混凝土拱坝高精度平面三维监测网的建立及质量评价.pdf

科研与管理 水利规划与设计 2 0 1 2年第 6期 混凝土拱坝高精度平面三维监测网的 建立及质量评价 李军安 ( 陕西省水利电力勘测设计研究院 西安 7 1 0 0 0 2 ) 【 摘 要】 本文 以李家河水库工程混凝土拱坝高精度平面三维监测控制 网的建立过程为例 ，讨论了控制 网的等级确定、网形设计、外业观测数据质量分析、观测数据验算及处理综合统计分析，提出了质量控制 应注意的问题。 【 关键词】 拱坝平面三维监测网 建立过程 数据分析 质量评价 【 中图分类号 】P 2 2 1 【 文献标识码 】 B 【 文章编 号】 1 6 7 2 2 4 6 9( 2 0 1 2 ) 0 6 0 0 2 7 0 4 【 D O I 编码 】 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 6 7 2 - 2 4 6 9 2 0 1 2 0 6 0 0 9 1 概 述 西 安 市辋 川河 引 水李 家河 水 库工 程拦 河 坝 为碾压混凝 土抛 物线双 曲拱坝 ，坝顶高程 8 8 4 m ， 最大坝 高 9 8 5 m ，坝 顶弧长 3 5 1 7 1 m ，水库 正常 蓄水位 8 8 0 O m ，水库 总库 容为 5 2 6 0万 m 。 ，调 节 库容为 4 4 0 0万 m 。水库坝址处河 谷深切呈 “ V ” 字型 ，河道狭 窄 ，河床 宽度仅 1 5 3 0 m 。两岸 山 坡陡峻 ，荆棘 丛生、植被茂密 、通行及通视条 件 较差 。 枢 纽 区平面 监 测三 维控 制 网的建立 是采 用 L e i c a T C A 机载 自动监测软件实施。该操作系统 简单 ，测站完成各项 设置后 ，仪器可 自动照准 各 目标点 ，自动测距 、测角 ，并 实时 自动检查各 项 误 差 ，超 限后 自动 处理 。同时，该系统后处理 完 善、规范 ，与之相配套 的后 处理软件可 以 自动 生 成与 规范 标准 方 向观 测记 录手 簿完 全 一致 的报 表 等 。 2 平面三维监测 网等级 的选取 依据 D L T 5 1 7 8 2 0 0 3 混凝土 坝安全 监测 技术 规范 的规定 ，大坝安全监 测设计报告 中明 确 监 测 网最 弱 点 位 移 量 中 误 差 m 位 应 小 于 2 O m m 。S L 1 9 7 9 7 水 利水 电工程测 量规范将 大坝平面监测三维网划归为专用平面控制网， 根 据 精度 要求 和 实 际条件 确 定各 级专用 平 面控 制 网适用 范 围，且 明确 重力坝、拱坝 、支墩坝变 形 监测 、近 坝区危岩变形监测 、稳 定期地 形变形监 测等应 选用专一级平面 控制 网。 专一级 网主要技 术指标 是最弱点 点位 中误差 m点 。最弱 点位移量 中误差 历位 和点位中误差 点 的关系 为： 位 = m点 ， 即：混凝土大坝 安全监测网 的最弱 点点位 中误差 点 应小 于 1 4 l m m 。在水 利水 电工程枢纽 区布 置监测 网 的网形条件受 地形地貌 限制 ，只有考 虑 选择控 制 网的观测等级 。s L 1 9 7 9 7中，专一级 网的最弱 点点位 中误 差 1 3 m m ，相 当于位移 量 中误差 1 8 4 m m ， 其精度标准与 D L T 5 1 7 8 2 o 0 3 基本相 同 。那 么 ，李家河水库双 曲混凝土 拱坝平 面 监测 三维 控 制 网的等 级及 观测 技术 要求 执 行 S L 1 9 7 9 7中专 一级网的规定 ，可 以满足监测 网 最弱 点位移量 中误差 m位 小于 2 O m m 。 3 大坝平面监测三维 网精度估算 根据现 场地形及监测对象 ，聘请设计及地质 人员实地进 行具体 的点位选 设，确定大坝平面 监 测 网由基准点和工作基 点组成 监测控制 网，网形 如 图 1 所 示 。 大坝平 面监 测 网形选定后 ，基准点采用实地 作者简介：李军安 ( 1 9 6 4年一) ，男，高级工程师。 2 7 科研与管理 水利规划与设计 2 0 1 2年第 6期 测取概 略坐标 ，工作基点从 l ： 2 0 0 0地形 图上量 取概略坐标。精度估算参数选取 ：测角 中误差 图 1 大坝平面监测三维控制网索引图 取 0 5 ，测距 中误差 凰取 l m m + l p p m 。