差分改正法在高邊坡位移監(jiān)測中的應(yīng)用

張文雅

(陜西省水利電力勘測設(shè)計研究院測繪分院，陜西西安710002)

隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，城鎮(zhèn)化建設(shè)的加快，能源愈來匱乏，為了國民經(jīng)濟健康的發(fā)展，各地方政府積極、合理的開發(fā)地方資源。為解決西安市東部用水緊張的狀況，西安市政府決定引位于西安市藍田縣輞川河之水，以解決西安市東部用水緊張的局面，工程由水庫樞紐和輸水渠道兩大部分組成。為了保證大壩安全順利的施工，根據(jù)施工區(qū)域地形、監(jiān)測部位分布情況以及精度要求，布設(shè)了專一級水平位移監(jiān)測基準網(wǎng)，作為高邊坡位移監(jiān)測的基準點，并在壩體左右壩肩不同的高程面上設(shè)置高邊坡位移監(jiān)測點。利用基準點和工作基點的已知信息，對高邊坡位移監(jiān)測點距離和高差進行差分改正，無需進行氣象元素的測定，提高了工作效率，取得了良好的效果。

1 差分改正法原理

1.1 距離差分改正

在變形監(jiān)測中，必須考慮大氣條件對距離的影響。一般情況下，為了準確求得距離的大氣折射率改正，需要測定大氣中的氣象要素?？紤]到各基準點與工作基點是穩(wěn)定的，不同周期測量所得到的測站點到基準點之間斜距的變化，可認為是外界和氣象變化對測距的影響。利用這種斜距變化對測站點與監(jiān)測點之間斜距作差分改正，可實現(xiàn)無需測定氣象元素。

設(shè)首期測量時，測站點至n個基準點或工作基點的斜距已知，基準值分別為di1(i=1、2、…、n)，而在第k周期，測站點至這n個基準點(一般n=1或2)的斜距值分別為dik(i=1、2、…、n)，k期與首期所測的同一基準點斜距之間純在差異，次差異可認為是氣象變化引起的，按下式求出氣象改正的比例系數(shù)△d［1］。

如果第k期測得監(jiān)測點P的斜距為d＇p，則經(jīng)過距離差分改正后的斜距為:

在進行距離差分改正時，應(yīng)選取與監(jiān)測點有相同的氣象條件的基準點，最好在同一方向上。

1.2 高差差分改正

為準確測定監(jiān)測點的三維坐標，在極坐標測量中，必須考慮球氣差對高差值的影響，這就要進行高差差分改正。設(shè)首期測量時，測站點至n個基準點或工作基點的高差已知，分別為hi1(i=1、2、…、n)，而在第k周期，測站點至這n個基準點的三角高差測量值分別為hik(i=1、2、…、n)，在測站點與基準點穩(wěn)定條件下，球氣差改正數(shù)c如下式所示:

式中:αi1為第i個基準點的首期垂直角觀測值;dik為第i個基準點的第k周期的斜距觀測值。

經(jīng)計算出球氣差改正數(shù)后，第k期監(jiān)測點p與垂直點之間的三角高差hpk的差分改正公式為:

式中:αpk、dpk為第k測量周期監(jiān)測點P的垂直角和斜距觀測值。

2 差分改正在高邊坡監(jiān)測中的應(yīng)用

2.1 監(jiān)測點布設(shè)

依據(jù)設(shè)計提供的位移監(jiān)測點布置圖，由于壩體正在施工，僅在大壩左右壩肩、壩體上下游及電站廠房不同的高程面上共布設(shè)27個監(jiān)測位移點，位移監(jiān)測點具有強制對中標志的鋼筋混凝土觀測墩。監(jiān)測點觀測示意圖見圖1，圖中P1、P2、P3分別為測站點，PG4為參考基準點。

