TS30全站仪在南水大坝外部变形监测中的应用

王黎阳，魏伟明，张伟华，卫建东

（1.南水水电厂，广东乳源512700；2.信息工程大学测绘学院，河南郑州450052）

0 引言

南水水电站建在广东乳源的南水，控制流域面积608 m2，多年平均流量33.4 m3/s，设计洪水流量4190 m3/s，总库容12.18亿m3，装机容量7.5万kW。主坝坝型为粘土斜墙堆石坝，最大坝高81.3 m，坝顶长度215 m，坝基岩石为砂岩，坝体工程量171.1万m3，主要泄洪方式为隧洞，大坝特点是定向爆破筑坝。南水大坝监测控制网共10个控制点，其中基准点J1-J5、J7-J9共8个基准点，见图1所示。监测点分5个断面布设，其中1断面（5-8）、2断面（9-13）位于坝前，3断面（14-16、17-1、17-2）位于坝面，4断面（18-21）、5断面（22、23）位于坝后。其中位于坝前的第1断面长期位于水中，无法观测。

2004年以前，南水大坝水平位移是使用T3经纬仪，依据监测控制网的8个基准点、按4个方向或3方向角度前方交会法，测定20个位移点的坐标来实现的。2004年以后采用TCA2003自动全站仪，采用单站极坐标差分方法进行监测，其中：坝前在J4设站，J5、J3作为差分基点；坝面和坝后监测点在J7设站，J4作为差分基点。采用TCA2003后，实现了测量自动化，大大减轻了测量人员的内、外业劳动，极大提高了作业的效率。随着时间推移和技术更新，TCA2003也面临淘汰，徕卡公司新推出TS30取代TCA2003，针对设备的更新换代，南水电厂结合近十年在自动变形监测方面的经验对原有的监测系统进行了升级改造。

图1 南水大坝变形监测点分布图Fig.1 Distribution of the deformation monitoring points at Nans⁃hui dam

1 TS30的性能特点

TS30与TCA2003性能基本相当，在精密测距、马达驱动、内核操作系统、显示屏界面等方面均超过TCA2003性能。主要表现在：精密测距精度指标为0.6×10-6mm；TS30采用压电陶瓷驱动技术，马达转动速度可转180°/s（TCA2003为45°/s）、且无噪音，实际测量表明，对于包括归零共6个方向测9个测回的一站测量，TS30比TCA2003可节约时间3 min，约占总测量时间的1/4-1/5；采用更稳定的操作系统平台，支持蓝牙；电池采用4.8Ah的锂电池取代TCA2003的1.8Ah的镍氢电池，使用时间更长；仪器重量（包含基座电池）比TCA2003减轻0.22 kg。

2 监测新系统的设计

南水电厂过去原监测系统采用1测站式的极坐标测量，虽然测量工作量少，但图形较简单，无法进行测量粗差的检核；测量时采用逐点测量方式，即一个点全部测量完成后才测量下一个点，这样对于一组多点多测回测量而言，增加正倒镜次数，从而增加了观测时间和仪器损耗，而且一组点各点之间观测时间不同，气象条件也会不一致；在数据处理上原系统仅采用差分处理，加上单站极坐标测量和逐点测量，数据的可靠性不高。

针对原系统存在的这些不足，在新系统设计时，主要改进了以下方面：

（1）一组监测点组，允许双站或多站测量，以增加图形强度。坝前采用J3、J4两个测站，坝后采用J7、J8两个测站，具体每站的测量基点和监测点见表1所示。

（2）一组点采用全圆观测法，1测回盘左依次测量全部一组点后，倒镜盘右依次测量，测量过程中，自动进行测回内、测回间的限差指标检查。

（3）数据处理包含多基点差分处理、坐标转换和多测站处理等，增加数据的可靠性。

（4）数据库尽可能保存相关数据，包括各种原始观测值数据、基准数据、平差数据、坐标数据及变化量数据等所有相关数据。

表1 测站设置一览表Table 1 Station sets

3 现场监测效果分析

现场测试与原系统一起进行，原系统先进行测量，测量完成后安装新系统测量，由于原系统只测量J4测站、J7测站，测量过程见表2所示。

3.1 差分方法与坐标转换结果对比

差分方法与坐标转换对比见表3所示。从表3看出，差分方法和坐标转换一致性很好，基本上相差在1 mm以内，X、Y方向上比Z方向更好些。

3.2 同计算方法同监测点不同测站结果对比

对同计算方法同监测点不同测站的对比见表4所示。坝前监测点用设站点J3的测量结果减去设站点J4点的测量结果，坝面和坝后监测点用设站点J8的测量结果减去设站点J7点的测量结果。从表4可以看出，同一方法不同测站的测量结果一致性也很好。

表2 系统测试过程一览表Table 2 Test process of the system

表3 差分方法与坐标转换方法结果对比一览表Table 3 Comparison between the result by difference method and the result by coordinate transformation method

表4 同计算方法同监测点不同测站计算结果对比一览表Table 4 Comparison of the calculation results with same calculation method,same monitoring point but different stations

3.3 监测系统测量结果与监测控制网测量结果对比

由于15、17-1纳入基准网测量，针对这两个监测点与基准网结果也进行了对比，见表5所示。从表5可以看出，监测系统测量结果与监测控制网测量结果一致性也很好，其中双站计算坐标与控制网测量结果相比一致性更好。

3.4 同方法同测站同监测点不同次观测结果对比

在隔日进行现场培训时又采集了J4站的数据，对11月3日和5日这两日J4站观测结果对比见表6所示。从表6可以看出，差分和坐标转换结果一致性也很好，差分方法略优于坐标转换，X、Y方向精度优于Z方向上的精度。

表5 监测系统测量结果同控制网结果对比一览表Table 5 Comparison between the result by monitoring system and the result by control network

表6 两次观测结果对比一览表Table 6 Comparison of two observation results

4 结语

南水大坝外部变形自动监测系统升级为基于TS30的监测系统后，在测量速度、测量精度、数据可靠性上均有明显的提高。测试结果表明，TS30在测量速度和精度上都优于TCA2003，新系统提高了数据处理的精度和可靠性，操作简单，各项指标均满足技术要求，可以应用在大坝、桥梁、隧道等监测领域。■

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