羅 正 英， 黃 會(huì) 寶， 江 華 貴

(國(guó)能大渡河流域水電開發(fā)有限公司，四川 成都 610041)

0 引 言

大壩、高邊坡及其它構(gòu)筑物變形，常用視準(zhǔn)線、激光準(zhǔn)直、垂線等基準(zhǔn)線法來監(jiān)測(cè)位移量。所謂的基準(zhǔn)線法，是應(yīng)用兩端工作基點(diǎn)固定一條基準(zhǔn)線原理來測(cè)量?jī)啥嘶c(diǎn)之間各測(cè)點(diǎn)變化量的一種觀測(cè)方法。這些測(cè)量?jī)x器因受到現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)地空間和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工程造價(jià)等諸多因素的影響，其測(cè)量總量程一般在50～200 mm之間，正負(fù)量程為25～100 mm。由于觀測(cè)儀器測(cè)量量程偏小，盡管如真空管道激光準(zhǔn)直、垂線等高精度觀測(cè)儀器綜合測(cè)量性能十分優(yōu)越，但很難推廣應(yīng)用在如土石壩、高邊坡及其它構(gòu)筑物大位移量觀測(cè)中。為此，研究?jī)x器超量程觀測(cè)裝置和數(shù)據(jù)銜接方式，確保變形觀測(cè)精度以及資料序列的連續(xù)性是十分必要的，對(duì)其拓寬基準(zhǔn)線法小量程儀器的應(yīng)用范圍更具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

1 變形觀測(cè)中常用的基準(zhǔn)線法及其優(yōu)缺點(diǎn)

1.1 變形觀測(cè)正負(fù)規(guī)定

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

垂直位移：鉛直方向(Z)規(guī)定下沉為正，上抬為負(fù)。

1.2 視準(zhǔn)線法

視準(zhǔn)線法是以建筑物兩端的工作基點(diǎn)所控制的視準(zhǔn)線(兩個(gè)工作基點(diǎn)的連線)為基準(zhǔn)，使用經(jīng)緯儀和覘標(biāo)來測(cè)量建筑物上測(cè)點(diǎn)X方向的位移量。按使用的工具和作業(yè)方法的不同，又可分為活動(dòng)覘標(biāo)法或小角度法。目前活動(dòng)覘標(biāo)活動(dòng)范圍有0～100 mm、0～160 mm、0～200 mm等多種規(guī)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(zhǔn)線，采用垂線坐標(biāo)儀來測(cè)量建筑物沿線不同高程測(cè)點(diǎn)對(duì)于垂線固定點(diǎn)的水平投影距離，求出各測(cè)點(diǎn)X和Y方向的位移量。垂線按端點(diǎn)固定的位置不同，可分為正垂線和倒垂線。目前垂線坐標(biāo)儀有光學(xué)式(規(guī)格有0～50 mm、0～100 mm)、步進(jìn)電機(jī)式(規(guī)格有0～50 mm、0～100 mm、0～150 mm)、電容式(規(guī)格有0～10 mm、0～25 mm、0～50 mm、0～100 mm)、CCD光電式(規(guī)格有0～25 mm、0～35 mm、0～50 mm、0～100 mm)等多種類型和規(guī)格。

1.4 激光準(zhǔn)直法

激光準(zhǔn)直法(波帶板激光準(zhǔn)直法)是利用激光的方向性強(qiáng)、亮度高、單色性和相干性好等特點(diǎn)，以及波帶板激光衍射原理，按照三點(diǎn)準(zhǔn)直方法，將激光點(diǎn)光源和光電探測(cè)器分別安裝在發(fā)射端和接收端的固定工作基點(diǎn)上，波帶板安裝在位移標(biāo)點(diǎn)上，從激光點(diǎn)光源發(fā)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(cè)定圖像的中心位置可求出測(cè)點(diǎn)X和Z方向的位移量。目前，真空管道常用的規(guī)格有Φ159 mm、Φ219 mm、Φ273 mm、Φ325 mm管徑[2]，對(duì)于基準(zhǔn)線較長(zhǎng)的一般采用變徑管道。

2 儀器超量程觀測(cè)裝置和數(shù)據(jù)銜接方式

2.1 實(shí)現(xiàn)儀器超量程觀測(cè)的基本方法

視準(zhǔn)線、激光準(zhǔn)直、垂線等基準(zhǔn)線法，在混凝土壩等建筑物小變形監(jiān)測(cè)中應(yīng)用十分成功，因受儀器量程、場(chǎng)地空間和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工程造價(jià)等諸多因素的影響，在土石壩等建筑物大變形監(jiān)測(cè)中應(yīng)用較少。在工程監(jiān)測(cè)中，若遇測(cè)點(diǎn)變形超出了所選儀器的測(cè)量量程，一般有以下兩種處理方式：

