董箐水电站位于贵州省西南部的北盘江 (茅口以下) 下游, 右岸属贞丰县 (38km) , 左岸属镇宁县 (101km) 。电站正常蓄水位490m, 水库总库容9.55亿m3, 装机容量为880MW (4×220MW) 。董箐水电站为二等工程, 工程规模为大 (II) 型;电站大坝为钢筋混凝土面板堆石坝, 最大坝高150m、坝顶全长680.73m、坝底宽352m、坝顶宽14m, 整个大坝成“V”形, 为1级建筑物;为了真实、准确地获取大坝在电站蓄水过程中受力垂直沉降分布规律及沉降变化速率, 在坝体上埋设了多条视准线进行监测。本文通过董箐电站工程坝前LD6视准线监测方案的设计及项目的实施, 探讨了利用新一代智能性全站仪进行大坝视准线的变形监测的可行性。
1 TCA2003全站仪简介
TCA2003通称为测量机器人, 是一种高精度测量仪器和较大容量计算机技术相结合的全站仪, 测角标称精度为0.5″、测距标称精度为1mm+1ppm。该仪器有伺服马达驱动, 在机载系统软件控制下完成自动识别目标、测量 (水平角、垂直角、距离) 目标和自动检测记录观测数据功能。
TCA2003全站仪为了针对大坝变形监测的应用, 开发了外业机载Inspector数据采集软件和大地控制、变形监测网及变形监测自动控制后处理软件GNPS。Inspector的功能是让TCA2003在测站上按照预先设定的观测点集、观测顺序以及规定的等级测回数, 依次对观测目标进行自动搜索、锁定目标测角、测边, 并实时地将观测结果记录到仪器存储卡的文件中, 且将采集的数据与安置的各项规定限差自动进行比对, 当出现超限值时便自动报警重测, 直至最终获得合格的外业观测数据文件;GNPS的功能则是对合格的外业观测数据进行内业平差计算出观测点三维坐标。
2 董箐水电站大坝沉降监测
2.1 监测方案
LD6视准线沉降采用三角高程测量, 工作基点、监测点均采用固定的观测墩并安装强制对中装置, 测量示意图如图1。
2.1.1 沉降位移控制起算点
工作基点LS6-1, LS6-2处于稳固的地面上, 建立时间长, 相对大坝上变形点变量极小, 可认为是稳定不变的。而LS6-2是建立在稳固的基岩上, 并且是在大坝的上游方向, 位移相对比LS6-1小, 故选择LS6-2点高程值作为LD6视准线高程起算点, LS6-1至LS6-2方向为起测方向。
2.1.2 垂直角观测
垂直角观测使用徕卡TCA2003智能型全站仪观测:严格按照《精密工程测量规范》GB/T15314-94, 《北盘江董箐水电站枢纽建筑物变形监测控制网技术要求》执行。
2.1.3 垂直角观测注意事项
(1) 同一方向各测回各丝所测得的全部垂直角, 互差不得大于10″;同组、同测回、同丝各方向指标差互差不大于15″;单独方向连续观测时, 同方向各测回同一根水平丝指标差互差不大于15″。 (2) 观测过程中, 当发现指标差绝对值大于30″时, 应进行校正。 (3) 垂直角互差或指标差互差超限的成果, 均须重测。
2.1.4 仪器高和觇标高的测定
仪器高是指仪器水平轴到测站点中心标石面上标志的高度;棱镜高是指垂直角观测时, 照准部位到照准点中心标石面上标志的高度。仪器高和棱镜高可以直接用钢尺量至毫米, 量测2次, 分别转动仪器在180°的面上量测, 取中数记入手簿中。
2.1.5 气温、气压的读取
仪器在测距过程中读取测站、监测点气温气压, 气温包括干温、湿温。
2.2 监测精度分析
依据TCA2003智能型全站仪三角高程测量替代水准测量的得:
由 (1) 式可知, 影响三角高程测量精度的主要因素有测角误差、测边误差和垂直折光差。主要分析如下。
(1) 测角α的误差, 采用TCA2003电子全站仪进行全自动观测, 此次用的徕卡TCA2003的标称精度:测距1+1ppm, 测角0.5″, 全站仪最小显示为0.1″, 为提高测角精度, 本次共观测了6个测回。董箐水电站LD6视准线大坝上两基点间的距离为640.878m, 基点LS6-2到坝上最远点LD6-1的水平距离为556.738m, 到最近点LS6-11水平距离为134.140m, 垂直角在0°18`22"22~3°00`21"之间。当mα为0.7″时, 则 (1) 式第一项为5.18mm2, 而当mα为0.5″时, 则 (1) 式第一项为3.7mm2。
