———临时性大地测量监测网的布置及首次观测王渊郭火元李胜才（国家电力公司成都勘测设计研究院测绘大队四川成都 610072）
摘 要：介绍了XX水电站大坝施工期间进行的临时性大地测量监测的布网、施测和精度情况，以及临监网与永久网的数据转换等方面的问题。
关键词：大地测量测量控制网测量精度大坝观测位移观测二滩水电站
1前言
1996年底，我院受二滩水电开发公司的委托，对正在施工中的二滩大坝进行临时性大地测量监测网（以下简称“临监网”）的设计和施工，1997年3～4月，对临监网的水平位移和垂直位移的基准网和监测网进行两个小测次的观测，取得了首次基准值。
2临监网的布置
布网的总原则：首先，要将监测点布设在坝体之对分析位移变化规律有代表性的部位，并满足《混凝土大坝安全监测规范》（以下简称“监测规范”）对位移基准值取得的要求和精度指标；其次，要兼顾临监网与大坝长期监测网（简称为“永久网”）间变形量的衔接与数据转换，并且还只能按施工期的现有条件作业。2.1水平位移监测网的布置
2.1.1基准网的布置
水平位移基准网由6个点组成。各点编号为Ⅱ06、Ⅱ09、Ⅱ07、Ⅱ04、Ⅲ06和Ⅲ11。除Ⅲ11为新建点外，其余皆是利用施工测量控制网的旧点观测墩。Ⅱ06、Ⅱ09、Ⅱ07、Ⅱ04为施工测量控制网的二等网点，始建于1988年；Ⅲ06为1994年建造的三等网点。这些点大都建于地质条件较好的基岩上，点位高程较高而又靠近坝区，且经10年左右时间，点位已稳定。Ⅱ06、Ⅱ09同时也是设计的永久性监测网的工作基点C6和C11，Ⅱ04也与永久网的C10点重合。临时网基准网的起算坐标与起始方位就是利用Ⅱ06、Ⅱ09的施工测量控制网成果。这样将永久性测点纳入临监网一并考虑，便于今后临监网与永久网的资料分析和数据转换。
基准网由一个大地四边形和两个单三角形组成。为了提高基准网的图形强度，将单三角形用一测线联系。对基准网多余观测分量和点位精度进行预期估算，得出观测值最小的多余观测分量为0．31，最弱点的点位中误差为±1.62mm。
从估算的各观测值多余观测分量来看，虽然本网因受地形条件限制，图形条件显得单薄，但由于采用边角同测，多余观测数较多，仍具有较强的抵御粗差能力，而且点位精度优于监测规范的要求。
1997年5月，二滩水电开发公司组织安全监测专家组对二滩大坝的监测工作进行了审查，除充分肯定临监网的网形布置、施测方法和精度外，提出再在Ⅱ06、Ⅱ09的下游离坝更远的地方，选择地质条件较好的原施工测量控制网中Ⅱ08、Ⅱ11组成大地四边形，对Ⅱ06、Ⅱ09进行校核，即形成校核网。2.1.2水平位移监测网的布置
根据监测工作的需要，在坝后抗力体及坝体下游面上布置一个由9个点组成、边角同测的水平位移监测网，点的编号为Ⅲ06、Ⅲ11、AN1、AN2、AN3、AN4、C20、C21、C22。其中，Ⅲ06、Ⅲ11为工作基点，AN1、AN2、AN3、AN4位于左右坝肩EL．1040m和EL．1080m附近的抗力体上；C20、C21、C22设于大坝下游面EL．1091．25m的坝后桥上，其部位分别在第14、21、29坝段，即3个点分布于拱冠及1／4拱弧位置。由于抗力体监测点分布于两个高程，且与坝后桥上监测点的高差较大，因此在组成网形时，先将高程基本接近的点通过工作基点Ⅲ11、Ⅲ06组成多个大地四边形和一个三角形，然后再将这些大地四边形和三角形通过加测边长连接成统一网形（以下简称“水平临监网”）。
对水平临监网进行观测值多余观测分量和点位精度的预期估算，得出观测值最小的多余观测分量（即可靠性因子）为0.68，最弱点点位中位误差为±0.80mm。对于坝体上的监测点，还应把其x、y方向的位差归算到大坝径向、切向的位差，并折算成位移量中误差，得出最大的径向位移量中误差为±0.82mm，切向位移量中误差为±0.72mm，均分别小于监测规范规定的径向位移量中误差不大于±2.0mm、切向位移量中误差不大于±1.0mm的要求。此外，监测规范中规定可靠性因子值不宜小于0.2，故水平位移监测网具有较强的抵御粗差能力。
众所周知，判别坝体及抗力体是否发生位移的能力与判别使用的监测手段的精度是紧密相关的。由于上述水平位移监测网具有较高的精度，因而能有效地监测坝体及抗力体的位移及其变化规律。2.2 水平位移监测网的观测
