常规测量方法监测大坝变形的几个问题

张建新，蒋 波

（1.浙江华东工程安全技术有限公司，浙江杭州310014；2.国家电力监管委员会大坝安全监察中心，浙江杭州310014）

0 前言

大坝变形观测是大坝监测系统中一个重要的监测项目，变形监测的方法一般有垂线、引张线、视准线、激光准直以及常规测量等。常规测量采用经纬仪、测距仪、全站仪、水准仪等测量仪器，观测工作有变形控制网测量、交会测量、水准测量等。

大坝安全监测系统评价是大坝安全定期检查工作的一个重要专题，通过大坝安全监测系统评价，可对大坝安全监测系统的完备性、适用性和可靠性等方面有较为全面的了解，在评价工作中需要对变形监测项目的布置、监测方法和监测精度等进行深入分析。本文结合评价中常见的一些问题对常规测量方法观测大坝变形进行了探讨。

1 平面变形控制网

当用常规测量进行建筑物水平位移观测时，一般需要建立平面变形控制网以监测水平位移工作基点是否稳定，对控制网定期复测，给出工作基点的变化值，这就要求在平面变形控制网中有足够多的稳定网点，作为整个水平位移变形观测系统的基准。

平面变形控制网的边长观测值精度较高，而从多个大坝的平面变形控制网复测成果表明，各期边长观测值之间均存在着系统误差，虽然单次平差计算精度较高，但稳定分析变得非常困难，这时复测成果根本起不了作用。造成系统误差的主要原因是距离改正常数的不准确，一般两期观测时同一台测距仪的常数检定值已不再相同，有时仪器也可能会更换，如果某一期的常数检定有误，就可能引起两期边长存在系统差。因此，复测前首先要确保检定常数的准确，为此，建议在相对远离大坝的下游区域寻找出露的稳定基岩，建立校核基准边，长度取控制网平均边长，在复测前先观测此基准边，确定检定常数准确后再进行平面变形控制网的测量。

为了保证边长观测值的高精度，要求用相对高精度的高差来进行改平。平面变形控制网的高程通常用水准联测若干个网点，作为变形控制网的高程起始值，各网点间通过观测垂直角建立三角高程网。应先对三角高程网进行平差，用平差后高程改平边长。当然，如有条件时，用水准联测所有网点则是最理想的。

一般认为，平面网点的高程变化不大，即使高程有少许变化，也不影响改平精度。通常网点稳定时，三角高程的测量误差要比高程的微小变化值大，因此，应保证首次观测变形控制网的高程精度。首次完成观测高精度三角高程测量后，除非证实有网点发生了大的变化，以后各期不必再进行三角高程测量，可利用首次观测的高程进行改平。

平面控制网复测完成后，首先应按常规方法检验观测值间的符合精度，观测值虽然通过了闭合差的检验，但还可能存在着粗差。在平差时，一般取方向先验中误差为先验单位权中误差，平差计算后对应地会有一个平差后单位权中误差，当平差后单位权中误差大于先验单位权中误差时，可以认为观测值的质量没有达到要求，可能存在着粗差。

在规范中，提到边角网设计时应作可靠性评价，需要计算每个观测值的可靠性因子。因子越大，当该观测值存在粗差时，发现的可能性越大。这一规定也说明，平差前应先进行粗差分析，当认定有粗差时，再进行粗差定位和粗差剔除。粗差定位在个别观测值存在粗差时才会有效，这时多数观测值相互符合得很好，个别观测值参与后符合性就差。有的时候，整体质量不好，粗差定位就没有效果，只能认定观测质量不高。

粗差定位和粗差剔除完成后，可进行稳定分析，稳定分析需要同时对本期和前一期观测值用稳定分析方法进行特定的平差计算，而不只是将这两期平差结果进行简单比较。稳定分析的结果将说明哪些点是稳定的，哪些点是不稳定的，而还有些点是没有足够的理由认为不稳定。

当水平位移观测所用的工作基点没有足够的理由认为不稳定时，其坐标使用原有的数据。当工作基点有明显不稳定时，应考虑使用其新的坐标。

2 水平位移观测

水平位移观测中，一般采用交会（包括角度交会、边角交会、边长交会、三边交会）以及小角度方法。

角度和边长交会，由于只有2个观测值，而没有多余观测值，只能进行精度估算，就不能对实际观测精度进行评价。精度估算可以通过公式直接计算。

边角交会和三边交会的多余观测值个数分别为2和1，可以通过形成的闭合条件来评价实际观测精度。

由于边角交会和三边交会对一个观测点来说，闭合条件过少，通过闭合差检验后的观测值中误差需要通过同一期各观测点的闭合差，或者同一个观测点多期观测的闭合差进行统计计算。由于用闭合差计算中误差比较复杂，一般可以简单地对是否通过闭合差检验来对实际观测精度进行评价。

小角度观测时,有的需要在中间观测点上架设仪器进行观测,这时,应该在计算其它观测点位移值时加入中间观测点的位移值，要考虑如何观测中间观测点的位移值,还需要在估算其它位移点精度时考虑到中间观测点位移值的精度。

工作基点的坐标可能会发生变动，有时可能会改用另外的工作基点进行观测，因此，应明确记录每期观测计算时采用的工作基点的坐标，供以后对位移值进行验证，需要时可以很方便地重新计算位移值。

3 水准测量

GB12897《国家一、二等水准测量规范》中提出的水准精度指标为：每公里水准测量的偶然中误差MΔ一等为±0.45 mm、二等±1.0 mm；每公里水准测量的全中误差 MW一等为±1.00 mm、二等为±2.0 mm。

