深圳市西丽水库大坝表面变形的监测方法

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　　摘要：简介了深圳市西丽水库工程概况及表面变形的监测方法。西丽水库表面水平位移原设计采用视准线法观测，现采用边角前方交会法。水平位移采用TCA1800智能全站仪观测，垂直位移采用DNA03数字水准仪观测。平差计算采用大地控制及变形监测综合数据处理软件GNPS。

　　关键词：西丽水库,表面变形,水平位移,垂直位移,监测,TCA1800,DNA03,GNPS

　　西丽水库位于深圳市南山区，水库坝址以上集雨面积29.0km2，多年平均径流量2664万m3，水库总库容3238.81万m3，正常库容2481.5万m3，属中型水库;工程等别为Ⅲ等，主要建筑物为3级。主坝原为均质土坝，1990年加建了厚0.6m的砼防渗墙。坝顶设计高程33.88m，最大坝高21.67m，坝顶长486m，坝顶道路宽8m。

　　西丽水库原设计以灌溉为主，结合发电，在深圳经济特区成立后，水库的主要任务改为供水及防洪。在防洪方面，西丽水库担负着下游大沙河东西两岸的防洪安全，主要有西丽街道、深圳科技工业园、深圳市高新技术工业区、华侨城、世界之窗等重要园区，以及平南铁路、广深高速、北环大道、深南大道、滨海大道等5条交通要道。区内高楼林立，道路纵横，人口稠密，一旦水库出现事故，将会对下游地区构成严重威胁。

　　西丽水库表面位移观测设施建设于1996年底，同年12月竣工验收;水平位移使用视准线法观测，竖向位移采用水准法观测。首期表面位移由深圳市地勘基础工程有限公司于1996年观测。1996年至2006年11月，未进行观测。2006年11月起，西丽水库管理处将大坝表面位移监测工作委托给深圳市深水水务咨询有限公司进行。下面叙述西丽水库大坝表面位移监测的方法。

　　1 位移监测等级选择

　　西丽水库主坝属于中型土石坝，根据《工程测量规范》(GB50026-2007)[1]，表面位移监测的等级选择二等。其精度要求见下表：

　　2 水平位移监测

　　2.1 水平位移监测设施现状

　　到2006年底，西丽水库主坝于1996年建设的1#、3#、17#、18#和20#视准线工作基点及校核基点由于右坝肩建设上坝路和左坝肩处修建办公楼而被破坏。闽惠安建设发展有限公司于2000年对7#、18#和20#基点进行了补建，1#和3#基点所在处新建了房屋，无法补建。坝下游边坡建设的两排水平位移监测点没有受到任何破坏(点号为5#到16#，共计12个点)。

　　2.2 水平位移监测网设计

　　由于原来建设的视准线工作基点和校核基点1#和3#被破坏且无法恢复，并且视准线的长度也超过了500m，观测精度难以保证。因此，水平位移改用边角网法观测。

　　西丽水库主坝坝后建筑物多，水平位移基准点布设难度较大。经现场踏勘，反复比较，确定在大坝下游的足球场上设置LG1、LG2两个水平位移观测基准点，和原来的视准线工作基点4#和校核基点20#构成水平位移观测基准网。所有观测墩均设置强制对中盘。起算点为4#点，起算方位角为4#至20#。监测点采用边角前方交汇的方法施测。水平位移监测网布置见下图：

　　2.3 水平位移监测网技术要求

　　水平位移监测网测距技术要求见下表：

　　在上面表格中，A代表加常数，以mm计;B代表乘常数，以ppm计;D代表归算到投影面高程的平距，以km计。

　　2.4 水平位移监测网外业观测

　　监测网外业数据的观测采用TCA1800智能全站仪，标称测角精度为1”，标称测距精度为1mm+2ppm×D(D以km计)。TCA1800智能全站仪具有目标识别功能，可以代替人工进行观测。该仪器购置时装载了成都经纬科技仪器有限公司开发的Inspector5.0监测软件。Inspector5.0监测软件具有自动进行观测的功能，可以把观测到的角度及距离数据以文本格式存储于仪器的PC卡中。数据采用文本格式储存是为了便于用户编辑修改。距离观测的气象数据采用人工记录的方式。

　　西丽水库坝区树木较多，在测量前砍掉遮挡视线的树木以保证测量顺利进行。为了保证观测的精度，测量作业选在阴天进行。

　　2.5 水平位移监测网的平差计算

　　水平位移监测网的平差计算采用成都经纬科技仪器有限公司开发的大地控制及变形监测综合数据处理软件GNPS。该软件可以直接导入TCA1800智能全站仪Inspector5.0监测软件采集到的外业观测数据，大气压、温度及湿度等气象元素采用人工输入的方式。

