大型水库施工监测方案设计与研究

宋辉

（中船勘察设计研究院有限公司，上海　200063）

大型水库施工监测方案设计与研究

宋辉

（中船勘察设计研究院有限公司，上海200063）

根据大型水库施工区域的地形调查与施测条件，结合GPS定位理论、自动全站仪的优势条件，以及电子水准仪的应用，设计并制定施测方案。同时，对工程进行深入剖析，对前、中、后期的施测提出不同的解决方案，对三维控制做重点阐述。在实际工作中使用这套方案，将很大程度上减少人力的投入，提高工作效率，保质保量地完成施测任务。

水库施工；监测控制网；GPS水准自动全站仪

本项目地位于长江口南北港分流口下方，水库略东西走向，长约22km，宽约3km，总面积约67.2km2。

1　工程概况

原堤岸两旁树木繁多，遮挡严重，通视条件差。高等级控制点较少，原先堤岸上的控制点精度不够，随着加高大堤的施工，有被掩埋破坏的危险。因此，必须重新建立青草沙测区测量控制网，为以后的监测与测图工作提供起算数据。

由图1可以看到（画线区域为本项目场地范围），水库区域内浅水区有沙区及淤积区，工程施工还要伴随清淤及抽沙工程。

2　基准网的测设

测绘工作流程大体相同，包括平面控制和高程控制，平面控制一般采用GPS、全站仪导线控制等，高程控制可采用水准测量获得精确高程［1］，本项目这两项控制工作分开进行。

2.1平面基准网的测设

平面基准网采用GPS测量，根据本项目对变形测量的精度要求，平面基准网的点位精度拟定为±3.0mm。GPS进行控制网测量的优点为测量速度快，不受通视、天气等条件的限制，自动化程度高，减少了人为测量误差的影响，且能够进行连续测量，在较小范围的工程测量中其精度能够达到毫米级［2］。鉴于本项目控制网的用途和精度要求，参照《全球定位系统GPS测量规范》B级GPS网的要求，拟采用如下方案：①采用4台双频GPS接收机，为减少多路径效应选择扼流圈电线；②根据测区的概略坐标，参考星历数据，选取适宜的观测时间段进行野外数据采集；③将GPS网起算点与3个IGS跟踪站联测，参考站具有高精度ITRF97国际地球参考框架下的坐标，从而提高基线解算精度；④网的重复设站数为4，每时段观测6h，截止高度角15°，采样间隔30s，一时段中任一卫星的有效观测时间大于15min，作业过程中每小时记录观测卫星号、天气状况，实时定位经纬度和大地高、PDOP值；⑤GPS网的基线预处理采用商用软件和广播星历，精处理采用IGS提供的精密星历和瑞士伯尼尔大学的基线处理专业软件；⑥在WGS-84坐标系下进行三维无约束平差，之后应进行二维约束平差，进行二维平差时固定某一点的54坐标和一条边的长度和方位。前期施工平面监测基准网和后期监测控制网点布置示意图分别见图2和图3。

图1　监测控制点分布示意图

图2　前期施工平面监测基准网

图3　后期监测控制网点布置示意图

采用此方案后，GPS网的精度优于1.5mm。为提高网的可靠性，以及对GPS网的实际精度进行检验，采用自动全站仪对平面控制网以边角网的形式施测。

2.2高程基准网的测设

高程基准网由点A、K1、K3、K5点组成，并二等水准点K2进行联测，高程基准网按二等水准测量要求施测，高程基准网如图4所示。近距离跨水高程，可用三角高程法，将高程传递到测量点上。

图4　高程基准网点位分布图

图4的高程网可和GPS水准比对，运用重合点，检核高程值。以上平面基准网与高程基准网的测设均为工程施工前期、中期服务。

3　应用与分析

水域测量从监测基准网起算，解决水域方面的施测。坝体施工平面变形监测采用基于徕卡TCA测量机器人开发的监测自动测量系统［3］。

3.1系统构成

系统包含1台自动全站仪、1台笔记本电脑、通讯电缆及软件。

3.2功能亮点

充分运用自动全站仪的技术优势，功能方面主要有以下亮点：①实现了从测量照准、数据采集记录、数据预处理到测量手簿生成、平差软件所需格式文件的输出全部过程的自动化；②可以根据现行国家规范进行各种测量限差的设置，测量过程中软件自动进行各项指标的检查；③带有图形自动生成、显示和输出功能，操作人员可以根据图形调阅每个测站的观测量和相关数据指标是否达标的情况；④系统可完全利用各种测量数据和已有测量成果，选择根据垂直角数据求取平距和按高程数据求取平距的选择，也可按照观测数据的高差合成高程网全面直观的观测资料，并且同时完成平面和高程数据的采集、计算、生成等过程［4，5］。

