李軍安

（陜西省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 西安 710002)

1 概述

西安市輞川河引水李家河水庫(kù)工程攔河壩為碾壓混凝土拋物線雙曲拱壩，壩頂高程884m，最大壩高 98.5m，壩頂弧長(zhǎng) 351.71m，水庫(kù)正常蓄水位880.0m，水庫(kù)總庫(kù)容為5260萬(wàn)m3，調(diào)節(jié)庫(kù)容為4400萬(wàn)m3。水庫(kù)壩址處河谷深切呈“V”字型，河道狹窄，河床寬度僅15～30m。兩岸山坡陡峻，荊棘叢生、植被茂密、通行及通視條件較差。

樞紐區(qū)平面監(jiān)測(cè)三維控制網(wǎng)的建立是采用Leica TCA機(jī)載自動(dòng)監(jiān)測(cè)軟件實(shí)施。該操作系統(tǒng)簡(jiǎn)單，測(cè)站完成各項(xiàng)設(shè)置后，儀器可自動(dòng)照準(zhǔn)各目標(biāo)點(diǎn)，自動(dòng)測(cè)距、測(cè)角，并實(shí)時(shí)自動(dòng)檢查各項(xiàng)誤差，超限后自動(dòng)處理。同時(shí)，該系統(tǒng)后處理完善、規(guī)范，與之相配套的后處理軟件可以自動(dòng)生成與規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)方向觀測(cè)記錄手簿完全一致的報(bào)表等。

2 平面三維監(jiān)測(cè)網(wǎng)等級(jí)的選取

依據(jù) DL/T5178—2003《混凝土壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》的規(guī)定，大壩安全監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)報(bào)告中明確監(jiān)測(cè)網(wǎng)最弱點(diǎn)位移量中誤差 m位應(yīng)小于±2.0mm。SL197—97《水利水電工程測(cè)量規(guī)范》將大壩平面監(jiān)測(cè)三維網(wǎng)劃歸為專用平面控制網(wǎng)，根據(jù)精度要求和實(shí)際條件確定各級(jí)專用平面控制網(wǎng)適用范圍，且明確重力壩、拱壩、支墩壩變形監(jiān)測(cè)、近壩區(qū)危巖變形監(jiān)測(cè)、穩(wěn)定期地形變形監(jiān)測(cè)等應(yīng)選用專一級(jí)平面控制網(wǎng)。專一級(jí)網(wǎng)主要技術(shù)指標(biāo)是最弱點(diǎn)點(diǎn)位中誤差 m點(diǎn)。最弱點(diǎn)位移量中誤差m位和點(diǎn)位中誤差m點(diǎn)的關(guān)系為：m位=m點(diǎn)，即：混凝土大壩安全監(jiān)測(cè)網(wǎng)的最弱點(diǎn)點(diǎn)位中誤差m點(diǎn)應(yīng)小于±1.41mm。在水利水電工程樞紐區(qū)布置監(jiān)測(cè)網(wǎng)的網(wǎng)形條件受地形地貌限制，只有考慮選擇控制網(wǎng)的觀測(cè)等級(jí)。SL197—97中，專一級(jí)網(wǎng)的最弱點(diǎn)點(diǎn)位中誤差±1.3mm，相當(dāng)于位移量中誤差±1.84mm，其精度標(biāo)準(zhǔn)與DL/T5178—2003基本相同。那么，李家河水庫(kù)雙曲混凝土拱壩平面監(jiān)測(cè)三維控制網(wǎng)的等級(jí)及觀測(cè)技術(shù)要求執(zhí)行SL197—97中專一級(jí)網(wǎng)的規(guī)定，可以滿足監(jiān)測(cè)網(wǎng)最弱點(diǎn)位移量中誤差m位小于±2.0mm。

3 大壩平面監(jiān)測(cè)三維網(wǎng)精度估算

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地形及監(jiān)測(cè)對(duì)象，聘請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)及地質(zhì)人員實(shí)地進(jìn)行具體的點(diǎn)位選設(shè)，確定大壩平面監(jiān)測(cè)網(wǎng)由基準(zhǔn)點(diǎn)和工作基點(diǎn)組成監(jiān)測(cè)控制網(wǎng)，網(wǎng)形如圖1所示。

