02-1、BM03、BM03-1等四點穩定,可以作為垂直位移監測網平差的起算點。

2.4 平差計算

采用EpsNas2016測量控制網平差系統平差時,輸入各測段的高差和長度、固定BM02、BM02-1、BM03、BM03-1等4點的2021年高程成果,約束平差后得到了其余各點高程成果和精度信息。平差后的單位權中誤差為±0.74 mm,精度最弱點為G01,精度為±0.78 mm。

3 平面位移監測網復測

平面位移監測網復測包含數據采集、外業成果整理與計算、起算數據的選取、平差計算等內容。

3.1 數據采集

投入的主要儀器有TM60全站儀、徠卡圓棱鏡、干濕溫度計、氣壓計。TM60全站儀的標稱測角精度為±0.5″,測距精度為±(0.6 mm+1 ppm×D)[4]。它是精度最高的全站儀之一,是一種可以自動搜索、跟蹤、識別和精確照準目標,獲取并記錄水平角、垂直角、邊長、三維坐標等信息的高精度智能全站儀,能滿足一等邊角網對全站儀的要求。所使用全站儀的檢定證書在有效期內,加常數為-0.67 mm,乘常數為-1.69 mm/km。儀器狀態良好,并在觀測前后對儀器的主要性能指標進行必要的檢驗和校正。

水平角觀測時采用方向觀測法觀測12測回,水平方向觀測限差見表5[5]。

表5 水平方向觀測限差

當照準點的垂直角大于±3°時,該方向的2C互差可與同一觀測時間段內的相鄰測回進行比較。

每條邊需要對向觀測,邊長觀測時一測回中各次讀數差限差為1 mm、一時段內測回差限差2 mm。邊長讀數至0.1 mm,計算至0.01 mm。干溫和濕溫讀至0.1 ℃,氣壓讀至0.1 mbar。儀器高和棱鏡高量取基點為高程標志頂部,對于高程標志已經破壞的點位,量至盤面中心處。儀器高和棱鏡高需二次量取,讀至0.1 mm。

垂直角按中絲法觀測,分別進行對向觀測。垂直角觀測限差為二次照準目標讀數差4″、一測回中各方向指標互差8″、測回差5″。對向觀測高差不符值按三等三角高程測量的精度要求。

TM60全站儀自動測量時,測量邊長為氣象改正等于零的邊長,邊長、水平角、垂直角都測量12測回。測回數和邊角觀測限差在“三維變形監測軟件”中預置, 當測值超限時全站儀自動重新測量。

3.2 外業成果整理與計算

3.2.1 實測斜距的氣象、加乘常數改正

TM60全站儀實測邊長的氣象改正公式為:

(3)

式中p為氣壓,mbar;t為空氣溫度,℃;h為相對濕度,%;α=1/27 315,x=[7.5×t/(237.3+t)]+0.785 7

加乘常數改正[6]:

S2=S2(1+R/1 000 000)+K/1 000

(4)

式中 加常數K=-0.67 mm、乘常數R=-1.69 mm/km。

3.2.2 計算折光系數和三角高差

經過氣象、加乘常數修正后的邊長可以計算平距、折光系數、三角高差。

平距計算公式:

D=S2sinα

(5)

單向三角高差計算公式:

(6)

對向觀測時折光系數K的計算公式:

k=R(hAB+hBA)/D2

(7)

式中D為平距;a為垂直角;hAB為A、B間的三角高差;i為儀器高;V為棱鏡高;k為折光系數,R為地球平均曲率半徑。本次k取值測區各邊折光系數的平均值0.84;R取值6 367 500 m。

一共對向觀測了21段三角高差,每段高差對向觀測較差小于35D。

3.2.3 斜距化平

實測斜距改正后才能化算為水平距離。對于3 km以內的短距離,用兩端點間高差計算水平距離按下式計算[7]:

(8)

3.2.4 高程面投影邊長計算

斜距邊水平距離歸算到Hp高程面上的長度按下式計算:

(9)

式中D0為歸算到某一高程面上的長度;Hp為投影面高程,取值1 200 m;Hm為測距邊兩端點的平均高程;RA為測距邊所在法截線的曲率半徑,取值6 367 500 m。

