北疆某引水枢纽变形监测方案设计

高 鑫

(水利部新疆维吾尔自治区水利水电勘测设计研究院，乌鲁木齐 830000)

1 概 述

引水枢纽在施工及运行过程中，由于多种因素的影响，会产生一定的变形。按照规范(或设计)要求，当变形量在规定的范围内，认为是正常现象，处于安全稳定状态；如果变形量超过规定的允许限度，就存在一定的危险性，严重的还会发生跨塌的安全事故[1]。因此，变形观测是准确掌握变形规律，及时作出分析预报，为引水枢纽的运营维护管理提供科学数据。同时，变形观测也为设计、施工提供及时可靠的资料，并结合相关的分析和预测方法，将有效地评估引水枢纽工程的稳定性。

北疆某调水工程包括拦河引水枢纽、泵站及水库等建筑物，分属3个不同地区，为了方便起见，本文统称为引水枢纽。通过分析该引水枢纽变形因素，对整体变形监测方案进行设计，以期对类似工程的变形监测布置提供参考。

2 变形因素分析

引水枢纽由于本身的自重、混凝土的收缩、沉陷及温度变化等荷载原因，将产生平面和垂直位置的相对移动。地质构造、地震因素能否使基础受到水平或垂直方向的应力作用，还有待分析论证[2]。

2.1 变形监测周期及其精度要求

要达到变形监测的预期目的，必须通过对变形监测对象的分析，提出应有的监测精度、合适的监测频次，制定相应的设计方案。

2.1.1 变形监测的周期

蓄水前应全面观测一次，这期间变形监测量主要是检验施工质量，设计的正确性是蓄水期的初始观测值。在观测过程中，如有基础附近地面荷载突然增加、长时间连续降雨等情况，均应及时增加观测次数。当坝体突然发生大量沉降、不均匀沉降或严重裂缝时，应立即连续观测。

表1 变形监测周期

特别需要说明的是，所谓初始值不仅仅是指点的坐标，还包涵以下内容：确定的观测网形、观测方法；确定的平差基准、平差方法；点的坐标、权逆阵(协方差矩阵系数)、单位权中误差；确定横向、轴向及径向、切向等。

2.1.2 变形监测等级及精度要求

根据《水利水电工程测量规范》(SL 197-2019)11.13.2条的规定：混凝土坝、建筑物工程变形监测等级划分为二等，土石坝监测划分为三等[3]。精度要求应符合表2的规定。

表2 变形监测的等级及精度要求

基准点、工作基点、变形监测点的划分主要是根据标点的功能与位置不同确定的。监测基准网和监测工作网的层次主要是根据网的作用不同来划分的。监测基准网和监测工作网可分层次不分等级，按同等精度观测[1]。

2.2 变形监测的基准

变形监测网中各点的变形分析是建立在多期重复观测相比较的基础上，因此需要有一个统一的基准。采用的基准不同，相应的网点位移量也会不同。点的位移总是相对于一定的基准而言。

监测网有两种：一种是固定基准，在各期观测周期中是不变的，网的平差很简单，用传统的经典平差基准；另一种是重心基准，是指没有必要起始数据的控制网，存在参考系秩亏问题，这时就要采用秩亏自由网平差基准。一般首次观测采用固定基准，后续观测中，如果基准点未发生变形，仍采用固定基准。只有基准点发生变形时，就要进行基准转换，采用重心基准，所以平差基准存在两种，即固定基准和重心基准。为了真实反映观测的变形量与实际一直，不管是哪种基准，都要建立变形监测坐标系统。

3 变形监测网布置

3.1 平面监测网

随着GPS接收机性能的提高和软件处理技术的进步，GPS相对定位精度从以前的10-6提高到10-7或更高量级。GPS观测具有时间短、测站间无需通视、仪器操作简便、全天候定位等特点，其精度和效率显然优于常规仪器。所以，平面变形监测控制网可以采用GPS 定位技术。

3.1.1 主要技术要求

变形监测衡量精度主要是点位中误差，水利水电工程测量规范对水平位移监测网的主要技术要求作出规定，见表3。

表3 水平位移监测网的主要技术要求

3.1.2 控制网设计

控制点由基准点和工作基点组成，是变形观测的基础，必须保证坚固和稳定，因此点位应选在大坝以外、地质条件好又能够永久保存的地方。

1)拦河枢纽：将两个端点LE1、LE2纳入GPS监测网，进行观测。其它点作为监测点。在下游方向布设2个工作基点，工作基点外布设4个基准点，设计监测点17个，共有23个点。建议使用测量机器人进行自动化监测，能够控制成本，而且监测的精度也符合要求。根据情况可以将测量机器人布设在工作基点上，然后将监测棱镜布设在原设计的位移监测点处。也可采用GNSS测量自动监测系统。见图1。

