沙牌水电站蓄水期大坝变形观测的设计与应用

1、水电站设计D H P S第 19 卷第 4 期2 0 0 3 年 1 2 月11 / 11沙牌水电站蓄水期大坝变形观测的设计与应用吴常栋(国家电力公司成都勘测设计研究院 , 四川 成都 610072)摘 要 :以沙牌水电站蓄水期大坝的变形观测为例 , 介绍了运用常规大地测量法进行大坝安全监测在设计 、观测和平差计算方面 的一些经验和方法。关键词 :变形观测; 测量控制; 平差计算; 水平位移; 垂直位移; 沙牌拱坝中图法分类号 : TV698111文献标识码 :B文章编号 :1003 - 9805 (2003) 04 - 0080 - 051前言沙牌水电站碾压混凝土拱坝为全断面碾压混凝 土拱坝

2、 , 坝高 130m , 坝型为三心圆单曲拱坝 , 坝顶高 程 186715m , 底宽 28m , 顶宽 915m 。工程于 1997 年 6 月 16 日正式开工 , 1999 年 2月底完成大坝基础开挖 , 1999 年 3 月 9 日正式开始 大坝混凝土浇筑 。以后由于种种原因工程进展曾一 度受到耽搁 , 到 2002 年 5 月大坝才浇筑至设计高程 位 186715m , 并于 2003 年 5 月 8 日正式下闸蓄水 。 在蓄水期间为了监视大坝的安全正常运行和客观地 反映大坝不同高程拱圈在水荷载作用下的变化规 律 , 对大坝实施了变形观测 。2观测方案的设计大坝永久性变形观测网包括

3、平面位移监测和垂 直位移监测 。该网作为沙牌大坝建设的一部分 , 已 于 2000 年建成并投产 。随着工程的进展 , 坝体各部 分监测点在蓄水前均已相继建设完成 。其中大坝平 面位移监测包括 :坝顶五点边角网观测 、弦长测量及 坝后监测点前方交会观测 。大坝垂直位移监测包 括 :坝顶监测点垂直位移观测 、1750m 高程和 1810m 高程水平廊道垂直位移观测 。电站在施工期内建立 的较为完备的临时性大坝变形观测系统 , 为本次变 形观测设计的基准选取和方案优化设计提供了保 证 。大坝蓄水前库区死水位为 1780m 高程 。整个蓄水分二个阶段完成 : 第一阶段 , 蓄水位从 1780 180

4、5m 高程 ( 蓄至 1 号泄洪洞口) , 水位上升 15m 。 在这段时间内停止蓄水约 810 小时 , 其间工作人 员将对大坝及近坝区水工建筑物和岩体进行全面检 查 , 同时也将对库区清渣情况进行检查和最后清理 , 为下一阶段蓄水作好准备; 第二阶段 , 如果第一阶段 进展顺利 , 蓄水位将从 1805m 上升至 1825m 高程 (蓄至 2 号泄洪洞口) , 水位上升 20m 。根据蓄水位 的变化 , 全网分别采用相同的起算基准独立观测四 个测次 。其中 1 、2 测次在蓄水前进行 , 平差结果经 检验合格后 , 取该两测次观测成果的均值作为大坝 蓄水变形分析的基准值 。3 、4 测次在

5、蓄水的两个不 同阶段分别进行观测 。3变形观测观测期间天气晴朗 , 气候干燥 。作业人员在观 测前按照规范要求和根据现场观测条件 , 进行了较 为充分的准备 , 选取了有利的时间段 , 使气象条件等 客观因素对外业数据采集的精度影响减少到最小 。 观测期间平均气温为 1815 , 降水量较少 , 风力 1 5 级。为了保证观测精度 , 在外业数据采集时坝顶五 点网观测限差分别 按国 家三角测量规范( GB/ T17942 - 2000) 一等测角和一等测边限差要求执行 ; 坝后交会法观测按一等前方测角交会法限差执行 ; 水准 观 测 均 按国 家 一 、二 等 水 准 测 量 规 范 ( GB

