应村水库混凝土面板坝三维变形控制网设计与监测.pdf

规划设计 S M A I I H Y D R O P O W E R 2 0 1 3 N o 4 T o t a l N o l 7 2 应村水 库混凝 土面板坝 三维 变形 控 制 网设计 与监测 林昌夏 ( 浙江龙川水利水电开发有限公 司 浙江遂 昌 3 2 3 3 0 0 ) 【 摘 要】随着高精度全站仪的推广应用，大坝变形控制网 监测可采用简便可靠、高效先进的三维变形控制网，取代常 规的平面控制网和精密水准控制网。通过三维控制网的优化设计及监测，达到 了预期 目标，满足规范及工程安全运行的要 求。图 1 幅，表 1个。 【 关键词】水库 面板堆石坝 三维变形控制网 设计监测 0 引 言 大坝工作基点 由于 ( 泛指三角形 网、视准线 、 交会法各观测站以及水准测量的工作基点等)本身 可能设在不稳定基础或受水压温度影响或遭受人为 破坏会产生位移 ，而其位移将影响整个观测成果的 可靠性。例如 ，当工作基点与测点产生同步位移时 ( 说明工作基点也在变形区) ，则坝上测点即使发生 较大位移 ，观测成果 中也反映不 出来 。另一种现象 是工作基点本身产生局部位移 ，从而系统地影响成 果 ，造成 错觉 ，以为被监测对象产生 了较大的变 形 。因此，必须对工作基点的位移进行校测 。 校测工作基点稳定性 的方法有多种 ，对于设在 坝体廊道内的引张线 、激光准值系统的端点 ，一般 是在其附近埋设倒垂线 ；对于设在坝面的视准线或 交会测点 ，还可用简单的方 向线法和精密测距测角 法校测工作基点的水平位移 ，但方 向线法和精密测 距测角法由于校核基点都要埋设在工作基点附近 ， 若工作基点附近有整体变动 ，则不易发现。对于大 中型工程或高坝，由于受库水压力等因素的影响， 坝区附近变形影响范围较广，通常需要把工作基点 与远离坝区的三角形网控制点联系起来 ，即采用平 面变形控制网的方法来校测工作基点 的水平位移。 收稿 日期 ：2 0 1 3 0 3 2 0 作者简介：林昌夏 ( 1 9 8 2一) ，男，工程师 ，主要从事水库 大坝运行管理工作。E m a i l ：w z l c x 2 0 0 3 1 6 3 c o rn 5 6 坝面垂直位移监测工作基点的校核 ，一般采用 设在远离坝区的水准基准点 ，并布设成水准网的形 式 ( 即高程变形控制网)来校测水准工作基点的稳 定性。对于中小型工程高程变形控制网观测 ，经分 析验证 ，网中最弱点位移量全中误差确能满足规范 规定要求的，也可采用三角高程法进行 ，与平面变 形网共 同组成三维变形控制网。 1 工程概况 应村水库位于浙江省丽水市遂 昌县境 内，坝址 以上 集 水 面 积 7 9 6 k m 2 ， 库 区 多 年 平 均 降水 量 1 8 2 0 1T I IT I 。 水库校核洪水位 ( P=0 1 )4 3 8 4 5 m， 相应库容2 3 4 9 万 m 3 ，正常蓄水位4 3 5 m， 发 电死水 位4 0 0 m。 电站主要枢纽有拦河坝 、泄洪建筑物 、发 电引水系统 、厂房及升压站、跨流域引水系统等。 工程以发电为主 ，兼顾 防洪 、灌溉等利用。水库为 中型水库，工程等别为 I I I 等。 拦河 坝 为 混 凝 土 面 板 堆 石 坝 ，最 大 坝 高 6 7 5 m， 坝顶宽5 0 m， 坝顶长 1 4 8 5 m。 上 、下游 坝 坡均为1 ： 1 3 ， 在下游高程4 1 5 m和高程3 9 5 m 处各设 1 条2 m 宽的马道。坝址两岸及河床基岩为流纹质 晶熔结凝灰岩 ，基岩裸露。 工程于 2 0 0 0年开工建设 ，2 0 0 2年 8月 2 0日大 坝堆石体填筑基本 结束 ，2 0 0 3年 8月水库导流洞 封堵 ，水库开始蓄水 ，2 0 0 4年 7月 电站正式投产 发电，2 0 1 2年通过安全鉴定评定为一类坝。 小水电2 0 1 3 年第4 期 ( 总第 1 7 2 期) 规划设计 本工程大坝安全监测系统包括巡视检查及仪器 监测 ，仪器监测设有 坝体表面水平 和垂直位移 监 测、坝体内部垂直位移监测、面板接缝监测等，下 游坝脚布置量水堰进行大坝渗流量监测 。其 中，大 坝变形监测系统 中尚无能满足规范及工程要求的变 形控制 网监测 系统。