MΔ是用往返测高差不符值进行计算的，其式为：

式中：Δ——测段往返测高差不符值，以mm计；

R——测段长度，以km计；

n——测段数。

MW用水准环闭合差进行计算的，其式为：

式中：W——水准环闭合差，以mm计；

F——环线长度，以km计；

N——环数。

用上述这两个公式计算时，测段数或闭合环数需要大于20，否则计算得出的值用来进行评价就没有意义。

在大坝变形观测中，由于环数较少，因此，不必计算每公里水准测量的全中误差。短距离水准测量不再考虑偶然中误差和全中误差的区别。

在短距离变形观测中，由于每公里平均测站数超过了常规的水准测量，因此用公里数来计算限差和精度要求太高，不容易满足要求。水准网测量时，由于距离长，点数相对少，仍可以用公里数来计算限差和精度。一般地，当以公里数计算超限，而以测站数计算满足要求时，应认为满足要求。垂直位移观测应用测站数来计算限差和精度。

这样，提出每测站水准测量的偶然中误差MΔ，式为：

式中：Δ——测段往返测高差不符值，以mm计；

N——测段测站数；

n——测段数。

目前大坝水准测量时大多数使用的是DS05型水准仪，05表示每公里水准测量往返高差均值偶然中误差不超过±0.5 mm，其对应的测站高差观测中误差为±0.08 mm。

JGJ/T 8-97《建筑物变形测量规程》中对水准测量完全是按测站数来要求的，给出了计算单程观测每测站高差中误差的经验公式：md=0.025+0.0029d，式中d为视线长度，以m计。一等水准要求一测站视线长度不大于30 m，可计算得单程观测每测站高差中误差md=±0.112 mm，每测站水准测量往返高差均值偶然中误差则为=±0.08mm ，这和GB12897《国家一、二等水准测量规范》中的要求是一致的。

由于一次观测时测段数较少，一般通过往返不符值和环线闭合差是否超限评价本次观测的实际精度是否满足要求。

可以对同一测线多期垂直位移观测的往返不符值计算单一测段每测站水准测量的偶然中误差，以此来评价该测段的长期稳定精度，同时可比较与其它测段的精度差异。在实际工作中，由于各测段的观测条件不同，往往会呈现出明显的精度阶梯。

对同等级要求观测的所有测段，可以对多期多测段观测的往返不符值计算本系统中每测站水准测量的偶然中误差，考察垂直位移观测精度的综合情况。

同水平位移观测一样，应明确记录每期水准观测计算时采用的水准工作基点的高程。

4 三角高程

式中：K——大气折光系数；

D——三角高程的边长；

R——地球平均曲率半径。

由于对向观测高差是符号相反的，因此，理论上讲在计算平均高差时地球曲率与大气折光改正是抵消的。但是，地球曲率与大气折光改正中有个不确定的因素，即大气折光系数K，K值在一天中的不同时候也会不同，而且无法精确测定。因此平均高差中还留有对向观测时K值不同的余量，但已经不大。

如果只是单向观测，需要假设一个K值进行改正，这样的改正会留有K值取值不准确引起的余量。用三角高程来进行垂直位移观测时，往往采用单向观测，应该明确一个K0值，并保持相同，计算的垂直位移值中含有各期观测时K值的代表性误差（用K0代表实际K值的误差），而K0值本身取多少不影响垂直位移值。应记录K0值以备以后的计算，以及垂直位移观测方法改变时用以验证、衔接或重新计算。

在不具备水准测量条件时，垂直位移可观测采用三角高程来完成。

垂直角观测值计算的高差需要进行地球曲率与大气折光改正，公式如下：

5 历史测值评判

当对系统的布置、观测方法、设计理论精度（估算精度）、实际观测闭合差（精度）进行评价后，还需要通过历史测值过程线对最终位移观测结果进行评判。

在观测精度满足要求时，仍然会出现测值过程线异常的现象，这是因为精度评价是对单次观测的评价，各次观测间的位移成果还可能会出现一些问题。

评价时需要查看计算资料，甚至还要查看原始的观测记录，才能查明测值过程线中出现的问题。

首先要看工作基点的坐标或高程取用值是否正确。当工作基点发生变化后，观测人员在计算位移时会取用不同的数值，造成观测数据出现跳跃现象。如：在现场查看某大坝的水平位移资料，发现从某一天开始，测值过程线显示位移值突然抬高了一个较大的量，排除各种可能的原因后，电厂观测人员回忆起那段时间有人在仪器中设置了一个边长改正的数值，取出仪器后，发现那个数字还在仪器中，这个数值正好就是突然抬高的值。

当测值过程线出现异常时，查看异常变化发生时的观测值计算、工作基点的取值显得非常必要，有时能解决一直困扰的问题。

6 结语

通过对大坝安全监测系统评价时大坝变形可能遇到的以及常规测量方法进行实际观测时应该注意的一些问题进行了探讨，最后提出大坝变形评价时应把握的一些要点，供相关人员参考和借鉴。

（1）应该用平差后的高程进行边长改平；

（2）三角高程观测高差中需要进行地球曲率与大气折光改正；

（3）单向三角高程进行垂直位移的计算中，应固定K值；

（4）控制网中观测值通过闭合差检验后，仍需要进行粗差分析；

（5）平差后单位权中误差大于先验单位权中误差，可能存在着粗差；

（6）控制网复测后，应该做稳定分析；

（7）水准观测垂直位移时用测站数定权并计算限差和精度估算；

（8）应查找过程线异常值发生的原因。