基准线法仪器实现超量程观测技术的研究与应用

罗 正 英， 黄 会 宝， 江 华 贵

(国能大渡河流域水电开发有限公司，四川 成都 610041)

0 引 言

大坝、高边坡及其它构筑物变形，常用视准线、激光准直、垂线等基准线法来监测位移量。所谓的基准线法，是应用两端工作基点固定一条基准线原理来测量两端基点之间各测点变化量的一种观测方法。这些测量仪器因受到现场场地空间和监测系统工程造价等诸多因素的影响，其测量总量程一般在50～200 mm之间，正负量程为25～100 mm。由于观测仪器测量量程偏小，尽管如真空管道激光准直、垂线等高精度观测仪器综合测量性能十分优越，但很难推广应用在如土石坝、高边坡及其它构筑物大位移量观测中。为此，研究仪器超量程观测装置和数据衔接方式，确保变形观测精度以及资料序列的连续性是十分必要的，对其拓宽基准线法小量程仪器的应用范围更具有重大的现实意义。

1 变形观测中常用的基准线法及其优缺点

1.1 变形观测正负规定

水平位移：上下游方向(X)规定向下游位移为正，反之为负；左右岸方向(Y)规定向左岸位移为正，反之为负。

垂直位移：铅直方向(Z)规定下沉为正，上抬为负。

1.2 视准线法

视准线法是以建筑物两端的工作基点所控制的视准线(两个工作基点的连线)为基准，使用经纬仪和觇标来测量建筑物上测点X方向的位移量。按使用的工具和作业方法的不同，又可分为活动觇标法或小角度法。目前活动觇标活动范围有0～100 mm、0～160 mm、0～200 mm等多种规格[1]。

1.3 垂线法

垂线法是用一根钢丝将一端固定另一端采用重锤或浮筒铅直张紧的基准线，采用垂线坐标仪来测量建筑物沿线不同高程测点对于垂线固定点的水平投影距离，求出各测点X和Y方向的位移量。垂线按端点固定的位置不同，可分为正垂线和倒垂线。目前垂线坐标仪有光学式(规格有0～50 mm、0～100 mm)、步进电机式(规格有0～50 mm、0～100 mm、0～150 mm)、电容式(规格有0～10 mm、0～25 mm、0～50 mm、0～100 mm)、CCD光电式(规格有0～25 mm、0～35 mm、0～50 mm、0～100 mm)等多种类型和规格。

1.4 激光准直法

激光准直法(波带板激光准直法)是利用激光的方向性强、亮度高、单色性和相干性好等特点，以及波带板激光衍射原理，按照三点准直方法，将激光点光源和光电探测器分别安装在发射端和接收端的固定工作基点上，波带板安装在位移标点上，从激光点光源发射出的激光束照满波带板后在接收端上形成干涉图像，通过测定图像的中心位置可求出测点X和Z方向的位移量。目前，真空管道常用的规格有Φ159 mm、Φ219 mm、Φ273 mm、Φ325 mm管径[2]，对于基准线较长的一般采用变径管道。

2 仪器超量程观测装置和数据衔接方式

2.1 实现仪器超量程观测的基本方法

视准线、激光准直、垂线等基准线法，在混凝土坝等建筑物小变形监测中应用十分成功，因受仪器量程、场地空间和监测系统工程造价等诸多因素的影响，在土石坝等建筑物大变形监测中应用较少。在工程监测中，若遇测点变形超出了所选仪器的测量量程，一般有以下两种处理方式：

(1)当预计测点位移量大小有现成的仪器产品满足测量要求，就采取更换仪器规格来延续观测。

(2)当预计测点位移量大小有现成的仪器产品时，若超量程的是个别测点就中断个别测点的后续监测；若超量程的测点多就中断该观测项目，待进行整改恢复后才能延续观测。

以上两种处理方法，不仅额外地增加了工程监测费的投入，而且还中断了监测资料的连续性，对后续资料的系统分析增添了许多难度，而且还不易真实地反映出工程的实际变形情况。

经深入分析基准线法布设特点和建筑物变形规律后认为：除以上两种处理方式外，还有第三种处理方式，即在测点墩或管道支墩基座板上增加一个仪器设备可移动的装置，当在观测过程中预计某些测点即将超仪器量程时，通过调整仪器设备可移动该装置，就可实现仪器超量程观测，同时在仪器设备移动前后增加观测频次，就能保证监测资料序列的连续性和可靠性。若将仪器设备可移动装置调节范围增大，那么基准线法的仪器设备就能拓宽应用范围，促使大变形量如土石坝等建筑物变形监测的观测精度得到大幅度的提高。

