高山峡谷地区水平位移监测控制网起算点的布设方法

高山峡谷地区水平位移监测控制网起算点的布设方法

施云江1,  ,陈一鸣2

长江设计集团长江空间信息技术工程有限公司（武汉）湖北省武汉市 443000

摘要：通过某个位于高山峡谷地区水电站的水平位移监测控制网起算点的布设情况，论述了如何在高山峡谷等狭窄区域水平位移监测控制网起算点布设等问题。

关键词：高山峡谷地区 水平位移监测控制网  精度分析

引言：西南地区的水电站基本都是位于高山峡谷地区，因受地形条件所限，给水平位移监测控制网起算点的布设带来了很大的困难。如果按照传统的方法布置，土建开挖施工期及水电站蓄水后，受开挖爆破和水压力的影响，位于大坝附近、大坝上游的控制网起算点都会产生一定程度的位移变形，由于起算点不稳定，必然对其它网点的稳定性和可靠性造成影响，这给位于各个监测部位的水平位移监测点的观测精度也带来影响。

近年来，由于深埋倒垂的广泛应用，为高山峡谷等狭窄区域水平位移监测控制网起算点的布设提供了一种新的思路和方法，本文以某水电站安全监测工程之水平位移监测控制网起算点的布设为例，结合大量的观测数据，论述了一种新的控制网起算点的布设方法。

1、水平位移监测控制网的最初布设及改造

西南某水电站位于高山峡谷地区，受地形条件所限，整个电站施工区的各类水工建筑物和开挖爆破后形成的两岸高边坡是一个狭长形的区域，为以上部位的水平位移监测提供基准的水平位移监测控制网也必然是狭长形的网型，这样的网型结构很容易产生以下问题：一是网型的强度不够、二是其最弱点的点位中误差较大，观测过程中很容易超限。鉴于以上实际情况，根据规范要求，实际布网时，将变形监测控制网按三级来布设，即：水平位移校核网、水平位移基准网、水平位移工作基点网。其中：水平位移校核网、基准网均为一等全边全角网。水平角观测按全圆方向法观测12个测回、分两个时间段完成，边长观测按对向异午观测进行；水平位移工作基点网为一等全测边网，边长观测也按对向异午观测进行。水平位移监测控制网网点埋设完成后，于2005年5月进行了首次值观测。截止到2008年6月进行了7次复测，具体情况分述如下。

1.1 水平位移校核网、水平位移基准网布设

    水平位移校核网由4点组成，点号分别为：TM1、TM2、TM3、TM4，校核网点均埋设于大坝下游较远的天然裸露基岩上，中间有天然沟壑相隔，网点稳定。

水平位移基准网点有9个点：TN1、TN2、TN3、TN4、TN5、TN6、TN7、TN8、TN14。其中：TN1、TN2为钢管标，两点分别位于左、右岸距开挖区较远的山包上，钢管标埋设深度约20m（钢管底部未深入到基岩内），见图1.1-1。

                       图1.1-1 水平位移校核网、基准网布置图

1.2 水平位移工作基点网布设

   水平位移工作基点网实际上是对基准网的网点进行加密和补充，其目的是为了对左右岸边坡变形监测点观测时的设站方便而增加布置的， 见图1.2-1。

图1.2-1  水平位移工作基点网布置图

1.3 水平位移监测控制网的第1次改造

随着主体工程施工开挖，受边坡开挖爆破的影响，部分水平位移监测控制网网点处于不稳定状态，还有部分网点被施工损坏。为改善水平位移监测控制网的网形结构和减少校核网的观测工作量，有必要在大坝开始浇筑混凝土前对水平位移监测控制网进行改造，以便为后期大坝蓄水发电及初蓄期的变形监测点观测提供稳定的基准。故于2008年下半年开始对水平位移监测控制网实施调整改造，改造工作于2008年12月底完成。监测控制网改造主要工作是：在左右岸边坡适当的位置增加了4座倒垂线（深度分别为70m、55m、30m、35m）作为新水平位移监测控制网起算点。另外，将倒垂线观测墩和新增加的水平位移基准网观测墩布置在同一个观测站内一并浇筑施工，这样可以认为二者是同步位移，可以及时、便利地利用倒垂线实时取得所在部位的变形数据对相同部位的水平位移网点坐标（一般为起算点）进行实时修正，据此可以保证起算点的数据准确可靠，避免了起算点不稳定而对其它监测网点的影响。同时可以增加网型强度和提高各网点的观测精度，还可以减少观测校核网的工作量。

