大型水利枢纽工程监测基准网的精度探讨

冯 欢

（宁夏水利水电勘测设计研究院有限公司 宁夏银川 750001）

1 引言

随着现代社会经济的不断发展，水利枢纽发挥的作用越来越大，依照功能的不同，水利枢纽分为了防洪枢纽、灌溉枢纽、水力发电枢纽以及航运枢纽等[1]，按照规模划分，包含了大型、中型以及小型水利枢纽。在建设水利枢纽工程时，需要结合地质特征、枢纽功能等进行综合考虑。大型水利枢纽工程具有建设难度大、资金投入高、技术性强等特征。通常情况下大型水利枢纽需要承受较大的水压力，随着时间的延迟会导致水利枢纽工程产生一定的形变，为了确保水利枢纽工程的稳定性与安全性，建立枢纽工程监测基准网非常有必要。在建设过程中需要充分考虑到基准网的精度，为保障监测效果提供支持。当下，国外针对大型水利枢纽工程监测基准网的建立已经较为成熟，我国还处于不断发展阶段，需要进行深入探索。为此，本文以某大型水利枢纽工程为例，对工程监测基准网要求以及观测情况进行研究，为提高大型水利枢纽工程监测基准网精度奠定基础。

2 工程概况

某大型水利枢纽工程的主坝与副坝均采用混凝土面板砂砾石坝，主坝高度129m，在我国水利枢纽工程中属于大型工程，大坝顶部跨长为403m，副坝高度为83m，副坝顶部跨长为108m，主坝和副坝在上游的坡度比例为1:1.5，大坝顶部宽度为14m。

3 平面监测基准网设计

3.1 平面监测网等级与精度确定

依照该区域建设管理局的要求，修建的工程监测基准网需要满足《水利水电工程检测标准》（以下简称《标准》）相关规定。为了保证该大型水利枢纽工程监测效果，监测网的主要职能是负责对厂房高边坡、工作闸井边坡的形变量开展监测工作，根据《标准》中的有关要求，使用在堆石坝等部分的稳固性监测基准网建设等级不能够低于二级网监测标准[2]。如表1 所示《标准》中规定的平面基准网建设的技术要点与公差范围。

表1 平面基准网建设的技术要点与公差范围

平面控制网规划方式选用边角同测网，按照《标准》中对专二等级的相关规定，要求平面网各边的平均长度不得低于1400m，但是由于选取的大型水利枢纽工程建设在高山峡谷中，基准网的建设也受到了较大的局限性，造成各个网边的平均长度仅为900m，结合专业知识以及实践经验可以得知，使用专二层次规定的测量设备、测量方式、观测精度偏差以及技术要点开展测量工作，实际取得的测量精度将超过上述表格中的尺寸误差范围，由此会导致施工困难度增加[3]。

大型水利枢纽工程监测基准网的高程标准要严格遵从国家对一等与二等水准测量的精度要求，且不可以通过对水准测定的方式来进行各个端点间的高差，需要依托于对向三角高程途径来测量，同时使得高程控制网属于闭合水准类型[4]。

3.2 平面监测网方案设计

在该工程当中受地形条件限制，同时兼顾精度需求，共计布置了11 个点，具体为TN01～11，其中基准点选定为TN01、TN04,具体布置如下图1 中所示。

图1 平面位移监测基准网

为了保证基准网建设的稳固性，在基准网中没一位置点处设计一个直径为45cm 的钢筋观测支撑柱，固定点中有8 个位置点规划在岩石上，首先利用专业设备在岩石上加工出长宽高均为65cm 的坑洞，紧接着将直径为65cm 长度为100cm 的长锚杆放置到坑洞中，向其中倒入混凝土使之固定[5]。另外一个位置点因为特殊的地理位置，无法将其固定到岩石上，在进行这种情况的支撑柱固定时，需要在地面下开挖一个长宽高均为170cm 的基坑，向挖好的坑洞内浇筑混凝土，使其底部形成一个长宽高为160x160x110cm 的混凝土基础，再将支撑柱放置到混凝土基础上，最后向基坑内浇筑混凝土，使得支撑柱与混凝土基础固定到一起，通过这种方法可以有效保障支撑柱的牢固度，一般情况下支撑柱高点离地面的距离为125cm 左右。