3.3作业流程

设置好仪器设备，将设备与笔记本电脑通过通讯电缆连接后，初始化仪器，后将仪器粗略照准定向点，在仪器自动完成定向过程后进入各种数据设置。系统根据本站观测点设置，开始自动完成该站的测量。所有测站完成后，进行各测站的数据处理，同时可以进行三角形闭合差计算、观测手簿生成、平差数据文件的生成。

边坡工程变形自动监测系统的构成如图5所示。

3.3.1监测站。根据现场条件，在变形移动区外基岩上建立监测系统的监测站，以强制对中方式安置自动化全站仪。在监测站上还需配置数字温度计、气压计、湿度计、光电测距仪和频率校准仪等进行气象改正的专用仪器。

3.3.2控制机房。控制机房通常选在办公区附近。在控制机房内和监测站房之间埋设传输电缆，实现机房和监测站之间的数据通讯，在机房即能实时全面了解监测站设备的运行情况。

图5　边坡变形自动监测系统构成

3.3.3基准点。在变形体以外，设立多个建立在稳定基础上的基准点，每个基准点上设置一套反射单棱镜。监测站至各反射单棱镜的方向与距离尽量覆盖整个监测区域。

3.3.4监测点。根据实际情况，在变形体上设置若干个变形监测点，每个监测点上设置类似于基准点的反射单棱镜。

图6　监测实施示意图

3.3.5数据采集。根据不同用户、不同监测精度和不同仪器设备条件，设计了多种数据采集方式。例如，瞄准测量目标时，可采用完全人工、人工精瞄和完全自动3种方式；仪器测距时的尺长改正数计算，可采用仪器检定时的尺长改正数和自动测量频率2种；自动测频时测频装置的校准由计算机控制，又可采用忽略校准、周期性校准和测量前校准3种方式。当要求自动化监测时，所有数据用自动方式来采集，并自动存贮在数据库中，以便后续计算和分析时使用。

3.3.6数据处理。在采集数据后，计算机首先计算出各种距离改正数，包括气象代表性误差改正、频率改正、气象改正和仪器常数改正等；其次将观测值加上各种改正后，求出实际边长值，然后由边长、方位角、天顶距求得变形监测点的三维坐标值；接下来计算变形监测点的位移量、移动速度，并进行回归分析与预报；最后与设计临界变形值或临界移动速度进行比较，如果超限则报警，与此同时计算结果自动存盘，以便查询或作进一步分析处理。

4　后期监测控制网的实施

同类大型水利项目采用卫星定位相对定位，相对距离过大，精度高。数据起算利用对岸国家级平面与高程控制点，制定合理的数据观测网型，构成GPS大地水准网。通过曲面拟合的方法，从而把GPS大地高转化为正常高，其精度是完全可以保证的，而三角高程是难以实现的［6］。卫星定位技术在工程测量中已经普遍使用，高效快捷地替代了常规测量中内、外业的繁重的作业过程。

5　结语

本文论述了使用卫星系统对工程进行变形监测的方法，主要通过数据的自动化采集，深度分析计算机自动计算生成的达到各项指标的监测数据，从而判断变形区域是否稳定。

通过后期整体监测的实施，根据不同工况，在上游加密监测控制点，实施自动化数据采集作业，建立系统数据库，对关键区域实施全天候不间断测量，自动预警，技术上可行，经济合理，达到了预期的目的，可为类似项目工程提供借鉴。

［1］GB50026-93.工程测量规范［S］.

［2］卫建东.TCA测量机器人在南水大坝监测网测量中的应用［J］.水电自动化与大坝监测，2005（1）：70-73.

［3］SL52-93.水利水电工程施工测量规范［S］.

［4］岳建平，岳东杰.工程GPS水准测量的精度及其应用［J］.测绘通报，1999（11）：27-30.

［5］尹晖.变形监测数据处理［M］.武汉：武汉大学出版社，2002.

［6］张正禄.工程测量学［M］.武汉：武汉大学出版社，2002.

Design and Research of Construction Monitoring Scheme for Large Scale Reservoir

Song Hui
（China Ship Survey and Design Institute Co.Ltd.，Shanghai 200063）

According to the topographic survey and measurement conditions of the construction area of large reservoir，combined with GPS positioning theory，the advantages of automatic total station，as well as the application of electronic level，the measurement program was designed and developed.At the same time，n depth analysis of the project，different solutions were proposed for the former，middle and late stage of the application，three dimensional control was described mainly.In practical work，the use of this program will greatly reduce human input，improve work efficiency，quality and quantity to complete the test task.

reservoir construction；monitoring and control network；GPS level automatic total station instrument

TV697.3

A

1003-5168（2016）07-0091-03

2016-06-15

宋辉（1984-），男，本科，助理工程师，研究方向：大地测量、海洋测绘、工程测量，变形监测数据分析。