桐柏蓄能电站大坝表面水平位移监测系统改造

张士平，张江骏，陈 斌，赵贤学，陈 勤，戴建军

（1.华东桐柏抽水蓄能发电有限责任公司，浙江 天台317200；2.富春江水力发电厂，浙江 杭州311500）

1 项目概况

1.1 工程简述

桐柏蓄能电站上水库位于浙江省天台县三茅溪支流百丈溪，距天台县城7 km，电站是一座日调节纯抽水蓄能电站，共安装4台立轴单级混流可逆式水泵水轮机组，机组单机容量300 MW，总装机容量为1 200 MW，设计日发电量600万kW·h，年发电量21.18亿kW·h。电网中承担调峰、填谷、调频、调相以及事故备用等任务。

工程等别为一等工程，工程规模属大（1）型。电站枢纽建筑物由上水库、下水库、输水系统、地下洞室群、地面开关站、中控楼等部分组成。上库主副坝为均质土坝，主副坝相连，最大坝高37.49 m，下库主坝为钢筋混凝土面板堆石坝，坝高68.25 m，坝顶长度434 m。

1.2 大坝表面水平位移监测系统

大坝安全监测系统首先是用以监控大坝安全、掌握其运行规律的手段，其次是用于指导施工和运行及反馈设计而建立的。大坝表面水平位移监测是大坝安全监测系统的一个重要组成部分，监测的数据是反应大坝表面各个部位的上下游及左右岸方向的变形状态，监测精度要求混凝土大坝中误差不大于1 mm，土石坝中误差不大于3 mm，监测精度越高监测到的大坝水平位移数据越能说明大坝变形的真实状态。

桐柏蓄能电站上库大坝表面水平位移监测系统，共有28个测点、8条断面、1个前方交会，频次为2次/月，观测工作任务重。观测方法分别为边角交会法、极坐标法。

2 系统改造

2.1 系统分析

桐柏蓄能电站上库大坝表面水平位移监测系统包括3条纵断面共计11个水平位移测点，下库大坝表面水平位移监测系统包括坝体5条纵断面及溢洪道侧墙共计27个水平位移测点。表面水平位移的观测方法采用边角交会法、极坐标法，工作基点放置TCA2003全站仪，测点安置带底座的棱镜，这是通常的作业方法。但这种作业方法一定程度上影响水平位移观测的精度、作业强度、棱镜的使用周期。

2.1.1 边角交会法观测精度分析

上库大坝表面变形监测点TPS1～TPS6观测方法采用以DC1及DC2为工作基点采用边角交会法；下库表面变形监测点 TPX19、TPX20、TPy2、TPy4、TPy7、TPy9以TBX7、TBX8为工作基点采用边角交会法观测。精度分析如下：

1）测角中误差

测角中误差mβ包括测站平差后的角度中误差mγ及除此之外的系统误差ME，规范中以大量的三角网观测精度统计得：%，即而代入上式得：，推得估算测回数n的经验公式式中：n为测回数；m为测站上一a测回角度中误差（″）；mβ为按闭合差计算的测角中误差（″）。

本项目观测4个测回，n=4；采用TCA2003全站仪，取ma=±1.0″，得：mβ=±1.15″。

2）测边中误差

边长误差取决于测距精度，对于TCA2003全站仪，测距精度为1 mm+1 ppm。取ml=±1.0 mm。

3）精度估算

本项目边角交会法观测水平位移，共4个观测值，2个角度值和2条边长值，存在多余观测条件，观测值经平差计算所得，观测精度优于单纯测角及测边交会法。利用NASEW平差软件，根据各测点三角形形状及测角测边精度可估算各测点测量值中误差（mP），位移值是2次观测值之差，故得位移值的中误差为，估算成果见表1。由表1可见，各测点位移中误差基本一致，在±0.79～±1.16 mm之间，满足规范要求。

表1 边角交会测点估算精度一览表 单位：mm

2.1.2 极坐标法观测精度分析

上库大坝表面变形监测点TPS7、TPS8以DC2为工作基点采用极坐标法观测；下库大坝表面变形监测点 TPX7～TPX11、TPy1、TPy6以 TBX3为工作基点、TBX4为后视点采用极坐标法观测；下库大坝表面变形监测点TPX1～TPX4以TBX1为工作基点、TBX2为后视点采用极坐标法观测；下库大坝表面变形监测点TPX5、TPX6以TBX2为工作基点、TBX1为后视点采用极坐标法观测。精度分析如下：

