隨著國民經濟的發展,城鎮化建設的加快,能源愈來匱乏,為了國民經濟健康的發展,各地方政府積極、合理的開發地方資源.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,根據施工區域地形、監測部位分布情況以及精度要求,布設了專一級水平位移監測基準網,作為高邊坡位移監測的基準點,并在壩體左右壩肩不同的高程面上設置高邊坡位移監測點.利用基準點和工作基點的已知信息,對高邊坡位移監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.考慮到各基準點與工作基點是穩定的,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測點之間斜距作差分改正,可實現無需測定氣象元素.
設首期測量時,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 △d:
在進行距離差分改正時,應選取與監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定條件下,球氣差改正數 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.
經計算出球氣差改正數后,第 k 期監測點 p 與垂直點之間的三角高差 hpk的差分改正公式為:
hpk= dpk× sinαpk+ c\\( dpk× cosαik\\)2式中: αpk、dpk為第k測量周期監測點P的垂直角和斜距觀測值.
2 差分改正在高邊坡監測中的應用.
2. 1 監測點布設.
依據設計提供的位移監測點布置圖,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 27 個監測位移點,位移監測點具有強制對中標志的鋼筋混凝土觀測墩.監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.
2. 2 變形監測點精度要求.
依據本工程的規模和監測對象,近壩區高邊坡及電站背坡等三個部位變形監測精度要求參考相關規范,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.
監測點均采用雙測站極坐標法觀測,采用測量機器人 LeicaTCA2003 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、乘常數及氣象改正,其平均值作為基準值.
2. 4 外業觀測.
位移變形監測點觀測采用萊卡 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《水利水電工程測量規范》\\( 規劃設計階段\\) \\( SL197-97\\) 二等網的精度標準確定外業觀測限差,觀測前按設計要求在TCA2003 全站儀上進行測站限差設置,將氣象改正參數按標準設置.測站設置完成后,在盤左狀態按順時針方向依次測量各目標點一次,即完成儀器學習測量.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 數據處理及成果分析.
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.依據改正后的平距和高差,采用清華山維《工程測量控制網微機平差系統》
軟件進行數據處理,數據處理時邊長投影至840m 高程面.表2、表 3 分別為第 20 期至第 22 期位移監測點水平位移量和垂直位移量的變化量成果表.
從 2012 年 5 月 1 日至 2013 年 5 月 5 日經過 30 期的差分改正應用,各監測點平面精度和高程精度均達到設計要求,該方法完全能利用于具體的監測項目中.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 位移監測點第 20 期至第 31 期時間總沉降量曲線圖.
3 結論.
通過本項目的實踐應用,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部的變化對測量結果的影響,使監測點的三維坐標的監測精度達到毫米級.
2\\) 采用差分改正方法,簡化了外業氣象觀測等附加測量設備.
3\\) 采用差分改正方法,減少了內業工作量.
4\\) 采用測量機器人 TCA2003 提高了工作效率.
5\\) 在進行網型設計時,基準點選擇應考慮和監測點有相同的氣象條件,最好在同一方向上.
參考文獻:
[1]水利水電工程測量規范. \\( 規劃設計階段\\) \\( SL197-97\\) .
[2]水利水電工程施工測量規范. \\( SL52-93\\) .
[3]林秀山,宗志堅. 工程安全監測設計. 北京: 中國水利水電出版社,