改造后，水平位移监测控制网仍由校核网、基准网、工作基点网组成。

1.3.1 水平位移校核网

水平位移校核网由4个点组成，点号分别为：TM1、TM2、TM3、TM4，其中位于右岸的TM2因影响新增拌和系统施工于2011年8月拆除，其附近的右岸水平位移工作基点TN17根据多年观测成果对比分析，证明该点稳定可靠，故将其作为校核网点使用，现校核网点为4个点组成，点号分别为TM1、TM3、TM4、TN17。见图1.3.1-1。

 1.3.2 水平位移基准网

 水平位移基准网由11个点组成，即位于左岸的TN7、TN5n、TN3n、TN1-1、TN1和位于右岸的TN8、TN6n、HV01LR、TN2n、TN17、TN19，其中TN2n、TN3n、TN5n、TN6n为2008年新增加的倒垂点。

4个倒垂线测点分别位于左右岸大坝轴线的上下游，底部均深入新鲜基岩达5m以上，各点埋设深度及部位分别为：

TN6n，位于右岸坝轴线上游，埋深30m；TN2n，位于右岸坝轴线下游，埋深35m；TN5n，位于左岸坝轴线上游，埋深55m；TN3n，位于左岸坝轴线下游，埋深70m。见图1.3.1-1。

图1.3.2-1  改造后水平位移校核网、基准网布置图

1.3.3 水平位移工作基点网

水平位移工作基点网实际上是为了左右岸高边坡变形测点观测时的设站方便而增加布置的，由TN8、TN14、TN12、TN13、TN15、TN16、TN17、TN18、TN19、TN20、HV13-JDL、XⅡ32共12点组成，如图1.3.3-1。

图1.3.3-1水平位移工作基点网布置图

1.4 第1次改造后监测控制网的运行情况

2008年12月水平位移监测控制网改造后首次观测时，以校核网点计算出来的4个新增倒垂测点TN2n、TN3n、TN5n、TN6n坐标值作为起算数据，进行平差和评定其它基准网点坐标精度。

控制网第1次改造完成后历年的复测中，发现因4个倒垂距离边坡较近，受边坡开挖和电站蓄水后水压力的共同影响，倒垂锚固端部位存在明显位移，倒垂线观测值已经失真。倒垂线与安装在同一观测房内的标墩（基准网点，为便于成果比对，其坐标仍由校核网点观测求得）之间的观测差值较大，已不可能将其作为起算点（两者差值见下表表1.4-1）。故复测时，也只能按照与改造前同样的观测方法，直接用通过校核网计算求得的TN2n、TN3n、TN5n、TN6n坐标值作为起算数据，进行平差和评定其它基准网点坐标精度。显然，水平位移监测控制网的第1次改造是不成功的。主要原因是：4个倒垂距离边坡和大坝太近了，施工开挖和水压力的共同影响，造成了倒垂锚固端不稳定。故而从改造完成后的第1次复测开始，又不得不从原来的校核网点开始进行整个水平位移监测控制网的复测。

表1.4-1  倒垂观测站内观测墩通过校核网点计算的位移量与

垂线直接观测的位移量差值统计表

 1.5 水平位移监测控制网的第2次改造

2013年5月大坝蓄水后，因左右岸边坡谷幅收缩范围较大，造成了大坝下游（最远的校核网点距坝轴线约3Km）用于校核水平位移基准网的部分校核网点也产生了位移变形，经仔细判研相关资料和数据，决定对水平位移监测控制网进行第2次改造。

第2次改造是在大坝下游增加4座深埋倒垂，其中有3座深度均超过100米，倒垂锚固点都深入到了河床底部至少5米（4个倒垂深度分别为：85m、104m、110m、110m，均位于玄武岩基岩上），并且以4个新增倒垂作为水平位移监测控制网的起算点，见附图1.5-1。