(1)當(dāng)預(yù)計(jì)測(cè)點(diǎn)位移量大小有現(xiàn)成的儀器產(chǎn)品滿足測(cè)量要求，就采取更換儀器規(guī)格來延續(xù)觀測(cè)。

(2)當(dāng)預(yù)計(jì)測(cè)點(diǎn)位移量大小有現(xiàn)成的儀器產(chǎn)品時(shí)，若超量程的是個(gè)別測(cè)點(diǎn)就中斷個(gè)別測(cè)點(diǎn)的后續(xù)監(jiān)測(cè)；若超量程的測(cè)點(diǎn)多就中斷該觀測(cè)項(xiàng)目，待進(jìn)行整改恢復(fù)后才能延續(xù)觀測(cè)。

以上兩種處理方法，不僅額外地增加了工程監(jiān)測(cè)費(fèi)的投入，而且還中斷了監(jiān)測(cè)資料的連續(xù)性，對(duì)后續(xù)資料的系統(tǒng)分析增添了許多難度，而且還不易真實(shí)地反映出工程的實(shí)際變形情況。

經(jīng)深入分析基準(zhǔn)線法布設(shè)特點(diǎn)和建筑物變形規(guī)律后認(rèn)為：除以上兩種處理方式外，還有第三種處理方式，即在測(cè)點(diǎn)墩或管道支墩基座板上增加一個(gè)儀器設(shè)備可移動(dòng)的裝置，當(dāng)在觀測(cè)過程中預(yù)計(jì)某些測(cè)點(diǎn)即將超儀器量程時(shí)，通過調(diào)整儀器設(shè)備可移動(dòng)該裝置，就可實(shí)現(xiàn)儀器超量程觀測(cè)，同時(shí)在儀器設(shè)備移動(dòng)前后增加觀測(cè)頻次，就能保證監(jiān)測(cè)資料序列的連續(xù)性和可靠性。若將儀器設(shè)備可移動(dòng)裝置調(diào)節(jié)范圍增大，那么基準(zhǔn)線法的儀器設(shè)備就能拓寬應(yīng)用范圍，促使大變形量如土石壩等建筑物變形監(jiān)測(cè)的觀測(cè)精度得到大幅度的提高。

2.2 基準(zhǔn)線法儀器設(shè)備可移動(dòng)裝置

2.2.1 真空激光準(zhǔn)直測(cè)點(diǎn)墩和管支墩移動(dòng)式支撐基座

真空激光準(zhǔn)直原測(cè)點(diǎn)儀器箱和真空管道，分別固定在測(cè)點(diǎn)墩和管支墩的基座板上。當(dāng)測(cè)點(diǎn)墩或管支墩位移超設(shè)計(jì)量程后，從發(fā)射端激光點(diǎn)光源發(fā)射出的激光束則無法通過真空管道測(cè)量測(cè)點(diǎn)的偏移值，從而導(dǎo)致監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中斷，使系統(tǒng)處于癱瘓狀態(tài)。若在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，在測(cè)點(diǎn)儀器箱與測(cè)點(diǎn)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(dòng)裝置,改進(jìn)后的裝置見圖1，就可以彌補(bǔ)真空激光準(zhǔn)直法的技術(shù)難題。如果將測(cè)點(diǎn)墩和管支墩在X方向適當(dāng)增長(zhǎng)和在Z方向的螺桿調(diào)節(jié)范圍增大，就可應(yīng)用在如土石壩之類的大變形量監(jiān)測(cè)中。測(cè)點(diǎn)墩移動(dòng)式支撐基座主要由基座板、儀器連接板和調(diào)節(jié)螺桿組成，其中在基座板和儀器連接板上開有長(zhǎng)條孔，松動(dòng)調(diào)節(jié)螺桿螺母可進(jìn)行X和Z方向的移動(dòng)。管支墩移動(dòng)式支撐基座由基座板、管支承板、管道輥軸、側(cè)向擋板和調(diào)節(jié)螺桿組成，其中在基座板和管支承板上開有長(zhǎng)條孔，松動(dòng)調(diào)節(jié)螺桿螺母可進(jìn)行X和Z方向的移動(dòng)。

