沙牌水电站碾压混凝土拱坝高程联系测量的应用

韩云文，张进，李禺，胡本建，马如坤

(1，四川省能源投资集团有限责任公司，四川成都610016;2，四川中水成勘院测绘工程有限责任公司，四川成都 610072)

1 概述

位于四川省藏族羌族自治州汶川县境内的沙牌水电站碾压混凝土拱坝为20世纪末世界上在建最高的碾压混凝土拱坝，最大坝高132 m。水库正常蓄水位高程1866 m，死水位高程1825 m，总库容0.18亿m3，电站装机容量为36 MW，2002年5月进行首次蓄水。枢纽主要由碾压混凝土拱坝、右岸两条泄洪洞、右岸引水隧洞和发电厂房等建筑物组成。监测设计以安全监测为主，将位移、温度和渗流渗压监测内容做为重点，其中坝体及基础的垂直位移利用水准点及静力水准仪进行监测。高程1850 m 和高程1810 m 拱圈在其廊道内拱冠位置布置了一个水准点，左右岸垂线位置各布置了一个水准点。而坝基垂直位移监测则利用高程1750 m 基础廊道内设置的静力水准仪进行观测，同时，在平硐末端布设了水准点进行垂直位移绝对值观测。

水平廊道高程1810 m 以及高程1750 m 基础廊道之间由于地形条件及施工场地限制没有设计岸坡廊道与其相连接，故上下廊道的水准监测高程点的联系测量成为一个重要的技术难点和重点。

根据文献检索，2000年长江委设计院在三峡枢纽工程分层开挖控制时应用过高程传递;2007年河海大学在苏通大桥测控中应用了高程传递测量方法。而在碾压混凝土高拱坝廊道间利用测量机器人精密测距实施高程传递测量尚属首次。笔者针对高程1810～1750 m 廊道高程传递的难题，探讨了如何利用测量机器人精密测距的方法解决该问题。数据结果表明，该方法稳定可靠。

2 水平廊道高程1810～1750 m 基础廊道高程传递系统的组成

将沙牌水电站碾压混凝土拱坝拱冠高程1810～1750 m 电梯井紧急通道作为高程传递测量通道。笔者作为设计方参加了与业主、成都经纬仪器有限责任公司三方合作的水平廊道高程1810～1750 m 基础廊道之间的高程传递工作，成功解决了廊道间高程的联系测量问题，现介绍给同行并与之共勉。本次高程联系测量系统硬件组成如下:(1)TCA2003测量机器人1台及可升降脚架;(2)天宝DiNi12电子水准仪1台及条形码铟钢尺、可升降脚架;(3)徕卡ZNL 天底天顶仪1台及脚螺旋、脚架;(4)徕卡高程传递直角棱镜组1套;(5)徕卡单棱镜带单框2套;(6)廊道照明设备若干。

3 高程联系测量过程

目前，TCA2003测量机器人的测距精度已达到1/50万，如在60 m 的较短距离上可达到1.06 mm，相对精度可达0.12 mm，若能精确测定在垂直方向上的距离，即能胜任高程传递工作。为此，需要一个严密的光学器件直角棱镜组将水平方向的测距转换为垂直方向的测距，使测量机器人的测距由垂直距离和水平距离组成，即:水平距离+垂直距离，其中水平距离可由测距精确测定，则垂直距离即可由测定全程距离减去水平距离得到。

如图1所示:图中A 点为高程1810 m 廊道埋设的永久水准点，编号BM-T2，G 点为高程1810 m 廊道水准仪设站位置，C’点为高程1810 m 廊道高程传递井口直角棱镜组中心位置;C 点为高程1750 m 基础廊道高程传递井下方埋设的临时水准标志点(因该点不易长期保存，系临时需要设置)。H 点为高程1750 m 廊道水准仪设站位置，B 点为1750 m 廊道永久水准点，编号为BM-3。A 点与C 点之间的高差值为:

图1 高程连续测量示意图

其中:

SAC为测量机器人通过直角棱镜测得的全程距离;

SAC'为测量机器人测得的水平距离;

hA为全站仪仪器高(可通过水准测量精确求取);

hC为反射棱镜高(高度量测精度低);