4 观测情况

通过电子经纬仪对相关角度进行测量，根据现成的实际工况得出，总共需要测量的角度数量为14个，测量方法选取分时间段最佳测量法，在上午天气环境适宜的情况下测量7 个角度，再在下午适宜环境中测量7 个角度，将已有的照准标准单一微读数方法改为两次读数，尽可能的降低照准偏差，并且两次读取数值的大小差别不能够超过3″。于此同时在任何一个观测时间范围内部测量到半数测回过程中都需要调整照准部的旋转方向，也可以选取测回间的方式来调整方向。在进行观测过程中，当旋转方向发生变化时，都需要进行归零操作，并且保证每次归零的误差范围控制在4″以内。在正式观测前要做好准备工作，第一步要依照规定对望远镜的焦距以及读数反光镜的方位进行改变，并且在相同的测回中要稳定不变，在实际开展观测工作时，气泡圆心位置与整置中心点的偏差量不能够超过一格，当偏差量处于极限位置时，则需要对仪器进行重新调整，之后再进行观测。基于水平角观测的照准目标一般选取直径为5mm 长度为18mm 的塔形杆，在杆的顶端喷涂上红色油漆，在尾部喷涂上白色油漆，之后将杆放入到强制对中的螺栓孔中[6]。

通过水准仪开展水准测量工作，观测过程中各个部分的往返测都划分为上午与下午两个时间段，但是当天气环境较好或者处于阴天状态时，可以将同一个地点的往返测均放置在上午或者下午，需要注意的时采用这种方法进行的往返测数量不能够超过总测量数的2 成。在将水准仪放置到各个观测站上时，必须要确保水平仪中两个地面支点的连线与水准线相平行，另外一个支点处于水平线的左边或者右边均可以。在往测环节结束以后开展返测环节时，各自的水准尺也要进行相应的位置调换，同时依照规定要求对水平仪进行重新调试。此外，任何一个测站的往测数量与返测数量均不得为奇数。

5 基准网精度评定

5.1 水平位移基准网的预期精度

整个监测网以TN01、TN04 为固定点来计算符合网的平差估算，最终得到水平位移基准网的预期精度，具体如下表2 中所示。根据相关规范的要求，表2 中的预期精度数据估算实际上是对最大误差与方位角的估算，从表2 中的统计数据中可以发现，点位中的误差大约为±1.892mm，椭圆长半轴与短半轴的误差则分别为±1.621mm 与±0.954mm，完全能够满足规范要求。

表2 水平位移基准网的预期精度（注明的单位均为mm）

5.2 监测网的可靠指标统计

共计监测了38 条边与76 个方向，对相关观测的可靠性指标进行统计分析，结果如下表3 中所示，从表中的统计数据中可以发现，该工程项目当中水平位移基准网观测的可靠性因子均高于规范规定的0.2 限值，这说明该控制网抵御粗差的能力相对较强。此外，从表2 中的统计数据中可以发现该监测网的灵敏度长半轴位于0.645～0.653mm 之间，灵敏度也能满足实际需求。

表3 监测网可靠性指标统计

6 提高工程监测基准网精度的方法

现阶段随着GPS 卫星定位技术的快速发展，在大型水利枢纽工程监测基准网建设上发挥了重要的作用，通过GPS 测量技术的应用，弥补了以往观测技术中存在的问题，显著改善了监测效率与准确性[7]。GPS 卫星定位技术运用最优观测时段技术，尽可能的解决了GPS 卫星运行过程中产生的周期性误差，减低了计算的复杂程度，避免了外业数据检核处理的复杂运算，有效的改善了测绘精度。在将GPS 技术应用到工程监测基准网设立工作中时，一方面要确保观测时间的设置要日夜平衡，同时保证夜间观测时长要占据总观测时长的2.5 成以上；另一方面在计算基线精处理的限差过程中，应当避免使用基线向量的方差阵进行计算。

7 结束语

综上所述，大型水利枢纽建设难度高、投资成本大、建设周期长，所发挥出的社会功能也更大，为此本文以某大型水利枢纽为例，首先确定监测精准网的等级以及精度，并明确了基准网的设计方案，深入探究了工程监测基准网的精度设计与评定，得到了各项参数偏差范围都符合二级网允许的偏差范围，由此说明监测基准网精度能够很好的满足大型树立枢纽工程监测要求。