瑞丽江水电站变形监测方案和精度分析

摘要：本文主要介绍几种常见测量仪器及观测方法在缅甸瑞丽江一级水电站运行期间主体建筑物及滑坡体安全监测中的应用，以及误差控制方法。

关键词：测量控制网、工作基点、监测点、水准测量、全站仪、GPS、观测方法、测量精度、误差控制

Abstract: This paper describes several common measuring instruments and methods of observation in Myanmar the Shweli during operation of a hydropower station the safety of the main building and landslide monitoring, and error control method.Keywords: measurement and control network, working basis points, monitoring points, leveling, total stations, GPS, observation, measurement accuracy, error control

中图分类号：TK01+2文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2012）

概述

瑞丽江自南畹河口进入缅甸国境后，即由瑞丽盆地进入山区，江面突然变窄，河床变陡，江水流速加快，电站流域内地貌以高山深谷为主。缅甸瑞丽江一级水电站位于缅甸北部掸邦境内紧邻中缅边界的瑞丽江干流上。瑞丽江主体工程所处位置河段两岸山坡陡峭，河床深切，水流湍急，植保良好。

缅甸瑞丽江一级水电站变形监测项目分为内部观测和外部观测两部份。内部观测包括应力、应变、温度、收敛、裂缝、地下水位等传感器观测，所有传感设备均已经在建设期间埋设在建筑物内部，观测时只需在接口处用专门的仪表在接口处读取数据即可。外部观测主要为平面位移与沉降观测，在电站施完成后在大坝两岸边坡、厂房后边坡、厂区进场公路滑坡体埋设有大量监测点，需要对监测点每月进行一次观测；在坝区和厂区监测点周围稳定区域各埋设一组控制网，控制网点包含水准基准点、水准工作基点、平面基准点、平面工作基点，控制网作为监测点观测的首级控制点和对位移进行判别的基础需要每年复核一次，以确保监测点的观测数据的正确性和可靠性。

方案选择和误差来源

高程传递方法主要有三角高程、水准高程、GPS高程、重力高程等几种，工程上经常采用三角高程和水准高程，三角高程大多用于精度要求不高的施工控制测量，水准高程则用于精度要求较高的控制网，变形观测控制网高程控制基本采用水准高程。水准高程可采用光学水准或电子水准方案，目前多数单位均采用电子水准方案，电子水准相对于光学水准的优点是读数快、自动计算、无需手工记录。电子水准能加快水准测量速度，同时也避免了人为读数误差，在容易产生沉陷的软土地段能快速通过，减小仪器和尺垫沉陷引起的误差。

较高等级水准测量时需要采用支架支撑水准尺、严格整平汽泡、松软土质地段采用尺钉、严格控制前后视距差、往返测量分别在不同温度条件下进行、限制水准尺最小读数、缩小视距等措施，可有效提高观测精度。

平面控制网的精度主要与控制网形和观测方法有关，因水电站选址的特殊性，控制网基本采用三角形连接而非导线连接，网形可优化的空间比较小，提高控制网精度的办法主要是选择合适的观测方案和合适的观测仪器，通常采用GPS静态测量或全站仪边角测量方案，两种方案均为成熟的技术方案，在多数情况下可任选一种进行平面控制网的观测，但两种方案均有一定的局限性，特殊情况下需要根据外部环境选择其中一种观测方案。

平面控制测量的误差来源比较多，不论是采用GPS还是全站仪测量，对于变形监测项目而言均应采用强制对中方式安装仪器或觇标，安置基坐时要严格整平，量取仪器高和觇标高时应注意卷尺零点误差并尽可能量取直高而非斜高，观测过程中要尽量避免外部环境干扰。

高程控制测量

水准测量是目前精度最高的高差测定方法，工作基点在有条件时应当尽量采用水准测量的方法与水准点联测，在通过河流或太陡的山坡时可采用三角高程传递。变形监测点基本上都是布置在开挖后的高边坡上，无法采用传统的水准测量方法直接测定，监测点一般采用三角高程方法从工作基点测定高程。少数处于廊道内的监测点可采用传统的水准测量方法进行高程测量。