圖1 大壩平面監(jiān)測(cè)三維控制網(wǎng)索引圖

大壩平面監(jiān)測(cè)網(wǎng)形選定后，基準(zhǔn)點(diǎn)采用實(shí)地測(cè)取概略坐標(biāo)，工作基點(diǎn)從1∶2000地形圖上量取概略坐標(biāo)。精度估算參數(shù)選取：測(cè)角中誤差mβ取0.5″，測(cè)距中誤差ms取1mm+1ppm·Dkm。采用清華山維《工程測(cè)量控制網(wǎng)微機(jī)平差系統(tǒng)》軟件，在微機(jī)上按邊角全測(cè)網(wǎng)進(jìn)行了精度估算，計(jì)算出基準(zhǔn)網(wǎng)點(diǎn)位精度、可靠性、靈敏度指標(biāo)。其中，網(wǎng)中最弱點(diǎn)點(diǎn)位中誤差為±1.10mm，最弱邊相對(duì)精度為1/478700，內(nèi)可靠性R最大值6.63，外可靠性R′最大值6.09。

從估算各項(xiàng)指標(biāo)結(jié)果看，監(jiān)測(cè)三維網(wǎng)采用專一級(jí)（mβ=0.5″)時(shí)，其最弱點(diǎn)點(diǎn)位中誤差m點(diǎn)完全可以達(dá)到±1.41mm的精度要求。

4 點(diǎn)位選取及標(biāo)志的建造

網(wǎng)中各點(diǎn)均選在基巖或土質(zhì)堅(jiān)硬，便于保存的地方。其中：基準(zhǔn)點(diǎn)為P1、P2、P3、P4、P6、P7、P8等 7個(gè)點(diǎn)，基準(zhǔn)點(diǎn)均布置在施工影響范圍之外；工作基點(diǎn)為PG1、PG2、PG3、PG4、PG5、PG6等6個(gè)點(diǎn)，分別用以監(jiān)測(cè)壩肩高邊坡、電站廠房背坡及壩頂?shù)乃轿灰?。由于大壩主體正在澆筑中，采用視準(zhǔn)軸線法監(jiān)測(cè)拱冠點(diǎn)LD4的右岸工作基點(diǎn)PG3待后設(shè)立。

基準(zhǔn)點(diǎn)、工作基點(diǎn)均建造鋼筋混凝土觀測(cè)墩，觀測(cè)墩的地面以下部分埋設(shè)至新鮮基巖上或半風(fēng)化巖層150cm以下。在觀測(cè)墩頂面埋設(shè)F-1A強(qiáng)制對(duì)中基座，基座調(diào)整傾斜度小于4′。

5 大壩平面監(jiān)測(cè)三維網(wǎng)外業(yè)觀測(cè)

采用測(cè)量機(jī)器人（Leica TCA2003全站儀配套TCA機(jī)載自動(dòng)監(jiān)測(cè)軟件)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)觀測(cè)。外業(yè)觀測(cè)技術(shù)要求及作業(yè)限差按照 SL197—97專一級(jí)平面控制網(wǎng)執(zhí)行，即：

（1)水平角（采用方向觀測(cè)法)、垂直角及斜距均觀測(cè)15個(gè)測(cè)回。由于照準(zhǔn)標(biāo)志數(shù)量所限，部分測(cè)站水平角進(jìn)行了分組觀測(cè)，分組觀測(cè)包括2個(gè)共同方向（其中 1個(gè)為共同零方向)，其兩組觀測(cè)角之差如表1所示。其值均小于測(cè)角中誤差的2倍（2mβ=±1.0″)，按等權(quán)分組觀測(cè)進(jìn)行了測(cè)站平差。

表1 分組觀測(cè)角度之差統(tǒng)計(jì)表

（2)采用專用量高游標(biāo)卡尺在測(cè)站、鏡站從三個(gè)方向分別量取儀器和棱鏡高度，并取平均值作為儀器高和覘標(biāo)高。量取高度讀數(shù)至0.02mm。

（3)測(cè)站、鏡站分別在觀測(cè)開始、中間、結(jié)束時(shí)進(jìn)行了溫度、氣壓的測(cè)定，取均值，并按檢定證書的修正值進(jìn)行改正。

（4)斜距讀數(shù)的中數(shù)經(jīng)儀器加乘常數(shù)、氣象后改正后，分別采用往返測(cè)垂直角計(jì)算測(cè)邊高差中數(shù)，再利用斜距和高差計(jì)算測(cè)邊水平距離。

全網(wǎng)測(cè)距邊28條，最大邊長(zhǎng)819.003m，最短邊長(zhǎng) 276.962m，平均邊長(zhǎng) 441.482m。外業(yè)觀測(cè)期間溫度 7.0～27.4℃，網(wǎng)中 28條測(cè)距邊垂直角＜5°有18個(gè)，5～10°有7個(gè)，＞10°有3個(gè)，且測(cè)距邊垂直角最大為17°19′。

