關鍵詞:大壩安全監測;水平位移;垂直位移;三維位移;極坐標法;距離交會法;GPS 法;自動監測系統
摘 要:外部變形觀測是大壩安全監測系統的重要組成部分。目前常用的監測方法主要有: ①水平位移監測的視準線法、引張線法、激光準直法、正倒垂線法、精密導線法和前方交會法; ②垂直位移監測的幾何水準法、流體靜力水準法; ③三維位移監測的極坐標法、距離交會法和GPS 法。三維位移監測系統可實時連續觀測變形點的水平位移和垂直位移。測量機器人自動監測系統在小浪底大壩成功應用,實現了大壩外部變形監測的全自動化。隨著科技的不斷發展,大壩安全監測自動化系統一定會更加完善。
大壩外部變形監測是大壩安全監測的重要內容,現有各種各樣的監測方法。無論采用哪種方法,都必須滿足精度要求。如在《混凝土大壩安全監測技術規范》(1989 年實施) 中規定,重力壩、支墩壩的壩體水平位移精度為±1 mm ,壩基為±013 mm ,所有混凝土壩的壩體及壩基的垂直位移的精度要求為±1 mm ,壩基傾斜的精度要求為±1″。這些規定對監測工作提出了比較高的要求。但從實際情況來看,這些要求一般只是符合安全的最低值,實際操作中應該比規范的要求更高,這無疑增加了測量工作的難度。
大壩外部變形監測的項目一般分為:水平位移監測、垂直位移監測、三維位移監測、撓度監測和傾斜監測等。
1 水平位移監測
水平位移監測方法有視準線法,引張線法,激光準直法,正、倒垂線法,精密導線法和前方交會法等。
1.1 視準線法
視準線法常用于直線型大壩的水平位移觀測,對于非直線型大壩,可采用分段視準線的方法施測。視準線法的特點是工程造價低,但精度低,不易實現自動觀測,受外界條件影響較大,而且變形值(位移標點的位移量) 不能超出該系統的最大偏距值,否則無法進行觀測。提高視準線法精度及自動化程度的措施有:改進觀測技術和操作方法,選用高精度儀器,如TCA2003 自動跟蹤全站儀。
1.2 引張線法
引張線法的特點是成本低,精度高(主要取決于讀數精度,人工讀數精度為012～013 mm ,自動讀數精度優于±011mm) ,受外界條件影響小,應用較普遍。最新的引張線測量系統常采用線陣CCD 傳感器,能實現自動讀數,其量程為幾厘米,精度優于±1 mm。引張線法的發展趨勢是雙向引張線,它既能夠觀測水平方向的位移,又能觀測垂直方向的位移,提高了觀測效率。
1.3 激光準直法
1.3.1 大氣激光準直
大氣激光準直的應用對象是壩長小于300 m、壩高較低的大壩,測量相對精度為10 - 5～10 - 6 。由于受大氣折射及湍流影響會引起光束抖動,該法測量精度低且不易實現自動化觀測。大氣激光準直技術的最新發展是采用CCD 技術。它消除了光斑隨機抖動,實現了監測自動化,測量精度高達±011mm。此項技術已成功地應用于一些水電工程的變形觀測中。
1.3.2 真空激光準直
真空激光準直綜合精度高達(1～2) ×10 - 7 ,主要用于長壩、高壩的變形監測,其發展方向是雙向位移觀測(垂直位移和水平位移) 。為了拓展其應用空間,可考慮實現真空激光轉角,以便用于曲線形大壩的變形監測。
1.4 正倒垂線
正、倒垂線既可以實現水平位移監測,又可實現混凝土壩的撓度觀測。新近研制的垂線觀測儀采用線陣CCD 傳感器,實現了讀數自動化。在x , y 方向上的坐標變化值采集精度優于±011 mm
1.5 精密導線法
拱壩的水平位移監測常采用精密導線測量法。此法應用較為廣泛,但量邊工作量大,角度觀測受旁折光影響較大。為此,可布設成類似于高能物理加速器工程中的測高直伸環形網,通過測量狹長三角形的邊長和高的途徑,來間接提高測角精度。該法的精度取決于量邊精度,如果用銦鋼線尺量邊,或ME5000 測距儀測邊,精度完全可以達到亞毫米級。
1.6 前方交會法
