國(guó)網(wǎng)湖南水電分公司 曾 遠(yuǎn) 梅 浩

視準(zhǔn)線測(cè)量是大壩水平位移監(jiān)測(cè)項(xiàng)目之一，傳統(tǒng)視準(zhǔn)線測(cè)量采用經(jīng)緯儀和活動(dòng)覘標(biāo)配合測(cè)量，直接讀出測(cè)點(diǎn)與固定視準(zhǔn)線的距離來(lái)監(jiān)測(cè)大壩水平位移。但視準(zhǔn)線測(cè)量受地形限制，在大壩上游山體無(wú)法建立兩個(gè)通視條件良好且地基穩(wěn)固的儀器工作基點(diǎn)，造成了左右岸視距不等，精度不一致，且人員定向誤差及人員配合操作帶來(lái)的觀測(cè)誤差較大。綜合而言，傳統(tǒng)視準(zhǔn)線測(cè)量法存在一定的局限性。

隨著視準(zhǔn)線儀器的T3經(jīng)緯儀的停產(chǎn)及老化，尋找更加高效快捷的視準(zhǔn)線監(jiān)測(cè)方法變得迫切。智能型全站儀的廣泛普及和應(yīng)用，采用小角度或極坐標(biāo)法可同時(shí)測(cè)角和測(cè)距，通過(guò)計(jì)算夾角和平距換算變化量，通過(guò)計(jì)算兩次變化量就可確定測(cè)點(diǎn)周期內(nèi)的偏移量[1]。但采用全站儀替換T3經(jīng)緯儀和用棱鏡替換活動(dòng)覘標(biāo)時(shí)，對(duì)于傳統(tǒng)老壩工作基點(diǎn)選取受限制，只能在原有工作基點(diǎn)進(jìn)行改造，全站儀測(cè)量時(shí)相鄰測(cè)點(diǎn)間夾角較小，視場(chǎng)內(nèi)存在多個(gè)棱鏡、相互干擾，易導(dǎo)致全站儀難照準(zhǔn)、測(cè)量數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確等問(wèn)題。為解決視準(zhǔn)線測(cè)點(diǎn)間夾角較小、影響觀測(cè)，促進(jìn)視準(zhǔn)線改造，提出棱鏡遮蔽視準(zhǔn)線改造法進(jìn)行大壩水平位移監(jiān)測(cè)。

1 棱鏡遮蔽視準(zhǔn)線改造法

棱鏡遮蔽視準(zhǔn)線改造采用一款智能棱鏡罩配合全站儀進(jìn)行小角度或極坐標(biāo)測(cè)量，實(shí)現(xiàn)棱鏡罩自動(dòng)門遠(yuǎn)程啟閉，打開棱鏡罩進(jìn)行測(cè)量通視，測(cè)量完畢關(guān)閉自動(dòng)門，有效錯(cuò)開相互影響的視準(zhǔn)線測(cè)點(diǎn)，增大測(cè)點(diǎn)間的夾角。

智能棱鏡罩的原理。智能棱鏡罩主要包括棱鏡罩外殼、自動(dòng)啟閉裝置、自動(dòng)氣象測(cè)量元器件。棱鏡罩的尺寸設(shè)計(jì)要匹配現(xiàn)有觀測(cè)墩的尺寸，做到尺寸合適、經(jīng)濟(jì)適用；棱鏡罩啟閉裝置采用wifi 版機(jī)械手臂，其行程為90°的旋轉(zhuǎn)角，在測(cè)站位置可通過(guò)移動(dòng)設(shè)備控制旋轉(zhuǎn)機(jī)械手臂打開棱鏡罩小門，實(shí)現(xiàn)測(cè)量時(shí)能開啟自動(dòng)門進(jìn)行測(cè)量通視，測(cè)量完畢可關(guān)閉自動(dòng)門。且智能棱鏡罩內(nèi)加裝環(huán)境量傳感器，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)量測(cè)站氣象值，為進(jìn)行后續(xù)內(nèi)業(yè)處理提供氣象修正。