图1 变形监测网布置图

2)分水闸：直线上的两端点作为2个工作基点，外围稳定区域布置3个基准点，闸门墩两侧监测点17点，共有22个点。建议采用测量机器人自动监测系统。

3)站厂房：外围布设4个工作基点，工作基点外布设不少于4个基准点。双井子泵站监测点均在厂房内，可考虑增设2个工作基点。设计监测点28个，建议采用测量机器人自动监测系统。

4)水库：在外围布设3个基准点，设计位移监测点26个，垂直位移监测点26点，点位可以共用，则共有29个点。建议采用GNSS测量自动监测系统。

3.1.3 控制点埋设

点位应顶空开阔、视场内障碍物的高度角不宜大于15°，并应远离大面积水域、大功率发射台或高压线，其距离不宜小于50 m。应建造具有强制归心装置的混凝土标墩，观测墩应建立在稳固的基岩或坚实的土基上。若不能满足稳定要求，应进行基础加固处理。

3.2 高程监测网

3.2.1 主要技术要求

根据规范要求，混凝土建筑垂直变形监测布设二等水准高程网，土石坝垂直变形监测布设三等水准高程网。见表4。

表4 水准测量的主要技术要求

2.R为检测测段的长度，km；K为路线、区段或测段长度，km；L为符合路线或环线长度，km；n为测站数。R<1 km时，按1 km计，K<100 m时按100 m计。

3.当每千米水准测量单程测站数n>16站，可按n计算高差不符值。

3.2.2 水准网设计

控制点由基准点和工作基点组成，工作基点是垂直变形观测的基础点，必须具有足够的坚固和稳定。根据库区地形特点，在大坝下游较近处布设不少于3个工作基点。为了检验点位的稳定性，还应在外围地质条件稳定区域布设3个水准基准点，选在地质条件好、又能够永久保存的地方。有条件时垂直监测网最好与平面监测网共用一个点，即观测墩顶部安装有强制对中底盘，观测墩底座安装有水准标志。

1)拦河枢纽：在距拦河枢纽1 km以外布设2座水准基点，基点至拦河枢纽之间布设不少于3个水准工作基点，垂直监测点与水平位移观测墩共用一个点。

2)泵站、厂房：共同布设一个水准网，在1 km以外布设2座水准基点，基点至分水闸之间布设不少于3个水准工作基点，分水闸和泵站垂直监测点与水平监测点可以共用。

3)水库：距水库2 km以外布设2座水准基点，在大坝外围布设不少于3个点作为水准工作基点，垂直位移监测点与水平位移观测墩可以共用。

4 变形分析

4.1 点位稳定性分析

变形分析的重要步骤之一是点位稳定性分析。不管是基准点还是工作基点、测点都要经过点位稳定性分析。只有经过这一步分析，才能确定变形体外围基准点、工作基点是否稳定。测点经过点位稳定性分析后，就能确定是否位移及位移量的大小。

点位稳定性分析方法很多，归纳起来有两种：一是先进行两周期图形一致性检验(或称整体检验)，如果检验通过，则认为所有参考点是稳定的；否则，就要找出不稳定的点，寻找不稳定点需要人工干预，方法较为复杂。二是利用两期观测，以多组起始数据平差所得两期坐标差，或利用多期观测，每两期所得坐标差计算其均值或均方差，如果点位没有位移，它们就应小于极限误差即中误差的t倍。其特点是直接求得点位是否稳定，称为限差检验法。

4.2 监测资料的整编和分析

主要内容包括观测资料整理、绘制位移过程线、监测资料分析及变形预报。在获得目标点的三维坐标值，便可以根据实际的情况判定建筑物的变形状况。当监测物出现较为明显的裂痕，观测的周期便需要作出调整，通过多个周期的观测，进行汇总分析。按照时间顺序，将监测的数据进行分析和处理，便能够预测出建筑物变形的发展趋势和速率。将监测的结果用折线图的方式呈现出来，就可以看到监测桩所有周期的监测结果。对观测目标点的数据进行总体分析，还可以获得建筑物变形的最大区段及可能造成的影响。针对可能发生的情形，便可预先制定相应的预案，降低变形造成的不利影响。

5 结 语

建立一个可靠、高效能实时分析、快速反馈的安全监测系统，是一个复杂的系统工程，涉及多个专业和学科，需要统筹考虑、精心设计，以使监测系统的总体结构优化、布置方案合理。该工程的安全监测设计，遵照“以变形监测为重点，仪器布置少而精”的设计思想，建立起一套合理、高效的变形监测系统[4]。该系统既有监视工程安全的灵敏“耳目”，又有分析判断工程安全程度的智能“头脑”，希望对类似枢纽工程的变形监测起到参考的作用。