坝顶水平位移监测方法探析

DOI： 10. 3969/j. issn. 1672-2469. 2018. 05. 043

坝顶水平位移监测方法探析

王

君

(乌鲁木齐市水利勘测设计院（有限责任公司），新疆乌鲁木齐832000)

摘要：以哈姆斯沟水库为研究对象，介绍坝顶水平位移监测中测角前方交会法的使用。通过详细介绍其检测原理

与该水坝监测点布局，获得各个角度与检测边的三角函数关系，定量化表达位中误差的影响因素。为了提升检测 精度，针对各自影响因素提出相应措施，为测角前方交会法的应用推广奠定理论与工程基础。

关键词：水坝；水平位移；监测；前方交会法中图分类号：TV698. 1

文献标识码：

B

文章编号：1672-2469(2018)05-0151-03

新疆是个严重缺水的干旱地区，为了更好地解 决地下水超采问题，发展高效节水灌溉面积，减少 非保灌面积；提高灌溉保证率，增加农作物产量； 合理建设地表水工程是非常必要的，而灌区水库工 程就是非常重要的调节性工程，水库建设过程中必 须随时进行安全监测，测定各项指标合格，保证施 工质量。

关于水坝安全监测重点涉及到坝基扬压力监 测、应力应变监测、坝体结合缝监测、水平位移监 测。为了完成对水坝水平位移监测，已有研究多采 用垂线法、激光准直法、小角法、引张线法等[2-]。 各种方法有各自的优缺点及应用范围，但对于一些 观测条件恶劣情况，上述方法均失效。

文章以新疆境内的哈姆斯沟水库为研究对象， 介绍坝顶水平位移监测中的一种新方法——推广奠定理论基础与实际工程应用经验。

1

工程概况

2原理分析

文章介绍的坝顶水平位移监测新方法称作测角 前方交会法，该方法具有适用于观测条件不佳、观 测点不能到达的环境的优势，多应用于尾矿库安全

监测、水上桩基测量以及高陡边坡监测等项目工程 中，具有很好的应用前景[1]。

(1)观测原理介绍。

首先了解一下测角前方交会法的测量原理，具 体原理图与A水电站碾压混凝土重力坝坝顶监测布 设点具体如图1所示。

测角前

图1

测量原理及坝顶监测布设点布局图

方交会法，来弥补上述方法的不足，力求为其应用

设定其二维平面坐标系，将平行坝轴线作为# 轴，图中所示由左向右为正向；垂直坝轴线作为9 轴，图中所示垂直向上为正向。图中所示设置监测 点2、3、1。在监测点2处放置全站仪TCA2003, 检测获得已知边 > 和交会边；的夹角：的角度值， 同样在监测点3处放置全站仪TCA2003，检测获得 已知边 > 和交会边：的夹角；。依次设定监测点2、3、C 的坐标分别是（#:，9:)、（#;，9;)、（#>， 9)。根据监测点2与3的坐标值计算获得已知边

哈姆斯沟水库是以灌溉为主的拦河式水库，水 库主要由引水工程（卡拉克特河引水渠首和水库引 水渠）和水库枢纽建筑物（大坝、放水涵洞、溢洪

道）组成。水库正常蓄水位797.51m，最大坝高 36.9m，坝顶长425m。总库容972. 6m3，控制灌溉 面积5. 58万亩。水库按50年一遇洪水设计，相应 洪峰流量50. 0m3/s，1000年一遇洪水校核，相应 洪峰流量81m3/s。工程规模为小（1)型，工程等别 为，等，永久性主要建筑物级别为4级，永久性次 要建筑物和临时建筑物级别为5级。

收稿日期：2018-01-04

作者简介：王君（1982年一），女，工程师

• 151 +

2018年第5期

水利规划与设计设计施工

C

的方位角D的角度值。根据前方交会角度关系* d

:

d

; = 180。，可以利用公式（1)与（2)求出监测

点1

处的坐标值。

= #a D c X sin； cos ( a + ；) /sin r

\" 1)

_ 9： D > 9sin; cos\" : + ;)/sin * (2)人为假定监测点1的位移改变量（#轴与9

轴）分别是与'9

，与之相应的是角度改变量

分别是与'；。利用公式（1 )与（2 )得到近似计

算公式（3)与（4)。

'# _ c X , sin； cos ( ； - d )

Aa/sin2r

c2(3)Dsina cos ( a D d ) A；/sin r ] /*

A

9 _ c X [ sin; sin( ; - d!)

