面板堆石坝外部变形观测系统优化与应用

何宏恩

摘要:外部变形观测能较直观地反映大坝性态的变化情况，对大坝的安全运行至关重要，是大坝安全监测的重点监测项目，本文结合九甸峡坝区地形条件，通过对九甸峡大坝外部变形观测系统的优化应用，为同类型、同条件大坝寻求观测方法优化、提高观测精度提供了借鉴。

关键词:面板堆石坝观测系统优化应用

1九甸峡面板堆石坝概况外部观测设计

1.1九甸峡面板堆石坝概况

九甸峡水利枢纽工程位于甘肃省卓尼、临潭县交界处，黄河支流洮河中游的九甸峡峡口处，是甘肃引洮供水工程的水源点，水库正常蓄水位2202m，校核洪水位2205.11m，总库容9.43亿m3，属完全年调节水库，工程规模为大（2）型Ⅱ等工程。混凝土面板堆石坝顶高程2206.50m，最大坝高133m，坝顶长度232m，坝顶宽度11m。该坝于2005年7月20日开工建设，2007年12月31日下闸蓄水，2010年10月25日库水位首次达到正常蓄水位2202m高程。

九甸峡面板堆石坝是在受坝址狭谷地形、地质等多方面不利因素的制约，技术难题多，施工难度大的条件下，是国内首次在高寒、高地震烈度、高陡边坡和深厚覆盖层基础条件下建成的百米级混凝土面板堆石坝。2013年在中国大坝协会和巴西大坝委员会联合会上，九甸峡大坝荣获“第三届堆石坝国际里程碑”工程奖。

1.2九甸峡面板堆石坝外部观测现状

九甸峡面板堆石坝外部位移采用极坐标法观测，即以坝前右岸Ⅱ10点、坝后左岸Ⅱ23点两个工作基点测量坝前面板顶部17个外部观测点水平及垂直向位移，以坝下游右岸LS08点、坝后左岸Ⅱ23点两个工作基点测量坝后26个外部位移点。

2九甸峡面板堆石坝外部变形观测方法优化

2.1九甸峡面板堆石坝外部变形观测存在问题

2.1.1参照《土石坝安全监测技术规范》（SL551-2012）“采用极坐标法观测应符合：①各变形监测点与测站点之间高差不宜过大。②监测距离宜控制在150米范围以内，且监测距离应加入相应改正。”规定:距离两次读数差不大于1.0mm，角度两次读数差不超过2.0″。实际九甸峡大坝外部观测采用极坐标法观测时，测站与测点间最大距离490米，最小距离57米，最大高差115.26米，由于观测高差和距离较大，观测中很难一次达到测量限差要求，造成返测率高、测量时间过长。

2015年1月，国家能源局大坝中心对九甸峡大坝安全注册首次现场检查时提出“九甸峡大坝表面变形测点的水平位移利用一个工作基点采用极坐标法进行观测，观测精度较低”。

2.1.2九甸峡坝后有6个观测房，其内布置36只水管沉降仪和36条钢丝位移计，测量着坝体内部不同部位相对于观测房的水平和垂直位移，由于九甸峡坝后观测房水平和沉降位移以极坐标观测方法获得，沉降位移相当于以三角测量获得，由于其本身观测精度低，叠加后不能准确反映大坝内部的实际变形。

2.2九甸峡大坝外部变形观测系统优化

2.2.1大坝外部观测系统网线优化

根据九甸峡大坝现场条件，参照《土石坝安全监测技术规范》（SL551-2012），经实地踏勘、测量分析，在不改变原位移标点设置情况下，对观测基准点做增补调整，将九甸峡大坝外部观测点按部位和观测方法拆分为：坝前、坝后视准线各1条，坝顶新增二等水准线路1条、坝后各观测房沉降量观测新增三等水准3条，对仍无条件优化的坝后坡17个位移标点采用交会法观测。

优化一：以坝前17个位移测点为基准线，在其延长线两端（坝肩稳定岩石上）建立视准线观测基点，增加2个强制对中的工作基点（编号为B01、B02），将坝前17个位移测点改为视准线法观测，并在每次观测时加测B01工作基点至Ⅱ07基点的角度及B02工作基点到Ⅱ07基点距离，实现对B01、B02的检核，2015年10月九甸峡变形监测控制网复测时将B01、B02工作基点纳入变形监测控制网内。

