锦屏一级水电站坝顶变形监测方法分析

卢为伟，罗 浩，徐金顺，张 凯

(1.中国电建集团 中南勘测设计研究院有限公司，湖南 长沙 410014； 2.雅砻江流域水电开发有限公司，四川 成都 610051)

0 引 言

在水电业内一直有“三峡最大，锦屏最难”的说法。锦屏一级水电站安全不容忽视。常规水电安全监测的重点工作包括变形、渗流及应力应变等。拱坝变形是锦屏一级水电站最重要的监测项目之一，是评价拱坝安全性态最重要和最直观的依据。对综合反映水工建筑物结构的工作性态、评价大坝安全和指导工程运行管理都有着十分重要的意义。国内外已建的高拱坝，如小湾、溪洛渡、英古里(Inguri)、萨杨舒申斯克拱坝等，其坝体变形监测常用方法包括水准沉降监测、表面变形监测、正倒垂系统、激光准直系统、GNSS(全球导航卫星系统)等。目前已有研究多为对拱坝变形监测的精度探讨、拱坝变形的误差处理与分析，但在对特高拱坝不同变形监测方法的对比分析中，大多未考虑不同监测系统的变形方向，忽略了方位角的存在，且未结合水位周期性变化对坝体变形进行定量对比分析。本文分析了锦屏一级水电站大坝坝顶变形的不同监测方法，对同类工程安全监测系统的设计、实施及观测资料分析具有借鉴意义[1-3]。

1 工程概况

锦屏一级水电站位于四川省凉山彝族自治州盐源县和木里县境内，是雅砻江干流中下游水电开发规划的控制性梯级水库，在雅砻江梯级滚动开发中具有承上启下的重要作用。

锦屏一级水电站挡水建筑物为常态混凝土双曲拱坝，坝顶高程1 885.00 m，建基面最低高程为1 580.00 m，最大坝高305 m，为世界已建第一高拱坝。电站装机容量3 600 MW，保证出力1 086 MW，多年平均年发电量166.2亿kW·h，年利用4 616 h。水库正常蓄水位1 880.00 m，死水位1 800.00 m，正常蓄水位以下库容77.6亿m3，调节库容49.1亿m3，属年调节水库。

2 坝顶变形监测系统

锦屏一级水电站大坝的坝顶表面变形通过垂线系统、大地测量系统、GNSS系统3种独立的监测系统进行相互校验。3套监测系统的测点分别对应相同坝段(具体包括5，9，11，13，16，19，23号坝段)布置，垂线测点位于坝轴线附近，大地测量观测墩位于坝顶上游侧，GNSS系统测站位于坝顶下游侧。

2.4 统计学方法 由双人录入数据并核对，采用SPSS 17.0统计软件进行分析。计量资料以x±s表示，采用t检验；计数资料采用χ2检验。检验水准α=0.05。

大坝垂线布置如图1所示，主要分析正垂线PL5-1，PL9-1，PL11-1，PL13-1，PL16-1，PL19-1，PL23-1。大坝坝体表面变形测墩布置如图2所示，坝顶观测点分别为：TP5-1，TP9-1，TP11-1，TP13-1，TP16-1，TP19-1，TP23-1。坝顶GNSS测点布置如图3所示，测点分别为：G-DB5-1，G-DB9-1，G-DB11-1，G-DB13-1，G-DB16-1，G-DB19-1，G-DB23-1。

2.2.8.1 危害症状。病株上叶斑形状不规则，红褐色，而后为淡黄褐色。病根和根茎红褐色，干腐。病株矮小，色淡(图8)。

图1 垂线布置示意Fig.1 Vertical layout diagram

图2 坝体表面变形测点布置示意Fig.2 Layout diagram of dam surface deformation measuring points

图3 坝顶GNSS测点布置示意Fig.3 Layout diagram of GNSS measuring points on dam crest

3 大地测量角度转换

坝顶3种监测系统虽然相互独立，但各监测系统坐标系及变形方向定义不一致、监测数据成果对比规律性不理想，因此需对3种监测系统变形方向进行转换，以便进行坝顶变形的可靠性分析。

(1) 垂线系统。垂线系统各测点以其对应坝段处的径向(X)、切向(Y)作为变形方向，为右手坐标系，变形向下游、左岸为正，反之为负[4-5]。

(2) 大地测量系统。锦屏一级水电站大地测量系统采用雅砻江坐标系，以正北(N)方向为近似上下游(X)向，东(E)方向为近似左右岸(Y)向，为左手坐标系，根据DL/T 5178-2016《混凝土坝安全监测技术规范》第3.0.4规定：水平位移向下游为正、向左岸为正，反之为负[6-8]。

见我不信，他给我讲了当下各种扶贫政策，他属于精准扶贫一类的。我一时还有些听不大明白，待他办了出院手续回来收拾东西，我说“真的没花钱？”

得到转换公式：

3.1 角度转换原理

为了进行变形的可靠性分析，需统一各监测系统变形方向。由于垂线、GNSS系统方向已统一，故仅需对大地测量系统进行角度转换，参考测量学中经典的平面直角坐标系旋转变换公式[9]，具体转换原理如图4所示。