δ为直角棱镜组反射常数(通过两个已知水准点求取)。

4 高程联系测量工作程序

步骤1:将测量机器人架设在高程1810 m 廊道水准点A 点上，将ZNL 天底仪架设在高程传递井口位置。ZNL 天底仪的功能是确定天底方向的垂线;在高程1750 m 基础廊道高程传递井下方临时水准标志点C 点上架设徕卡精密反射棱镜(需要注意的是:为了工作方便，C 点可临时设置)。将精密水准仪架设在全站仪和ZNL 之间的G 点上，并保证两者的距离相等。调整并整平ZNL 天底仪，使天底仪的十字丝和天底仪发射的投点红色激光光斑点精确对准反射棱镜中心，即保证顺利投点。

将ZNL 天底垂线仪撤下，换上徕卡专用直角反射棱镜组;调整水准仪脚架和脚螺旋，使水准仪的十字丝精确照准直角反射棱镜中心;将水准仪照准测量机器人并调整全站仪可升降脚架，使全站仪中心与水准仪中心重合;配置测量机器人竖盘读数，使读数为900+指标差，这时，用水平微动螺旋使全站仪照准直角反射棱镜，并通过直角反射棱镜在水平方向上的旋转，使全站仪的十字丝与直角棱镜下方的反射棱镜中心重合后即可用全站仪进行测距，得出水平距离+垂直距离的数值(SAC的全程距离)。若要求得SAC’的水平距离，可将直角反射棱镜取下，换上徕卡反射镜进行测量即可。直角反射棱镜组的棱镜常数已由厂商提供，δ为0.21006 m。根据公式(1)，即可求取两个廊道水准点间的高差值。

步骤2:在使用公式(1)进行计算中，由于hC(反射棱镜高度量测)误差难以控制，将影响高程传递计算值的精确度，故在计算时，不再量取C点上反射棱的棱镜高，不加入该项数据，而直接采用公式(2)进行计算:

公式(2)计算的高差为水准点A 点和临时水准点C 点上棱镜中心点间的高差。由于C 点为临时设置点，因此，必须将高程传递至永久水准点BM-3上。

步骤3:在高程1750 m 廊道C 点和BM-3点间的固定位置H 架设电子水准仪，并确保水准仪至C 点棱镜及BM-3水准标尺的距离相等。水准仪的脚架为可升降脚架，整平水准仪后，调整升降脚架螺旋，使水准仪十字丝与C 点反射棱镜中心重合，同时，在B 点竖立水准尺。

BM-3点高程:

式中 HA 为高程1810 m 廊道永久水准点BMT2的高程;

ΔH'为水准点A 点(编号:BM-T2)和下部临时水准点C 点上棱镜中心点的高差;

b 为BM-3水准标尺的读数。

上述步骤重复观测两次，合格后高差取平均值进行计算。

5 高程联系测量观测数据及精度估算

5.1 观测数据分析

2002年7月的观测数据如下，水平距离+垂直距离(SAC)见表1。

由表3计算可知:用高程传递系统所测得的高差与2002年两次观测平差后的高差之差较小，分别为:1.18 mm 和0.71 mm，满足规范对高差校核的要求。

水平距离(SAC’)观测数据见表2。

表1 全程距离测量数据表

表2 水平廊道距离测量数据表

仪器高:hA=1.4799 m，按照公式(2)计算ΔH'=SAC-SAC’-hA-δ=58.65901(m)

b=1.38635 m ，故ΔH'+b=60.04438(m)。

根据2002年4月和2002年5月精密水准测量观测数据平差结果，从同一个水准工作基点B5、B5-1联测至基础廊道BM-3点以及BM-T2点的高程值见表3。

表3 高差比较数据表

5.2 观测精度计算

6 结语

(1)利用天底天顶仪进行竖井铅垂线测量，利用直角棱镜进行高程联系测量具有速度快、精度高的特点。(2)由于上部廊道和下部廊道温差较大，传递井中有风摆效应且有小水滴，现场造成测距数据获取灵敏反应不够。通过关闭上下廊道检修门并调整照明光源，解决了该问题。(3)通过完善现场观测条件、提高操作人员的熟练程度，加上弯管目镜可以实现往返观测，将进一步提高高程联系测量的精确度和可靠性。

［1］国家一、二等水准测量规范，GB/T12897-2006［S］.