对水电大坝平面监测网的特点及执行规范若干问题的探讨

李中飞　周赛君

摘要：水电大坝平面监测网由于其布网目的和精度有别于大地控制网和其它工程测量控制网，执行规范和观测限差有其特殊性，严格执行国家等级测量规范明显不合适，本文就大坝平面监测网执行规范和观测限差若干问题进行讨论，选择合适的作业过程规范，并对有关观测限差条款进行讨论，供有关技术人员和规范修订者参考。

关键词：平面监测网；执行规范；观测限差；中误差

1.概述

大坝平面监测网的布网目的一是为大坝平面监测系统提供统一的基准，二是监测近坝区岩体的变形，特点是网形受限制、观测等级高、点位精度高，平面监测网最终精度指标一般是点位精度，大坝变形监测设计时通常执行中华人民共和国能源部水利部《混凝土大坝安全监测技术规范》（GB50026-93），该规范规定近坝区岩体水平位移的位移量中误差限差为±2.0mm，这一标准通常作为监测设计时平面监测网最弱点点位精度标准。

对于不同类型的控制网，由于布设目的不同，最终精度的要求也不同，监测网主要精度指标是最弱点点位精度，而对于施工控制网和其它工程测量控制网，由于布设目的不同，其最终的精度指标通常是最弱相邻点边长相对中误差、最弱相邻点相对点位中误差或平均边长相对中误差。衡量控制网的整体质量准则一般来说是精度和可靠性，对于变形监测网还有灵敏度即变形的可发现性，因此《混凝土大坝安全监测技术规范》（GB50026-93）明确规定监测网设计时可靠性评价，可靠性因子γ不宜小于0.2。正是因为监测网布置的目的和精度指标有别于大地控制网和其它工程测量控制网，在实施过程中机械地执行国家等级测量规范明显是不合适的，本文就大坝平面监测网执行规范和观测限差若干问题进行讨论，选择合适的作业过程规范和观测限差，供同行实施在平面变形监测网时参考。

2.主要技术规范及主要技术指标的讨论

2.1 主要技术规范

对于大坝平面监测网，可执行的规范有：（1）中华人民共和国电力标准《混凝土大坝安全监测技术规范》（DT/T5178-2003）；（2）中华人民共和国行业标准《水利水电工程测量规范（规划设计阶段）》（SL 197-97）；（3）中华人民共和国行业标准《水利水电工程施工测量规范》（SL52-93）；（4）中华人民共和国电力行业标准《水电水利工程施工测量规范》（DL/T5173-2003）；（5）中华人民共和国国家标准《工程测量规范》（GB50026-93）。

以上规范涉及到作业要求时均关联下列国家规范：（1）中华人民共和国国家标准《国家三角测量规范》（GB/T17942-2000）；（2）中华人民共和国国家标准《中、短程光电测距规范》（GB/T16818-1997）；（3）中华人民共和国国家标准《一、二等水准测量规范》（GB/T12897-1995）（与本文讨论内容无关）。

2.2 主要技术指标及相关规定：

1）《混凝土大坝安全监测技术规范》（DT/T5178-2003）

该规范规定了变形监测的测量中误差不应大于下表1：

规范同时规定边角网设计时应作可靠性评价，可靠性因子γ值不宜小于0.2，并保证测点在指定方向的位移量中误差不大于上表中的规定。

2）《水利水电工程测量规范（规划设计阶段）》（SL 197-97）

该规范将大坝平面监测网划归为专业平面控制网并根据精度要求和实际条件选用专一级和专二级控制网，明确专一级适用于重力坝、拱坝、支墩坝变形监测，近坝区危岩变形监测，稳定期地形变监测；专二级适用于堆石坝变形监测，滑坡体和高边坡变形监测，蠕动期地形变监测，主要技术指标和限差见下表2：

3）《水利水电工程施工测量规范》（SL52-93）

明确是施工期监测，对施工区滑坡监测、高边坡开挖稳定性监测等有明确规定，但对大坝平面监测网没有明确规定相关要求，参照执行DT/T5178-2003。

4）《水利水电工程施工测量规范》（DL/T5173-2003）

本规范与《水利水电工程施工测量规范》（SL52-93）基本相同，对大坝平面监测网没有明确规定相关要求，参照执行DT/T5178-2003。

5）《工程测量规范》（GB50026-93）水平位移监测网的主要技术要求如下表3（三等、四等未列）。

值得一提的是中华人民共和国行业标准《土石坝安全监测技术规范》（SL60-94）对作为观测基点的监测网没有作任何规定，变形监测网是大坝变形监测中重要技术手段，特别是对蓄水前后近坝区岩体的变形监测是相当重要的，同时在土石坝变形监测的实际工作中已普遍应用，对于专业的监测技术规范没有相应的条款来具体规范，笔者认为是不合适的。

