关门岩水电站坝顶监测系统改造方案探讨

陈闯

（湖南省水利水电勘测设计研究总院 长沙市 410007）

关门岩水电站工程是以发电为主、兼顾通航旅游等综合利用的水电工程，水库库容2541万m3，枢纽主要建筑物有：拦河坝、电站厂房、升船机等建筑物。拦河坝坝轴线为直线布置，由泄流闸、排漂闸、右岸非溢流坝、左岸非溢流坝、左岸土石坝等建筑物组成，坝顶总长344.59m，坝高30.92m。关门岩水电站库水位涨幅较快，气温变化也较大，实时监控坝顶的实际位移情况是保证大坝安全稳定运行的重要条件。目前，关门岩水电站坝顶监测项目存在较大缺陷，不能及时有效地监控坝顶位移变化，对坝顶监测系统的改造已经十分必要。

1 坝顶监测系统布置情况

为了掌握坝顶的位移变化情况，在坝顶布置了视准线、垂直位移观测两个观测项目。坝顶水平位移采用视准线法测量。视准线用以观测坝顶上、下游方向的水平位移，布置在坝顶上游侧，两岸坝肩所建的两个工作基点为端点观测墩，工作基点两端各建有一个校核基点。每个坝段布置1个观测墩，监测各坝段坝顶上下游方向的水平位移。视准线布置如图1所示。坝顶垂直方向的位移通过对设在坝顶的沉陷观测点进行水准测量而取得。大多数沉陷观测点布置于视准线观测墩旁，其布置如图2所示。

图1 坝顶视准线示意图

图2 坝顶垂直位移监测水准路线图

2 目前坝顶监测系统的主要缺陷

2.1 坝顶水平位移

（1）大坝位于高山与丘陵交接地区，坝顶视准线测点装置裸露于外部，受外界风沙、雨雪天气等外部环境因素影响，强制对中装置均已严重锈蚀，已经不能正常安装观测觇牌，且部分观测墩已经损毁。

（2）坝顶视准线右岸工作基点和校核基点均建在大坝施工引起的滑坡区域，从现场观察及测量数据显示，右岸工作基点和校核基点均不稳定，从而导致无法建立一条稳定的基线。

（3）视准线的两端点距离有481m，距离较长，采用固定端点设站方法观测，大气折光和人为误差影响较大，观测精度相对较低。

2.2 坝顶垂直位移

坝顶垂直位移采用一等水准测量，水准路线是由左岸工作基点AS起测，依次经过各监测点再闭合到AS。垂直位移监测系统的主要缺陷是没有埋设稳定的水准基点，无法校核工作基点AS的稳定性。

3 坝顶监测系统的改造方案

3.1 坝顶水平位移的改造

针对坝顶视准线监测系统存在的实际问题及现场情况，考虑以下三种方案：

方案1:重建损毁的监测点观测墩，更换锈蚀严重的强制对中装置；重建右岸工作基点和校核基点；视准线观测方法由固定端点设站法改为逐点设站法观测。

方案2:重建损毁的监测点观测墩，更换锈蚀严重的强制对中装置；加固右岸工作基点和校核基点；建立一个小型的高精度边角网，用于观测两岸工作基点和校核基点的位移量；视准线观测方法由固定端点设站法改为逐点设站法观测。

方案3:重建整个视准线观测系统；视准线观测方法采用中点设站法。

通过对现场地形、地质条件的分析，并综合考虑到观测精度，经济性以及前后监测数据的延续等方面，建议选择方案2作为关门岩水电站坝顶视准线观测系统的改造方案。

3.2 坝顶垂直位移的改造

在水库压力区外埋设一组基岩水准基点，并周期性测量该基点到大坝垂直位移工作基点的高差，用于检测工作基点的稳定性。

4 改造后坝顶监测系统运行效果预测

国内同行的研究表明，相比固定端点设站观测法，对于300m以上的长坝，逐点设站观测法能很明显的提高观测精度。

逐点设站观测法如图3所示。

图3 逐点设站观测法

如将大坝分为四段 (各段长度最好相等)，A、B为固定工作基点，1、2、3等为非固定工作基点。现将仪器安置于1号点，后视A点，倒转望远镜前视2号点，可得：

式中l1与l2分别为1号和2号点的偏离值，l"2由活动觇牌读得。1号点观测完毕，仪器搬至2号点，后视1号点，前视3号点，得：

根据式（1）、（2）、（3）联立求解可得：

式中l3为3号点偏离值，l"B为B点至视线的垂距，由活动觇牌N测回读数算得。式（4）～（6）适用于图4情况，若1、2、3点的点位不同，计算式应另行推导。

逐点设站法前、后视距离相等，而且均为最短，可以有效地消除调焦误差，消除大气折光的影响，提高照准精度，因而是解决本项目观测困难的方法之一。但此法计算较为麻烦，而且观测误差容易积累，因此观测时应加倍小心。

本项目建议采取的改造措施有：对视准线右岸工作基点和校核基点进行加固处理；对监测点锈蚀严重的强制对中装置进行更换；改变观测方法；通过边角网的观测得到工作基点的位移量，并用此位移量修正监测点实际水平位移；周期性观测基岩水准点到工作基点的高差，以检测水准工作基点的稳定性。我们预测通过这些措施的采用，能保证关门岩水电站坝顶观测系统的可靠运行。

5 结 语

准确掌握关门岩水电站坝顶位移变化情况，对保证大坝安全具有十分重要的意义。由于目前该系统存在的诸多缺陷，必须对坝顶视准线观测系统和垂直位移观测系统进行改造。本文探讨了几种改造方案，经过比较，选择一种最优方案，并预测经过改造后，该系统能够及时准确地监测坝顶位移变化情况。

[1]李青岳.工程测量学[M].北京：测绘出版社，1984.

[2]杜治国，DUZhi-guo.大坝水平位移视准线观测方法及精度分析[J].大坝与安全，2006，（5）：25.