图4 坐标转换示意(同为左手坐标)Fig.4 Schematic diagram of coordinate conversion(same as left-hand coordinates)

根据图4得到以下公式：

(1)

(2)

坝顶的平面变形方向根据对应坝段垂线的设计径向进行了转换，转换角度统计见表1。

根据式(1)和式(2)推导：

X′=S×cos(T-T0)

综上所述，ASO患者介入治疗期间配合品管圈活动，提高了患者疾病治愈率以及治疗方案认知、健康教育效果以及护理人员能力。

X′=X×cosT0+Y×sinT0

从教育属性看，“教育具有上层建筑与生产力的双重属性与双重职能” [8]81-86。对高职院校来说，人才培养的思想性和技术技能的应用性至关重要。要把握办学定位，遵循高职办学规律，“践行以学生为主体、以实践为主线、以提高实践能力为目的的职业教育办学宗旨”[9]。

Y′=S×sin(T-T0)

=S×(sinT×cosT0-cosT×sinT0)

Y′=Y×cosT0-X×sinT0

如果你不了解这个地方的历史，不知道这片桃园的过去和现在，这真是一个美丽的传说。可是，对于这片桃园及其所在的这块地方，我却知根知底，它的故事现实版是这样的——

(3) GNSS系统。坝顶GNSS系统于2015年10月初完成安装，10月15日开始进行数据采集，安装调试后，变形方向已与垂线方向统一，以各测点坝段处径向(X)、切向(Y)为变形方向，变形向下游、左岸为正，反之为负。

(3)

式(3) 在X，Y和X′，Y′均属于左手坐标系情况下推导出。旋转角通常称为欧勒角，转换过程与左、右手坐标系无关，仅与变换过程中欧勒角顺时针或逆时针旋转有关，式(3) 为顺时针旋转转换。如果X，Y属于左手坐标系而X′，Y′属于右手坐标系，则涉及左、右手坐标系转换，此时仅改变Y′方向，在式(3) 基础上将Y′值取负即可，相应转换公式为

(4)

3.2 变形转换原则

(1) 转换的对象是累计位移量，不是坐标值，对转换角度的精度要求较低。

(2) 根据DL/T 5178-2016《混凝土坝安全监测技术规范》，拱坝径向向下游为X正方向，切向向左岸为Y正方向，为右手坐标系，转换公式采用式(4)。

(3) 转换角度T0的确定原则：X′方向为转换后径向方向，指向下游为正，Y′方向为切向方向。转换角即X′正轴向位于XY坐标系的方位角，XY坐标系为雅砻江坐标系，其中X，Y分别指向北和东方向。

3.3 转换角度计算

式中：S为合位移方向值；T为测点在原坐标系下的方位角；T0为原坐标系至新坐标系的旋转角；T′为测点在新坐标系下的方位角；X，Y为原坐标系下X轴、Y轴的分量值；X′，Y′为新坐标系下X′轴、Y′轴的分量值。

表1 坝顶及坝后桥各坝段转换角统计

4 成果对比分析

4.1 水位升降期对比

通过得到的坝顶各坝段转换角度，采用式(4) 对大地测量成果X，Y进行转换，统一3种监测系统变形方向。对比垂线系统径向、大地测量系统X向和GNSS系统径向同时段变化量，成果见表2。3种监测方法对比分析见图5～6。

杜思雨逃到大街上，一时真的感到不知如何是好。他依然像逃跑似的，双腿机械地快速地移动着。他此时就像一只没有逃跑方向的孤独的野狼。

=S×(cosT×cosT0+sinT×sinT0)

表2 水位升降期坝顶变形3种监测方法成果对比统计

全力做好《黄河流域综合规划》的实施与管理………………………………… 张俊峰，王 勇，杨慧娟(13.27)

图5 水位下降期3种监测成果对比Fig.5 Comparison histogram of 3 monitoring results in water level falling period

图6 水位上升期3种监测成果对比Fig.6 Comparison histogram of 3 monitoring results during water level rise period

水位升降期，坝顶水平向变形较为明显，且拱冠梁附近坝段变化量较大。水位下降期，变化量介于-43.56～-2.91 mm；水位上升期，变化量介于2.15～38.07 mm。

企业内网的安全性研究………………………………………………………………………………………………刘 颖（4.28）

由表2及图5～6可知：在库水位下降期与水位抬升期，3种监测方法的变化量差值介于0.70～5.98 mm，在6 mm以内，量值不大，3种监测系统测点位移成果与图6对比吻合性较好，综合说明3种监测手段趋势一致、测值相近，同时可相互验证、反映变形监测成果的可靠性。

蓄水期间，大坝水平方向以向下游变形为主，随着库水位升或降，坝顶向下游或上游的变形明显。此外，通过监测成果可以看出：3种监测方法中，垂线系统的位移变化量较大地测量和GNSS略小，但也存在个别例外，其中不排除误差和观测精度的影响。大坝中间坝段3种监测手段规律性和趋势性更为吻合，与库水位的规律性更好。

