江德軍，黃會寶，柯 虎，熊小虎

(國電大渡河流域水電開發(fā)有限公司，四川 成都 610000)

0 引 言

在水電站運行期，為了保證大壩及邊坡的安全，需要對其進行高頻率、高精度的變形監(jiān)測。由于水電站的特殊條件，傳統(tǒng)的人工測量耗時長、精度低，不但不能及時、快速、準確地反映構筑物結構變形情況，而且人員投入大、作業(yè)風險高，因此水電站自動變形監(jiān)測具有重要的現(xiàn)實意義。

在實際的自動變形監(jiān)測中，觀測的日期和時間跨度大，采用測量機器人自動測量時，必然會受到氣象代表性誤差、大氣折光及其他未知的非線性誤差影響。上述諸多因素又是隨時間、地點和外部氣象條件而隨時變化，在有一定精度要求的變形監(jiān)測中不考慮上述因素的影響，則會給最終的監(jiān)測結果帶來明顯的偏差。而要準確地、因時因地測量上述各參數(shù)難度較大，有時要建立這樣一個系統(tǒng)誤差元素實時獲取的信息系統(tǒng)甚至是不可能的。因此，要建立一個實用而盡可能簡單的自動變形監(jiān)測系統(tǒng)，必須解決用簡單易行的手段實時解決原始觀測值系統(tǒng)誤差改正的問題。

本文依托大渡河流域瀑布溝水電站變形監(jiān)測實際，提出多重極坐標分層差分監(jiān)測方案，分別對斜距、球氣差系數(shù)、水平方位角進行了差分改正，解決了系統(tǒng)誤差高效改正問題。該測量方案在瀑布溝水電站成功應用，系統(tǒng)自建成至今運行狀況良好，監(jiān)測數(shù)據(jù)完整可靠，為大壩安全提供了良好的保障。

1 多重極坐標分層差分基本原理

在變形監(jiān)測區(qū)域布設監(jiān)測基準網(wǎng)點時，選取建造一些穩(wěn)定的，可以覆蓋監(jiān)測區(qū)域且與工作基點性質(zhì)相同的校準基點，將校準基點與測站工作基點之間所形成的邊角關系當作自動變形監(jiān)測改正或消除系統(tǒng)誤差的已知條件。實際觀測時，在工作基點上對變形點進行觀測的同時按方向、按順序?qū)π驶c進行觀測。此時，校準基點的觀測值和原有已知值之間就會存在不符值，這些不符值可認為是氣象等諸多因素在某時綜合影響所造成的。由于采用測量機器人進行自動觀測所需時間短，可近似認為變形監(jiān)測點和校準基點是在同一時刻獲得的觀測值，這些對校準基點產(chǎn)生的綜合影響也會用同樣的方式、不同的量值對其他變形監(jiān)測點產(chǎn)生相似的影響。因此，可以把已知邊、已知點所求得的改正數(shù)或用邊長，或用方向值，或用時間差為引數(shù)，按數(shù)學模型來配賦到未知的變形監(jiān)測點上，以求消除氣象等不確定性因素帶來的測量誤差。

同時，為提高監(jiān)測點與校準基點的共性，提出利用分層(分組)的方法，縮小差分范圍，拉大不同分組測點的差異，提高同一組內(nèi)測點的共性，進一步提高差分改正精度。具體實施時可按照變形監(jiān)測測點所處的高程、平面位置選擇相近高程及平面位置的測點為一個點組。同時，選擇與該點組高程相近、平面位置接近的校準基點進行改正，最終使所有變形測點均處于測站至該點組校準基點所形成的錐形體范圍內(nèi)。另一方面，為減小單一后視點帶來的偶然誤差，可選擇多個后視點，形成多重極坐標，實際測量時取各后視點觀測歸零方向的均值，以提高觀測的精度。

(1)

(2)

式中，Δd為距離氣象改正比例系數(shù)，為了保證Δd的可靠性和準確性，實踐中取多個基準點測定的Δd的中數(shù)，用于相似區(qū)域變形點距離測量的差分氣象改正。

(3)

(4)

hJ=dJ·sinα+儀高J-鏡高J

(5)

式中，dj為監(jiān)測站與某基準點間斜距；α為豎直角。

球氣差改正系數(shù)

(6)

在每周期變形點的監(jiān)測過程中，由于測量時間較短，可以認為c值對基準點及與基準點相近區(qū)域的變形點具有相同的影響，根據(jù)式(7)可求出變形點與監(jiān)測站之間經(jīng)球氣差改正的三角高差

ΔhP=dP·sinα+c·(dP)2·cos2α+儀高P-鏡高P

(7)