1）测角中误差

同边角交会法，mβ=±1.15″。

2）测边中误差

同边角交会法，测距精度为1 mm+1 ppm。

3）精度计算

式中：ml为测边中误差（mm），取±1.0 mm；mβ为测角中误差（″），取 ±1.15″；mxp为 X 方向的点位中误差；myp为Y方向的点位中误差；mp为测点点位中误差。

根据上述公式，各极坐标测点水平位移估算中误差见表2。由表2可见，各测点位移中误差在1.54～1.94 mm之间，满足要求。

表2 极坐标测点估算精度一览表 单位：mm

2.1.3 实际观测过程中影响观测精度因素

2）对岗位管理和工件加工工艺进行调整。通过轮岗的方式减少操作人员受噪声影响的时间；同样的零件采用多工序加工要比单工序加工产生的噪声小。

以上精度分析只从全站仪精度及边角交会和极坐标的结构图形分析得出的，但实际过程中还受到测点棱镜放置时，棱镜组基座及支架偏心差、基座圆水准轴误差以及调平误差共同影响导致的中误差一般在±0.5 mm以上，有时甚至在±1 mm以上，这样观测的精度可能会超过规范的要求。为了减小或消除这些误差，确保观测精度满足规范要求，只能是测点棱镜固定而不是每次观测时放置，但要做到这点必须进行改造。

2.2 改造方案

常规观测只是在每次观测时在测点上安放棱镜，为了消除棱镜组基座及支架偏心差、基座圆水准轴误差以及调平误差带给观测精度的影响，每个测点需固定放置高精度免调节变形监测棱镜组，但因为电站大坝属开放式管理，防止人员碰动或拿走棱镜，必须安装高强度不锈钢防盗保护罩，这样才能真真达到改造的目的。

2.2.1 加工棱镜连接杆

原使用的棱镜组带有安平调节结构，这样棱镜组基座及支架偏心差、基座圆水准轴误差以及调平误差将严重影响观测精度。现精密加工一个连接杆直接将棱镜与测点底座紧密相接，这种连接在变形监测中可行，因为变形量是每次观测值与首次测值之间的差值，只要每次观测现状一致，精度就会越高，但此方法只适合变形监测而不适合其他工程测量。

2.2.2 加工保护装置

保护装置必须具备的功能：防止棱镜日晒、雨淋、外力碰撞导致变位、人为损坏偷盗等。为此专门设计了如图1的一个保护装置。

图1 免调节棱镜及防护装置安装照片

2.2.3 安装

2.2.4 改造后资料的衔接

大坝安全监测系统更新改造工作中，应保证监测系统改造前后监测数据的连续性和有效传递，对于改造工作期间观测点位移量未产生变化或产生的变化可以忽略不计的（尽可能在最短的时间内完成），可在改造工作期间通过过渡观测，对基准值进行修正，保持监测数据的连续性和有效传递。

对于位移量ΔX=X1（本次观测值）-X0（首次观测值）的水平位移等监测项目，改造后的累计位移量ΔL=L1（改造前的过渡期观测值）-L0（改造前基准值）+L1′（改造后正常观测值）-L0′（改造后的过渡期观测值），即

设改造后的累计位移量ΔL观测中误差为M，后期正常观测（L1′-L0）或（L0-L1′）引起的中误差为M0，改造工作带来的修正值观测（L1-L0′）或（L0′-L1）引起的中误差为M1。

为使改造工作引起的中误差M1不影响原有的观测中误差，按控制测量的不影响原则规定，即按偶然误差传播定律计算得到的因改造工作引起的修正值观测中误差对原有的ΔL观测中误差M的影响仅在10%以内，这一影响实际上可忽略不计。即要求：

设改造工作采用n倍原正常观测测次，则

即要使得M1不大于倍的M0，必须采用4.8倍以上原来的观测测回数，故一般采用5倍原来的观测测回进行。因原正常观测是4测回的，监测系统改造前后均必须采用2次的各10测回进行观测。

3 结论

经改造后消除了测点安置棱镜组基座及支架偏心差、基座圆水准轴误差以及调平误差造成的误差，从而确保了表面水面位移观测精度在2 mm之内满足规范要求。

改造后因测点棱镜固定，每个表面水平位移项目在实际观测时只需2个人（全站仪施测者和记录者），改造前另需2人安置调平测点棱镜，从而减少了工作人员。

改造后因无需测点安置调平棱镜，则不需每次观测时在27个测点上分别安置棱镜，特别是有些至测点行走路线不安全，所以经改造后既大大减轻了劳动强度，又提高了室外作业人员的安全性。