因此 ，2 0 1 2年建立 了大坝三 维变形控制网监测系统 ，并进行了首次监测 ，取得 了良好效果 。 2 三维变形控制网设计 大 坝变形网的测点按其可靠 稳定性高低可分 为 ：基准点 ( 又称校核基点 ，是为变形监测而布设 的长期稳定可靠的监测控制点 ) 、工作基点 ( 又称 起测基点 ，是为直接监测位移测点而在位移测点附 近布设 的相对稳定的测量控制点 ) 、位移测点 ( 是 布设在建筑物上和建筑物牢 固结合 ，能代表建筑物 变形的监测点 )三级。 按 土石坝安全监测技术规范 ( 简称规范) 规定 ，在大坝下游不受 大坝及库水压 力影响 的地 区 ，基准点不宜少于 4个 ，以互相校核本身的稳定 性 ，确保有 2 个 以上的稳定点。设计在基本不受大 坝及库水压力 的大坝下游泄洪河道对岸山体上距坝 轴线约4 0 0 m位 置 ，设立 基本稳定 可靠 的基准点 ， 确定布设 A、B 、E共 3个基准点 。同时 ，将相对 稳定 的工作基点纳入基准点组中通过 自由网平差进 行稳定性检验 ，判明点位的稳定性 ，从而保证基点 群 的可靠 ，目的是确保有 2 个 以上稳定点 。控制 网 的设置力求简单 、高效 、经济 、可靠 。这样整个控 制网由 3 个 基准 点 A、B 、E及 6个工作基 点 C 1 、 c 2 、D 2 、c 3 、D 3 、D 4 等组成 ，共计 9个测点 ( 见 图 1 ) 。控制 网采用三维 网方式代替 了常规 的边 角 平面控制 网加精密水准高程控制 网的组合 。 三维 网设计时首先根据可靠性评价对设计进行 优化，各观测值的可靠性因子 r i 不宜小于 0 2 。初 始观测方案应对所 有可能观测 的边 和方 向进行全 测，模拟初始观测方案，进行平差计算。对精度、 可靠性乃至灵敏度计算结果应进行分析 ，首先确定 观测精度 ( 或指定方向的观测精度)是否达到最弱 点指定方 向位 移量全 中误差不大 于 2 0 H n( 即 坐标全 中误差为 1 4 m m) 的设计要 求。如果该方 案还达不到设计要求 ，则说明所拥有 的仪器设备精 度不够高或者是 网形布置不合适或者是观测方案不 合理 ，整个方案需作适当调整。在观测值精度达到 设计要求的基础上 ，再进行网的优化设计 ，对计算 的观测值多余观测分量按从大到小的顺序排列 ，删 去几个多余观测分量较大的那些观测值 ，然后重新 作模拟计算 ，得到三维网的优化设计方案。 图 1 大坝 三维 变形 控制网通视 图 3 三维变形控制网监测 大坝变形控制网观测采用一等三维边角网法 ， 并采用 E D M三角高程进行对 向观测 ，水平角 、垂 直角及边长均达到国家一等测量精度。 3 1现 场 观 测 大坝变形控制 网建立后经过 1 个雨季 ，可进行 首次观测 ，获得整个大坝变形 网的可靠成果。大坝 正常运行期 间一般每 隔3 a 进行 1次变形控制 网的 复测工作 ，以判明各工作基点 的稳定性。 现场观测选用一等测角仪器 L e i e a T C A 1 2 0 1 +， 采取相应措施后 ，将达到一等三角测量精度 ，并按 一 等测角精度进行误差控制及精度评定。一等三角 测量还包括三角高程观测 。 5 7 规划设计 S M A L L H Y D R O P O WE R 2 0 1 3 N o 4 ， N o 1 7 2 边长观测按国家工程测量三等 电磁波测距方法 进行 ，选用二等测距仪器 T C A1 2 0 1 +，采取相应措 施后 ，将达到一等三角测量边长精度 ，并按一等测 距仪精度进行误差控制及精度评定 。 大坝变形控制网观测均按照 混凝土坝安全监 测技术规范 、 国家三角测量规范 、 中、短程光 电测距规范等执行。变形控制网观测 中使用的全 站仪 、配套棱镜及通风干湿温度表、气压表等配套 设施 ，使用前应进行检定 ，各 自检项 目按规定进行 检定 。 3 2 观测成果验算 现场各测站观测工作结束之后 ，应及时整理和 检查外业观测手薄。检查 内容包括手薄中的所有计 算是否正确 ，观测成果是否满足各项测 站限差要 求 。测站观测成果的内符合精度只能部分地反映出 观测质量，几何条件的检查则是衡量作业质量的主 要标准；因此 ，每完成一期作业后 ，必须进行验算。 