南水北调中线总干渠（北京段）变形监测网布设

史庚武

（河北省水利水电勘测设计研究院，天津300250）

南水北调中线总干渠（北京段）变形监测网布设

史庚武

（河北省水利水电勘测设计研究院，天津300250）

南水北调中线总干渠（北京段）由多处建筑物和地下PCCP输水管道组成，承担着南水北调中线工程向北京输水任务，工程的安全运行对保障北京城市供水起着重要的作用。南水北调中线总干渠（北京段）变形监测网的建立可以获得工程的空间位置随时间变化的特征，判断工程的稳定状况，及时发现可能存在的危险并采取有效措施，同时为工程设计和施工提供验证数据。

变形监测；GPS；南水北调

1 工程概况

南水北调中线总干渠（北京段）起点位于冀京界北拒马河中支南，经北京房山区、丰台区、海淀区到达颐和园团城湖。工程主要构筑物有隧洞、闸涵和倒虹吸等，线路有PCCP管道及明渠，线路总长80 km。

2 监测目的和范围

变形监测就是利用仪器对变形体进行监视测量，获得变形体的空间位置随时间变化的特征，通过分析解释，判断变形体的稳定状况，及时发现异常变化，以便采取安全措施。南水北调中线总干渠（北京段）有多处建筑物和地下输水管道，为保证干渠安全输水，及时发现可能存在的危险并采取有效措施，根据业主委托和工程实际情况，确定1—6#PCCP管道镇墩、西四环暗涵出口和团城湖闸为本次监测目标，对水平位移和垂直位移进行监测。

3 变形监测网精度和仪器的选择

变形监测网的精度由变形体的允许变形值确定，一般要求误差不超过允许变形值的1/10～1/20。为此，变形监测网的水平位移监测基准网采用C级GPS精度，仪器选用5 mm+1 ppm精度GPS接收机；垂直位移监测基准网采用二等水准精度，仪器选用0.3 mm/km精度数字水准仪。

4 变形监测网布设

变形监测网点一般由基准点、工作基点和变形观测点组成，如现场观测条件较好，可只布设基准点直接对变形观测点观测。经现场踏勘，本项目的变形观测点在野外，周边环境和观测条件较好，所以监测网只布设基准点。基准点全线共布设23座，共同作为水平位移和垂直位移的监测基准点。其中，管道镇墩部分布设18座，西四环暗涵出口和团城湖闸布设5座。点位均选在距变形观测点200 m左右的地基稳定安全的位置，标石类型为普通标石。变形观测点布设48个，共同作为水平位移和垂直位移变形观测点。其中，1—5#管道镇墩各7个、6#管道镇墩6个、西四环暗涵出口4个、团城湖闸3个，标石类型为钢管标。各区基准点和变形观测点统计，见表1。

表1 各区基准点和变形观测点统计

5 水平位移变形监测基准网观测

（1）由于南水北调中线总干渠（北京段）线路较长，各变形监测区间距近的约4 km，远的有13 km，而各区监测基准点间距在200 m左右，如果同时联合观测，边长相差悬殊，图形结构强度较弱，对网的精度影响较大。因此，水平位移变形监测基准网按管道镇墩分区，西四环暗涵出口和团城湖闸合并为一区。各区独立组网，联测南水北调中线总干渠工程施工测量控制网复测成果的控制点作为起算点，共组建7个水平位移监测基准网，按GPS C级网精度施测。GPS水平位移监测基准网测量采用5 mm+ 1ppm精度GPS接收机，以边连接的方法拓展GPS网，GPS参数设置和指标见表2。

表2 GPS参数和指标

（2）GPS水平位移监测基准网平差。在基线向量检核符合要求后，以三维基线向量及其相应方差—协方差阵作为观测信息，以一个点的WGS-84系坐标作为起算依据，进行GPS水平位移监测基准网的无约束平差，满足了规范精度要求，无约束平差后，最大点位误差为4.5 mm，满足不大于6.0 mm的限差。然后，利用无约束平差后的可靠观测量，采用克拉索夫斯基椭球参数和高斯正形投影，对已知点坐标、已知距离和已知方位加权约束平差。约束平差中，基线分量的改正数与无约束平差结果的同一基线相应改正数较差的绝对值最大为3.2 mm，满足了规范精度要求。

6 垂直变形监测网观测

（1）同样考虑垂直位移监测点各区相距较远，垂直位移监测网也按水平位移监测网相同的分区进行观测。垂直位移监测网将基准点和变形观测点同时观测并起闭于已知的南水北调中线总干渠工程施工测量控制网复测成果的水准控制点闭合成环。观测采用DINI12数字水准仪，仪器精度指标为±0.3 mm/ km，按二等水准精度要求观测，二等水准测量精度指标见表3。