　　2.5.1 水平位移监测网GNPS软件参数设置

　　水平位移监测网GNPS软件参数设置内容有：距离改正方式、仪器常数、平差限差参数、控制参数。

　　距离改正的计算项目有：大气改正、倾斜改正、周期误差改正、加乘常数改正、归算高程面改正。距离改平模式采用天顶矩改正，改平公式采用徕卡公式。可以在GNPS参数设置对话框中勾选这些复选框按钮。

　　仪器常数设置值见下表：

　　上述表格的数值需要手工输入GNPS软件。由于GNPS软件没有设置这些参数的记忆功能，在每次平差中都要输入这些参数。

　　平差限差参数设定值见下表：

　　在上面表格中，A代表加常数，以mm计;B代表乘常数，以ppm计;D代表归算到投影面高程的平距，以km计。

　　控制参数设置值见下表：

　　2.5.2 水平位移监测网已知数据输入

　　西丽水库的水平位移监测网以4#的坐标和4#至20#的方位角做为大坝水平位移监测网起算数据。具体数值见下表：

　　2.5.3 水平位移监测网外业观测数据输入

　　利用GNPS软件导入的TCA1800全站仪仪器数据：距离观测值和角度观测值。距离数据文件和角度数据文件由TCA1800全站仪的机载软件Inspector5.0自动生成。

　　距离观测时采集的气象参数可以手工输入GNPS，也可以输入Excel后再导入GNPS。采用Excel方式可以留下电子版数据，是值得推荐的方法。

　　2.5.4 水平位移监测网概算

　　外业观测的角度数据需要进行测站平差，距离观测数据需要进行大气改正、倾斜改正、周期误差改正、加乘常数改正、归算高程面改正。这些工作利用GNPS软件外业概算的数据准备功能实现;监测网的形式选“二维网”选项。

　　概算完成后GNPS可以生成角度观测与测站平差手簿、距离观测与测站平差手簿;然后进行以下限差编统计：边长统计、角度统计、三角形条件、正余弦条件、极条件。

　　在进行限差统计时如果发现有超限现象，则要分析原因，然后有选择性地重测有关数据。

　　2.5.5 水平位移监测网平差

　　概算进行完毕后即可进行平差计算。这里选用GNPS的经典网平差功能进行平差。下面是西丽水库主坝水平位移监测网第16期平差结果：

　　3 重直位移监测

　　3.1 重直位移监测设施现状

　　垂直位移监测网建设于1996年，基准点由BM1、BM2及BM3组成[2];工作基点由BM4、BM5、BM6、BM7、BM8、BM9、2#、4#、17#及18#组成。垂直位移监测点和水平位移监测点共用一点。垂直位移监测网布置见下图：

　　3.2 垂直位移监测网技术要求

　　根据《工程测量规范》(GB50026-2007)，垂直位移监测网主要技术要求见下表：

　　3.3 垂直位移监测网外业观测

　　垂直位移监测网外业数据的观测采用DNA03数字水准仪，标称精度为0.3mm/km。DNA03数字水准仪内置有水准测量程序，在水准测量作业开始前将限差输入仪器;在作业过程中，仪器程序自动判断观测数据是否符合限差要求;如果不符合，则提示操作者重测。DNA03数字水准仪还有数据存储功能，外业数据采集不需要人工记录。

　　在监测网施测前，用BM1及BM3校核BM2的稳定性;如果BM1与BM2、BM3与BM2的高差与已知高差的不符值在限差 = =0.57mm范围内(式中2为测站数)，则认为BM2稳定，大坝监测网可以BM2为起测点。

　　3.4 垂直位移监测网的平差计算

　　竖直位移监测网的平差计算采用成都经纬科技仪器有限公司开发的大地控制及变形监测综合数据处理软件GNPS。该软件可以直接导入DNA03数字水准仪采集到的外业观测数据。

　　3.5.1 垂直位移监测网GNPS参数设置

　　GNPS软件竖直位移监测网平差要设置水准尺长改正系数。与DNA03数字水准仪配套的铟钢尺尺长改正系数非常小，可以忽略不计。所以在软件中设置该参数为0。

　　3.5.2 垂直位移监测网已知数据输入

　　垂直位移监测网以BM2为起算点，其高程值为60.8072m。

　　3.5.3 垂直位移监测网外业观测数据输入

　　利用GNPS软件导入外业观测的仪器数据：水准观测值。水准观测数据文件由DNA03数字水准仪的内置软件自动生成。

　　3.5.4 垂直位移监测网概算

　　外业观测的水准数据需要进行水准闭合差的计算、每测段测站数及高差的计算。这些工作利用GNPS软件外业概算的数据准备功能实现，监测网的形式选“一维网”选项。。

　　概算完成后GNPS可以生成水准观测手簿;然后进行往返高差统计、水准闭合差统计。如果数据超限则需重测超限的测段。