圖1 智能棱鏡罩內(nèi)部構(gòu)造示意圖

視準(zhǔn)線小角度觀測(cè)方法。在視準(zhǔn)線的工作基點(diǎn)A 架設(shè)儀器，另一端的工作基點(diǎn)B 和測(cè)點(diǎn)i 上架覘牌或棱鏡，依次對(duì)準(zhǔn)工作基點(diǎn)B 和測(cè)點(diǎn)i，測(cè)量夾角BAi 的角度β 和Ai 之間的距離S。根據(jù)《DL/T 5209-2020混凝土壩安全監(jiān)測(cè)資料整編規(guī)程》[2]，視準(zhǔn)線測(cè)點(diǎn)的測(cè)值L 計(jì)算為L(zhǎng)=β×ρ/S，式中β為小角度觀測(cè)值，ρ為206265，S 為工作基點(diǎn)到測(cè)點(diǎn)間的水平距離、mm。某周期測(cè)點(diǎn)位移為首次偏離值與該周期偏離值的差，其符號(hào)在規(guī)范規(guī)定為：向下游位移為正，所以偏移值根據(jù)水流方向和測(cè)點(diǎn)位置略有調(diào)整。

視準(zhǔn)線極坐標(biāo)觀測(cè)方法。在視準(zhǔn)線的工作基點(diǎn)A 架設(shè)儀器，另一端的工作基點(diǎn)B 和測(cè)點(diǎn)i 上架設(shè)棱鏡，依次對(duì)準(zhǔn)工作基點(diǎn)B 和測(cè)點(diǎn)i，測(cè)量夾角BAi 的角度β 和Ai 之間的距離S。根據(jù)《DL/T 5209-2020 混凝土壩安全監(jiān)測(cè)資料整編規(guī)程》[2]，極坐標(biāo)法測(cè)量已知有工作基點(diǎn)A、B 的坐標(biāo)，測(cè)點(diǎn)i的坐標(biāo)計(jì)算方法如下：

Xi=XA+DAicos?Ai、Yi=YA+DAisin?Ai，式中Xi為測(cè)點(diǎn)i 的X 方向坐標(biāo)，m；Yi為測(cè)點(diǎn)i 的Y 方向坐標(biāo)，m；XA為測(cè)點(diǎn)i 的X 方向坐標(biāo)，m；YA為測(cè)點(diǎn)i 的Y 方向坐標(biāo)，m；αAi為方向Ai 的坐標(biāo)方位角，°；DAi為邊長(zhǎng)Ai 的水平距離，m。

2 棱鏡遮蔽視準(zhǔn)線改造法的運(yùn)用案例

2.1 工程概況

柘溪大壩現(xiàn)有壩頂水平位移采用傳統(tǒng)視準(zhǔn)線法進(jìn)行監(jiān)測(cè)，其工作基點(diǎn)分別位于兩岸穩(wěn)定的巖石上，兩工作基點(diǎn)之間的距離為473.3m。測(cè)點(diǎn)布設(shè)在壩頂下游欄桿外專用的牛腿上，共16個(gè)測(cè)點(diǎn)。在視準(zhǔn)線改造中受地形和壩形的限制，在大壩下游側(cè)難以找到合適的工作基點(diǎn)，只能在原有的工作基點(diǎn)進(jìn)行視準(zhǔn)線改造。且因大壩電梯井擋住視線，所有測(cè)點(diǎn)并不能完全通視，只能分段測(cè)量。

圖2 柘溪大壩視準(zhǔn)線測(cè)點(diǎn)

壩頂16個(gè)測(cè)點(diǎn)在壩頂呈直線布設(shè)，在工作基點(diǎn)架設(shè)全站儀測(cè)量時(shí)，部分測(cè)點(diǎn)間夾角較小，視場(chǎng)內(nèi)出現(xiàn)多個(gè)棱鏡，如在左岸工作基點(diǎn)架設(shè)儀器，A7和A8同時(shí)出現(xiàn)、A17與A18同時(shí)出現(xiàn)；在右岸工作基點(diǎn)架設(shè)儀器，A19和A20同時(shí)出現(xiàn)，后經(jīng)測(cè)量其中A7與A8間距為4.40米、水平夾角為0.6”，A19與A20的間距為14.12米、水平夾角為0.4”。