6 外業(yè)觀測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)算

兩次獨(dú)立外業(yè)觀測(cè)完成后，分別進(jìn)行了水平角觀測(cè)三角形閉合差、測(cè)角中誤差和測(cè)距中誤差的驗(yàn)算。水平角外業(yè)觀測(cè)成果驗(yàn)算見表2。

全網(wǎng)測(cè)距邊 28條，最大邊長(zhǎng)（P1－P6)818.993m，最短邊長(zhǎng)（PG1－PG2)276.969m。根據(jù)往返測(cè)距較差分別計(jì)算得：第1次觀測(cè)的平均測(cè)距中誤差為1.06mm；第2次觀測(cè)的平均測(cè)距中誤差為 1.05mm，其值均小于規(guī)范規(guī)定的±2.5mm的要求。

表2 三角形閉合差及測(cè)角中誤差統(tǒng)計(jì)表

外業(yè)觀測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)算合格后，采用清華山維《工程測(cè)量控制網(wǎng)微機(jī)平差系統(tǒng)》軟件，以P1為三維網(wǎng)的坐標(biāo)和高程起算點(diǎn)（P1－P4邊做為起算方位邊)，邊長(zhǎng)投影至840m高程面，按固定一點(diǎn)一方位的平面獨(dú)立網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。首期2次獨(dú)立觀測(cè)數(shù)據(jù)處理后精度統(tǒng)計(jì)見表3。

表3 首期2次獨(dú)立觀測(cè)成果精度統(tǒng)計(jì)表

7 數(shù)據(jù)處理及精度統(tǒng)計(jì)

從表3精度指標(biāo)統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，對(duì)大壩平面監(jiān)測(cè)三維網(wǎng)首期 2次獨(dú)立觀測(cè)成果進(jìn)行比較，其較差均小于2m，達(dá)到設(shè)計(jì)書預(yù)期精度指標(biāo)要求。取首期2次獨(dú)立觀測(cè)成果的均值作為大壩平面監(jiān)測(cè)三維網(wǎng)的基準(zhǔn)值。

8 幾個(gè)問題的分析探討

8.1 外業(yè)觀測(cè)記錄數(shù)據(jù)分析

（1)通過對(duì)外業(yè)觀測(cè)數(shù)據(jù)返工的測(cè)站觀測(cè)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)：在一個(gè)測(cè)站內(nèi)，觀測(cè)時(shí)間段測(cè)量機(jī)器人應(yīng)同時(shí)進(jìn)行方向觀測(cè)、測(cè)距、天頂距觀測(cè)各 15個(gè)測(cè)回，如果儀器自動(dòng)重測(cè)的測(cè)回?cái)?shù)超過1/3時(shí)，雖然重測(cè)后的 15個(gè)測(cè)回間測(cè)回差在限差內(nèi)，但其觀測(cè)數(shù)據(jù)在參與外業(yè)三角形閉合差驗(yàn)算時(shí)，會(huì)引起三角形閉合差超限。

（2)在外業(yè)觀測(cè)過程中，如遇到天氣由晴轉(zhuǎn)多云，光線強(qiáng)弱產(chǎn)生突變時(shí)，測(cè)量機(jī)器人重測(cè)測(cè)回?cái)?shù)會(huì)超過1/3。這種情況觀測(cè)質(zhì)量同樣較差。

（3)觀測(cè)方向的垂直角較大時(shí)，應(yīng)選擇在陰天或夜間觀測(cè)，觀測(cè)質(zhì)量較好。

8.2 兩次獨(dú)立觀測(cè)的方向值及測(cè)距差值評(píng)價(jià)

8.2.1 觀測(cè)方向值的比較

水平角方向觀測(cè)法獨(dú)立進(jìn)行2次觀測(cè)，其較差應(yīng)小于⊿=±2，mβ=±1.0″。經(jīng)對(duì) 12個(gè)測(cè)站44個(gè)觀測(cè)方向值（每測(cè)站不含零方向)2次觀測(cè)方向值統(tǒng)計(jì)對(duì)比，其較差小于⊿的有22個(gè)，占總方向數(shù)的50%；較差在～1⊿之間的有15個(gè)，占總方向數(shù)的34.1%；較差大于⊿=±1.0″的有 7個(gè)，且最大值為-1.94″，占總方向數(shù)的15.9%。

現(xiàn)行規(guī)范只要求首期 2次獨(dú)立觀測(cè)成果做明確規(guī)定，而未對(duì)2次獨(dú)立觀測(cè)水平角的較差作出規(guī)定。