6、12897 - 91) 的一等观测限差要求执行 。观测仪 器采用一级 ( 1 类) 设备 , 即平面观测采用测角精度收稿日期 :2003 - 08 - 18整理简介 :吴常栋(1976 - ) , 男 , 河北沽源人 , 助理工程师 , 主要从事精密工程测量工作。015、测边精度 1mm + 1 ×10 - 6mm 的仪器 ; 水准观测 采用 S05 型仪器 。311坝顶平面监测网坝顶平面监测网是由 J 02 、J 03 、J 04 、及 G01 、G02 共 5 点构成的全边角网 , 原大坝平面位移基准网的 G01 、G02 两点作为该网基本起算元素 。网形图如图 1 所示 。由于

7、受地形的限制 , 全网图形较为特殊 , 最 长边为 144m , 最短边为 52m 。31114坝顶平面位移监测点的高程测量 坝顶平面位移监测点的高程同时作为坝顶沉降监测点和供边长改平使用 , 故观测中采用一等水准 支线纳入坝顶垂直位移监测网一并进行 。蓄水期间 共独立观测 4 个单测次 , 取第一 、二测次观测成果的 中数作为各点的首次观测基准值 。根据大坝安全监 测变形观测的要求 , 当第一 、二测次观测成果差异量 小于 ±2mm 时 , 取其平均值作为首期观测成果 。本 次坝顶平面位移监测点的高程观测时间与平面网 边 、角观测时间保持一致 。坝顶网各测次 ( 测段) 高 程观测

8、成果验算主要精度指标统计见表 3 。表 3 坝顶网点高程观测成果精度统计实测往返闭合差小于允许值 测的分级比例的百分比/ % 次 每测站高差中数偶 然中误差/ mm< 1/ 2 限差 < 2/ 3 限差合限限值实测图 1 坝顶平面位移监测网31111水平角及边长外业观测精度 坝顶平面监测网水平角观测按规范要求 , 采用全圆方向法观测 12 个测回 。坝顶平面监测网边长 观测 , 采用不同时段往返各 4 测回 , 每测回照准一次 读数 4 次 。气象元素的测定 , 采用测站 、棱镜站同时 测定气压 、干温 、湿温 。气压读至 015mmHg , 温度读 至 011 , 使用千分卡尺量

9、测仪器高程和棱镜高至 011mm 。31112 方向观测成果精度(见表 1)受网形条件的影响 , 本网在进行方向及边长观 测成果精度统计时以外业采集限差作出主要验算指 标 ,其余图形及边角条件在计算过程中仅列出以供 参考 。表 1 方向限值统计 合格率/ % 1100100100±0111±0104526090100±0111±0106437090100±0111±0107044080100±0111±01080312坝脸平面交会观测及坝顶弦长观测坝脸平面位移监测网由 J 05 、J 06 、J 08 、J 09

10、、J 12 、 J 14 交会观测点构成 , 采用前方测角交会法观测 。 以大坝施工期建造的永久性平面位移基准网的 G05 、G06 两点作为该网固定点起算元素 。受图形和 观测条件限制 , 交会点精度以达到要求为准 。网形 图见图 2 。坝后平面位移监测点采用前方测角交会法进行 观测 , 水平角外业观测时分别以 G05 、G06作为测站 和后视点 , 每测站按照全圆方向法观测6个测回 , 因 监测点分别在坝高 1820m 高程和 1830m 高程布设 (其中 J 05 、J 06 、J 08分布于1820m 高程面 ,J 09 、J 12 、J 14分布于1810m 高程面 , 见图2) ,

11、 故在实际观测中进行测次半测回归零差 5100100100100一测回内同方向 2C 互差 9100100100100不同测回同方向 2C 值互差 9100100100100一测回内指标差互差 15100100100100 1234 分组观测 。全网在进行外业观测时成果精度统计以 外业采集限差作出主要验算指标 。结果见表4 。表 4 坝后平面监测网水平角观测限值统计合格率/ %化归同一起始方向 ,同一方向值各测回互差 510010010010031113边长观测成果精度统计(详见表 2)测次半测回归零差 5100100100100一测回内同方向 2C 互差 91001001001001234表

