漫湾水电站大坝水平位移监测控制网优化设计

宁德兴，郭 俊，李 芹，简树明

（华能澜沧江水电有限公司漫湾水电厂，云南 云县675805）

1 工程概况

漫湾水电站为澜沧江中游河段第一个开发的大型水电站，拦河坝为混凝土重力坝，位于云南省云县和景东县交界的澜沧江中游河段上，总装机容量1 670 MW。漫湾水电站变形监测控制网包括水平位移监测控制网和垂直位移监测控制网，主要为大坝、边坡和滑坡的变形监测提供基准，水平位移监测控制网和垂直位移监测控制网于1994年完成建网工作，运行阶段曾对监测控制网进行过6次复测，监测控制网运行至今尚未对其进行过优化改造。

2 外部变形监测控制网现状

漫湾水电站发电至今已运行18年，由于后期新增建筑物的出现，大坝的外部环境发生了较大的变化，已严重影响变形监测控制网观测的精度要求，如监测控制网37号工作基点与II01号及38号观测方向被跨江500 kV输电线路遮挡，III25号与III26号观测方向被厂区的出线塔遮挡；III25号与36号被厂区绿化树木遮挡；37号、33号和34号控制网点被厂区的出线塔、低压输电线路、绿化树木遮挡，导致主、副监测网点观测方向已不满足原设计及规范对各监测网点观测方向通视要求。外部变形监测网是大坝安全监测系统重要组成部分之一，它必须满足高精度的基本要求，所以对原监测控制网进行优化设计就显得尤为必要。

3 水平位移监测控制网优化布置

3.1 水平位移监测控制网主网优化布置

漫湾水电站为大型水电站，属一等工程，水平位移监测控制网采用两级网布设，分别为主网和副网。由于水平位移监测控制网主网33号基准点与34号基准点的观测方向离观测房立柱较近以及37号工作基点与副网38、II01号工作基点被跨江500 kV电力线遮挡，影响了实际测量过程中的观测精度，通过实地调查研究，结合大坝的设计、施工、监测资料进行全面分析。优化方案为移动34号点观测房立柱，34号基准点观测墩保持不动，37号工作基点重新选择在能满足与相关方向通视良好的地点，40号监测点位于出线塔附近，考虑对观测精度的影响，将原40号监测点上移到上沿平台，重新埋设一个新控制点或采用原II32控制点，原监测网观测网型及观测方案不变。各基准点及工作基点原有的功能不变，点位精度经精度估算满足现行规范及设计要求，新选定的点号编号为41号。

原水平位移监测控制网主网由33号、34号、37号、39号和40号控制点组成，优化后水平位移监测控制网主网由33号、34号、39号、40号和41号控制点组成。优化后水平位移监测控制网主网一等三角观测5点，一等测边10条，点位布置见图1。

图1 漫湾水电站监测基准网主网方向图Fig.1 The observation directions of the main network

3.2 水平位移监测控制网副网优化布置

针对水平位移监测控制网副网存在的36号工作基点与III26号、III25号工作基点被500 kV出线塔遮挡以及35号工作基点与36号、34号工作基点被厂区绿化树木遮挡影响观测精度的问题，根据原设计方案、左岸边坡及库首1号松动体监测对各工作基点在各建设阶段不同的功能要求，目前各工作基点的主要任务是大坝、边坡、松动体的安全监测，已无施工期附属建筑物监测，部分监测工作基点已失去其监测功能，现阶段各监测工作基点的主要任务是满足运行期安全监测的需要。因此，优化方案为移动36号、III25号、III26号工作基点重新选择在能满足与相关方向较好通视的地点，原水平位移监测控制网副网工作基点35号、II10号、II32号、III30号为施工阶段的监测工作基点，在运行期已失去其作为监测工作基点的功能，不再纳入改造的水平位移监测控制网副网中，原水平位移监测控制网副网观测网型改变，观测方案不变，工作基点原有的功能不变，点位精度经精度估算满足现行规范及设计要求。原监测网减少4个工作基点，提高了观测精度，也节约了生产成本，提高了工作效率。监测左岸边坡的工作基点由原来的3个减少为2个，左岸边坡监测点的点位精度得到提升。原36号新选定的点号编号为42号、原III25号新选定的点号编号为43号、原III26号新选定的点号编号为44号。新埋控制点基础深度为3～6 m，须挖至基岩面，监测点位上部必须埋设强制对中盘，监测点位下部必须埋设不锈钢水准点。