图1.5-1  水平位移监测控制网第2次改造后布置图

水平位移监测控制网于2017年12月完成了第2次改造，并进行了首次值观测和新旧网点的联测。此后分别于2018年度上半年、2018年下半年、2019年上半年、2019年下半年、2020年下半年进行了5次复测。5次复测的精度统计见下表1.5-3-1（以4个新增倒垂作为起算点）。

表1.5-1 第2次改造后水平位移监测控制网5次复测观测精度统计表

以上监测成果显示：水平位移监测控制网第2次改造完成后，5次复测的成果精度（内符合精度，网点的点位中误差除外）完全满足相关规范和合同文件要求。但是，平差计算结果显示：部分网点的点位中误差不满足相关规范的要求。原因是：该水电站变形监测控制网是一个长度约5.5Km、宽度仅约为1.0Km的狭长形控制网，而两个起算点又位于整个控制网的最下游末端，故整个控制网网形对Y方向（左右岸方向）的约束强度不够，复测时虽然各项观测误差均能满足规范和相关设计文件要求，但是哪怕有一点极小的Y方向（左右岸方向）误差，整个控制网最上游几个网点的Y方向都会产生较大的偏差，靠近上游（距起算点较远的网点）的点位中误差必然就会超限了。需采取必要的措施方能解决以上问题。

2、控制网起算点的调整

建立监测控制网的目的是为坝址区内的水工建筑物、左右岸边坡的外部观变形监测点提供稳定、可靠的起算基准，如果起算基准误差较大，最终必然导致外部变形监测点的监测数据误差很大，监测数据也就不能真实反映水工建筑物和左右岸边坡的变形状态。

为解决以上问题，经过反复推演、试算、分析，决定调整变形监测控制网的起算点：采用位于大坝拱冠梁中心的15#坝段测点(TP15-1)加上新增的4座倒垂线观测墩测点（TM2-1、TM3-1、TM6、TN7）作为水平位移监测控制网的起算点。将15#坝段测点(TP15-1)也作为起算点的原因如下：

（1）大坝拱冠梁部位测点TP15-1位于大坝15#坝段坝顶，与该部位的正垂线测点仅仅相距约1米，二者可以认为是同步位移。且该部位的正垂线测点成果由位于347.25m高程的基础廊道内深达138m的倒垂线成果计算求得，精度高、稳定性好、通视条件佳。近几年的监测成果证明通过垂线系统取得的该点实时坐标精度高、数据真实可靠（该点的起算成果采用该点与其它网点联测其间的垂线系统在此区间观测值的平均值）。

（2）测点TP15-1位置适中，基本位于整个网形的中心，若将其作为起算点，可以极大提高整个网形的图形强度和约束强度，进而提高各点的点位精度。

2.1 拱冠梁部位测点TP15-1的稳定性分析

如果将位于拱冠梁中心的15#坝段测点(TP15-1)作为起算点，则必须保证它的稳定性，经过仔细分析、梳理与该点相关联的数据，证明该点是稳定可造的。

为验证该点的稳定性，在第2次改造后的5次复测时，每次均已将该点并入变形监测控制网进行了同步观测。同时，每月观测坝顶部位的水平位移监测点时，也采用大地测量的方法（测边前方交会法）将其作为普通的监测点进行了观测，即：

该点首先作为监测控制网的起算点（理论上误差为零）→通过平差计算求得其它网点（基准网点、工作基点）的坐标→在其它网点上用测边前方交会法将其作为普通外观测点进行监测→求得该点的位移量（也就是完成了一个循环的闭合）。