(1)改進(jìn)前 (2)改進(jìn)后圖1 真空激光準(zhǔn)直測(cè)點(diǎn)和管支墩基座改進(jìn)前后示意圖

2.2.2 垂線測(cè)點(diǎn)墩移動(dòng)式基座

垂線原測(cè)點(diǎn)儀器，包括自動(dòng)和人工觀測(cè)儀器均固定在測(cè)點(diǎn)墩的基座板上。當(dāng)測(cè)點(diǎn)與垂線相對(duì)位移超設(shè)計(jì)量程后，將無法測(cè)到測(cè)點(diǎn)的偏移值，從而導(dǎo)致監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中斷，系統(tǒng)處于癱瘓狀態(tài)。這里以人工觀測(cè)的光學(xué)垂線坐標(biāo)儀為例，若在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，在測(cè)點(diǎn)儀器強(qiáng)制對(duì)中板與測(cè)點(diǎn)墩基座板之間增加一種在X和Y方向的移動(dòng)裝置，改進(jìn)后的裝置見圖2，就可以解決使用垂線法時(shí)出現(xiàn)的技術(shù)難題。如果將測(cè)點(diǎn)墩在X和Y方向適當(dāng)增長(zhǎng)，就可應(yīng)用在X、Y方向大變形量監(jiān)測(cè)中。測(cè)點(diǎn)墩移動(dòng)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(zhǎng)條孔，松動(dòng)緊固螺栓就可在X和Y方向的移動(dòng)。

a.改進(jìn)前 b.改進(jìn)后圖2 垂線測(cè)點(diǎn)墩基座改進(jìn)前后示意圖

2.2.3 視準(zhǔn)線活動(dòng)覘標(biāo)測(cè)點(diǎn)墩移動(dòng)式基座

視準(zhǔn)線原測(cè)點(diǎn)活動(dòng)覘標(biāo)，直接放置在測(cè)點(diǎn)墩強(qiáng)制對(duì)中板上。當(dāng)測(cè)點(diǎn)與垂線相對(duì)位移超設(shè)計(jì)量程后，將無法測(cè)到測(cè)點(diǎn)的偏移值，從而導(dǎo)致監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中斷，系統(tǒng)處于癱瘓狀態(tài)。若在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，在測(cè)點(diǎn)墩與強(qiáng)制對(duì)中板之間增加一種在X方向的移動(dòng)裝置，改進(jìn)后的裝置見圖3，就可以解決在使用視準(zhǔn)線活動(dòng)覘標(biāo)法時(shí)出現(xiàn)的技術(shù)難題。如果將測(cè)點(diǎn)墩在X方向適當(dāng)增長(zhǎng)，就可應(yīng)用在土石壩大變形量監(jiān)測(cè)中。測(cè)點(diǎn)墩移動(dòng)式基座由基座板、儀器強(qiáng)制對(duì)中板和緊固螺栓組成，其中在基座板上開有長(zhǎng)條孔，松動(dòng)緊固螺栓可在X方向的移動(dòng)。

a.改進(jìn)前 b.改進(jìn)后圖3 視準(zhǔn)線測(cè)點(diǎn)墩基座改進(jìn)前后示意圖

2.3 數(shù)據(jù)銜接方式

基準(zhǔn)線法采用以上的移動(dòng)式裝置，必須隨時(shí)分析和掌握各測(cè)點(diǎn)的位移變化情況，當(dāng)發(fā)現(xiàn)某測(cè)點(diǎn)偏移值有可能超出儀器量程時(shí)，應(yīng)按以下方法及時(shí)調(diào)整測(cè)點(diǎn)墩或管支墩移動(dòng)式裝置，并在調(diào)整前后增加觀測(cè)頻次，合理、正確地將前后段的測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)銜接起來，確保觀測(cè)資料序列的連續(xù)性和可靠性。

無管道的基準(zhǔn)線：如視準(zhǔn)線和垂線，當(dāng)發(fā)現(xiàn)測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)較大位移或位移變化跡象有可能超出儀器測(cè)量量程時(shí)，應(yīng)及時(shí)增加觀測(cè)頻次，分析和掌握發(fā)展趨勢(shì)。一旦確定偏離值即將超出儀器測(cè)量量程時(shí)，應(yīng)立即調(diào)整測(cè)點(diǎn)墩的移動(dòng)式裝置以滿足后續(xù)觀測(cè)要求。

有管道的基準(zhǔn)線：如真空激光準(zhǔn)直，超出設(shè)計(jì)量程有兩種情況，第一種情況與無管道的基準(zhǔn)線相同，處理方式大致相同，不同之處是還要對(duì)測(cè)點(diǎn)相鄰的管道進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整；第二種情況是管支墩位移引起的基準(zhǔn)線相撞，這時(shí)只需調(diào)整管支墩的移動(dòng)式裝置，并滿足后續(xù)觀測(cè)要求即可。

以上在調(diào)整移動(dòng)式裝置前后，要進(jìn)行多次的重復(fù)觀測(cè)，剔除粗差后，取其前后觀測(cè)數(shù)據(jù)的均值之差作為該測(cè)點(diǎn)儀器移動(dòng)前后段觀測(cè)資料的固定常差(系統(tǒng)誤差)。初期可將該測(cè)點(diǎn)后續(xù)的觀測(cè)數(shù)據(jù)減去固定常差后與前期的觀測(cè)數(shù)據(jù)銜接，后期可采用統(tǒng)計(jì)模型計(jì)算出固定常差來修正，從而就確保了觀測(cè)資料序列的連續(xù)性和系統(tǒng)資料的整體性。