瑞丽江变形监测项目在厂区和坝区远离工程影响的区域分别埋设了三个水准基点，每年对三个水准基准点及监测工作基点的高程稳定性进行一次复测。首先对三个水准基点之间高差进行检查，将三个基准点之间高差与初始测量值或上一期复测的测量值进行对比，排除产生沉降的基准点，如有基准点产生沉降则采取补救措施，重新埋设基准点并测定高程，确定未产生沉降的基准点可作为控制网计算的起算点，确定好起算点后再测量各工作基点和水准基准点之间的各段高差。高程控制网采用电子水准测量方案，按二等水准要求施测，当各测段往返限差和水准环闭合差符合要求后进行水准网平差。在平面控制网测量时测定仪器高和觇标高，数据处理时可以得到各控制点的三角高程或GPS拟合高程，将三角高程或GPS拟合高程进行对比可以估算GPS拟合和三角高程的误差范围，在以后的测量过程中可以根据需要选择合适的高程测量方式。

表1 厂区水准网平差精度统计与GPS高程拟合对照表

表1是瑞丽江一级电站厂区控制网测量水准网平差结果和GPS静态测量拟合高程对照表，水准平差和GPS高程拟合时均以Ⅲ20点作为起算点，水准网平差后点的高程精度在2mm以内，可认为水准高程为准确值，从GPS网拟合高程与水准高程之间对比来看，两者差异十分明显，最大差值接近100mm，可以肯定GPS拟合高程误差很大，笔者认为GPS拟合高程不能代替等级水准进行较高精度高程传递。

表2 坝区水准网平差精度统计与三角高程对照表

表2是瑞丽江一级电站坝区控制网测量水准网平差结果和三角高程平差结果对照，起算点均为Ⅲ1点，控制点水准高程精度在1mm左右，三角高程与水准高程最大差值约5mm，从对照表可以看出三角高程代替三等水准进行高程控制是完全可行的。在日常的施工控制网中三角高程的精度足以满足使用要求，除部份对高差要求较高的安装工程外可以用三角高程代替水准测量进行高程传递。

三、平面控制测量

厂区边坡及进场公路处于山体同一边坡上，高差将近450m，公路由多个回头弯组成，厂房与公路监测点遍布不同高度的范围，山体整体呈“凸”字形，加之树木高大，各控制点之间相互通视困难，无法构成传统的边角网，但可以做到每一个控制点都有另一个控制点与之通视，监测点日常观测时全站仪只要有一个后视点定向即可，加之厂区控制点天顶方向视野比较开阔适合采用GPS测量，最终确定在厂区采用静态GPS观测方案。平面控制网观测采用双频GPS接收机进行多时段全组合观测，每个组合观测2~4个时段，每个时段连续观测2小时，基线解算前人工剔除少量信号质量不好的数据，基线解算合格后按城市二等GPS网指标对重复基线、同步环和异步环限差进行检查，检查合格后进行网平差。为了避免约束平差时约束边本身的误差对观测边平差精度造成不利影响，只对控制网进行无约束二维平差，采用一个已知点Ⅲ20坐标作为起算数据，平差完后再利用两个已知点方向对平差成果进行坐标系旋转，使平差成果坐标系与已知点坐标系保持一致。表3为厂区控制网GPS静态测量平差后的的精度统计，平差后的点位误差为2mm左右。

表3 厂区GPS平面网平差精度统计表

坝区变形监测点分布于大坝两岸边坡上，故控制点也应分布于两岸，因坝区地形狭窄、山体高大，两岸边坡均比较陡，不利于GPS信号的接收，如将工作基点全部布置在山顶则可以解决信号遮挡影响，但不利于日常对变形监测点观测。狭窄的两岸地形导致两岸控制点距离过短，GPS静态测量很难提高精度，最终采用全站仪边角测量方案。