采用 清华 山维 工程测量控制 网微机平差系统 软件 ， 在微机上按边角全测 网进行 了精度估算 ，计算出 基准 网点位精度 、可靠性 、灵敏度指标 。其 中， 网中最弱 点点位 中误差 为 1 1 0 mm，最弱边 相 对精度 为 1 4 7 8 7 0 0 ，内可靠性 最大值 6 6 3 ，外 可靠性 最大值 6 O 9 。 从估算各项指标 结果看 ， 监 测三维 网采用专 一 级 ( 历 = 0 5 ”)时，其最 弱点点位 中误 差 历点 完全可 以达 到1 4 1 m m的精度要求 。 4点位选取及标志的建造 网中各 点均选在基岩 或土 质坚硬 ， 便于保存 的地方 。其 中：基准点为 P l 、P 2 、P 3 、P 4 、P 6 、 P 7 、P 8等 7个点，基准点均布置在施工影响范 围之外 ；工作基 点为 P G 1 、P G 2 、P G 3 、P G 4 、P G 5 、 P G 6等 6个点 ，分别用 以监测坝肩高边坡 、电站 厂房背坡及 坝顶的水平位移 。由于大坝主体正在 浇筑 中， 采用视准轴线法监测拱冠 点 L D 4的右岸 工作基点 P G 3待后设立 。 基准 点 、工作基 点均 建造钢 筋混 凝土 观测 墩 ， 观测墩 的地面 以下部分埋设至新鲜基岩上或 半风化岩层 1 5 0 c m以下 。 在观测墩顶面埋 设 F 1 A 强制对 中基座 ，基座调整倾斜度小于 4 。 5 大坝平面监测三维 网外业观测 采用测量机器人 ( L e i c a T C A 2 0 0 3全站仪配 套 T C A机载 自动监测软件 )实现了 自动观测 。外 业观测技 术要求及作业 限差按照 S L l 9 7 9 7专 一 级平面控制 网执行 ，即： ( 1 )水 平角 ( 采用方 向观测法 ) 、垂直角及 斜距均观测 1 5个测 回。由于照准标志数量所 限， 部分测站水平角进行 了分组观测 ， 分组观测包括 2个共同方向 ( 其中 1个为共同零方向) ，其两 组观测角之差如表 1所示 。 其值均 小于测角 中误 差的 2倍 ( 2 m = 1 0 ”) ，按等权分组观测进行 了测站平差 。 表 1 分组观测角度之差统计表 测站及共同方 向 P 1 ( P 2 、P 3 ) P 4( P 8 、P 1 ) P 7 ( P 1 、P S ) P 8( P 6 、P 7 ) 第 1次观测 一 0 2 3 + 0 3 4 ” 一 0 7 2 ” + 0 2 6” 第 2次观测 一 0 2 0 一 O 7 3 ” + 0 2 1 ” 一 0 4 7 ” ( 2 )采用专用量高游标卡尺在测 站、镜 站 从三个方 向分别量取仪器和棱镜 高度 ，并取平均 值 作 为 仪 器 高 和 觇 标 高 。 量 取 高 度 读 数 至 0 0 2 mm。 ( 3 )测站、镜站分别在观测开始 、中间、 结束时进行了温度、气压的测定，取均值，并按 检定证书 的修正值进行 改正 。 ( 4 )斜距读数 的中数经仪器加乘 常数 、气 象后改正后， 分别采用往返测垂直角计算测边高 差中数 ，再利用斜距和高差计算测边水平距离 。 全 网测距边 2 8条 ，最大边长 8 1 9 O 0 3 m ，最 短边长 2 7 6 9 6 2 m ，平均边长 4 4 1 4 8 2 m 。外业观 2 8 测期间温度 7 0 - - - 2 7 4 C，网中 2 8条测距边垂 直角l O 。有 3 个 ，且测距 边垂直角最大为 1 7 。1 9 。 6 外业观测数据验算 两次独 立外业观测完成后 ， 分别进行 了水平 角观测三 角形 闭合差、测角 中误差和测距 中误差 的验算 。水 平角外业观测成果验算见表 2 。 全 网测距 边 2 8 条 ，最 大边 长 ( P 1 一P 6 ) 8 1 8 9 9 3 m ，最短边长 ( P G 1 一P G 2 )2 7 6 9 6 9 m 。