自由網(wǎng)平差在麥洛維大壩變形觀測中的應(yīng)用及前方交會觀...

1、自由網(wǎng)平差在麥洛維大壩變形觀測中的應(yīng)用及前方交會觀測法的改進徐文軍（中國水利水電第七工程局有限公司科研設(shè)計院 四川 成都 611730）摘要：簡要論述了在蘇丹麥洛維大壩變形觀測中自由網(wǎng)平差方法的應(yīng)用，前方交會法的改進，及在數(shù)據(jù)處理中的一些心得。關(guān)鍵詞：麥洛維，自由網(wǎng)平差，前方交會，應(yīng)用與改進1 概 述大壩變形觀測工作對于保證大壩正常、安全的運行十分重要。通過三角測量、精密水準測量等觀測手段可以直接得到大壩的具體變形值，并通過對大壩的變形過程進行分析預(yù)測大壩的變形趨勢，從而為維護大壩安全穩(wěn)定的運行提供重要依據(jù)。1.1 麥洛維大壩的變形觀測工作面臨的困難：1) 麥洛維大壩地處撒哈拉沙漠邊緣，自然條

2、件十分惡劣。每年的五月至九月為高溫酷暑期，最高氣溫可達50以上，同時這期間也是沙塵暴頻發(fā)的時期，對我們順利開展變形觀測工作造成了很大困難。2) 麥洛維大壩全長近十公里，由土堤、面板堆石壩、粘土心墻壩、混凝土重力壩等組成。工作量十分巨大，且對于不同的壩段有不同的觀測要求。3) 大壩下游軸線附近建筑物密集，對觀測通視造成了很大困難。尼羅河的洪泛區(qū)范圍較大，因此較難選取穩(wěn)定的變形監(jiān)測控制點。4) 采用了一些新的觀測方法，同時德國監(jiān)理工程師提出了比國內(nèi)更為嚴格的要求。2 水平位移監(jiān)測控制網(wǎng)2.1水平位移監(jiān)測控制網(wǎng)的施測采用徠卡TCA2003全站儀進行全自動觀測，采用小三角網(wǎng)的方法布設(shè)水平位移監(jiān)測網(wǎng)。2

3、.1.1 工程前期CCMD測量隊在大壩軸線兩側(cè)均勻的布設(shè)了施工測量控制點，建成麥洛維大壩施工測量控制網(wǎng)。由于大壩建成后，壩體將此施工測量控制網(wǎng)分成了不通視的上、下游兩個部分，因此可供利用的施工測量控制點只有大壩下游的部分，不能構(gòu)成一個完整的三角測量控制網(wǎng)。因此必須增建及尋找可以利用的控制點。2.1.2 在大壩壩頂沿壩軸線分布了一系列的水平位移監(jiān)測墩，分為兩種類型：圓柱型監(jiān)測墩（Pillar），方碑型監(jiān)測墩（Mounment）。其中方碑型監(jiān)測墩適合于架設(shè)儀器進行觀測。因此適當選取一些方碑型監(jiān)測墩作為小三角網(wǎng)中的控制點，可以組成網(wǎng)形條件較好的三角網(wǎng)。由于監(jiān)測墩相對于建設(shè)在基巖上的測量控制墩不太穩(wěn)定

4、，因此必須在較短的時間內(nèi)完成整個控制網(wǎng)的觀測，以避免由于觀測期長造成觀測墩位移，而產(chǎn)生較大的觀測誤差。由于大壩下游側(cè)分布了一些密集的建筑物，對于各個觀測墩的通視造成很大困難，因此在適當?shù)奈恢迷鼋艘恍┯^測墩，共計8個。如圖1所示。圖1 蘇丹麥洛維大壩水平位移監(jiān)測控制網(wǎng)示意圖2.1.3 圖中MR50,MR51MR57共計8個三角測量觀測墩為新增觀測墩。而在大壩壩頂上共計有11個方碑型觀測墩（Monument）作為三角鎖控制點來使用。這樣，利用原施工測量觀測墩、新建觀測墩、壩頂方碑型觀測墩組成了一個完整的水平位移監(jiān)測控制網(wǎng)。2.2施測方法采用邊、角觀測的方法。用徠卡公司的Sets Of Angle