根据《混凝土大坝安全监测规范》的要求，首次进行两个小测次观测，取平均值作为基准值。水平位移基准网和监测网按一等边角网观测。测角用T2002电子经纬仪，采用全圆方向观测法观测12个测回，各项限差按《混凝土大坝安全监测规范》并参照《国家三角及精密导线测量规范》执行。
T2002电子经纬仪属0.5″级仪器，并具有仪器安置倾斜自动补偿和垂直轴倾斜自动改正功能，在观测之前将两项改正置于“开”状态，这样可不必读取水准管的格数进行人工改正。
测边用DI2002红外测距仪往返各观测4个测回，每测回是指照准一次读数4次。DI2002的标称精度为1mm＋D×10－6，观测时使用徕卡原配棱镜，气象改正、归化计算和仪器常数改正在内业计算中完成，因此在观测中需严格读取测站和镜站的干、湿温度和气压，并将仪器内气象改正、仪器常数及棱镜常数统一置零。内业计算中的气象改正公式取自仪器说明书。干、湿温度用经检测过的抽风式温度计测定，气压用毫巴计测定。为了保证仪高和镜高的量取精度达到±0.2mm，量高时统一用游标卡尺量取仪器和棱镜中心线的上下边缘各两次，取其平均值使用。2.3水平位移网观测的精度评价2.3.1水平位移基准网观测的精度评价
由6个点组成的水平位移基准网，平均边长626m，最长边长1022m，最短边长301m。平差计算之前首先对极条件、图形条件、对角和条件，以及由观测边长反算角与直接观测角的比较条件等进行检验，各项验算通过之后，便进行平差计算。第1小测次按菲列罗公式计算的测角中误差为±0.64″，用实测边算得的第1小测次对向观测平均值中误差为±0.57mm。
首次观测时，采用经典自由网平差法进行平差计算，即以地质条件较好的Ⅱ06为固定点，Ⅱ06—Ⅱ09为固定方位作为平差计算的参考系。对边、角不同类型观测值之间的权配比，采用赫尔默特迭代定权法进行迭代处理，迭代系数取为0.01。同时在平差之前，先对观测数据进行粗差剔除。经平差后的各点精度见表1。
表1中最弱点的长半轴位差为±1.33mm，折成长半轴方向的位移量中误差为±1.88mm，满足《混凝土大坝安全监测规范》规定的指定方向位移量中误差不大于±2.0mm的要求。2.3.2水平位移监测网的观测精度评价 由9个点组成的水平位移监测网，最长边长390m，最短边长126m，平均边长265m，属袖珍监测网。此网仍采用边角同测，由菲列罗公式计算第1小测次的测角中误差为±0.61″，用实测边算得的第1小测次对向观测平均值中误差为±0.36mm。
仍用经典自由网平差法进行平差，以Ⅲ11为固定点，Ⅲ11—Ⅲ06为起算方位，边角的权配比用迭代法确定，经评定后各点的误差如表2。
注：表中数据为首次观测中的第1小测次精度。
从表2可知，坝体上C22、C21、C20的精度归算到大坝的径向、切向上，其精度也满足《混凝土大坝安全监测规范》所规定的位移量中误差径向不大于±2.0mm、切向不大于±1.0mm的要求。2.4垂直位移网的布置2.4.1垂直位移基准网的布置
垂直位移基准网由拟作为永久性监测高程基准的ⅡBM01－2起始（此点为施工测量控制网的高程基准点），经BML3过渡到左岸垂直位移工作基点组BML1、BML1－1和右岸垂直位移工作基点组BML2、BML2－1，再经过渡点BML4回到ⅡBM01－2，组成一等水准骨干线，为垂直位移监测提供可靠的基准，并通过过渡点将高程引测到Ⅱ06、Ⅱ09、Ⅱ07、Ⅱ04、Ⅲ11及Ⅲ06上，用于边长改平。另外，为了联测墩标点方便，在BML4支测了一等水准路线到坝顶附近的BML5。基准网布置见图3。2.4.2垂直位移监测网的布置