表3 二等水准测量精度指标

（2）垂直位移监测网平差。每区垂直位移监测网以1个已知的南水北调中线总干渠工程施工测量控制网复测成果的水准控制点为起算数据，形成闭合环，共采用7个水准控制点，检测1个水准控制点。采用水利水电工程测量内外业一体化系统软件，利用间接法水准网平差模块，按距离定权进行平差。各监测网总长度、自由度、总点数、测段数、每千米偶然中误差等平差信息统计数据见表4。

表4 各区垂直位移监测精度统计

7 变形观测点水平位移观测

（1）变形观测点水平位移观测采用双测站极坐标法，分别在2个基准点上架设全站仪，以另一基准点为后视方位，按变形监测二等精度观测，完成变形观测点的首期观测。观测仪器采用索佳NET05型，测角精度为0.5″，测距精度采用0.8 mm+1 ppm全站仪进行观测。水平角观测主要技术要求，见表5。

表5 水平角观测主要技术指标

（2）水平方向观测采用方向观测法观测变形观测点，半测回归零差或起始方向2C变动范围超限时需重测该测回，其他方向2C变动范围或测回差超限时只重测超限方向并联测零方向。一测回中重测方向超过所测方向的1/3时重测该测回，当重测的测回数超过总测回数的1/3时重测该站。以各测回的水平角观测值的平均数作为测站观测成果。

（3）垂直角观测。垂直角观测3个测回，量取仪器高两次且互差不大于2mm。其主要技术指标，见表6。

表6 垂直角测量主要技术指标

（4）电磁波测距。边长采用全站仪实施测量，全站仪测距精度为0.8 mm+1 ppm。电磁波测距主要技术指标，见表7。

（5）变形观测点平差计算。变形观测点计算采用水利水电工程内外业一体化系统软件完成，按照程序要求的格式编辑*.csv文件完成坐标计算，并输出格式化的成果图表，同时输出点位精度、单位权中误差及其他精度评定值等。经对所有的监测点成果进行比较，其点位精度均不大于±3 mm。

表7 电磁波测距主要技术指标

8 结论

变形监测网观测仪器采用GPS接收机，避免了联测起始控制点的距离远和常规测量仪器测量需要通视的问题，提高了作业效率和观测精度。

本项目变形监测基准网联测了南水北调中线总干渠工程施工测量控制网复测成果，由于已知控制点破坏较多，可选用的联测点距离较远，而基准点之间的距离相对较短，造成变形监测基准网的边长相差较大，对监测网图形强度有一定影响。

变形监测网的建立为南水北调总干渠（北京段）的安全运行管理提拱了可靠的监测数据，也会为项目的设计和施工提供必要的验证数据。

[1]JGJ8-2007，建筑变形测量规范[S].

[2]GB50026-2007，工程测量规范[S].

[3]GB/T 18314-2001，全球定位系统（GPS）测量规范[S].

[4]GB 12897-1991，国家一、二等水准测量规范[S].

[5]周中谟，义杰军.GPS卫星测量原理与应用[M].北京：测绘出版社，1997.

表3 工程各断面不同重现期最大洪峰流量计算成果

4 施工分期设计洪水

4.1 施工分期洪水分析

根据施工组织设计的要求和有关规范，施工分期设计洪水主要解决的问题是在施工期为安全施工而进行的导流、围堰等工程设计[3]。根据本流域暴雨洪水特点和施工分期要求，需要导流的施工分期为2—5月，计算该分期的设计洪水作为施工分期洪水，洪水重现期为5年。

4.2 施工分期洪水计算

本次设计根据崖口水文站实测洪水系列，采用频率法计算分期设计洪水，再根据设计位置处年最大洪水与分期洪水的比例关系，经计算得到本治理段5年一遇分期设计洪峰流量为8.4 m3/s。

5 结论

通过对流域气象水文、河流泥沙以及洪水的分析，利用单因子经验公式法、多因子经验公式法和推理公式法计算出还乡河道断面不同重现期最大洪峰流量，从本治理段安全角度考虑，本次设计采用较大值作为设计值，即采用单因子经验公式法的计算成果作为设计成果，用频率法计算分期设计洪水量。该水文计算成果为本河道河势稳定、保证堤防防洪安全、保障沿岸设施正常运用及满足生态环境要求奠定了基础。

参考文献：

[1]邹翔，薛小红，赵健.赤水河流域水土流失特点与分区防治研究[J].长江科学院院报，2010，（8）：12-15.

[2]徐华.推理公式法计算山洪沟设计洪水[J].水利科技与经济，2014，（3）：111-113.

[3]米勇.坝上地区风电场工程水土流失特点及防治措施[J].水土保持应用技术，2012，（5）：16-17.

TV68；TV698.1+1

B

1004-7328（2015）01-0063-03

10.3969/j.issn.1004-7328.2015.01.023

2014-10-11

史庚武（1965-），男，高级工程师，主要从事水利工程测量工作。