8.2.2 觀測(cè)距離值的比較

平面三維監(jiān)測(cè)網(wǎng)測(cè)距邊 28條，經(jīng)對(duì)首期 2次獨(dú)立觀測(cè)水平距離較差統(tǒng)計(jì)，往返測(cè)距較差正負(fù)值各占 50%，且僅有 1條邊（P1－PG4邊長(zhǎng)294.25212mm)往返測(cè)距較差為2.23mm，其它均小于1mm+1ppm。

8.3 水平角觀測(cè)測(cè)回?cái)?shù)對(duì)成果質(zhì)量的影響分析

筆者另行按水平角觀測(cè) 12個(gè)測(cè)回的均值，進(jìn)行驗(yàn)算及數(shù)據(jù)處理結(jié)果如表4所示。

表4 12測(cè)回的驗(yàn)算及數(shù)據(jù)處理結(jié)果對(duì)比表

從表4可以看出，水平角方向觀測(cè)法若采用12個(gè)測(cè)回，對(duì)于大壩平面監(jiān)測(cè)網(wǎng)測(cè)角精度是不易達(dá)到±0.5″的要求，首期 2次獨(dú)立觀測(cè)坐標(biāo)差值也不易達(dá)到預(yù)期精度指標(biāo)。

8.4 高精度儀器檢定加乘常數(shù)的誤差問題

本次外業(yè)觀測(cè)過程中，采用 TS30全站儀復(fù)測(cè)了基準(zhǔn)網(wǎng)點(diǎn) P1、P6、P8等 3個(gè)點(diǎn)之間邊長(zhǎng)。其中：TCA2003全站儀檢定的加常數(shù)C= -1.31mm，乘常數(shù)R =-2.09mm/km；TS30全站儀檢定的加常數(shù)C = 0.00mm，乘常數(shù)R = 0.00mm/km。將兩臺(tái)全站儀所測(cè)邊長(zhǎng)進(jìn)行了比對(duì)，計(jì)算統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表5所示。

表5 TCA2003與TS30測(cè)量邊長(zhǎng)比對(duì)表 單位：m

根據(jù)檢測(cè)樣本結(jié)果可以看出：TCA2003和TS30兩臺(tái)儀器不考慮儀器加、乘常數(shù)改正的話，測(cè)距較差很小。如果考慮儀器檢定加、乘常數(shù)改正，就涉及儀器檢定的誤差問題。目前，國(guó)內(nèi)哪一家法定檢定單位具備高精度全站儀的檢定技術(shù)能力，值得業(yè)界同行關(guān)注。

9 結(jié)論及建議

（1)通過以上質(zhì)量分析評(píng)價(jià)，李家河水庫(kù)工程混凝土拱壩高精度平面三維監(jiān)測(cè)控制網(wǎng)的建立，嚴(yán)格掌控外業(yè)觀測(cè)過程中的最佳氣象環(huán)境，達(dá)到了預(yù)期理想的精度。

（2)測(cè)量機(jī)器人雖然實(shí)現(xiàn)了外業(yè)自動(dòng)化觀測(cè)，替代了人工觀測(cè)，減少了人工觀測(cè)人為誤差因素影響，但測(cè)量機(jī)器人自動(dòng)觀測(cè)仍然會(huì)受外界作業(yè)環(huán)境影響。因此，在高精度變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)的外業(yè)觀測(cè)過程中，應(yīng)嚴(yán)格掌控最佳天氣環(huán)境，盡可能在陰天或夜間進(jìn)行觀測(cè)。

（3)測(cè)量機(jī)器人完成一個(gè)測(cè)站的全部數(shù)據(jù)測(cè)量，一般需要 40～60min。觀測(cè)時(shí)間段溫度的變化會(huì)直接影響測(cè)距邊的計(jì)算精度。因此，應(yīng)在測(cè)前、測(cè)中、測(cè)后同時(shí)分別測(cè)記測(cè)站和鏡站的溫度、氣壓，再取中數(shù)，以取得準(zhǔn)確的氣象改正系數(shù)。

（4)為了保證斜距改平精度，采用經(jīng)氣象改正后的斜距與三角觀測(cè)高差計(jì)算水平距離。三角觀測(cè)高差精度除與斜距、垂直角觀測(cè)精度有關(guān)外，儀器和棱鏡高度的量取精度也直接影響高差計(jì)算精度。本工程專門加工游標(biāo)卡尺在測(cè)站、鏡站從三個(gè)方向分別量取儀器和棱鏡高度，并取平均值作為儀器高和覘標(biāo)高的方法，取得了滿意的效果。

1 工程變形監(jiān)測(cè)分析預(yù)報(bào)的理論與實(shí)踐.（ISBN 978－7－5084－5993－6).北京：中國(guó)水利水電出版社.

2 SL197—97水利水電工程測(cè)量規(guī)范.北京：中國(guó)水利水電出版社.