根 据往返测距 较差分别计算 得 ： 第 1次观测 的平均 测距 中误差 为 1 0 6 m m 第 2次观 测的平均测距 科研与管理 水利规划与设计 2 0 1 2年第 6期 表 2 三角形闭合差及测角中误差统计表 第 1次独立观测 第 2次观 测 序号 三 角形名称 闭合差 (”) 测 角中误差 闭合差 ( ”) 测 角中误差 1 P1 P 2 P 3 + 0 7 O +1 4 3 2 P1 P 2 P 4 +1 5 2 + O 5 4 3 P1 P3 P4 + 0 8 7 0 7 O 4 P1 P 4 P 8 0 1 6 + O 2 2 5 P1 P 8 P 7 一 O 7 1 + 0 5 7 6 P1 P 4 P7 0 1 2 一 O 3 7 7 P1 P8 P6 一 O 1 O 一 0 6 2 8 P1 P 7 P 6 一 O 2 3 0 1 5 9 P8 P 4P G 2 1 2 4 0 4 8” + 1 0 O 0 47” 1 0 P G 4 P 1 P 2 + 0 3 8 0 9 4 l l P G4 P1 P 3 +1 3 7 + 0 6 7 1 2 P 4 P G2 P 7 一 O 1 9 + 0 5 1 l 3 P G1 P G2 P 8 + 0 3 9 + 1 0 0 1 4 P G1 P7 P 8 0 3 6 + 0 2 5 1 5 P G5 P G6 P 8 1 2 3 1 0 9 1 6 P G5 P6 P 8 1 41 + 0 3 0 l 7 PG 6 P 6 P 8 + 0 3 9 + 1 5 4 限差 1 8 O 5 O ” 1 8 O 5 0 ” 中 误 差 为1 0 5 m m，其 值 均 小 于 规 范 规 定 的 2 5 m m的要求 。 外业 观测数据验算合格 后 ，采用清华 山维 工程测 量控制 网微机平差 系统软件 ，以 P 1 为三 维 网的坐标和 高程起 算点 ( P 1 一P 4边做 为 起 算方位边 ) ，边 长投影至 8 4 0 m高程面 ，按 固定 一 点一方位 的平面独 立网进行数据处理 。首期 2 次独 立观测数据处理后精 度统计见表 3 。 表 3 首期 2次独立观测成果精度统计表 最弱 点点位 中误差 最大边长 最 弱点高程中误差 2次独立观测较差 ( m m ) 测 次 ( m m ) 比例误差 ( m m ) 平面位置 高程 第 1次观 测 1 4 0 1 4 0 3 8 0 0 0 8 5 3 4 9 1 4 0 第 2次 观测 1 1 0 1 4 6 1 6 0 0 0 6 3 设计值 1 4 l 1 5 0 4 2 4 4 2 4 7 数据处理及精度统计 从表 3精度指标统 计结果可 以看 出， 对大坝 平 面监测三 维 网首期 2 次独立观 测成果进 行 比 较， 其较差均小于2 m ， 达到设计书预期精度 指标 要求 。 取 首期 2次独立观测成 果的均值作为 大坝 平面监测三维 网的基准 值 。 8几 个 问题 的分 析探 讨 8 1 外业观测记录 数据分析 ( 1 )通过对 外业观 测数据返 工 的测 站观测 数据 分析发现 ：在一个测站 内，观测 时间段测量 机器 人应 同时进行方 向观测 、测距 、天顶距观测 各 1 5个测 回，如果仪器 自动重测 的测 回数超过 1 3时 ，虽然重测后 的 1 5个测 回间测 回差在 限 差 内， 但其观 测数据在参与外业三角 形闭合差验 算时 ，会 引起三 角形闭合差超 限。 ( 2 )在外 业观测 过程 中，如遇到天 气 由晴 转 多云 ，光线强弱产 生突变 时，测量机 器人重测 测回数会超过 1 3 。 这种情 况观测质量 同样较 差 。 ( 3 )观测 方 向的垂直角较 大时 ，应 选择在 阴天或夜 间观测 ，观测质量较好 。 8 2 两次独 立观 测的方 向值及测距 差值评价 8 2 1 观测方向值的比较 水平角方 向观 测法独立进行 2次观测 ， 其较 差应小于 = 2 ，腰 = 1 0 ”。经对 l 2个测站 4 4个观 测方 向值 ( 每测站不含零方 向)2次观测 方 向值统计对 比，其较差小于 1 2 的有 2 2个 ， 占总方向数的 5 0 ：较差在 1 2 1 之间的有 1 5 个 ， 占总方 向数 的 3 4 1 ；较差大 于 = 1 0 ” 2 9 科研与管理 水利规划与设计 2 0 1 2年第 6期 的有 7个 ，且最大值为一 1 9 4 ，占总方 向数 的 1 5 9 。 现 行规范只要 求首期 2次独立观 测成果做 明确规 定 ， 而未对 2次独立观测水平角 的较 差作 出规 定。 8 2 2 观测距离值的比较 平面三维监测 网测距边 2 8条 ，经对首期 2 次独立观测水平距离较差统计 ， 往返 测距较差正 负值 各 占 5 0 ，且 仅有 1条边 ( P 1 一P G 4 边长 2 9 4 2 5 2 1 2 ra m )往返测距较差为 2 2 3 m m ，其它均 小于 i m m + i p p m 。 