原水平位移监测控制网副网由33号、34号、35号、36号、37号、38号、39号、40号、II01号、II10号、II32号、III20号、III25号、III26号、III30号、III31号控制点组成；优化后的水平位移监测控制网副网由33号、34号、38号、39号、40号、41号、42号、43号、44号、II01号、III20号、III31号控制点组成。原副网控制点为16个控制点，优化后副网控制点为12个，点位布置见图2所示。

图2 漫湾水电站副网观测方向图Fig.2 The observation directions of the auxiliary network

3.3 观测图形的精度估算

根据原监测网点布置，采用模拟优化的方法进行优化设计，网形选择力求图形简单，按照质量指标的要求进行质量评定，对综合精度指标、可靠性指标、灵敏度指标进行比较，最终选定了主网20条边长、20个方向的观测量、副网73条边长、73个方向的观测量，保留了一定的精度储备，为今后观测方向被挡或出现粗差的情况留有余地。测角精度为±0.5″，测距精度为±（0.5 mm+0.5 ppm×D），取显著水平0.01，检验功效0.90，非中心化参数为3.86的条件下，计算的各监测网点点位精度、可靠性、灵敏度指标如下。

3.3.1 精度估计

计算可知，各点的点位中误差均满足最弱点位中误差小于±3.0 mm的要求，最弱点的近似位移方向的中误差均小于±3.0 mm的要求。

3.3.2 可靠性指标

可靠性指标分为内部可靠性和外部可靠性。内部可靠性是指以一定的显著水平和检验功效判断可能发现的最小粗差，外部可靠性是指未能发现的最大粗差对于未知数参数或未知数参数函数的影响。要提高可靠性，就要提高观测精度和图形强度。评价可靠性优劣的标准一般认为：对于精密控制网，多余观测分量应大于0.3；内部可靠性小于5为好，介于5～8为一般；外部可靠性小于3为好，最大值与最小值的差异愈小愈好。

从计算结果可知，全网多余观测分量均大于0.3，内、外部可靠性较好，表明监测网具有较强的抵抗粗差的能力。

3.3.3 灵敏度指标

灵敏度指标反映监测网发现某一变形的能力，通常以灵敏度椭圆表示，即超出该椭圆的变形才能被发现，位于椭圆内部的变形均不能被发现。

灵敏度与网形结构强度、观测精度、显著水平和检验功效有关。显著水平和检验功效的选择没有一个统一的标准，对于精密的变形监测网来说，需要准确判断变形，减少弃真的错误。显著水平取为0.01，相应的检验功效取为0.9，即成功发现变形的概率为90%。

从计算结果可知，坝址上游的工作基点灵敏度椭圆长、短半轴在±1.8～±6.0 mm之间，坝址下游的工作基点的灵敏度椭圆长、短半轴较为接近，均在±1.8～±3.7 mm之间，小于点位精度的要求，表明监测网在各个方向上监测变形的能力相当，且监测能力较强。

表1 平面位移监测网点位精度统计表Table 1 :Statistics of the positional accuracy of displacement monitoring network

表2 平面位移监测网可靠性指标统计表Table 2 :Statistics of the reliability indexes of displacement monitoring network

表3 平面位移监测网灵敏度指标统计表Table 3 :Statistics of the sensitivity indexes of displacement monitoring network

3.4 二等水准支线布置

为保证水平位移监测控制网主网、副网边长精度的要求，由于局部控制点高差较大，使用天顶距改平不能满足边长改平的精度要求，需采用二等支线水准联测平面控制点的高程，使用高差改平以满足边长的改平精度要求。