5、s（設(shè)角）軟件進行自動觀測。每個測站測四個測回，每個測回開始前均先讀取溫度計的讀數(shù)，然后將其輸入到全站儀中。鑒于變形觀測工作對氣象條件、數(shù)據(jù)輸入等要求很高，為了避免在操作中漏項及失誤，特別編制了現(xiàn)場記錄單&操作程序確認單。見圖。圖現(xiàn)場記錄單&操作程序確認單.在觀測后，需要在設(shè)角軟件的計算功能中計算各項限差，要求如下：水平角觀測標準方差（Standard Deviation）為1秒，天頂距觀測標準方差為1.3秒，距離觀測標準方差為0.0001米。如觀測成果大于此限值，可以增加觀測測回數(shù)，同時適當去除觀測誤差較大的測回。直到各項限差符合要求為止。2.3平差方法及校正采用自由網(wǎng)平差方

6、式，即秩虧自由網(wǎng)平差（Free Net Adjustment）。分為以下四個步驟：步驟一：由于在觀測值中可能存在粗差，因此首先需要進行粗差探測及剔除。步驟二：由于是邊角網(wǎng)觀測存在著兩種觀測值，因此需要對已經(jīng)進行粗差剔除后的數(shù)據(jù)進行方差分量估計。步驟三：采用嚴格網(wǎng)平差方法（Strict Net Adjustment）計算得到控制網(wǎng)中各控制點的近似坐標。步驟四：進行秩虧自由網(wǎng)平差計算。經(jīng)過以上 步驟，獲得水平位移監(jiān)測網(wǎng)的平面坐標。首次水平位移監(jiān)測網(wǎng)觀測成果的平差計算采用重心基準，因為此時不能斷定網(wǎng)內(nèi)控制點的穩(wěn)定與否；然后在逐期平差中進行檢驗，當首次發(fā)現(xiàn)變動點時，即改用擬穩(wěn)基準，并進行擬穩(wěn)點篩選，直

7、至提出最終成果。 當網(wǎng)內(nèi)具有部分相對穩(wěn)定控制點時，應(yīng)采用擬穩(wěn)基準進行擬穩(wěn)平差。在逐期平差中進行檢驗，當發(fā)現(xiàn)變動點時，即組成新的擬穩(wěn)點集合，如此直至終期。再以終選的擬穩(wěn)點集合對所有各期觀測重新平差，提出最終的正式成果2.4水平位移監(jiān)測控制網(wǎng)觀測周期變形觀測期前兩年（2008、2009年）每年兩次，然后每年一次。時間選擇在每年的三、四兩月和九、十兩月，此段時期的麥洛維天氣狀況較好：氣溫變化平穩(wěn)，風沙小，適宜觀測。2.5水平位移監(jiān)測網(wǎng)觀測總結(jié)在變形觀測中，需要耐心細致的進行前期準備工作：勘察點線、選擇施測方法、對儀器進行各種檢校。通過對工作不斷的進行總結(jié)，進行經(jīng)驗的積累，有助于工作質(zhì)量、效率的提高。

8、通過使用大壩壩頂?shù)腗onument監(jiān)測墩，極大地減少了我們建立水平位移監(jiān)測控制網(wǎng)的工作量。當然，也正是因為“科傻”平差軟件中自由網(wǎng)平差功能的出現(xiàn)使之變成了可能。 3 垂直位移監(jiān)測控制網(wǎng)3.1選取水準工作基點在大壩軸線下游附近100200米處每隔5001000米左右建立一組工作基點，通常為兩至三個。通常選取在比較穩(wěn)固的基巖上鉆孔埋設(shè)水準點。在河床等地質(zhì)條件較差的地方通常選取在一些鋼筋混凝土建筑物上埋設(shè)水準點（例如在觀測墩的基座上）。這樣，沿著大壩軸線形成了一條分布均勻、便于施測的水準路線網(wǎng)。 基準點選取壩區(qū)附近最高等級的水準基準點BM771，此基準點位于近乎大壩中間的位置，位置較合適。實測中，距