2.2 基准线法仪器设备可移动装置

2.2.1 真空激光准直测点墩和管支墩移动式支撑基座

真空激光准直原测点仪器箱和真空管道，分别固定在测点墩和管支墩的基座板上。当测点墩或管支墩位移超设计量程后，从发射端激光点光源发射出的激光束则无法通过真空管道测量测点的偏移值，从而导致监测数据中断，使系统处于瘫痪状态。若在系统设计时，在测点仪器箱与测点墩基座板之间和真空管道与管支墩基座板之间增加一种在X和Z方向的移动装置,改进后的装置见图1，就可以弥补真空激光准直法的技术难题。如果将测点墩和管支墩在X方向适当增长和在Z方向的螺杆调节范围增大，就可应用在如土石坝之类的大变形量监测中。测点墩移动式支撑基座主要由基座板、仪器连接板和调节螺杆组成，其中在基座板和仪器连接板上开有长条孔，松动调节螺杆螺母可进行X和Z方向的移动。管支墩移动式支撑基座由基座板、管支承板、管道辊轴、侧向挡板和调节螺杆组成，其中在基座板和管支承板上开有长条孔，松动调节螺杆螺母可进行X和Z方向的移动。

(1)改进前 (2)改进后图1 真空激光准直测点和管支墩基座改进前后示意图

2.2.2 垂线测点墩移动式基座

垂线原测点仪器，包括自动和人工观测仪器均固定在测点墩的基座板上。当测点与垂线相对位移超设计量程后，将无法测到测点的偏移值，从而导致监测数据中断，系统处于瘫痪状态。这里以人工观测的光学垂线坐标仪为例，若在系统设计时，在测点仪器强制对中板与测点墩基座板之间增加一种在X和Y方向的移动装置，改进后的装置见图2，就可以解决使用垂线法时出现的技术难题。如果将测点墩在X和Y方向适当增长，就可应用在X、Y方向大变形量监测中。测点墩移动式基座由基座板、仪器连接板和紧固螺栓组成，其中在基座板和仪器连接板上开有长条孔，松动紧固螺栓就可在X和Y方向的移动。

a.改进前 b.改进后图2 垂线测点墩基座改进前后示意图

2.2.3 视准线活动觇标测点墩移动式基座

视准线原测点活动觇标，直接放置在测点墩强制对中板上。当测点与垂线相对位移超设计量程后，将无法测到测点的偏移值，从而导致监测数据中断，系统处于瘫痪状态。若在系统设计时，在测点墩与强制对中板之间增加一种在X方向的移动装置，改进后的装置见图3，就可以解决在使用视准线活动觇标法时出现的技术难题。如果将测点墩在X方向适当增长，就可应用在土石坝大变形量监测中。测点墩移动式基座由基座板、仪器强制对中板和紧固螺栓组成，其中在基座板上开有长条孔，松动紧固螺栓可在X方向的移动。

a.改进前 b.改进后图3 视准线测点墩基座改进前后示意图

2.3 数据衔接方式

基准线法采用以上的移动式装置，必须随时分析和掌握各测点的位移变化情况，当发现某测点偏移值有可能超出仪器量程时，应按以下方法及时调整测点墩或管支墩移动式装置，并在调整前后增加观测频次，合理、正确地将前后段的测点数据衔接起来，确保观测资料序列的连续性和可靠性。

无管道的基准线：如视准线和垂线，当发现测点出现较大位移或位移变化迹象有可能超出仪器测量量程时，应及时增加观测频次，分析和掌握发展趋势。一旦确定偏离值即将超出仪器测量量程时，应立即调整测点墩的移动式装置以满足后续观测要求。

