察爾森水庫(kù)大壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)初探

宋玉波，鞏維屏，李 帥

（松遼委察爾森水庫(kù)管理局，內(nèi)蒙古 烏蘭浩特 137400）

1 工程概況

察爾森水庫(kù)位于嫩江支流洮兒河中游、內(nèi)蒙古自治區(qū)科右前旗境內(nèi)，壩址距察爾森鎮(zhèn)北1.7 km，是一座以防洪、灌溉為主，結(jié)合發(fā)電、養(yǎng)魚(yú)綜合利用的大型水庫(kù)，為洮兒河干流上唯一的控制性骨干工程。水庫(kù)樞紐由土壩、溢洪道、輸水洞、電站組成。水庫(kù)總庫(kù)容為12.53×108m3，500年一遇設(shè)計(jì)洪水位為366.50 m，萬(wàn)年一遇校核洪水位為367.61 m，正常蓄水位為365.40 m，相應(yīng)庫(kù)容為10.67×108m3。土壩為壤土心墻砂礫殼壩，壩頂高程371.50 m，壩頂寬6 m，壩頂長(zhǎng)1712 m，最大壩高40 m。1973年始建，1989年蓄水，水庫(kù)自建成至今，運(yùn)行和管理過(guò)程中十分重視大壩安全監(jiān)測(cè)工作，積累了20多年的觀測(cè)資料，為水庫(kù)防洪、養(yǎng)護(hù)維修及興利調(diào)度提供了決策依據(jù)，確保大壩安全運(yùn)行，保障了下游人民的生命和財(cái)產(chǎn)安全。

2 大壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)現(xiàn)狀

察爾森水庫(kù)大壩建成后大壩安全監(jiān)測(cè)主要設(shè)置了變形觀測(cè)和滲流觀測(cè)兩大類。采用原始觀測(cè)方法，即表面豎向位移采用水準(zhǔn)測(cè)量方法，利用水準(zhǔn)儀進(jìn)行觀測(cè)；表面橫向水平位移采用視準(zhǔn)線法（活動(dòng)覘牌法），利用經(jīng)緯儀進(jìn)行觀測(cè)，巡視檢查是由人工進(jìn)行的對(duì)大壩外部表面檢查，但很難發(fā)現(xiàn)壩體及壩基內(nèi)部沒(méi)有觀測(cè)儀器部位存在的安全隱患及問(wèn)題。為掌握大壩安全運(yùn)行性態(tài)，1991年初，察爾森水庫(kù)大壩布設(shè)了全面的滲流和變形監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，在技術(shù)思路和方法上進(jìn)行創(chuàng)新，于2000年引進(jìn)分布式大壩滲流監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)，2005年建設(shè)了大壩安全實(shí)時(shí)分析與評(píng)價(jià)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了大壩滲流安全監(jiān)測(cè)的自動(dòng)化，對(duì)滲流監(jiān)測(cè)成果、表面變形監(jiān)測(cè)成果、巡視檢查情況進(jìn)行實(shí)時(shí)分析與評(píng)價(jià)，為察爾森水庫(kù)大壩的運(yùn)行管理提供了科學(xué)、方便的管理手段。2010年5月察爾森水庫(kù)引進(jìn)新技術(shù)、新設(shè)備對(duì)原有的監(jiān)測(cè)設(shè)備進(jìn)行更新改造，通過(guò)合理設(shè)計(jì)、科學(xué)管理，選擇可靠性高、穩(wěn)定性好、自動(dòng)化程度高、抗雷擊能力強(qiáng)的無(wú)線智能監(jiān)測(cè)采集系統(tǒng)，以滿足大壩滲流安全監(jiān)測(cè)的需要。