式中，dP、ΔhP分別為監(jiān)測站與各變形點間的斜距和高差，求得dP和ΔhP后，根據(jù)式(8)可求出監(jiān)測站至變形點間的平距

(8)

式中，Dp為監(jiān)測站至變形點間的平距。綜合以上各項差分改正，則可按極坐標計算公式可準確求得每周期各變形點的三維坐標。

2 應用實例

2.1 工程概況

瀑布溝水電站位于四川省漢源與甘洛兩縣交界處的大渡河中游，大壩壩型為礫石土心墻堆石壩，最大壩高186 m，水電站正常蓄水位850.00 m，汛期運行限制水位841.00 m，死水為790.00 m，總庫容53.37億m3，為不完全年調(diào)節(jié)水庫。瀑布溝大壩及邊坡外部變形監(jiān)測系統(tǒng)包含原設計的地表變形監(jiān)測控制網(wǎng)、大壩水平位移及垂直位移監(jiān)測系統(tǒng)、近壩邊坡表面變形監(jiān)測系統(tǒng)等。

瀑布溝水電站外部變形監(jiān)測自動化系統(tǒng)于2013年10月開工建設系統(tǒng)一期，2014年7月投入試運行，實現(xiàn)了大壩壩后、溢洪道閘室及壩后左右岸邊坡的全部外部變形測點自動監(jiān)測。2015年底建成系統(tǒng)二期，實現(xiàn)了大壩壩前、拉裂體、古拉裂體及開關站邊坡的外部變形測點自動監(jiān)測。該系統(tǒng)投入運營以來，充分發(fā)揮了設計功能，對既定監(jiān)測目標實施自動化觀測、數(shù)據(jù)全自動處理，采集了大量針對監(jiān)測目標的數(shù)據(jù)信息，為瀑布溝水電站安全運營提供了有力的技術支撐和科學保障。

表1 壩后壩體表面監(jiān)測點精度指標統(tǒng)計

2.2 監(jiān)測方案

瀑布溝大壩外部變形監(jiān)測自動化系統(tǒng)采用以全站儀多重極坐標分層差分為主，GNSS衛(wèi)星定位測量法為輔的水電站大壩及邊坡外部變形遠程自動監(jiān)測方案。在大壩壩后右岸邊坡及壩前放空洞豎井穩(wěn)定基巖處各設置一個觀測站(命名為TB02測站和TB09測站)，其中，TB02測站監(jiān)控大壩壩后、溢洪道閘室及壩后左右岸邊坡測點，TB09測站監(jiān)控大壩壩前、拉裂體、古拉裂體及開關站邊坡測點?？紤]到瀑布溝大壩變形測點分布范圍廣、高差大，將各監(jiān)測測點按照高程及平面位置分層分組觀測。大壩壩后TB02測站監(jiān)控測點分為2層，第一層差分改正點為TB07、TB08、TP56，監(jiān)測壩頂下游側(cè)、壩后806 m高程，溢洪道及溢洪道邊坡，挑流鼻坎、老柯瑪?shù)炔课还?8個測點；第二層差分改正點為TB01、TB03、TP56，監(jiān)測壩后756 m高程和731 m高程上游側(cè)及下游側(cè)部位共15個測點。放空洞豎井TB09測站監(jiān)控測點分為4層，其中，第一層差分改正點為TB10、TB05、TB11，監(jiān)測壩頂上游側(cè)10個測點；第二層差分改正點為TN07、TB12、TB15、TB16，監(jiān)測拉裂變形體下部6個測點；第三層差分改正點為TB12、TB15、TB16，監(jiān)控拉裂體中部6個測點；第四層差分改正點為TB12、TB15、TB16，監(jiān)控拉裂體上部6個測點。

同時在大壩河床部位典型斷面(0+240)設置GNSS監(jiān)測點與棱鏡測點同軸布置，實現(xiàn)對大壩三維位移進行全天候?qū)崟r可靠監(jiān)測。

2.3 監(jiān)測精度分析

2.3.1測量機器人監(jiān)測成果分析

瀑布溝水電站測量機器人自動化監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測點布設較多，不同位置不同時間的監(jiān)測點觀測中誤差各異，限于篇幅，本文以系統(tǒng)運行初期至2017年底為評價時間范圍，以壩后變形測點為評價對象，以評價時間范圍內(nèi)監(jiān)測點變形成果數(shù)據(jù)為基礎，計算其中誤差，計算求得的壩后壩體表面監(jiān)測點精度參數(shù)如表1所示。