3 工程應(yīng)用實(shí)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(zhǎng)540.5 m，壩基覆蓋層最大厚度75.36 m，總庫(kù)容53.37億m3。設(shè)計(jì)在基礎(chǔ)廊道布置了一條長(zhǎng)338 m的管徑為Φ219 mm的真空激光準(zhǔn)直系統(tǒng)，發(fā)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(shè)了9個(gè)測(cè)點(diǎn)，用于監(jiān)測(cè)基礎(chǔ)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(dǎo)致水淹真空激光系統(tǒng)和兩端觀測(cè)房，系統(tǒng)處于癱瘓狀態(tài)。

在2011年的恢復(fù)過程中，對(duì)其真空激光準(zhǔn)直系統(tǒng)應(yīng)用土石壩監(jiān)測(cè)的可行性進(jìn)行了充分的論證。根據(jù)前期廊道沉陷和測(cè)斜管觀測(cè)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(zhǔn)直系統(tǒng)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(zhǔn)直系統(tǒng)監(jiān)測(cè)是有難度的。為此設(shè)想了多種恢復(fù)方案進(jìn)行比較，最后確定保留原有的真空管道，采用測(cè)點(diǎn)墩和管支墩移動(dòng)式支撐基座，實(shí)現(xiàn)儀器超量程觀測(cè)。

依據(jù)瀑布溝大壩基礎(chǔ)灌漿廊道變形規(guī)律以及預(yù)計(jì)的位移變幅，確定測(cè)點(diǎn)墩和管支墩的尺寸。管支墩：將位于發(fā)射端與相鄰測(cè)點(diǎn)墩、接收端與相鄰測(cè)點(diǎn)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(cè)點(diǎn)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(shì)是向下游變化，因此，將測(cè)點(diǎn)墩和管支墩的激光軸線位置分別定于距上游側(cè)25 cm和20 cm之處。這樣，當(dāng)測(cè)點(diǎn)墩或管支墩向下游位移時(shí)，移動(dòng)式支撐基座可向上游調(diào)整的最大幅度為0～170 mm；當(dāng)測(cè)點(diǎn)墩或管支墩向上游位移時(shí)，移動(dòng)式支撐基座可向下游調(diào)整的最大幅度為0～70 mm。Z方向位移一般呈下沉趨勢(shì)，暫選定160 mm長(zhǎng)的螺桿，當(dāng)實(shí)際變形不能滿足調(diào)節(jié)需求時(shí)再更換螺桿長(zhǎng)度。

將儀器超量程觀測(cè)技術(shù)座應(yīng)用于瀑布溝大壩基礎(chǔ)灌漿廊道真空激光準(zhǔn)直系統(tǒng)十分成功，為后期的變形監(jiān)測(cè)以及資料序列的連續(xù)性和系統(tǒng)資料的可靠性分析提供了可靠的根據(jù)。

4 結(jié) 語

常用的視準(zhǔn)線、激光準(zhǔn)直、垂線等基準(zhǔn)線法，盡管儀器規(guī)格類型多，但推廣應(yīng)用在如土石壩之類的大變形量監(jiān)測(cè)中卻很少見。究其根本原因，是受這些儀器設(shè)備自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)地空間和工程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)造價(jià)等諸多因素的影響，導(dǎo)致在建筑物的大變形量監(jiān)測(cè)中形成技術(shù)難題。為此，通過對(duì)儀器超設(shè)計(jì)量程的常規(guī)處理方式進(jìn)行了深入地分析，結(jié)合基準(zhǔn)線法的布設(shè)特點(diǎn)和建筑物的變形規(guī)律，提煉形成了基準(zhǔn)線法，實(shí)現(xiàn)超量程觀測(cè)的技術(shù)。采用基準(zhǔn)線法測(cè)點(diǎn)墩或管支墩移動(dòng)式基座和相應(yīng)的觀測(cè)方法，不僅可以增大基準(zhǔn)線法儀器的量程，將推廣應(yīng)用在如土石壩之類的大變形量監(jiān)測(cè)中，而且還可確保觀測(cè)資料序列的連續(xù)性和系統(tǒng)資料的整體性，為準(zhǔn)確分析和揭示建筑物真實(shí)的變形情況提供了數(shù)據(jù)保障。另外，采用此觀測(cè)技術(shù)后，還可以將基準(zhǔn)線法的測(cè)量?jī)x器統(tǒng)一到一個(gè)常用的規(guī)格水平上，從而可以節(jié)省許多費(fèi)用。