2.2 測(cè)量對(duì)策

在壩頂每個(gè)視準(zhǔn)線觀測(cè)墩安裝固定棱鏡，并配套安裝智能棱鏡罩保護(hù)棱鏡。因電梯井擋住視線、故分段監(jiān)測(cè)，右岸基點(diǎn)監(jiān)測(cè)A5～A6、A11～A13、A19～A20共7個(gè)測(cè)點(diǎn)；左岸基點(diǎn)監(jiān)測(cè)A7～A10、A14～A18共9個(gè)測(cè)點(diǎn)。測(cè)量分別采用小角度和極坐標(biāo)法進(jìn)行壩頂水平位移監(jiān)測(cè)，對(duì)每個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行四測(cè)回測(cè)邊測(cè)角觀測(cè)，測(cè)點(diǎn)間夾角影響分批次開啟棱鏡罩進(jìn)行測(cè)量，如右岸工作基點(diǎn)設(shè)站時(shí)，先將A7、A9、A14、A16、A18的棱鏡罩門打開進(jìn)行測(cè)量，待測(cè)量完畢，再將A7、A9、A14、A16、A18的棱鏡罩關(guān)閉，打開A8、A10、A15、A17的棱鏡罩門打開進(jìn)行測(cè)量。同樣的工作原理在左岸工作基點(diǎn)設(shè)站測(cè)量，保證全站儀觀測(cè)時(shí)視場(chǎng)內(nèi)只有一個(gè)棱鏡，避免棱鏡間的相互干擾。

2.3 極坐標(biāo)測(cè)量結(jié)果分析

對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行極坐標(biāo)平差處理，將左、右岸工作基點(diǎn)的X 坐標(biāo)設(shè)置為0，經(jīng)過(guò)平差所得各點(diǎn)X方向坐標(biāo)即為該點(diǎn)在上下游方向水平位移，Mx 為測(cè)點(diǎn)X 方向坐標(biāo)的中誤差，A5～A20的極坐標(biāo)法測(cè)量X 方向坐標(biāo)的中誤差均符合《DL/T 5178-2016 混凝土壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》中混凝土重力壩水平位移監(jiān)測(cè)精度±1mm 的要求[3]。其在各點(diǎn)的極坐標(biāo)法平差結(jié)果為：X(mm)13.34、13.09、16.98、15.83、18、10.36、13.81、20.02、13.7、13.18、2.77、-0.21、5.63、11.5、7.52、7.16；Mx(mm)0.69、0.77、0.6、0.57、0.49、0.86、0.73、0.22、0.30、0.98、1、0.91、0.83、0.79、0.76、0.84。

2.4 小角度測(cè)量結(jié)果分析

在左、右工作基點(diǎn)通過(guò)棱鏡罩分兩組對(duì)A5～A20各測(cè)點(diǎn)依次進(jìn)行小角度測(cè)量，同樣采用全站儀自動(dòng)測(cè)量水平角并現(xiàn)場(chǎng)記錄，按照小角度計(jì)算方法進(jìn)行成果計(jì)算，結(jié)果如下：X(mm)13.27、13.01、16.49、15.37、17.67、10.04、13.89、20.20、13.94、12.85、2.52、-0.43、5.37、11.24、7.79、7.44。由于周期之間的沒有進(jìn)行水平距離的測(cè)量，S1和S2作為常數(shù)考慮，則中誤差傳播關(guān)系表示為[4]mΔi=s/ρmβ。

在柘溪大壩16個(gè)視準(zhǔn)線測(cè)點(diǎn)中離工作基點(diǎn)水平距離最遠(yuǎn)的測(cè)點(diǎn)為A20至右岸工作基點(diǎn)348m，當(dāng)采用測(cè)角精度為0.5”的全站儀時(shí)mΔi為0.84mm，小角度測(cè)量中16的測(cè)點(diǎn)最大中誤差符合《DL/T 5178-2016混凝土壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》中混凝土重力壩水平位移監(jiān)測(cè)精度±1mm 的要求[3]。