9、離最遠的水準工作基點BM100的高程中誤差0.47mm。3.2垂直位移監(jiān)測網(wǎng)施測方法一精密水準測量采用徠卡公司生產(chǎn)的DNA03數(shù)字水準儀。采用“aBFFB”的方法施測。此種觀測方法能夠有效的減少由于尺墊、儀器沉陷造成的觀測誤差。按照監(jiān)理工程師的要求，在往返觀測中對每個水準點均觀測兩次。這樣，出現(xiàn)問題便于檢查是哪一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，以便及時進行補測，同時也提高了觀測精度。 觀測完成后，及時檢查閉合差是否超限。檢查公式為0.4·sqrt(N)或者sqrt(L)。 同時，我們利用幾條上壩公路來聯(lián)測壩頂與壩底的水準點，形成數(shù)個水準環(huán)，提高水準網(wǎng)整體可靠性及精度。3.3垂直位移觀測網(wǎng)施測方法二三

10、角高程測量三角高程測量主要用于施測水準觀測無法進行施測的大壩邊坡觀測墩。在進行水平位移監(jiān)測控制網(wǎng)施測的同時已經(jīng)進行了垂直位移監(jiān)測網(wǎng)的施測。為了提高精度，大部分前方交會觀測的工作基點均進行了精密水準測量，并對處于沉降區(qū)域的工作基點增加了施測次數(shù)。4 變形觀測點水平位移的施測4.1變形觀測點水平位移的施測采用邊角前方交會法施測?？紤]到工作基點存在著在變形觀測期發(fā)生變形的情況，在已有兩個工作基點的情況下增加了一個工作基點，作為檢核方向。當工作基點發(fā)生較大位移時，可以較容易發(fā)現(xiàn)問題并采取相應(yīng)措施。見圖。 圖前方交會法示意圖4.2變形觀測周期在水位較平穩(wěn)期間，要求混凝土重力壩區(qū)、面板堆石壩區(qū)、心墻區(qū)每月

11、觀測一次。當水位每日上漲超過0.25米連續(xù)兩個星期后，面板堆石壩區(qū)、心墻區(qū)要求為每十天觀測一次，混凝土重力壩區(qū)仍舊每月觀測一次。4.3水平位移施測總結(jié)目前國內(nèi)的前方交匯觀測中沒有檢核方向點。在麥洛維大壩變形觀測中，德國監(jiān)理強烈建議我們增加一個工作基點，組成一個小型的“控制網(wǎng)”。以增加觀測的可靠性及精度。5 水平位移監(jiān)測網(wǎng)的數(shù)據(jù)處理5.1數(shù)據(jù)格式外業(yè)工作完成后，從儀器中下載儀器內(nèi)置的GSI格式數(shù)據(jù)文件和在設(shè)角軟件自置的Log文件。其中GSI格式數(shù)據(jù)文件需要在儀器模板中進行設(shè)置。模板設(shè)置如下： 11（點名），21（水平角），22（天頂距），31（斜距），32（平距），33（高差），88（棱鏡高），

12、87（儀器高），51（PPM值）。各項數(shù)值為全站儀內(nèi)部定義格式值。下圖為GSI格式文件的樣式。見圖、圖。圖全站儀GSI格式數(shù)據(jù)示例在設(shè)角軟件自定義”Log”格式文件中，我們需要的是其中的水平角。 圖徠卡TCA2003全站儀“Sets of Angles”軟件”Log”格式文件示例5.2數(shù)據(jù)處理GSI格式文件需要對其進行處理后才能夠繼續(xù)使用。使用EXCEL辦公處理軟件可以較方便的對GSI格式文件進行處理。同時編制“宏”程序也會更加方便快捷準確的得到“科傻”平差軟件需要處理的數(shù)據(jù)。見圖。圖徠卡TCA2003全站儀GSI格式文件采用EXCEL“宏”程序處理后示例。 得到平距和高差后，需要對其進行取平