在各種水工建筑物的施工階段或已建成的拱壩下游面、拱冠等觀測效率較低且觀測時不易直接到達的部位,可以用測邊、測角或邊角前方交會法測定其水平位移。前方交會法由于受測角誤差、測邊誤差、交會角及圖形結構、基線長度、外界條件的變化等因素影響,精度較低,一般為±(1～3) mm。另外,其觀測工作量較大,計算過程較復雜,故不單獨使用,而是常作為備用手段或配合其他方法使
用。
2 垂直位移監測
垂直位移監測的主要方法有幾何水準法和流體靜力水準法(連通管法) 。
2.1 幾何水準法
幾何水準法是垂直位移監測的常用方法,精度容易滿足,但主要問題是如何實現觀測自動化。目前,具有自動采集、儲存資料的電子水準儀已在生產中使用,其精度可達±(013～014) mm (每千米往返測高差中數的中誤差) ,工作效率明顯提高。
2.2 流體靜力水準法
流體靜力水準法測量原理是連通管原理。該法很容易實現讀數及傳輸的自動化,測量精度優于±011 mm ,在垂直位移監測中有著廣泛的應用。但靜力水準的測點基本上要處于同一水平位置,高差測量范圍較小。近年來研制開發出了通過壓力傳感器測量液體壓力的變化來計算高差變化的
儀器,擴大了測量范圍。
3 三維位移監測
以上各種監測方法是將變形點的水平位移和垂直位移分別施測,測量成果不具有同時性,降低了成果的科學性和使用價值,而且采用常規方法觀測周期長,無法實時地了解大壩的變形情況。目前已研制出一種能實時連續觀測變形點水平位移和垂直位移的測量系統,由于此系統測量的是變形點的三維位移值,故稱為“三維位移監測系統”,按其原理和觀測方法可分為極坐標法、距離交會法、GPS 法。
3.1 極坐標法
該法采用當前具有最高精度的測量機器人進行作業。如徠卡TCA 系列全站儀,其標稱精度測角為±015″,測距為±(1 mm + 1 ppm·D) ,該儀器能自動搜索、照準目標,實現角度、距離測量自動化,其測量原理是極坐標法。該系統的標準配置包括TCA 全站儀、APSWIN 軟件和高精度數位式溫度計、氣壓計。此系統已成功地應用于香港九龍塘地鐵隧道運營監測,新加坡地鐵公司已將其作為常規裝備用于地鐵監測。TCA 全站儀自動監測系統的構成如圖1 所示。
3.2 距離交會法
該法由中南工業大學張學莊教授提出,其全稱為“SM2DAMS 亞毫米級精度大壩變形自動監測系統”,在五強溪大壩有成功的應用。筆者認為,對于測角標稱精度為±015″,測距標稱精度為±(1 mm + 1 ppm·D) 的自動跟蹤全站儀,由于大氣折射與自動照準誤差的影響,實際測角精度為±2″,測距精度降為4 ×10 - 6 ,不能實現大壩監測所要求的亞毫米級精度。解決辦法是:不用角度信息,只用距離信息;對距離信施加各種改正,使其達到亞毫米級。主要步驟如下: ①用測邊和三邊交會法確定變形點的三維坐標; ②用頻率校準儀、高穩定度高精度溫度計、氣壓計與濕度計等,對所測邊長施加頻率改正和氣象改正; ③用自動周日觀測技術測定大氣
代表性誤差規律,削弱大氣代表性誤差的影響。通過這些改造,系統最終的測距精度為±[ 012 mm + (013～014) ppm·D] ,可以實現1 km左右距離上亞毫米級的監測精度,在某些場合取代ME5000 測距儀[ ±(012 mm + 012ppm·D) ] ,顯示出更高的性能價格比。
該系統的標準配置包括3 套高精度自動測距系統(其構成見圖2) 、數據通信設備、反射棱鏡組、系統軟件、中央控制室主計算機等。
3.3 GPS 法
該系統由武漢測繪科技大學完成,用于清江隔河巖水庫大壩監測。GPS 測量不需要測量點間通視,但要求對空通視。在1 km左右的短基線上, GPS 測量可以獲得亞毫米級的相對定位精度。該系統主要有數據采集、總控、數據處理、分析、管理五大模塊。數據采集部分包括2 個基準點,5 個變形點,共有7 臺Ashtech Z - 12 接收機;由于數據傳輸量非常大,故采用局域網傳輸。數據處理結果有l～2 h 解和6 h解,1～2 h 觀測的水平精度優于±110 mm ,垂直精度優于±115 mm;6 h 觀測的水平精度優于±015 mm ,垂直精度優于±110 mm;而GPS 瞬時觀測的水平位移精度為±(3～5) mm ,垂直位移精度為±8 mm。