Aa/sin2r

( 4)

D sin a sin( a D w )A/sin2r] /p当完成第一个周期测量工作后，为了方便后面 测量，可令c X sin/ cos ( / -D )/P sin2r = =1， c X

sin/ cos ( a D d ) /p

sin2 r = =， c X cos/ cos ( / -d) /p

sin2r = =3， c X sin/ cos( a D d )/p

sin2r = =4，依次利

用=1，=2, =3, =4代人公式（3)与（4)内，则简化

成公式（5)与（6)。

A#c = =1 X Aa D =2 X A/ (5)A

9>= =3 X Aa D =4 X A/

( 6)

当进行到第K个周期测量时，其角度值记作

aK,

/，依次与第一次检测获得的角度值a1、/作

差值，计算得到角度变化值Aa

与A/。将其全部

带人公式（5)与（6)计算求出监测点1在第t周期 内沿#轴与9轴方向的位移改变量，将历次周期位 移改变量累积求和获得监测点1总的位移改变量。

(2)误差精度探讨。

考虑到全站仪TCA2003测量角度的精度是 0.6\",所以设定回测角度时误差值是=0.8\"。假 设每个周期内检测时对同样的测角测量！次，则得 到公式（/)与（8)。

Aa = [ aK - a1 D aK - a1 D ••• aK - a1 ]/! (7 )A/ = [ /1 - /1 D /2 - /1 D ••• /! - /1 ]/!

( 8 )根据线性误差传播定律不难得出公式（9)。

mAa = mA/

= mH(2/!)0’5

(9)

充分结合公式（3)与公式（4),计算求出监测 点1分位移与总位移直接的误差关系公式（10 )、

(11)及（12)。

mA# = D (2/!)0&(sin2/ cos2( / -D

)

D sin2 a cos2 ( a D d ))0 5 ( c X \"H/e sin2r)

(10)mA

9= D(2/!)0&(sin2/ sin2 ( / - d )

D sin2(11)a sin2 ( a Dd

) ) 05 ( c X mH/p sin2c)

m Ak = D ( 2/ra ) 0 5 ( sin2 a D sin2 / ) 0 5

(c X mH/p sin2r)(12)

• 152 •

将2水电站已经获得的基线边长

c

数值

(458.9745m)、测角a与/全部回代进公式（10)、 (11)、（12)中，并不断改变测量次数！（从1开始， 以步长为1的逐渐增加），依次可获得坝顶监测点 水平位移量，整理汇总成表1。当！的数值调整到

11时，点位中偏差m低于0.8mm,达到相关技术 规范的规定标准[8]。即停止改变测量次数！，此时 取定！是11。

表1

不同监测点点位中偏差对比汇总表

各测角测量次数

检测点

a/(。）

/(jr/( j

点位中偏差

/mm

8

9

10

11BB001

87.40045231.45540961.1441561.081. 020.980. 93B00283.739984

B00379. 229. 9233.21750167.5534120. 970. 920. 870. 84B00473.49345635.02255771.4840250. 910. 860. 820. 79B00569.19223436.57197474.2357480. 880. 830. 790.76B00665.83632037.93593276.2277450. 860. 810. 770. 74B00762.62676539.39451677.9812450. 840. 790.760. 7200857.59324142.09227880.3145260. 810. 770. 730.70BB00951.91658044.90464883.1787450. 790. 740. 710.68B01048.24531248.00150983.7521840.780. 740. 710.67B01143.78278652.83746683.3745160.780. 740. 710.68B01240.23568957.89997481.8625650. 800.750. 720.69B01337.11795663.63968479.2456740. 820.780. 740. 71B01435.04654570.12784574.8215890. 870. 820.78.75B01533.48891274.33646572.1795120.90.85

0. 81

0.78B01632.4561278.74891569.2012740. 940. 890. 850. 81B01730.61911183.60451165.7745960.990. 930. 890. 8501829.85512

B88.32155961.8245191.061.000.95

0. 91019

28.71316492.83238458.4512961. 121.061. 01

0. 97

3

精度影响分析(1)检测点布置

根据坝顶监测点位置分布误差精度计算公式

(10)、（11)、（12)的计算原理分析，不难得出， 当测角精度不发生改变时，监测点水平位移量的误 差主要受到交会角r的影响，当且仅当r角度为直 角时，监测点中误差值达到最低值。2水电站监测 点的点位中误差值在邻近坝肩边坡的坝顶处较大， 分析其原因是由于受到其交会角r与直角偏差较大 而造成的。在通常情形下，采用测角前方交会法完 成测量，其监测点布置，必须保证其交会角r处于 70〜110°范围内，这样才能保证监测点点位中误差 达到相应规范规定的标准。

在确定检测点时，不仅要考虑到达到通视条 件，而且要考虑工作基点与监测点的稳定性问题。 为了解决上述稳定性问题，最常见的方法是选择混

设计施工水利规划与设计

2018年第5期

凝土浇筑的观测墩，并在其中部放置对中盘。若资 金充裕，可以选择每一个观测墩内放置一个Ljk 圆棱镜，充当永久观测装置的一部分，通过这种方 法可有效避免不同棱镜之间对位中误差差异造成的 干扰。