有管道的基准线：如真空激光准直，超出设计量程有两种情况，第一种情况与无管道的基准线相同，处理方式大致相同，不同之处是还要对测点相邻的管道进行适当的调整；第二种情况是管支墩位移引起的基准线相撞，这时只需调整管支墩的移动式装置，并满足后续观测要求即可。

以上在调整移动式装置前后，要进行多次的重复观测，剔除粗差后，取其前后观测数据的均值之差作为该测点仪器移动前后段观测资料的固定常差(系统误差)。初期可将该测点后续的观测数据减去固定常差后与前期的观测数据衔接，后期可采用统计模型计算出固定常差来修正，从而就确保了观测资料序列的连续性和系统资料的整体性。

3 工程应用实例

瀑布沟水电站大坝为砾石土心墙堆石坝，坝高186 m，坝顶长540.5 m，坝基覆盖层最大厚度75.36 m，总库容53.37亿m3。设计在基础廊道布置了一条长338 m的管径为Φ219 mm的真空激光准直系统，发射端和接收端分别位于右岸和左岸的基岩上，在河床覆盖层段共布设了9个测点，用于监测基础廊道水平和垂直方向的位移量。

在坝体集水井施工期过程中，由于抽水泵故障导致水淹真空激光系统和两端观测房，系统处于瘫痪状态。

在2011年的恢复过程中，对其真空激光准直系统应用土石坝监测的可行性进行了充分的论证。根据前期廊道沉陷和测斜管观测资料分析成果得知，河床中部最大沉降量为110.4 mm，向下游位移量为127.57 mm，而Φ219 mm的真空激光准直系统在河床中部允许的最大位移量变幅约为100 mm[3]，由此说明，采用Φ219 mm管径的真空激光准直系统监测是有难度的。为此设想了多种恢复方案进行比较，最后确定保留原有的真空管道，采用测点墩和管支墩移动式支撑基座，实现仪器超量程观测。

依据瀑布沟大坝基础灌浆廊道变形规律以及预计的位移变幅，确定测点墩和管支墩的尺寸。管支墩：将位于发射端与相邻测点墩、接收端与相邻测点墩之间的管支墩尺寸沿Y方向定为30 cm，沿X方向定位40 cm；其余的管支墩尺寸沿Y方向定为30 cm，沿X方向定位50 cm。测点墩尺寸：沿Y方向定为53 cm，沿X方向定位60 cm。另外考虑到X方向的位移趋势是向下游变化，因此，将测点墩和管支墩的激光轴线位置分别定于距上游侧25 cm和20 cm之处。这样，当测点墩或管支墩向下游位移时，移动式支撑基座可向上游调整的最大幅度为0～170 mm；当测点墩或管支墩向上游位移时，移动式支撑基座可向下游调整的最大幅度为0～70 mm。Z方向位移一般呈下沉趋势，暂选定160 mm长的螺杆，当实际变形不能满足调节需求时再更换螺杆长度。

将仪器超量程观测技术座应用于瀑布沟大坝基础灌浆廊道真空激光准直系统十分成功，为后期的变形监测以及资料序列的连续性和系统资料的可靠性分析提供了可靠的根据。

4 结 语

常用的视准线、激光准直、垂线等基准线法，尽管仪器规格类型多，但推广应用在如土石坝之类的大变形量监测中却很少见。究其根本原因，是受这些仪器设备自身的结构特点以及现场场地空间和工程监测系统建设造价等诸多因素的影响，导致在建筑物的大变形量监测中形成技术难题。为此，通过对仪器超设计量程的常规处理方式进行了深入地分析，结合基准线法的布设特点和建筑物的变形规律，提炼形成了基准线法，实现超量程观测的技术。采用基准线法测点墩或管支墩移动式基座和相应的观测方法，不仅可以增大基准线法仪器的量程，将推广应用在如土石坝之类的大变形量监测中，而且还可确保观测资料序列的连续性和系统资料的整体性，为准确分析和揭示建筑物真实的变形情况提供了数据保障。另外，采用此观测技术后，还可以将基准线法的测量仪器统一到一个常用的规格水平上，从而可以节省许多费用。