圖1 監(jiān)測點觀測示意圖

2.2 變形監(jiān)測點精度要求

依據(jù)本工程的規(guī)模和監(jiān)測對象，近壩區(qū)高邊坡及電站背坡等三個部位變形監(jiān)測精度要求參考相關(guān)規(guī)范，具體要求為水平位移位移量中誤差限值±3.0～5.0mm，垂直位移位移量中誤差限值 ±5.0 mm。

2.3 基準值確定

監(jiān)測點均采用雙測站極坐標法觀測，采用測量機器人Leica TCA2003獨立觀測兩次，水平角采用方向觀測法、垂直角、斜距均觀測12個測回，進行了加、乘常數(shù)及氣象改正，其平均值作為基準值。

2.4 外業(yè)觀測

位移變形監(jiān)測點觀測采用萊卡TCA2003測量機器人，觀測方法采用雙測站極坐標交匯法。TCA2003全站儀配以專用軟件，就可以使整個觀測過程自動完成。

根據(jù)《水利水電工程測量規(guī)范》(規(guī)劃設(shè)計階段)(SL197—97)二等網(wǎng)的精度標準確定外業(yè)觀測限差，觀測前按設(shè)計要求在TCA2003全站儀上進行測站限差設(shè)置，將氣象改正參數(shù)按標準設(shè)置。測站設(shè)置完成后，在盤左狀態(tài)按順時針方向依次測量各目標點一次，即完成儀器學(xué)習(xí)測量。然后進行正式觀測，測站全部觀測可自動完成。在觀測中:

a 水平角采用方向觀測法、垂直角、斜距均觀測12個測回。

b 測站、鏡站采用專用量高游標卡尺在三個方向量取高度，取平均值作為儀器高和覘標高。

2.5 數(shù)據(jù)處理及成果分析

由于球氣差、折氣差隨著氣溫在不斷的變化及氣象改正計算比較繁瑣且容易出錯，在確定基準值以后的監(jiān)測中不再進行氣象要素的測定，而采用差分改正原理進行斜距差分和高差差分，邊長采用高差改平，表1為P2測站第20期以斜距差分改正原理和高差差分改正原理進行的平距、高差計算。依據(jù)改正后的平距和高差，采用清華山維《工程測量控制網(wǎng)微機平差系統(tǒng)》軟件進行數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)處理時邊長投影至840m高程面。表2、表3分別為第20期至第22期位移監(jiān)測點水平位移量和垂直位移量的變化量成果表。

表1 邊長、高差差分計算表

表2 水平位移量成果表

表3 豎直位移量成果表

從2012年5月1日至2013年5月5日經(jīng)過30期的差分改正應(yīng)用，各監(jiān)測點平面精度和高程精度均達到設(shè)計要求，該方法完全能利用于具體的監(jiān)測項目中。以最大變化點LD8為例，圖2為LD8第20期至第31期平面位移矢量軌跡圖，圖3為最大變化點LD8位移監(jiān)測點第20期至第31期時間總沉降量曲線圖。

圖2 LD8第20期至第31期平面位移矢量圖時間:2012年9月5日至2013年5月5日

3 結(jié)論

通過本項目的實踐應(yīng)用，筆者認為此方法有以下特點:

1)差分改正方法，可以消除或減弱外部條件和儀器內(nèi)部的變化對測量結(jié)果的影響，使監(jiān)測點的三維坐標的監(jiān)測精度達到毫米級。

圖3 LD8時間總沉降量曲線圖

2)采用差分改正方法，簡化了外業(yè)氣象觀測等附加測量設(shè)備。

3)采用差分改正方法，減少了內(nèi)業(yè)工作量。

4)采用測量機器人TCA2003提高了工作效率。

5)在進行網(wǎng)型設(shè)計時，基準點選擇應(yīng)考慮和監(jiān)測點有相同的氣象條件，最好在同一方向上。

［1］水利水電工程測量規(guī)范.(規(guī)劃設(shè)計階段)(SL197—97).

［2］水利水電工程施工測量規(guī)范.(SL52—93).

［3］林秀山，宗志堅.工程安全監(jiān)測設(shè)計.北京:中國水利水電出版社，2005.