但察爾森水庫(kù)大壩表面變形一直采用人工觀測(cè)，大壩表面垂直和水平位移共用工作點(diǎn)共設(shè)置4排29個(gè)觀測(cè)標(biāo)點(diǎn)，其中壩頂心墻上17個(gè)為A線，上游在367.00 m高程壩坡上布置了4個(gè)為D線，下游在馬道上354.50 m高程及馬道以下341.10 m高程壩坡上各布設(shè)4個(gè)分別為B線和C線。人工變形觀測(cè)不僅費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，易造成人為誤差，也不利于觀測(cè)資料的自動(dòng)整編和實(shí)時(shí)分析。于是C線4個(gè)觀測(cè)點(diǎn)在2009年末做為水利部“948”項(xiàng)目建成目前國(guó)內(nèi)外比較先進(jìn)的“察爾森水庫(kù)雙星衛(wèi)星定位大壩安全自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”，用來(lái)監(jiān)測(cè)大壩C線表面變形，精度達(dá)到毫米級(jí)乃至亞毫米級(jí)，為水庫(kù)大壩安全監(jiān)測(cè)提供了新的技術(shù)手段。

3 表面變形監(jiān)測(cè)儀器現(xiàn)狀

表面豎向位移觀測(cè)使用的是普通水準(zhǔn)儀，采用水準(zhǔn)法測(cè)量,野外攜帶的是手持小型繪圖精靈，繪圖精靈輸入數(shù)據(jù)為筆觸式，輸入難度很大，再加之屏幕小，界面菜單字小，輸入更加困難。采取最原始的手工輸入平差。

壩體表面橫向水平位移觀測(cè)采用的視準(zhǔn)線法（活動(dòng)覘牌法），使用的是匈牙利生產(chǎn)的T3經(jīng)緯儀，雖然滿足規(guī)范使用J1級(jí)儀器，由于后視準(zhǔn)線過(guò)長(zhǎng)（大于1800 m），造成視線不清，觀測(cè)精度不高。

4 水庫(kù)大壩安全監(jiān)測(cè)發(fā)展的幾點(diǎn)構(gòu)想

4.1 監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)優(yōu)化布置

在水庫(kù)進(jìn)行除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)時(shí)加強(qiáng)對(duì)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)儀器設(shè)備種類和數(shù)量?jī)?yōu)化布置，以最小的監(jiān)測(cè)工作量解決大壩安全監(jiān)測(cè)中需解決的技術(shù)問(wèn)題，在保證安全的前提下，以最小的投入獲得最大效果，發(fā)揮安全監(jiān)測(cè)的作用。在壩體表面豎向位移觀測(cè)上，為了提高觀測(cè)質(zhì)量與精度，從儀器和方法上可以考慮使用電子水準(zhǔn)儀，不僅可以提高測(cè)量的精度，減少人為誤差的發(fā)生，也解決了野外電子記錄和內(nèi)業(yè)資料整理的需要，更滿足了規(guī)程和規(guī)范的要求。

4.2 加強(qiáng)監(jiān)測(cè)資料管理及分析自動(dòng)化

大壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)已發(fā)展成為一門(mén)新興的技術(shù)學(xué)科和工程專業(yè)，《大壩安全管理?xiàng)l例》、《土石壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》《大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》相繼出臺(tái)，全方位引進(jìn)先進(jìn)的監(jiān)測(cè)技術(shù)及監(jiān)測(cè)資料分析技術(shù)，加強(qiáng)大壩安全監(jiān)測(cè)隊(duì)伍建設(shè)，引進(jìn)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)人才，提高監(jiān)測(cè)自動(dòng)化管理程度，加強(qiáng)對(duì)管理人員進(jìn)行大壩安全監(jiān)測(cè)的培訓(xùn)，為水庫(kù)大壩的安全運(yùn)行提供可靠保障。

4.3 自動(dòng)全站儀監(jiān)測(cè)大壩變形的可行性

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，各種精密測(cè)量?jī)x器不斷出現(xiàn)，工程測(cè)量所使用的光學(xué)經(jīng)緯儀和電磁波測(cè)距儀已逐漸被電子全站儀所取代。結(jié)合國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的監(jiān)測(cè)技術(shù)，采用可行的監(jiān)測(cè)儀器進(jìn)行監(jiān)測(cè)，從而保證大壩的安全運(yùn)行。

4.3.1 采用自動(dòng)全站儀監(jiān)測(cè)大壩水平位移的優(yōu)點(diǎn)