现将测点TP15-1用大地测量法求得的位移量与同期垂线系统求得的位移量进行比较，结果如下表2.1-1。

表2.1-1 拱冠梁部位测点TP15-1两种不同方法求得的位移量成果比较表

注：位移量符号规定：X方向向下游为正、Y方向向左岸为正，反之为负；TP15-1为变形测点。

以上监测成果显示：拱冠梁部位测点TP15-1两种不同方法求得的位移量差值相差不大[裴灼炎1]，也从侧面说明了该点是稳定的。

2.2 起算点调整后水平位移监测控制网观测成果

起算点调整后水平位移监测控制网5次复测各网点实测的点位中误差统计见下表2.2-1。

表2.2-1   起算点调整后水平位移监测控制网网点位中误差精度统计表

水平位移监测控制网5次复测各网点实测的位移量见下表2.2-2。

表2.2-2 起算点调整后水平位移监测控制网5次复测位移量成果统计表

注：Y方向向河谷中心线位移为正；X方向向下游位移为正，反之为负。

根据水平位移监测控制网起算点调整后求得的各网点成果，重新对左右岸边坡的外观变形测点进行了计算，求出了各测点的位移变化量，结果如下表2.2-3。

表2.2-3 起算点调整后左右岸边坡部分变形测点位移变化量统计表  

注：Y方向向河谷中心线位移为正；X方向向下游位移为正，反之为负。

2.3 新增4条倒垂线稳定性分析

截止2020年12月，水平位移监测控制网4条新增倒垂线的位移量如下表2.3-1。

表2.3-1水平位移监测控制网新增4条倒垂线监测成果表   

注：Y方向向临空面(大坝坐标Y轴方向)方向位移为正；X方向向下游（大坝坐标X轴方向）位移为正，反之皆为负。

监测成果显示：

（1）2017年12月至2020年12月，新增4条倒垂线的变化量不大。

（2）5次复测时，能够相互通视的新增4条倒垂线之间，都进行了精密测距观测，现将各个边长的变化量统计如下表2.3-2、新增4条倒垂线之间的相对位置及边长长度见图2.3-1。

表2.3-2变水平位移监测控制网新增4条倒垂线之间边长变化量成果统计表   

注：距离伸长为“+”，距离缩短为“-”。

图2.3-1新增4条倒垂线之间的相对位置及边长长度图

表2.3-2的监测成果表明：测距边TM2-1～TM3-1之间边长变化为-2.22mm；测距边TM2-1～TM6之间边长变化为-3.25mm(同岸边长)外，另两条边长变化不大。

而测距边TM2-1～TM3-1的两端点分别对应的倒垂线为IP01、IP02，位于左右两岸，正好构成了一条谷幅测线。从观测数据来看，有小量变形，收缩了2.22mm。因在两个网点上均同步安装了倒垂装置，倒垂线观测成果显示：两个测点均产生了向山体侧位移，分别为：-1.51mm、-0.78mm，与测距边的观测成果正好相反。说明了两个倒垂线的锚固端（锚块部位）产生了向河谷方向的微小位移，但是现阶段位移量级不大。[裴灼炎2]

    起算点调整后的平差计算结果显示：

（1）水平位移监测控制网所有网点的点位中误差均满足相关规范和设计文件要求。

（2）水平位移工作基点网和左右岸边坡外观变形测点的位移量与相同部位的谷幅测线（通过直接测量边长求得）监测成果基本吻合，且符合一般变形规律。

（3）2017年12月至2020年12月期间的4个倒垂线观测成果显示：水平位移监测控制网第2次改造后，新增的4座倒垂线位移量极小，倒垂线处于稳定状态。

（4）将位于拱冠梁中心的15#坝段测点(TP15-1)作为起算点是非常合理的。

3、结论

⑴现今的大型水电站基本是位于高山峡谷地区，因受地形条件所限和大坝蓄水后水压力的影响，给水平位移监测控制网起算点的布设带来了很大的困难。如果按照传统的方法将起算点均衡地布置在大坝的上下游和两岸，由于蓄水后位于大坝附近和上游的起算点不稳定，必然对整个网点的稳定性和可靠性造成影响，这给各个监测部位的水平位移监测点的观测精度也带来很大影响。必须突破常规，重新找到稳定可靠的起算点。

⑵将位于坝顶中心的网点（该点的实时坐标可通过其旁边的深埋倒垂加垂线系统求得）和位于大坝下游远离水压力影响区域的深埋倒垂，作为水平位移监测控制网的起算点是行之有效的好方法。

1

[裴灼炎1]这个方法不能证明TP15-1的稳定性。

[裴灼炎2]垂线观测墩与金沙江坐标系是一致的吗？若垂线不动，观测墩应该是向河谷位移了，其位移量与测距仪观测位移量是一致的？请再查证。