坝区边角网采用全站仪自动观测方案，观测采用方向法9测回观测，一次照准后同时测量斜距、水平角和垂直角，观测开始与结束时观测气像元素，观测完成后将斜距进行气像改正，然后计算平均高程投影面上的水平距离及高差，因测区范围小不再进行边长的高斯投影改正。经概算外业数据合格后进行平差，平差时起算点为J01，以J01、J02方位角为起算方向，表3为平差后的精度统计，可看到控制点平差后点位误差在2mm以内。

表4 坝区边角网平差精度统计表

通过厂区全站仪测量与坝区GPS测量的精度统计表可以看出两种方案在平面控制网测量中都能达到很高的精度，在没有地形条件限制时平面控制网测量可以采用任一方案作业。当控制点之间通视困难或边长较长时适合选用GPS静态测量方案，控制点之间通视条件好且边长较短时适合采取全站仪观测。

监测点观测

监测点观测的精度要求相对于基准网要低，但是监测点数量较多，观测频率也比基准网点高，监测点测量占整个观测项目大部份工作量，因此需要采用测量速度快、比基准网观测精度稍低的测量方法。目前监测点测量一般采用全站仪正倒镜测三维坐标，卫星信号好的地方也可采用GPS RTK测定三维坐标，两种方法测定坐标时根据精度要求对监测点坐标进行单次或平均值测量，监测点误差大小主要与仪器精度、距离工作基点远近、测量次数有关，基本可达到cm级甚至是mm级。除了全站仪和GPS RTK进行监测点坐标采集方案，现阶段有些项目已采用三维激光扫描仪对监测区域表面进行数据采集，可对地表或建筑物进行整移分析。也有些项目采用实时动态GPS对监测点进行全天候不间断监测。两种方法需要投入的成本比较高，目前采用这两种方案的项目还不多。这两种方案将是以后变形监测手段的发展方向，随着未来技术发展和制造成本降低，相信会有越来越多的项目运用这些新技术监测方案。而摄影测量方法因为精度难以控制和内业工作量较大，已很少在变形监测项目中使用。

瑞丽江一级水电站变形监测点测量采用全站仪进行自动观测，在工作基点架设好全站仪后对边坡上的多个监测点进行重复测量，正常情况下对20个目标点进行4次正倒镜测量所需时间在一小时左右。多年观测数据表明厂房后边坡、大坝两岸边坡无明显位移，说明这些部位岩体很稳定；厂区公路边坡则存在很大沉降和平面位移，最大位移速度每月5cm以上，距初始观测时总位移量达到3m多，产生位移的主要原因为公路边坡的土质为高岭土及当地充沛的降雨量，另一个原因为周围边坡上有大量农田，农户在水稻栽种期间对边坡排放多余灌溉用水引起边坡地下水位升高，为稳定公路边坡业主方采取在公路边坡上修建多处截沟和构建多个排水孔降低地下水位，在采取这些措施后边坡位移速度明显下降。

结语

变形监测控制网的精度要求因项目而异，当高程精度要求较高时应当采用水准测量方式进行高程控制网的测量，精度要求不高时可以采用三角高程测量。平面控制网则需要根据通视条件、网形、卫星信号接收条件不同采用全站仪测量方式或GPS静态测量方式进行观测，两种方式均满足要求时可优先采用GPS静态测量方式，以降低对气像条件要求和观测人员的劳动强度。监测点观测可根据项目精度要求及自身技术设备情况选择经济实用的观测方案。我们在利用现有成熟技术方案完成项目的同时应极积尝试新技术、探索新的技术方案，以提高工作效率和扩大应用范围。

由于本人学知有限，若本文内容有何不妥之处，敬请各位指正。

参考文献：

[1]工程测量规范GB50026-2007

[2]国家一、二等水准测量规范GB12897-2006

[3]全球定位系统(GPS)测量规范 GB18314-2009

[4]水电水利工程施工测量规范 DL 5173-2003

[5]缅甸瑞丽江一级水电站外部变形监测控制网及边坡变形监测技术要求业主招标文件 2009