(2) 测边D的误差。由D=Scosα可得:
上式右边第二项是一个微小量, 可忽略不计, 采用TCA2003, mD2
(3) 垂直折光k误差。折光系数k主要取决于温度梯度和大气密度。一般认为早晚变化较大, 中午附近比较稳定, 阴天和夜间最好, 应选最佳观测时间。所以此项目观测均选在每周相同的时间。文献表明, 折光系数k的中误差约为±0.03~±0.05。取mk=±0.04, 当D=556.738m时, 式 (1) 右边第三项为0.95mm2。
(4) i和v的影响。当三角点上都埋设带强制对中装置的观测墩时, 用经过检定的条形钢尺在4个方向量取仪器高和目标高, 可达0.3mm的精度。要求墩面水平, 两方向互差不超过0.3mm, 最后取中数。
当mα=0.7″, mDS=±1.5mm, k=0.16, α=3°, D=556.738m, mk=±0.04, 将上述计算代入式 (1) , 有m2h A B=5.1 8+0.0 6+0.9 5+0.0 9+0.0 9=6.3 1 m m2即m h A B=2.5 1 m m。
当mα=0.5″, mD S=±1.5 m m, k=0.1 6, α=3°, D=5 5 6.7 3 8 m, mk=±0.0 4, 将上述计算代入式 (1) , 有m 2h A B=3.7+0.0 6+0.9 5+0.0 9+0.09=6.31 mm2即mh AB=2.2 mm。
董箐水电站的沉降设计要求是±3mm, 而通过上面计算得mhAB=2.51mm或hAB=2.2mm均小于沉降设计要求±3mm, 或所以从理论上说, TCA2003观测精度满足要求。由以上分析知, α的误差对mhAB的影响最大, 是三角高程测量的主要误差来源, k误差对mhAB的影响次之, 而D的误差对mhAB的影响很小;能否满足水准精度要求关键在于提高测角α的精度和减小垂直折光k误差的影响。因此在大坝监测中从选点到观测作业的实施, 都是围绕着提高测角精度进行的。
2.3 项目实施概况及监测数据分析
LD6视准线于2009年11月23日进行观测取其初值, 按7天1个周期观测, 截止2010年2月8日共测量12次, 每期观测沉降结果详见表1、图2所示。
从上文所述监测精度理论上分析我们已得知:采用TCA2003三角高程测量进行视准线沉降观测精度满足监测要求, 为了核查TCA2003三角高程测量的实际测量精度, 我们在每期观测时把工作基点LS6-1也作为一个监测点进行监测。LS6-1处于稳固的左岸基岩上, 建立时间长, 相对大坝上变形点变量极小, 可认为是稳定不变的, 故求出的变量理论上应为0, 现将LS6-1每次观测成果经过多重差分后的中误差统计见表2, 以此来验证TCA2003观测的实际测量精度。
从表2统计结果看出, TCA2003观测的实际测量精度均在1.8mm以内, 同时也在混凝土面板堆石坝监测安全点沉降位移观测中误差3mm要求内, 满足精度要求。
3 结语
使用TCA2003三角高程测量对董箐水电站进行大坝视准线的垂直 (沉降) 变形监测是可行的 (工作基点、变形点均采用固定观测墩和强制对中装置) , 能够满足混凝土堆石面板坝监测的要求。而以往视准线几何水准测量虽然可以获得较高的精度, 但它速度慢, 劳动强度大, 在长倾斜水准路线上也受折光影响, TCA2003的应用为以后大坝视准线监测也提供了一种更为高效、较高精度的测量方法。
摘要：几何水准测量虽然可以获得较高的精度, 但它速度慢, 劳动强度大, 在长倾斜水准路线上也受折光影响。通过使用测量机器人徕卡TCA2003三角高程测量在董箐电站大坝视准线的沉降监测应用, 从监测数据结果分析表明:使用TCA2003三角高程测量进行大坝视准线的沉降变形监测是可行的, 能够满足监测的要求。从而为以后大坝视准线沉降监测提供了一种更为高效、较高精度的测量方法。
关键词：TCA2003,三角高程,沉降变形监测
参考文献
[1] DLT5173-2003, 水利水电工程施工测量规范[S].
[2] 孙景领, 等.TCA2003全站仪自动识别系统ATR的实测三维精度分析[J].测绘工程, 2007, 6 (3) :48～51.