邊長化算到投影面后比較往返測較差,較差限差為2×(0.6 mm+1 ppm×D)。一共測量了21條邊長。往返測較差小于1/3限差的邊長有16條,占76%;較差在1/3～2/3限差的邊長4條,占19%;較差在2/3～1限差的邊長1條,占5%。

3.2.5 三角形閉合差統計和測角中誤差計算

在EpsNas2016測量控制網平差系統中進行三角形閉合差統計。一共有12個三角形,每個三角形閉合差都小于2.5″。由菲列羅公式計算的測角中誤差為0.65″,小于0.7″。

水平角和投影邊長觀測質量滿足一等邊角網的要求,可以用于平差計算。

3.3 起算數據的選取

平面位移監測網復測涉及的點位為G01、G02、G03、G04、G05、G06、Ⅲ05、Ⅲ20等8點。Ⅲ05首次觀測時未納入平面位移監測網;G01-Ⅲ20為起算方向,Ⅲ20僅和G01通視、且位于大壩上游;從水準測量數據可以看出G01有較明顯位移,故Ⅲ05、Ⅲ20、G01都不適合做復測的起算點。用邊長比較的方法從G02、G03、G04、G05、G06中選擇起算點。2021年邊長、復測邊長及較差見表6。

表6 2021年復測邊長及較差

從表6可知,和G03相關的邊長較差數值為7.4～13.4 mm,G03位移明顯。G04、G05、G06等三點的邊長較差數值都在1 mm以內,G04、G05、G06點位較穩定。考慮到各點在網形中的位置、視線高度等因素,本次選取G04、G05為平面位移監測網平差的起算點。

3.4 平面平差計算

EpsNas2016測量控制網平差系統中輸入水平角和投影邊長,固定G04和G05的平面坐標,約束平差得到其余各點的復測成果和精度信息。

平差后的精度最弱點G01,精度為±0.7 mm;平均邊長為408 m;測距中誤差為±(0.33+0.56×D)ppm,精度最弱邊為G04-G02,比例誤差為1/339 557。各項指標滿足一等平面位移監測網的要求。

4 監測網點的穩定性分析

采用T檢驗法和最小二乘測量平差法檢驗監測網點的穩定性。T檢驗法如下:

4.1 垂直位移監測網點的穩定性分析

BM02、BM02-1、BM03、BM03-1等4點經測段高差比較方法檢驗后認為是穩定點,下面檢驗BM04-1、G01x～G06x的穩定性。BM04-1、G01x～G06x的高程精度、高程較差及穩定性檢驗結果見表7。

表7 高程精度、高程較差及穩定性檢驗結果

從表7可知,采用最小二乘檢驗和T檢驗時G02點穩定性分析的結論不同,其原因是T檢驗時樣本數量太少造成結論不一定正確。其余各點采用兩種方法穩定性分析的結論相同。G02的穩定性還需要進一步分析。

4.2 水平位移監測網點的穩定性分析

Ⅲ05為本次復測時新增點位,Ⅲ20僅在建網時供定向所用,G04和G05已經被判斷為穩定點。下面檢驗G01、G02、G03、G06等4點的穩定性。自由度(n-r)=39,查得t(0.025,39)值為2.02。水平位移監測網的穩定性檢驗結果見表8。

表8 水平位移監測網的穩定性檢驗結果

從表8可知,G01、G02、G03不穩定,G04穩定。

綜合垂直位移監測網和水平位移監測網點的穩定性檢驗可知,水準網點BM02、BM02-1、BM03、BM03-1、BM04-1和平面網點G04、G05、G06穩定,G01、G02、G03發生了位移。

5 結 語

鍋浪蹺水電站2023年度垂直位移監測網復測的每千米高差中數偶然中誤差為±0.38 mm,平差后的單位中誤差為±0.74 mm,最弱點點位精度為±0.78 mm;平面位移監測網復測的最弱點位精度為±0.7 mm,測距中誤差為±(0.33 mm+0.56 ppm×D),精度最弱邊的邊長比例誤差為1/339 557;復測精度達到了一等監測網的要求。

應用T檢驗法和最小二乘測量平差法分析了各監測網點的穩定性,結論為G01、G02、G03等三點不穩定,其余各點穩定。

本次大壩監測網復測方案合理、結果準確、結論正確。建議后續監測時使用本次復測成果,并在日常工作中加強監測網點的保護和網點成果的檢查,確保監測成果的精度和可靠性。