在确定工作基点时，应保证工作基点2与工作 基点3两者之间的对视倾角相对较小，尽量降低斜 距转化成平距的偏差。一旦交会图形确定下来，同 样尽量缩小已知边c的长度降低偏差。因此保证基 点2与3两者间的水平距离是布设基点工作的 关键。

水电站坝顶水平位移测量是最为常年观测项 目，工作基点必须定期利用高精度控制网对其校 核，确保工作基点稳定性达标。

(2) 检测过程

制定全站仪检查制度，落实完成降低仪器自身 轴系误差。工作基点采用元水准气泡架设后，必须 借助精度较高的水准管完成仪器对中整平工作。

借助全站仪检测时，避免棱镜周围存在强光反 射，确保全站仪准确无误地自动识别目标。在2水 电站坝顶监测点水平位移检测全过程中，为了避免 不锈钢扶手强光反射干扰检测，特意选用土工布将 其覆盖包裹。在检测后，可将其包裹的土工布去除。

选择盘左盘右检测时，为了保证检测值的准确 性，抵消仪器竖轴倾斜造成的偏差。等到测量完成 后，如果仪器显示测角见偏差比较多时，必须重新 进行测量。

(3) 仪器影响

分析计算公式（10)、（11)、（12)可以得到， 在基线水平距离数据已知的情况下，1测回测角精 度\"越大，位中误差\"At越大。近几年来，全站 仪测角精度不断缩小，更加精准，会降低检测次 数，提升检测速度。以2水电站坝顶监测点为例， 若采用测角精度达到0. 5\"，则仅测量9次即可符合 相关规程中规定的低于0. 8m

m

若全站仪测角精度达到0&\"，仅需要测量6次即 可；若全站仪测角精度达到0&\"，仅需要4次即 可；若全站仪测角精度达到0&\"，则仅需要测量3 次就可以到达相关规程中规定的标准精度。只要全 站仪测角精度不断缩小，测角前方交会法在坝顶水 平位移监测中应用前景十分广泛。

4

结论

文章以哈姆斯沟水库均质土坝为研究对象，介 绍坝顶水平位移监测中的一种新方法一

测角前方

交会法如何应用。详细介绍其检测原理与应用中具 体监测点布置，获得各个角度与检测边的三角函数 关系，定量化表达位中误差的影响因素。从监测点

布置、监测过程、仪器精度3个方面分析如何影响 测角前方交会法的检测精度，并提出相应措施，为 测角前方交会法的应用推广奠定实用基础。总的概 括，测角前方交会法具有布置基点不受约束，并能 同时观测水平与竖直两个方向的优势，所以具有很 好的应用前景。

参考文献

[1] 万冠军，张友军，李异.测边前方交会法在边坡监测中的应用

[].红水河，2010, 29(05)! 8003.

[2] 何康.基于前方交会的全站仪免棱镜测距精度检查浅析[

峰学院学报（自然科学版），2015, 31(21)! 6809.

[3] 冯甲林，方朝阳.飞来峡大坝坝顶水平位移安全监控指标拟定

[

J

B.赤

B.人民黄河，2012, 34(07)! 130-131，134.

[4] 李镇惠，骆建宇，马奕仁，等.三峡大坝水平位移回归监测建模

B.长江科学院院报，2013, 30(11)! 109-112.[5] 宋铁军.石头河水库大坝位移监测分析[B].陕西水利，2014

分析[

(06) ! 122-124.

[6] 陈斌.湖南镇大坝坝顶水平位移监测系统改造方案[

安全，2015(05)! 37-42.

[7] 陈正威，崔秀伟，蒋剑，等.测角前方交会法在坝顶水平位移监

测中的应用—(1): 167-169.

以阿海水电站为例[

B.大坝与

B

.人民长江，2016, 47

的点位中误差精度；

S

[8] DL/T 5178-2003.混凝土坝安全监测技术规范[S].

(上接第145页）工，施工成本比预算节约300万元。 2014年6月投人使用后的监测数据表明大坝心墙渗 漏情况符合国家相关规定要求，水库运营良好。

[4]

[

B.水力发电学报，2000(02)! 17-24.

JOL].

[3] 刘家伟.用砂泥岩风化料作心墙防渗土料的性能研究[/

长江科学院院报，2015, 32(11 )! 52-54.

DL/T 5388-2007.水电水利工程天然建筑材料勘察规程[S].

[/].河南水利与南水北调，2016(03)! 52-53.

参考文献

[1] 郭熙灵，黄卫峰，张伟.水布垭大坝心墙防渗料现场碾压试验

研究[].长江科学院院报，1999(01)! 20-23.

[2] 温彦锋，蔡红，边京红.强风化岩防渗土料的压实及渗透特性

[5] 韩晓玮.水利工程建设中土石坝技术的运用及质量管控研究

J

[6] 束一鸣，吴海民，姜晓桢.中国水库大坝土工膜防渗技术进展

[/].岩土工程学报，2016, 38(1)! 1-9.

S

• 153 •