全站儀可進(jìn)行大壩表面變形的三維位移監(jiān)測(cè)，它能夠自動(dòng)整平、自動(dòng)調(diào)焦、自動(dòng)正倒鏡觀測(cè)、自動(dòng)進(jìn)行誤差改正、自動(dòng)記錄觀測(cè)數(shù)據(jù)，并能進(jìn)行自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別，操作人員不再需要精確瞄準(zhǔn)和調(diào)焦，一旦粗略瞄準(zhǔn)棱鏡后，全站儀就可搜尋目標(biāo)，并自動(dòng)瞄準(zhǔn)，大大提高工作效率。

全站儀配以專用軟件，使整個(gè)測(cè)量過(guò)程在計(jì)算機(jī)的控制下實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)。在大壩表面變形監(jiān)測(cè)中，目前使用極坐標(biāo)法進(jìn)行測(cè)量。整個(gè)系統(tǒng)配置包括：全站儀，棱鏡，通信電纜及供電電纜，計(jì)算機(jī)與專用軟件。

影響三維極坐標(biāo)測(cè)量精度的主要因素有儀器的測(cè)量精度，觀測(cè)點(diǎn)的斜距既垂直角。后兩者涉及到大氣的氣象改正、水平折光、垂直折光等許多復(fù)雜的因素，故很難精確求出，從而降低了點(diǎn)位的測(cè)量精度。然而根據(jù)變形監(jiān)測(cè)的特點(diǎn)，需要測(cè)量的只是相對(duì)變化量，若采用建立基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行差分的方法，極坐標(biāo)法測(cè)量點(diǎn)位的位移精度可達(dá)到亞毫米精度甚至更高。

4.3.2 自動(dòng)極坐標(biāo)實(shí)時(shí)差分

自動(dòng)極坐標(biāo)實(shí)時(shí)差分主要采用差分技術(shù)，它實(shí)際上是在一個(gè)測(cè)站上對(duì)兩個(gè)觀測(cè)目標(biāo)進(jìn)行觀測(cè)，將觀測(cè)值求差；或在兩個(gè)觀測(cè)站上對(duì)同一目標(biāo)進(jìn)行觀測(cè)，將觀測(cè)值求差；或在一個(gè)測(cè)站上對(duì)一個(gè)目標(biāo)進(jìn)行兩次觀測(cè)求差；求差的目的在于消除已知的或未知的公共誤差，以提高測(cè)量結(jié)果的精度，在大壩變形監(jiān)測(cè)過(guò)程中，受到了許多誤差因素的干擾，如大氣垂直折光、水平折光、氣溫、氣壓變化，儀器的內(nèi)部誤差等等，直接求出這些誤差的大小是極其困難的，故可采用差分的方法以減弱或消除這些誤差來(lái)提高測(cè)量的精度。

4.3.3 全站儀變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成

全站儀變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由全站儀、儀器墩、通信及供電設(shè)備，控制計(jì)算機(jī)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)及專門(mén)軟件組成。

在該系統(tǒng)中，控制機(jī)房?jī)?nèi)部的控制計(jì)算機(jī)通過(guò)電纜與監(jiān)測(cè)站上的自動(dòng)化全站儀相連，全站儀在計(jì)算機(jī)的控制下，對(duì)基巖上的基準(zhǔn)點(diǎn)及被監(jiān)測(cè)物上的觀測(cè)點(diǎn)自動(dòng)進(jìn)行測(cè)量，觀測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)通信電纜實(shí)時(shí)輸入計(jì)算機(jī)，用軟件實(shí)時(shí)處理，結(jié)果按用戶的要求以報(bào)表的形式輸出，故監(jiān)測(cè)人員在控制機(jī)房就能實(shí)時(shí)地了解全站儀的運(yùn)行情況。