13、均值計算。并依照“科傻”平差軟件要求利用EXCEL辦公軟件中得到下列數(shù)據(jù)。 圖最終獲得的能夠應(yīng)用于“科傻”平差軟件的“IN1”格式文件示例(圖中顏色加深部分)利用“科傻”平差軟件進行計算：采用嚴格網(wǎng)平差（Strict Net Adjustment）方法進行計算，得到監(jiān)測點的實際坐標。并通過“坐標轉(zhuǎn)換”將其轉(zhuǎn)化為施工坐標，并與初始觀測值相比較，得到監(jiān)測點垂直于壩軸線方向的變形量。6 垂直變形觀測控制網(wǎng)的數(shù)據(jù)整理6.1數(shù)據(jù)格式觀測完成后，從DNA03數(shù)字水準儀中下載儀器內(nèi)置的GSI格式文件和自定義的Mdt格式文件。鑒于GSI格式文件處理相對困難，因此數(shù)據(jù)處理以Mdt格式的文件為主。MDT格式文件見

14、圖。圖徠卡DNA03數(shù)字水準儀MDT格式文件示例：在Mdt格式的文件說明區(qū)中包括了文件名、儀器型號、儀器系列號、觀測方法、起始點以及操作的時間等數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)區(qū)包括了點名、前后視距離、前后尺讀數(shù)、高差以及前視點高程等信息。從前視點高程（即最后的高程閉合差）以及測站數(shù)和水準路線總距離可以判斷本次水準觀測資料是否合格。6.2數(shù)據(jù)處理鑒于GSI格式文件和Mdt格式文件都不能用“科傻”軟件進行直接處理，因此必須對其進行格式轉(zhuǎn)換。使用EXCEL辦公軟件可以方便的對其進行數(shù)據(jù)處理。由于大量的數(shù)據(jù)處理幾乎采用相同重復(fù)的操作，因此我們編制了一些“宏”程序，加快了數(shù)據(jù)處理的速度和避免手工處理數(shù)據(jù)容易造成的錯誤。見

15、圖。圖利用EXCEL辦公文件“宏”功能處理水準數(shù)據(jù)示例。由上圖所示：利用Mdt數(shù)據(jù)格式文件和編制的“宏”程序可以方便快捷準確的得到所需要的數(shù)據(jù)。最終形成的數(shù)據(jù)處理文件如圖10所示。圖10 能夠為“科傻”平差處理軟件直接使用的“IN1”格式文件示例。圖10中顏色加深區(qū)域為已知點名稱及高程數(shù)據(jù)。在目標點觀測數(shù)據(jù)中，為了避免觀測基點發(fā)生沉降而造成誤差，至少要有兩個至三個工作基點作為已知高程點。利用“科傻”平差軟件進行計算：利用科傻軟件對已經(jīng)做好的“IN1”格式文件進行處理，得到最終的平差成果。檢驗平差成果的合格與否可以主要參考單位權(quán)中誤差，高程中誤差以及改正數(shù)。如圖11所示。 圖11 平差后觀測信息

16、高程中誤差示例。當發(fā)現(xiàn)觀測信息存在明顯不正常時，應(yīng)檢查在數(shù)據(jù)處理過程中是否出現(xiàn)問題。同時也應(yīng)當注意檢查工作基點間是否存在相對沉降，此類相對沉降能夠造成較大的高程中誤差。此時，因盡快聯(lián)測到附近的工作基點組或者基準點，得到該組工作基點的正確高程值。同時，對該組工作基點應(yīng)該進行加密觀測。7 資料整理7.1位移量計算及編制累計位移量一覽表經(jīng)平差計算得到目標點的觀測信息后，利用當前觀測信息與首次觀測信息相比較而得到目標點的水平及垂直位移。由于工程施工等因素影響而暫時不能觀測的目標點要進行顏色標注并作出簡要說明。見圖12、圖13。 圖12 觀測數(shù)據(jù)一覽表示例圖13 大地坐標、施工坐標計算表7.2圖表利用圖表可以清晰易懂的對監(jiān)測點的變形過程及趨勢做出分析，及時的為大壩的正常運行提供參考信息。見圖14、