水准路线从工作基点BML1出发，经坝后左岸EL．1040m马道进入EL．1040.25m水平廊道内，然后在坝体内向斜坡廊道、EL.980m基础廊道和EL．1091.25m水平廊道分散和集结，形成结点网。沿途连测所经廊道内的垂直位移监测点，以便监测大坝及其基础的垂直位移。水准路线最后经EL．1040.25m水平廊道的右岸出口附合于BML2工作基点上。水准结点网见图4。2.5垂直位移基准网和监测网的观测垂直位移基准网和监测网使用Ni002双摆位自动安平水准仪观测。仪器的标称精度为每公里偶然中误差±（0.2～0.3）mm。在整个水准观测过程中，坚持所走路线相同和主要作业人员相同。仪器的操作及各项限差执行《国家一、二等水准测量规范》。2.6 首次观测精度评价2.6.1垂直位移基准网观测的精度评价 一等水准环线长8.4km，以水准点划分测段，共分成5段。用Ni002自动安平水准仪采用双摆位法观测。经统计，环线闭合差为－0.15mm，由往返测不符值算得的每公里偶然中误差为±0.17mm，优于《国家一、二等水准测量规范》规定的±0.45mm／km的要求。
对一等水准环线采用经典平差，以ⅡBM01－2为起算点，评定得两工作基点BML1和BML2的高程中误差分别为±0.07mm和±0.07mm。2.6.2 垂直位移监测网观测的精度评价 从工作基点BML1出发，水准路线贯串EL．1091.25m、EL．1040.25m水平廊道以及EL．980m基础和斜坡廊道，并在各廊道交叉处形成数个结点，最后附合在BML2工作基点上。
垂直位移监测网绝大部分水准测线是沿斜坡作业，很难满足一等水准测线对道路条件的要求。经统计，每公里测站数可达176站之多，因此，进行平差时按测站数来定权。以BML1和BML2为起算点，按经典平差法进行附合平差，得出坝体内垂直位移监测点首次观测第1小测次的最弱点相对于工作基点的高程中误差为±0.34mm，折合成位移量中误差为±0.48mm，完全能满足《混凝土大坝安全监测规范》所规定的位移量中误差不大于±1.0mm的要求。3临监网与永久网的数据转换 临时性监测网是在工程施工阶段，为了取得大坝蓄水前的基准值而设置的临时性监测网。随着大坝施工的完结，临时性监测网已完成其使命，其责任也将被永久性监测网所取代，因而有必要对临监网与永久网的位移监测数据衔接进行探讨。3.1水平位移监测网的数据转换
临监网的平面网在设计时已充分考虑了数据转换的问题。首先是将永久网的工作基点C6和C11作为临监网的基准点，即Ⅱ06与C6、Ⅱ09与C11是同一个点，永久网的C10也与临监网的Ⅱ04重合，这就给两网的数据转换提供了保证。此外，临监网选择以Ⅱ06为起算点，Ⅱ06—Ⅱ09为起算方位，与永久网首期观测选择以Ⅱ06为起算点，Ⅱ06—Ⅱ09为起算方位，经过平差计算将坐标及方位传递到C3点及C3—C4方向上，再以其作为永久网的起算数据，这无异于临监网与永久网是采用同一基准。因此，临监网与永久网数据无需进行转换。3.2垂直位移监测网的数据转换 由于临监网的垂直位移基准网的水准路线与永久网垂直位移基准网的低层水准路线基本一致，并同时采用同一基准点ⅡBM01－2（B1），加上临监网廊道内的水准点就是利用永久网的点位，因此临监网与永久网的基准也基本是一致的，相互间无需进行数据转换。另外，在永久网首次观测中曾将临监网的工作基点BML1和BML2一并连测在水准路线之内，平差时分别用临监网的工作基点和永久网的工作基点作起算点，从中发现，对坝体中各垂直位移监测点而言，两种高程结果基本上是一致的，最大差值为±0.1mm。4几点认识
（1）在大坝施工的初期，由于观测廊道受灌浆及施工人员进出的干扰，位移监测的垂线系统往往无法安装使用。为了在大坝挡水前取得初始值而采用大地测量的方法进行临时性监测是完全必要的，而且大坝施工期较长，坝顶监测点观测墩的建成往往要拖到首次蓄水期之后，如果没有临监网的观测成果作为大坝前期的位移资料，就不能分析出大坝位移及其变化的完整过程。
（2）进行大坝的临时性监测设计时，必须顾及永久性监测的设计方案，提前考虑临监网与永久网的数据转换问题，即设计时应具有前瞻性。
（3）坝体内垂直位移监测点的布置最好由测量专业人员与水工专业人员共同完成，因为水工人员对垂直位移监测点的观测方案往往考虑不周，而测量人员对布点代表性考虑得也不一定全面。若单由一方来布置坝内垂直位移监测点，则可能存在缺陷。例如，由水工人员布置的监测点用大地测量手段有时无法观测或观测起来特别困难。
（4）判别大坝位移及其变化规律的能力与位移监测网的观测精度有关。二滩水电站临监网的水平位移及垂直位移监测网都用最高精度施测，因此通过多期复测，成果能够将大坝施工期位移的真实动态正确地反映出来。