該系統能夠實現自動連續觀測,精度高,但有以下缺點需要克服: ①不能實時得到高精度的變形值; ②觀測點必須對空開闊,接收衛星不能少于4 顆; ③每增加1 個觀測點就必須添加1 臺GPS 接收機,成本較高。以上所介紹的3 種三維外部變形監測方法各有優缺點,精度及所需設備比較見表1。
小浪底大壩外部變形觀測設計主要采用視準線法,由于壩體龐大、視線較長,視準線觀測難以滿足精度要求。使用測量機器人(TCA 系列) 在小浪底大壩上進行變形觀測,克服了原視準線觀測方法的缺陷。由徠卡TCA 系列的全站儀配備APSWIN 軟件構成了自動極坐標測量系統,可以實現無人值守及自動進行監測預報。它能夠自動進行整平、調焦、正倒鏡觀測、誤差改正、記錄觀測數據,大大提高了工作效率,并取得了滿足規范要求的可靠觀測資料。各變形點每周期的三維坐標可按極坐標計算公式求得:
在每期測量時,APSWIN 軟件可根據6 個測回的觀測數據計算出實際測量時的角度精度mHZ 、mα(″) 和距離測量精度md (mm) ,按極坐標公式求出的變形點的三維坐標誤差分別為mXp 、mYp 、mZp (mm) (三維坐標誤差的計算公式略) 。根據自動極坐標監測系統的測量數據進行分析、統計,得出各測點的三維坐標誤差,結果見表2 (表中給出的中誤差為平均值) 。可以看出,TCA 全站儀測量變形點的x 、y 、z 坐標的中誤差均在±2 mm 左右,完全滿足土(石) 壩安全監測的精度要求。
為了檢驗測量機器人自動監測的精度,我們用自動化觀測的直接結果和經過差分處理的結果分別與常規測量方法(在基準點分別設站用TC2002 全站儀按邊角交會法測量6測回,計算變形點的水平位移,用幾何水準測量豎向位移) 的結果進行對比分析,各項精度指標均滿足大壩安全監測規范的要求。
自動極坐標差分處理的基本原理是:每一個測量周期均按極坐標的方法測量基準點和變形測點的斜距、水平角和垂直角,將基準點的測量值與其基準值(基準網的測量值) 相比,求得差值,這一差值可以認為是受大氣壓力、溫度及儀器等各種因素影響的結果。自動化測量可以在短時間內(10min) 完成一個周期的測量,可以認為這些因素對基準點和變形點的影響是相同的,可以把基準點的差異加到變形點的觀測值上進行差分處理,計算變形點的三維位移量。由于觀測條件相同,利用基準點所提供的改正數可以消除共同誤差,大幅度提高變形監測精度。用差分處理改正前后的結果列于表3。由表3 可以看出,各點的精度大為提高,尤其是高程
( z) 的精度受氣象和垂直折光的影響得到了很好的改正。從小浪底大壩外部變形TCA 自動化監測的情況可以看出,測量機器人用于大壩外部變形監測可以實現全自動化,有廣泛的應用前景。與常規方法相比較它具有以下優點:
(1) 測量方案先進,系統組成合理。在大壩監測基準網的基礎上,采用差分處理可消除和減弱各種誤差對測量結果的影響,大幅度提高測量精度并可同時獲得每個變形點的平面和垂直位移信息。
(2) 自動化程度高,可靠性強。系統可以實現自動監測,并可實時進行數據處理、分析,報表輸出。
(3) 監測速度快、時效性強。完成一個周期的監測工作,僅約需10 min。
(4) 維護方便、運行成本低。全站儀自動極坐標測量系
5 結 語
綜上所述,大壩外部變形監測經歷了從低精度到高精度,數據采集方法從人工測讀到自動采集,水平與垂直位移由分別施測到三維變形監測的發展,從而可以預計,大壩安全監測技術的發展方向是高精度自動化。同時,隨著微電子、計算機、互連網與寬帶網現代信息技術的發展,為安全監測系統的自動化、集成化、智能化奠定了堅實的技術基礎,使其在功能、性能、可靠性等方面必將更加完善。
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