本工程三维变形控制网计算 的所有 2 3个三角 形闭合差 、6个 四边形极条件闭合 差、7个 四边形 ( 扇形)组合角闭合差以及所有三角形高差闭合差 均满足限差要求。其中按菲列罗公式计算的测角中 误 差m p = = 0 6 8 ” 0 7 ” 之 限 差 。 3 3 平差计算及精度评定 变形控制网的平差计算方法一般可分为经典平 差 、秩亏 自由网平差 ( 伪逆平差) 、拟稳平差。首 期变形控制网平差计算一般采用经典平差 ，平差计 算软件采用武汉大学 C O S A V 6 0控制测量 数据处 理通用软件。 控制 网计算采用 c 3为 已知三维坐标 ， C 3 D 3 为 已知坐标方位角。平差结果 0 3 2 r i 0 8 2 ；后验 单位权中误差为 0 4 4 ” ，高于先验 的 0 5 0 ” ，说 明网的可靠性及观测质量均高于预期。三维控制网 平差值坐标全中误差最大值 x 、MY分别在 0 6 4 、 0 5 2 n 咖以 内，各 测 点 误 差 椭 圆 长 半 轴 均 在 0 7 2 m以内，远小于规范规定的 1 4 I I L 1T I 技术要 求 ；三角 高程 平 差值 得 到 的高 程全 中误差 均 在 0 9 3 m m以内，小 于规范规定 的 1 4 l q l i n 技术要 5R 求 ，观测精度高于预期 ，说明三维控制网的设计及 监测完全满足规范要求 ( 见表 1 ) 。 表 1 应村大 坝三维变形控制 网平差坐标及其中误 差 点名X ( m )Y( m )H ( ) |_ 备注 mm) 9 5 5 6 9 9 4 8 0 0 0 0 0 6 4 3 9 9 0 9 0 已知点 6 0 4 8 5 6 2 1 1 1 2 9 2l 1 4 0 2 3 9 9 6 0 5 9 0 5 2 O 6 9 6 8 4 7 3 2 5 1 1 5 7 2 7 6 6 4 0 6 2 1 1 3 0 6 4 0 4 1 0 6 6 8 0 9 8 6 6 6 l 1 0 8 7 3 4 1 4 0 6 7 9 4 0 0 5 7 0 3 0 0 6 6 8 0 0 2 8 4 0 7 9 3 1 8 4 7 4 4 0 9 9 1 7 O 4 3 O 3 1 0 7 0 8 0 0 o 0 7 1 8 0 0 0 o 4 4 4 4 0 2 3 8 2 0 4 1 0 0 0 0 6 7 9 5 3 6 9 7 3 8 3 0 1 9 o 6 4 2 0 2 5 0 7 0 5 3 0 4 8 0 9 3 81 8 5 6 o 9 8 3 0 1 9 5 8 4 1 9 1 8 6 0 0 4 6 0 3 8 0 8 3 9 4 5 l2 l 8 5 8 1 6 3 7 3 9 9 9 6 8 2 0 5 5 0 4 8 0 9 4 4 结论 1 )由于各变形观测工作基点均建立在大坝两 岸的坝头附近 ，在一定程度上受大坝及库水压力以 及外界荷载的影响而容易产生位移，故对各变形观 测工作基点的变形监测是完全必要的；经变形控制 网复测确认工作基点产生位移的，均需加以修正。 2 )控制 网设计必须根据可靠性评定从而进行 优化 ，在一定 的人力 、物力、财力的基础上 ，设计 出精度高、可靠性强、灵敏度高、经费省的布设方 案。通过变形 网的优化设计 ，可指导监测人员选择 适 当的监测仪器 ，制定合理的工作方案，避免进行 一 些意义不大的观测工作 ，提高工作效率。 3 )优化设计后的三维变形控制 网观测采用一 等三维边角网法 ，现场观测所采用的全站仪及配套 棱镜等设施必须进行全面检验 ，经平差计算分析整 个网的观测精度完全满足规范要求 ，取代 了常规 的 平面网及高程网。 参考文献： 1 D L T 5 2 5 9 -2 0 1 0 ， 土石坝安全监测技术规范 S 2 G B T 1 7 9 4 2 -2 0 0 0 ，国家三角测量规范 S 3 G B T 1 6 8 1 8 -2 0 0 8 ， 中、 短程光电测距规范 S 4 D L T 5 1 7 8 -2 0 0 3 ， 混凝土坝安全监测技术规范 S 5 濮久武 三维坐标法在水坝变形观测中的应用 J 水 力 发电 ， 2 O O 4 ( 4 ) ： 6 3 6 5 责任编辑吴昊 A B E 阱 j