二等水准支线主要用于联测大坝下游各水平位移监测控制点的高程，以监测各控制点在垂直方向上的变化情况，也作为水平位移监测控制网测距边长改平。二等水准支线联测水平位移监测控制点33、34、40、41、42、43、44、III20、III31共计9个水平位移监测控制点，其余6个水平位移监测控制点38、39、II01采用三角高程进行联测。

3.5 精度指标控制

漫湾水电站水平位移监测控制网主网、副网采用全测边测角网方案，主网按一等边角网施测，副网按二等边角网施测，其精度指标见表4。

用于边长改平的二等支线水准其水准测量精度指标为每公里水准测量的偶然中误差MΔ不超过1.0 mm，每公里水准测量的全中误差Mw不得超过2.0 mm。

表4 平面控制网的精度Table 4 :Accuracy of the control network

4 控制网观测

4.1 观测仪器设备常数的率定、测前检验

所有光学、电子测绘仪器均定期经过国家计量部门或国家认可的检验部门的检验、率定，检验合格，并且检验结果在有效期内。仪器常数包括：测距仪加、乘常数、精测频率、精测尺调制波长、周期误差振幅、周期误差初相角等。干湿温度计、空盒气压计需具有完备的检定资料，仪器设备通过检校合格后，才能投入使用。

4.2 水平位移监测控制网观测

主网水平角采用方向法观测12个测回，全部测回在两个不同的时间段内完成，水平方向观测限差见表5。

表5 主网水平方向观测限差Table 5 :Observation limited error in horizontal direction of main network

副网水平角采用方向法观测9个测回，全部测回都在一个时间段内完成，水平方向观测限差见表6。

水平方向观测限差按表5要求，凡超过规定限差的结果均应重测。边长测回数为往返各4测回，测站、镜站每边观测始末都应测定当时的干湿温度和气压值，各站仪器高、棱镜高（觇牌高）的丈量误差对于一、二等网不应大于1 mm。

除规范另有规定外，以下情况下必须重测：①三角形闭合差或测角中误差大于限差要求的，应分析原因，重测误差较大的测站或方向，直至满足要求；②检验项目中任何项目超限的，应分析原因，重测误差较大的测站或边长，直至满足要求；③仪器设备检定期限过期的，整网重测。

表6 副网水平方向观测限差Table 6 :Observation limited error in horizontal direction of auxiliary network

6 数据检验

边长测量计算中应进行气象（温度、气压）、加、乘常数、周期误差等项改正后的斜距，才能化为水平距离，然后根据平差高差投影在正常高910 m工程曲面上。

边长测量外业精度评定：

式中：d——各边往返测水平距离的较差；

n——测边数；

主网、副网外业观测数据检验主要包括以下几个方面：

（1）三角形闭合差检验：主网三角形闭合差应不大于±2.5″，按三角形闭合差计算的测角中误差应不大于±0.7″；副网三角形闭合差应不大于±3.5″，按三角形闭合差计算的测角中误差应不大于±1.0″；

（2）角的极条件自由项限差的检验；

（3）边角网边条件自由项限差的检验；

（4）边角网角条件自由项限差的检验，即观测角与边长计算角限差的检验；

（5）测边网角条件自由项的检验。

7 结语

根据水平位移监测控制网在实际运行中存在的问题，采取科学合理的优化措施将为大坝安全监测的各项数据提供有力保证，同时也将有利于保证大坝的安全稳定运行。

漫湾水电站监测网于20世纪80年代设计，部分设计指标方面已不能满足现行规范的要求，加之观测方向受外界影响较大，监测网的正常观测受到了严重干扰。经过对漫湾水电站水平位移监测控制网进行优化设计和改造，有效解决了现场数条观测边受简易观测房、树木和电杆遮挡影响等问题，新的监测网网形剔除了部分施工阶段使用的工作基点，使得监测网网形更加合理，主网和副网精度将得到极大改善，同时也将给现场的观测工作带来极大的便利，提高监测网的观测效率。

[1]中国水电顾问集团昆明勘测设计研究院.澜沧江漫湾水电站水平位移监测控制网设计书[R].

[2]中国水电顾问集团昆明勘测设计研究院.漫湾水电站枢纽区外部变形监测控制网改造工程实施方案[R].