由表1可見，壩后監(jiān)測系統(tǒng)觀測成果的平面監(jiān)測點位中誤差較小，所有監(jiān)測點點位中誤差均符合《工程測量規(guī)范》中二等變形監(jiān)測精度要求；三角高程中誤差全部滿足《工程測量規(guī)范》中三等變形監(jiān)測要求。同時，根據(jù)表1監(jiān)測精度指標大小關系可以大致看出，位于低高程面上的監(jiān)測點的觀測精度普遍高于位于高高程面上的監(jiān)測點觀測精度。

壩后監(jiān)測點高程及點位中誤差擬合曲面見圖1。從圖1可以看出，監(jiān)測點高程中誤差與監(jiān)測點點位關系密切，高程較大的監(jiān)測點高程中誤差要大于高程較小監(jiān)測點高程中誤差，且距離測站越近的監(jiān)測點，觀測成果的高程中誤差越小，精度越高；監(jiān)測點點位中誤差與監(jiān)測點點位沒有明顯的聯(lián)系，除了壩頂個別監(jiān)測點的點位中誤差稍大(但未超過二等精度指標要求)，所有監(jiān)測點的觀測點位中誤差都較小，精度較好。

圖1 壩后成果監(jiān)測點高程及點位中誤差擬合曲面

2.3.2壩后GNSS+棱鏡共點監(jiān)測點成果分析

瀑布溝水電站壩后壩體表面共有GNSS+棱鏡同軸監(jiān)測點5個，分別為TP04、TP13、TP21、TP27、TP32，全部分布于大壩0+240斷面上(大壩最大斷面)，選取TP13及TP21繪制測量機器人與GNSS監(jiān)測位移過程線見圖2、圖3所示。

從圖2、3可以看出，0+240橫斷面上GNSS測點與棱鏡監(jiān)測點位移規(guī)律一致，趨勢相同，豎直方向發(fā)生沉降，壩軸線方向較為穩(wěn)定，輕微向左岸方向位移，上下游方向向下游位移，且存在一定的波動。同時，結合環(huán)境資料中庫水位數(shù)據(jù)可以看出，監(jiān)測點的上下游方向變形與庫水位的變化具有較大關聯(lián)。對比GNSS與全站儀數(shù)據(jù)，各監(jiān)測點GNSS監(jiān)測成果與全站儀監(jiān)測成果所顯示的變形趨勢相同，均反映了監(jiān)測點相同的變形趨勢。

2.3.3壩后人工水準與自動化成果對比分析

瀑布溝壩后各水平位移觀測墩同點布置有水準點，同時進行測量機器人自動化監(jiān)測與人工水準監(jiān)測，對測量機器人自動化監(jiān)測、GNSS與人工水準周期監(jiān)測成果數(shù)據(jù)時間序列進行分析，如圖4所示。

圖2 GNSS天線棱鏡共點監(jiān)測點TP13位移過程線

圖3 GNSS天線棱鏡共點監(jiān)測點TP21位移過程線

圖4 壩后TP13、TP21人工水準、自動化及GNSS豎向位移過程線

從圖4可見，壩后監(jiān)測點在豎直方向上的人工監(jiān)測成果與自動監(jiān)測成果(測量機器人及GNSS)所反映的監(jiān)測點高程變形量大小、變形趨勢相同，具有很好的一致性；自動化監(jiān)測成果在豎直方向上的監(jiān)測成果存在極少部分的奇異值，但對監(jiān)測點的變形情況分析影響甚??；測量機器人監(jiān)測自動化系統(tǒng)成果與人工監(jiān)測成果一致性良好，自動化監(jiān)測系統(tǒng)具有高效便捷的特點、避免了人工監(jiān)測的諸多條件限制，可滿足工程需求。若以人工水準監(jiān)測成果為精確值，壩后各測點測量機器人高程監(jiān)測成果的精確性與監(jiān)測點距測站的斜距有較為明顯的關系，當斜距值增大時，各測點測量機器人所測高程監(jiān)測成果較人工水準監(jiān)測成果的精確性有所降低。

3 結論與建議

本文針對極坐標測量中存在的系統(tǒng)誤差，提出了多重極坐標分層差分的測量方案，分別對斜距、球氣差系數(shù)、水平方位角進行了差分改正，解決了系統(tǒng)誤差高效改正問題。該測量方案在瀑布溝水電站成功應用，系統(tǒng)自建成至今運行狀況良好，監(jiān)測數(shù)據(jù)完整可靠，為大壩安全提供了良好的保障。自動化系統(tǒng)總體精度較高，監(jiān)測成果可靠，滿足相關規(guī)范精度指標要求，可用于壩區(qū)變形監(jiān)測工作。