12、 2 边长观测成果精度统计测 总 实测往返闭合差小于允许值的分级比例 条110 见公式100 %100 %100 %±01424210 见公式90 %100 %100 %±01434310 见公式50 %60 %100 %±01673次 数限值< 1/ 2 限值 < 2/ 3 限差 合限均值中误差/ mm不同测回同方向 2C 值互差 9 100100100100化归同一起始方向 ,同一方向值各测回互差 5100100100100313垂直位移监测网垂直位移监测网包括 1750m 、1810m 高程水平 廊道和坝顶网 。各网均采用一等水准支线进行观 4

13、10 见公式60 %70 %100 %±01562 注 :边长限值计算公式为 :2 ( a + b ×D ×10 - 6) mm 。测 , 观测路线略图如图 3 所示 。81 图 2 大坝平面位移监测点布置现将各测次往返测实际观测不符值检验合格率 及每测站高差中数偶然中误差统计结果列入表 5 , 以衡量一等水准外业数据观测精度 。4平差计算图 3 水准路线观测略图411坝顶平面位移监测网坝顶平面位移监测网边长经气象元素 、加乘常 数 、周期误差等改正后 , 再用各点高程 ( 以当前测次 观测成果为准) 将斜距改化为平距 , 统一投影在 1700m高程平面上 , 气

14、象元素分别采用现场实地测表 5 各点高程观测成果精度指标测实测往返闭合差小于允许值的分级比/ % 每测站高差中数偶然中误差/ mm 次< 1/ 2 限差< 2/ 3 限差合限限值实测16275100±0111±010822145100±0111±011034385100±0111±0109424100100±0111±0108定的测站和镜站的干 、湿温度和气压 。 坝顶平面位移监测网平差计算采用商用程序进行 。计算中以右岸近坝体点 G01 为起算点 , 以 G01G02 的坐标方位角为固定起算方位角 ,

15、 进行经典 自由网平差 。由于有两类观测值 , 其先验权按 P角坝后平面位移监测网采用前方测角交会法按水 平角一等观测精度进行 。在经各项外业观测限差验 算合格后 , 全网以左 、右岸 G05 、G06 ( 大坝永久性变 形安全监测基准网点) 作为固定点起算点 , 采用平差 计算程序进行计算 。m=02/ 2和 P边 = 02/ s 2给出 , 即方向值的先验垂直位移监测网 ( 坝顶 、1750m 高程 、1810m 高中误差按一等观测的中误差确定 , 即 m = ±017 (角度测量的先验中误差 m = ±017) ; 距离先验中 误差按测距仪的标称精度确定 , 即固定误

16、差 a = 1mm , 比例误差 b = 1 ×10 - 6mm ,s = 1mm + 1 ×10 - 6 mm ,0 值取测角中误差 。由于边角同测网涉及两 类观测值 , 为了解决其正确权比 , 使测角和测边的精 度能整体 、真实表达 , 对两类观测值的权按赫尔默特 法进行迭代求算 , 迭代趋近值 P 的 限 值 设 定 为 0101 。最终取验算后单位权中误差 代入程序进行 平差计算 。四测次平差计算后的各点位中误差统计 见表 6 。412坝后平面位移交会监测网82程水平廊道) 采用一等水准支线测量 。坝顶网起算 点为 B6 (原大坝永久性垂直位移基准网点) , 175

17、0m 、 1810m 高程水平廊道监测网起算点为 B5 ( 原大坝永 久性垂直位移基准网点) , 计算前各起算点均经过 主 、副点高差值检校合格后方进行运算 。由于全网 采用水准支线计算 , 故本文不再进行平差精度统计 分析 。5监测点高程 、坐标差异量及弦长变 化量统计为了反映坝体监测点的变化情况 , 现分别根据 表 6 点位中误差统计测 次点 号Mx/ cmMy/ cmMp/ cmE/ cmF/ cm/ (°)G2010220102001030010300138J 020103701028010460103701027151J 03010370102801047010390102

18、6157J 04010270103701046010370102790G2010210101801027010270138J 020103401026010430103401025152J 030103401026010430103601024156J 04010240103501042010350102490G2010280102501037010370138J 0201038010370105301040010351373J 030103801037010530104301031137J 04010220103901045010390102285G201025010230103401034

19、0138J 02010390103301051010390103364J 030104101034010530104401029149J 04010250104101048010410102588Q110Q120Q22001001000100100000100100001001000100100000100101001- 01001010010100200100201002- 01001010020100100100201001- 010010010010010010100200100101001001002各平面和高程监测网平差计算结果 , 对监测点坐标及高程差异量进行统计 , 统计内容包括