2.3 主要技术指标的讨论

（1）平面监测网等级划分的讨论

从执行规范的层次来讲，首先无疑应该执行T5178-2003，但該规范是大坝安全监测纲领性规范，偏重于监测设计，实测时可操作性有一定的限制。

该规范按工作顺序规定了：一是监测网最弱点位移量中误差限差（即近坝区岩体水平位移量中误差）不大于±2.0mm、可靠性因子γ不宜小于0.2；二是测角中误差不得大于±0.7″、测边使用优于±1.0mm±1ppm测距仪测量；三是一般按方向观测方观测12测回，按规范规定的限差和程序作业（下面再专门讨论）。并没有对监测网等级进行划分，也就是说不管大坝等级和规模、监测网网形、边长的长短，都是采用同一等级的作业程序和规定、使用同一等级的测量仪器和设备、最终达到一样的最弱点中误差，这一过程值得探讨。

在同等仪器和同一作业技术指标的情况下，监测网平均边长的长短决定了最弱点精度（当然还有网形等其它因素）、笔者认为监测网实施正确的工作程序应该是根据工程规模和监测目的（关于根据监测目的确定观测精度的问题详见作者《混凝土大坝变形观测必要精度的探讨》一文）来确定监测网等级、根据监测网等级选用适当仪器、最后根据等级和仪器确定作业限差，这样作业成果必然会达到相应等级的精度要求。

在上列规范中，SL 197-97对专业平面控制网进行了等级划分，其中专一、专二级适用于变形监测，GB50026-93也对水平位移监测网划分了4个等级，但由于行业的差别，该规范并不适合大坝变形监测。

笔者认为在监测专业规范中平面监测网可划分二个等级（姑且称为监一级和监二级），以适用于不同规模和不同监测目的的工程要求。

（2）主要技术指标的讨论

DT/T5178-2003主要技术指标是最弱点位移量中误差，SL 197-97主要技术指标包括了平均边长、测角中误差、测距中误差、最弱点点位中误差等，值得注意的是DT/T5178-2003使用的是最弱点位移量中误差m位，而SL 197-97使用的是最弱点点位中误差m点，两者有2的关系：

m位=2m点

主要技术指标的确定应依据需要和可能两个原则，需要是指根据工程等级、坝型、库容、监测目的及有关变形计算成果等工程指标而必须达到的精度指标；可能是指在网形（边长、图形等）确定的情况下、拟投入的仪器设备可能达到精度指标，精度指标的确定实际是寻找到需要与可能的平衡点。

DT/T5178-2003规定监测网最弱点位移量中误差不大于±2.0mm作为监测网最高一级（即监一级）是合适的，但不应是所有大坝监测网唯一的标准。要知道水电站大坝的网形条件是极受限制的，一般不会太好，以笔者手头的资料及工作经验，如果平面监测网的平均边长大于1km，以DT/T5178-2003规定的仪器和限差作业要达到±2.0mm的精度标准并不容易。

SL 197-97专业控制网主要技术要求是依据很多统计资料制定的，其中专一网的精度标准与DT/T5178-2003基本相同，最弱点点位中误差±1.3mm相当于位移量中误差±1.84mm，但它明确规定了平均边长1.0km、测角中误差±0.5″、测距中误差±1.3mm，实践证明只要满足上列要求，基本可以保证达到最终精度标准。也就是说在基本同一精度标准时SL 197-97比DT/T5178-2003更具操作性。

对于边长较长或控制范围较大和边长较短但仪器标准较低的平面监测网而言，要达到上述精度标准是极其困难的，事实有相当数量的大坝监测仪器的投入是有限的，这就要求有较低一级的标准来规范，这就笔者提出的监二级网，监二网适合于平均边长大于1km、图形强度不佳、即使是以目前的技术条件下最高作业级别也无法达到最弱点位移中误差±2.0mm的监测网和平均边长虽小于1km但仪器设备投入有限或本身精度要求不高的监测网。

因此笔者斗胆提出大坝变形监测网主要技术要求和限差建议方案如下表4，表4的技术指标一是分两个等级适合范围更广一些，二是各项技术指标更明确一些，笔者清楚地知道一项技术指标是要通过准确的理论计算和大量的统计资料才能确定，表3只是作为一个具体操作者的一个建议。

在按现行规范作业时，笔者建议涉及到平面监测网技术指标时建议按SL 197-97执行。

3.作业限差的讨论

3.1 观测仪器与方法

DT/T5178-2002规定水平角观测应用J1型经纬仪或精度不低于J1型经纬仪的全站仪进行，测距用标称精度优于1mm±1/106×D测距仪或全站仪直接测量；

SL 197-97规定专一、专二级网使用DJ1型经纬仪或0.5″级电子经纬仪进行测角，专一级使用测距仪标称精度不低于0.2mm+1ppmD测距仪、专二级使用测距仪标称精度不低于1mm+1ppmD测距仪测边；

《国家三角测量规范》（GB/T17942-2000）规定国家一、二等三角测量使用DJ07、DJ1级经纬仪观测，《中、短程光电测距规范》（GB/T16818-1997）规定二等使用Ⅰ、Ⅱ级测距仪（测距仪等级划分：Ⅰ级测距标准偏差mD≤2mm、Ⅱ级测距标准偏差2mm