8 3 水平角观测 测回数 对成果质量的影响分析 笔者另行 按水平角观测 1 2个测 回的均值 ， 进行验算及数据 处理结果如表 4所示 。 表 4 1 2测回的验算及数据处理结果对 比表 三角形 闭合差最大值 测角 中误 差 最弱 点点位 中 最大边长 比例误 差 平面位置较差 测 次 ( ) ( ”) 误差 ( ra m ) ( 咖 ) X = 4 1 9 m m 第 1 次观测 1 9 0 5 6 1 5 0 1 3 9 4 0 0 0 Y = 8 6 5 m m 第 2次观测 1 8 O 5 O 1 3 9 I 3 6 6 8 0 0 S = 9 6 i m m 限差 1 8 0 0 5 0 1 5 0 1 4 7 8 7 0 0 4 2 4 从表 4可 以看 出，水平 角方 向观 测法若 采用 1 2 个测回 ，对 于大坝平面监测 网测角精度 是不 易达到 0 5 ”的要求 ，首期 2次独立观测 坐标 差值也不 易达 到预期精度 指标。 8 4 高精度仪器检定加 乘常数 的误差 问题 本次外业观测过程 中，采用 T S 3 0全 站仪复 测了基准 网点 P 1 、P 6 、P 8等 3个 点之 间边 长。 其 中： T C A 2 0 0 3全站仪检 定的加常数 一 1 3 I m m ， 乘常数 = 一 2 0 9 m m k m ；T S 3 0全站仪检 定的加 常 数 C=0 0 0 m m ，乘常数 ：0 0 0 m m k m 。将两 台 全站仪所测边长进行 了比对 ， 计算统计 结果如表 5所示 。 表 5 T C A 2 0 0 3与 T S 3 0测量边长 比对表 单位：m T C A 2 0 0 3 两 台仪器测距较差 ( m m ) 测边名称 T S 3 0 加 改正 不加 改正 加 改正 不加 改正 P1 P 6 8 l 9 0 0 3 6 8 l 9 0 0 6 3 8l 9 0 0 6 8 -3 2 一 O 5 P1 一 P 8 4 0 5 5 2 4 0 4 0 5 5 2 5 8 4 0 5 5 2 6 2 2 2 - 0 4 P 6 一 P 8 4 6 0 3 9 8 8 4 6 0 4 01 2 4 6 0 4 0i 9 3 1 0 7 根 据检 测 样本 结 果 可 以看 出 ：T C A 2 0 0 3 和 T S 3 0两台仪器不考虑仪器加、乘常数改正的话， 测距较差很小 。如果考虑仪器检定加 、乘常数改 正 ，就涉及仪器检定 的误差 问题 。目前 ，国内哪 一 家 法定检 定 单位 具备 高精度 全站 仪 的检定 技 术能力 ，值得业界 同行关注 。 9结论及建议 ( 1 )通过 以上质量分析评 价 ，李家河 水库 工程混凝土拱坝高精度平面三维监测控制网的 建立，严格掌控外业观测过程中的最佳气象环 境，达到了预期理想的精度。 ( 2 )测量机器 人虽然 实现 了外业 自动化 观 测 ，替代 了人工观测 ，减 少了人工观测人 为误差 因素影响 ， 但测量机器人 自动观 测仍然会 受外界 作业环境影 响。因此 ，在 高精 度变形监测 网的外 业观测过程 中，应严格掌控最佳天气环境 ，尽可 能在 阴天或夜 间进行观测 。 3 0 ( 3 ) 测量机器人完成一个测站的全部数据测 量 ，一般 需要 4 0 6 0 m i n 。观测时间段温度 的变 化会直接影 响测距边的计算精度 。因此 ，应在测 前、测 中、测后同时分别测记测站和镜站的温度 、 气压，再取 中数 ，以取得准确的气象改正系数 。 ( 4 )为 了保证斜 距改平精度 ，采用经气象 改正后 的斜距与三角观测高差计算水平距离 。三 角观测高差精度除与斜距 、 垂直角观测精度 有关 外，仪器和棱镜高度 的量取精度也直接 影响高差 计算精度 。本 工程专 门加工游标卡尺在测站 、镜 站从三个方 向分别量取仪器和棱镜 高度 ，并取平 均值作为仪器高和觇标高 的方法 ， 取得 了满 意的 效果 。 参考文献 l 工程变形监测分析预报的理论与实践( I S B N 9 7 8 7 5 0 8 4 -5 9 9 3 6 ) 北京：中国水利水电出版社 2 S L 1 9 7 9 7水 利 水 电工程 测量 规 范 北 京 ：中 国水利 水 电出 版 社