20、坝顶五点平 面位移监测网 、坝后点平面位移交会监测网 、坝体1810m 高程垂直位移监测网和坝顶弦长观测的坐标 、高程及边长差异量 。统计结果分别见表 710 。表 7 坝顶网监测点位移变化量统计点 名坐标 高程1 测次 El1172 测次 80m1 、2 测次中数 3 测次 El11805mXY/ mmH 4 测次 El11825mXY/ mmHX/ m68 5751513 568 5751513 668 5751513 668 5751512 2- 11468 5751513 5- 011J 02Y/ m43 9011025 943 9011025 943 9011025 943 9011

21、026 201343 9011026 1012H/ m18 681885 918 681885 818 681885 918 681886 501618 681886 2013X/ m68 5201227 668 5201227 868 5201227 768 5201228 201568 5201228 71J 03Y/ m43 9061331 743 9061331 643 9061331 743 9061332 001343 9061331 6- 011H/ m18 681927 418 681927 218 681927 318 681928 001718 681927 5012X/

22、m68 4761219 268 4761219 368 4761219 368 4761218 4- 01968 4761219 6013J 04Y/ m43 9711887 043 9711886 943 9711887 043 9711887 601643 9711886 9- 011H/ m1 8681888 11 8681888 31 8681888 21 8681888 80161 8681888 3011表 8 坝顶弦长监测点位移量统计点号1 测次2 测次1 、2 次中数3 测次差异量/ mm4 测次差异量/ mmJ 011 8681904 41 8681904 41 868190

23、4 41 8681904 70131 8681904 7010J 051 8681928 01 8681928 31 8681928 21 8681928 40121 8681980 0114J 01J 052031151 52031151 6203. 151 62031150 1- 1152031150 6- 1106结束语本次沙牌大坝永久性安全监测蓄水期 ( 水位17801805m 高程) 的变形观测 , 全部外业观测及内业计算约历时 15 天 , 由于对作业进行了合理的优化 设计和作业中采用正确的观测方法 , 确保了外观变 形监测工作的顺利完成 。通过本次对大坝在蓄水过 程中的变化状态和

24、运行情况的监测 , 可为大坝今后 的安全运行和维护 、保养提供科学依据 。83 表 9 坝后交会点平面位移量统计点 坐标1 测次2 测次 3 测次 X Y合位移位移4 测次 X Y 合位移 位称名 高程E111780mE111780m1 、2 中数E111805m/ mm/ mm方位/ (°)E111825m/ mm/ mm方位/ (°)X/ m68 4841825 268 4841825 368 4841825 368 4841825 3068 4841824 2- 111Y/ m43 9631157 043 9631157 343 9631157 243 9631157

25、 0- 01243 9631157 0- 012J 06J 12X/ m Y/ m68 4951800 043 9571789 568 4951799 543 9571790 068 4951799 843 9571789 868 4951799 843 9571788 80- 01968 4951799 843 9571790 10014J 05J 09X/ m Y/ mX/ m Y/ m68 5171410 843 9221456 168 4991922 343 9551269 668 5171410 443 9221455 868 4991926 043 9551269 768 5171

26、410 643 9221455 068 4991924 243 9551269 7685171409643 9221449 868 4991920 143 9551267 2- 1- 612- 411- 21561326041823868 5171408 943 9221450 768 4991924 443 9551272 9- 117- 51301231251626731287X/ m68 5101815 868 5101815 568 5101815 768 5101817 821168 5101817 3116Y/ m43 9401469 943 9401469 943 9401469

27、 943 9401470 501643 9401469 7- 012X/ m68 5241038 368 5241038 168 5241038 2685241039411268 5241039 1019Y/ m43 9291088 243 9291088 143 9291088 243 9291087 9-01343 9291085 6- 216表 10 垂直位移监测点高程差异量统计mJ 14J 08网名坝 顶 网1 l E () 0 1 8 1 1 测次 2 测次 3 测次 高程差异量 4 测次 高程差异量点名第 1/ 2 测次中数El11780mEl11780mEl11805m/ mmEl11825m/ mmBM131867167101867