从上述规范可以看出：用于大坝变形监测网的测角仪器可使用J1（1″）、J07（0.7″）和0.5″级3个级别的测角仪器，测距仪器应使用Ⅰ级测距仪。

考虑到大坝平面监测网边长都较短（相对大地网而言），一般采用方向观测法，现在的电子仪器特别是目前变形监测普遍采用的TCA2003测量机器人作业时也更适合方向观测法，当然也不能排除一些特殊的网形特别是边长相差大多的网形或采用传统光学仪器时采用全组合观测法。因此平面监测网规范均明确了可采用方向观测法也可采用全组合测角法。

3.2 测回数

DL/T5178-2003明确规定水平角观测方向观测法12测回，全组合观测法方向数m×n=24（25）；相当于《国家三角測量规范》（GB/T17942-2000）二等三角观测（如按J1仪器观测还达不到二等要求），大坝平面监测网与大地平面控制网测角过程有较大的差别，在相同观测纲要的条件下，大地网存在边长太长、气象影响大、照准精度低等因素，其最终测角中误差大于监测网，因此按方向观测法12测回数，可以达到±0.7″测角中误差。

SL 197-97规定了专一级网方向观测法15测回、全组合测角法方向数m×n=36（35），专二级网方向观测法12测回、全组合测角法方向数m×n=36（35），分别可达到±0.5″和±0.7″测角中误差。

综合规范规定和实践经验，对于大坝平面监测网测角精度要达到±0.5″，方向观测法要求15测回、全组合测角法方向数要求m×n=36（35），如要求测角精度达到±0.7″，方向观测法要求12测回、全组合测角法方向数要求m×n=24（25）。

3.3 方向观测法限差

DL/T5178-2003、SL 197-97和GB/T17942-2000三种规范方向观测法观测限差如表4。

从表5可以看出，几种规范对方向观测法作业限差的规定都是基于GB/T17942-2000制定的，不同的是监测专业规范与大地网在同等的作业限差条件下所达到的最终测角中误差要高，这是与监测网本身特点所决定的，与大地网相比、监测网有更优越的作业条件。

值得注意的是，大坝平面监测网点往往高差较大，在观测实施过程中一测回2C互差容易超限，SL 197-97中规定了“当观测方向的垂直角超过±3°时，该方向的2C较差可按同一观测时段内相邻测回进行比较”，笔者认为这是应在专业监测规范中保留的技术条款。

3.4 测距限差

DL/T5178-2003没有对测距作限差规定，SL 197-97和《中、短程光电测距规范》（GB/T16818-1997）明确了测距作业限差如下表5。

GB/T16818-1997是国家级控制测量测距规范，由于测距长度远大于大坝变形监测网测距长度，小于3km为短程测距，而工程测量中测距长度大多不大于3km，如果在工程测量中完全执行GB/T16818-1997相关技术条款，保证不了短程测距的相对精度，因此作业限差中SL 197-97比GB/T16818-1997更严一些，只有这样才能保证测边相对精度，并使测边精度与高精度的测角相匹配，从而保证整个监测网的精度。

测量实施过程中SL 197-97“往返各2时段每时段各2测回”比GB/T16818-1997“往返各4测回或不同时段代替往返测”严格得多，是否必要完全执行“往返各2时段每时段各2测回”有待进一步探讨，另外，时间段较差与往返测较差在SL 197-97附录中进行了专门的讨论和说明，其最终结论是往返测中数较差限差取用2（a+b×d×10-6），但笔者认为执行GB/T16818-1997规定的2（a+b×d×10-6）更严密一些。

4.结语

大坝平面变形监测网特点是短边、高精度，它既不同于大地控制网，也不同于服务于施工的施工控制网和服务于测图枢纽测图控制网，难以全面应用现行的国家标准《国家三角测量规范》（GB/T17942-2000）和《中、短程光电测距规范》（GB/T16818-1997），现行的监测专业规范《混凝土大坝安全监测技术规范》（DT/T5178-2003）只涉及到大坝变形监测网部份指标，尚不具体，也不具操作性，因此，有必要对大坝变形监测网精度指标和作业指標进行讨论并提出相应的规范修订意见。

中华人民共和国行业标准《水利水电工程测量规范（规划设计阶段）》（SL 197-97）有专用平面控制网技术条款，对控制网主要技术指标和作业限差都有明确的规定，因此，在目前监测专业规范对相关技术条款不是很全面的情况下，建议大坝平面监测网设计和实施过程中执行《水利水电工程测量规范（规划设计阶段）》（SL 197-97）。

参考文献：

[1]中华人民共和国电力标准《混凝土大坝安全监测技术规范》（DT/T5178-2003）。

[2]中华人民共和国行业标准《水利水电工程测量规范（规划设计阶段）》（SL 197-97）。

[3]中华人民共和国行业标准《水利水电工程施工测量规范》（SL52-93）。

[4]中华人民共和国电力行业标准《水电水利工程施工测量规范》（DL/T5173-2003）。

[5]中华人民共和国国家标准《工程测量规范》（GB50026-93）。

[6]中华人民共和国国家标准《国家三角测量规范》（GB/T17942-2000）。

[7]中华人民共和国国家标准《中、短程光电测距规范》（GB/T16818-1997）。