4.2 同周期对比

对大地测量、GNSS和垂线系统同周期变化量进行对比，成果见表3，典型坝段(5，13号)的3种监测方法同周期变形成果历时曲线见图7～8。

由表3可知：3种系统2018年的年变化量差值介于-2.84～2.98 mm之间，在±3 mm以内，量值不大。由图7～8可以看出：3种监测方法规律性趋于一致，与库水位相关性十分密切，多手段对比分析坝顶变形的成果是可靠的。

表3 同周期3种监测方法成果对比统计

图7 5号坝段3种监测方法同周期变形成果历时曲线图Fig.7 Duration curves of deformation results of 3 monitoring methods in the same period of No.5 dam section

图8 13号坝段3种监测方法同周期变形成果历时曲线图Fig.8 Duration curves of deformation results of three monitoring methods in the same period of No.13 dam section

运行期(2016～2018年)，坝顶径向高/低水位(1 880 m/1 800 m附近)同期间隔年变化量较小。13号坝段3种检测方法呈现的变形规律趋势最为吻合，各坝段变形与库水位呈较明显的正相关。

对比图7～8的3种监测方法历时曲线可以看出：坝顶变形以垂线测量的效果最优，GNSS次之，大地测量相对较差。垂线系统数据最为稳定，且连续性好；GNSS系统数据虽然连续性较好，但数据存在跳动和毛刺的现象，与垂线测量数据较为吻合[10-11]；大地测量数据连续性较差，且数据跳动较大。

最后，全国人大常委会在行使宪法解释权时，要设定并严格遵守原则，不能没有界限，更不能成为改革迷失方向的“帮凶”，宪法解释要以宪法文本为依归，必须符合宪法的基本原则、基本精神，可以适度合理超越宪法文本，但要守住底线。

4.3 误差原因分析

(1) 3种监测系统测点布设位置不完全相同。相同坝段大地测量观测墩布设在靠上游侧，垂线测点布设在沿坝轴线附近[12]，GNSS测站布设在靠下游侧，因此监测成果可能存在少量的偏差。锦屏一级大坝坝顶16号坝段3种监测系统布设如图9所示。

图9 16号坝段3种监测系统现场布置Fig.9 Site layout of 3 monitoring systems in No.16 dam section

(2) 数据引用存在时间节点偏差。大地测量按2次/月的频次进行数据采集，分别为固定每月8日与23日进行，观测后及时进行平差等数据处理；垂线自动化监测系统每天采集3次数据，分别在00：00，08：00，16：00[13]；GNSS系统每天间隔1 h发送一个数据包，并于第二天凌晨00：00将24个数据包通过平均值进行解算，在系统中显示为当天00：00的数据。因此在数据引用及历时曲线图绘制中可能存在滞后性。

当然，本文提出的算法还需要做进一步的优化工作。在种群规模迅速扩大的时候，算法的运行时间也会变长，程序会容易陷入局部最优解当中，这些都需要在以后的研究工作中加以改进。

(3) 工作基点不同。大地测量工作基点采用平面控制网点TN4，TN6，于每年12月控制网复测后及时校核工作基点坐标，在观测期间存在工作基点变形的可能。此外，坝顶大地测量仅采用前方交会法，未进行往返对向观测，导致成果精度相对较低[14]；垂线自动化系统以深埋基岩的倒垂作为基准点进行计算；GNSS以大坝右岸的G-DB-1作为数据解算的基准点。

(4) 环境气象等因素影响。大地测量采用人工观测，不可避免受人为因素(整平、仪器及镜高读数)和环境气象因素(大气折光、干湿温度、气压等)影响。垂线系统和GNSS系统受环境气象等因素影响则较小。

(5) 根据监测经验，由于GNSS观测网引入坝体外部稳固基准点，其位移观测值可认为是真实位移；而垂线系统可能因基座本身受坝体变形影响，导致实际位移观测值小于真实位移。

5 结 论

(1) 随着库水位升降的变化，坝顶向下游或上游的变形明显，与库水位相关性较好，大坝坝顶变形成果可靠。中间坝段3种监测手段规律性和趋势性较明显，与库水位的相关性更好。

(2) 蓄水周期的历时变形成果较好地验证了锦屏一级大坝坝顶变形数据的真实可靠性。由于GNSS和垂线测量均自动采集数据，能够较好地呈现大坝坝顶变形的周期性[15]。一旦发生突变，可第一时间发现并预警。

(3) 垂线测量精度更高、数据连续性更好、测点布置均匀，且数据连续性好。同时考虑到垂线系统可能因基座本身受坝体变形影响而导致实际位移观测值小于真实位移的情况，结合GNSS监测数据同步分析，以GNSS数据为参照，每年对垂线数据进行修正。对大坝的变形分析主要以正倒垂线系统为准，且经过以上分析，该方法可靠性较佳。

(4) 工程安全监测需要通过多种手段或途径进行对比校验。对比分析可以实现数据的自检，较好地反映坝顶的实际变形情况，使工程性态安全评估更有说服力。