高边坡位移监测点距离和高差的差分改正

    随着国民经济的发展,城镇化建设的加快,能源愈来匮乏,为了国民经济健康的发展,各地方政府积极、合理的开发地方资源.为解决西安市东部用水紧张的状况,西安市政府决定引位于西安市蓝田县辋川河之水,以解决西安市东部用水紧张的局面,工程由水库枢纽和输水渠道两大部分组成.为了保证大坝安全顺利的施工,根据施工区域地形、监测部位分布情况以及精度要求,布设了专一级水平位移监测基准网,作为高边坡位移监测的基准点,并在坝体左右坝肩不同的高程面上设置高边坡位移监测点.利用基准点和工作基点的已知信息,对高边坡位移监测点距离和高差进行差分改正,无需进行气象元素的测定,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 距离差分改正

    在变形监测中,必须考虑大气条件对距离的影响.一般情况下,为了准确求得距离的大气折射率改正,需要测定大气中的气象要素.考虑到各基准点与工作基点是稳定的,不同周期测量所得到的测站点到基准点之间斜距的变化,可认为是外界和气象变化对测距的影响.利用这种斜距变化对测站点与监测点之间斜距作差分改正,可实现无需测定气象元素.

    设首期测量时,测站点至 n 个基准点或工作基点的斜距已知,基准值分别为di1( i = 1、2、…、n) ,而在第k周期,测站点至这n 个基准点( 一般 n = 1 或 2) 的斜距值分别为 dik( i = 1、2、…、n) ,k 期与首期所测的同一基准点斜距之间纯在差异,次差异可认为是气象变化引起的,按下式求出气象改正的比例系数 △d:

   

    在进行距离差分改正时,应选取与监测点有相同的气象条件的基准点,最好在同一方向上.

    1. 2 高差差分改正

    为准确测定监测点的三维坐标,在极坐标测量中,必须考虑球气差对高差值的影响,这就要进行高差差分改正.设首期测量时,测站点至 n 个基准点或工作基点的高差已知,分别为 hi1( i =1、2、…、n) ,而在第 k 周期,测站点至这 n 个基准点的三角高差测量值分别为 hik( i = 1、2、…、n) ,在测站点与基准点稳定条件下,球气差改正数 c 如下式所示:

   

    式中: αi1为第 i 个基准点的首期垂直角观测值; dik为第 i 个基准点的第 k 周期的斜距观测值.

    经计算出球气差改正数后,第 k 期监测点 p 与垂直点之间的三角高差 hpk的差分改正公式为:

    hpk= dpk× sinαpk+ c( dpk× cosαik)2式中: αpk、dpk为第k测量周期监测点P的垂直角和斜距观测值.

    2 差分改正在高边坡监测中的应用.

    2. 1 监测点布设.

    依据设计提供的位移监测点布置图,由于坝体正在施工,仅在大坝左右坝肩、坝体上下游及电站厂房不同的高程面上共布设 27 个监测位移点,位移监测点具有强制对中标志的钢筋混凝土观测墩.监测点观测示意图见图 1,图中 P1、P2、P3 分别为测站点,PG4 为参考基准点.

   

    2. 2 变形监测点精度要求.

    依据本工程的规模和监测对象,近坝区高边坡及电站背坡等三个部位变形监测精度要求参考相关规范,具体要求为水平位移位移量中误差限值 ±3. 0 ~5. 0mm,垂直位移位移量中误差限值 ±5. 0 mm.

    2. 3 基准值确定.

    监测点均采用双测站极坐标法观测,采用测量机器人 LeicaTCA2003 独立观测两次,水平角采用方向观测法、垂直角、斜距均观测 12 个测回,进行了加、乘常数及气象改正,其平均值作为基准值.

    2. 4 外业观测.

    位移变形监测点观测采用莱卡 TCA2003 测量机器人,观测方法采用双测站极坐标交汇法.TCA2003 全站仪配以专用软件,就可以使整个观测过程自动完成.

    根据《水利水电工程测量规范》( 规划设计阶段) ( SL197-97) 二等网的精度标准确定外业观测限差,观测前按设计要求在TCA2003 全站仪上进行测站限差设置,将气象改正参数按标准设置.测站设置完成后,在盘左状态按顺时针方向依次测量各目标点一次,即完成仪器学习测量.然后进行正式观测,测站全部观测可自动完成.在观测中:

    a 水平角采用方向观测法、垂直角、斜距均观测 12 个测回.

    b 测站、镜站采用专用量高游标卡尺在三个方向量取高度,取平均值作为仪器高和觇标高.

    2. 5 数据处理及成果分析.

    由于球气差、折气差随着气温在不断的变化及气象改正计算比较繁琐且容易出错,在确定基准值以后的监测中不再进行气象要素的测定,而采用差分改正原理进行斜距差分和高差差分,边长采用高差改平,表 1 为 P2 测站第 20 期以斜距差分改正原理和高差差分改正原理进行的平距、高差计算.依据改正后的平距和高差,采用清华山维《工程测量控制网微机平差系统》

    软件进行数据处理,数据处理时边长投影至840m 高程面.表2、表 3 分别为第 20 期至第 22 期位移监测点水平位移量和垂直位移量的变化量成果表.

   

   

   从 2012 年 5 月 1 日至 2013 年 5 月 5 日经过 30 期的差分改正应用,各监测点平面精度和高程精度均达到设计要求,该方法完全能利用于具体的监测项目中.以最大变化点 LD8 为例,图2 为 LD8 第 20 期至第 31 期平面位移矢量轨迹图,图 3 为最大变化点 LD8 位移监测点第 20 期至第 31 期时间总沉降量曲线图.

   
 

   

    3 结论.

    通过本项目的实践应用,笔者认为此方法有以下特点:

    1) 差分改正方法,可以消除或减弱外部条件和仪器内部的变化对测量结果的影响,使监测点的三维坐标的监测精度达到毫米级.

    2) 采用差分改正方法,简化了外业气象观测等附加测量设备.

    3) 采用差分改正方法,减少了内业工作量.

    4) 采用测量机器人 TCA2003 提高了工作效率.

    5) 在进行网型设计时,基准点选择应考虑和监测点有相同的气象条件,最好在同一方向上.

    参考文献:

    [1]水利水电工程测量规范. ( 规划设计阶段) ( SL197-97) .

    [2]水利水电工程施工测量规范. ( SL52-93) .

    [3]林秀山,宗志坚. 工程安全监测设计. 北京: 中国水利水电出版社,