优化二：在坝纵0+009.0米处的两坝肩各建立1条双标倒垂线（C左、C右），作为坝后水平位移和垂直位移观测的基准点，同时在两条双标垂线的观测台旁建立视准线观测工作基点（编号为B03、B04），和垂直位移观测工作基点（编号为ⅡBM15、ⅡBM16)。

以倒垂线旁工作基点B03、B04为基准，将坝后9个位移标点优化为视准线观测，每次观测时先测量坝左、坝右倒垂线读数，用以改正工作基点B03、B04的变化，并以此求得各测点的绝对位移。

优化三：在坝顶建立7个沉降观测点，以左、右观测房双标倒垂线旁的ⅡBM15、ⅡBM16为水准工作基点，建立一条附合型二等水准线路，用于观测坝面沉降，观测时记录坝左、坝右双标变化情况，改正ⅡBM15、ⅡBM16沉降变化。

九甸峡外部变形观测系统优化平面示意图

优化四：坝后6个观测房从上到下分为纵向两排、横向三排，每排基本为同一高度。根据现场条件，以同一水平位置的观测房建立一条水准线路，在其左、右岸坡岩石上设置水准工作基点（编号为ⅡBM1#、ⅡBM2#、ⅡBM3#，3个工作基点均纳入九甸峡变形监测控制网内），达到三等水准测量的要求。对六个观测房实现三等水准测量。

优化五：坝后坡17点位移标点因两岸边坡较高、各测点不在一条线上，无条件设置视准线，在坝后右岸增加1个平面位移观测工作基点Ⅱ25，用LS08、Ⅱ25和Ⅱ23为基点，采用交会法观测。

2.2.2观测仪器

九甸峡面板堆石坝观测使用TC2003全站仪和NA03水准仪,其相关参数如下表:

由上表得出：极坐标法测量时，观测中误差合格率仅为16.7%，用视准线法观测时，中误差合格率达到95.8%，较优化前提升79%，说明优化后的观测精度高于优化前，优化效果明显。

3.2按照规范要求进行现场观测限差控制时返测率小，工作效率高，节约了人工费用。

优化后采用视准线观测时，由于测站距测点距离近、高差小，规范要求2测回观测值之差为3mm，实际一次观测就能达到要求，优化后工作效率有很大提高。

3.3利用双标倒垂基准的稳定性良好的特点，在坝纵0+009.0米处的两坝肩各建立1条双标倒垂线作为坝后视准线和坝顶垂直位移观测的工作基点，大幅提高了九甸峡外部变形监测的精度。

3.4通过九甸峡变形监测控制网，能够观测到坝后6个观测房相对和绝对沉降变化，求出了坝体内部不同部位沉降位移变化的相对值和绝对值，对分析大坝内部变形提供了可靠资料。

4结论

通过对九甸峡面板堆石坝外部变形观测系统优化方法与应用效果可看出：对面板堆石坝的测点布局进行反复研究，合理利用原有测点，选择合适的观测仪器，以求证更合理的观测方法和更高的观测精度，达到观测方法简便、操作适用、观测允许限差易控、观测精度符合规范要求是十分必要的。在实际观测过程中，影响观测精度因素还包括工作人员的技术水平、责任性及外界环境因素等，必须予以重视和解决，方可提供较为准确的观测数据，为大坝安全分析提供可靠的依据。

参考文献：

[1]《土石坝安全监测技术规范》[S]（SL551-2012）.中国水利水电出版社,2012年.

[2]《水利水电工程施工测量规范》（SL52-2015）.中国水利水电出版社,2015年.

[3]吴世勇、陈建康、邓建辉编著《水电工程安全监测与管理》.中国水利水电出版社,2009年

[4]樊志军、李红兵，极坐标法测设平面位置的精度分析.[L]

[5]华锡生、田林亚编著《安全监测原理与方法》.河海大学出版社,2007年11月.

作者简介：

何宏恩1974年-，男，助理工程师,水工建筑物测量高级工，1996年至今，一直从事水电站大坝安全监测工作。