由于察爾森水庫(kù)大壩設(shè)計(jì)時(shí)在樁號(hào)0+203 m處出現(xiàn)折點(diǎn)，所以采用引張線觀測(cè)大壩水平位移已是非常困難的。在壩頂設(shè)計(jì)雙星衛(wèi)星定位自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，由于受監(jiān)測(cè)儀器的固定性、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的連續(xù)性和衛(wèi)星信號(hào)的影響，為了不影響壩頂交通要求，在壩頂采用雙星系統(tǒng)也是不可能實(shí)施。為了提高觀測(cè)精度及觀測(cè)自動(dòng)化，所以可以考慮采用智能型全站儀觀測(cè)大壩水平位移。既能提高觀測(cè)精度，也能避免人為造成觀測(cè)誤差，也避免了在觀測(cè)時(shí)間上的局限性。

經(jīng)過(guò)考察，目前由徠卡公司研制的TCA系列全站儀，是采用馬達(dá)驅(qū)動(dòng)和軟件控制的TPS系統(tǒng)，它是智能型全站儀結(jié)合激光、通訊及CCD技術(shù)，集自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別、自動(dòng)照準(zhǔn)、自動(dòng)測(cè)角、自動(dòng)測(cè)距、自動(dòng)跟蹤目標(biāo)、遙控、自動(dòng)記錄數(shù)據(jù)于一體的測(cè)量系統(tǒng)，能夠把測(cè)量數(shù)據(jù)自動(dòng)傳輸?shù)街行臋C(jī)房計(jì)算機(jī)內(nèi)。TCA系列智能型全站儀以其獨(dú)特的智能化、自動(dòng)化性能應(yīng)用于變形監(jiān)測(cè)中，配合變形自動(dòng)整編與實(shí)時(shí)分析評(píng)價(jià)系統(tǒng)，使用戶輕松自如地獲取變形觀測(cè)數(shù)據(jù)，并通過(guò)相應(yīng)軟件的結(jié)算，及時(shí)進(jìn)行監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)。

察爾森水庫(kù)是土壩，壩高40 m，壩頂高程371.5 m，壩兩側(cè)山體高程都在400 m以上，壩周圍無(wú)高建筑物，視線通暢，壩兩側(cè)山體設(shè)置觀測(cè)基點(diǎn)比較穩(wěn)固，整個(gè)壩體都在視線范圍內(nèi)，水平角和垂直角滿足全站儀測(cè)量三維坐標(biāo)的要求，所以經(jīng)過(guò)分析研究認(rèn)為察爾森水庫(kù)大壩采用自動(dòng)全站儀測(cè)量大壩表面變形理論上是能夠?qū)崿F(xiàn)的。既解決了人工觀測(cè)視線過(guò)長(zhǎng)對(duì)中模糊的弊端，也避免測(cè)量當(dāng)中人為誤差的參與，能夠提高觀測(cè)精度。

5 結(jié)語(yǔ)

察爾森水庫(kù)從設(shè)計(jì)、建設(shè)、投入運(yùn)行到現(xiàn)在已經(jīng)三十多年，設(shè)備相對(duì)陳舊，隨著計(jì)算機(jī)與監(jiān)測(cè)技術(shù)的快速發(fā)展，采用新技術(shù)、新設(shè)備對(duì)水庫(kù)大壩的監(jiān)測(cè)設(shè)備與管理進(jìn)行現(xiàn)代化改造，進(jìn)行水庫(kù)自動(dòng)化建設(shè)，可以進(jìn)一步挖掘水庫(kù)的潛力，加強(qiáng)水庫(kù)運(yùn)行的可靠性。建立水庫(kù)大壩自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，將大大提高雨情、水情、工情信息采集的準(zhǔn)確性及傳輸?shù)臅r(shí)效性，做出及時(shí)、準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)和預(yù)報(bào)，制定防洪抗旱調(diào)度方案，為上級(jí)部門(mén)的決策提供科學(xué)依據(jù)。

[1]DL/T 5211-2005，大壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化技術(shù)規(guī)范[S].

[2]何勇軍，劉成棟，等.大壩安全監(jiān)測(cè)與自動(dòng)化[M].北京：水利水電出版社，2008.

[3]劉祖強(qiáng)，張正祿，等.工程變形監(jiān)測(cè)分析預(yù)報(bào)的理論與實(shí)踐[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2008.