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

1、自由網(wǎng)平差在麥洛維大壩變形觀測(cè)中的應(yīng)用及前方交會(huì)觀測(cè)法的改進(jìn)徐文軍（中國水利水電第七工程局有限公司科研設(shè)計(jì)院 四川 成都 611730）摘要：簡(jiǎn)要論述了在蘇丹麥洛維大壩變形觀測(cè)中自由網(wǎng)平差方法的應(yīng)用，前方交會(huì)法的改進(jìn)，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(huì)，應(yīng)用與改進(jìn)1 概 述大壩變形觀測(cè)工作對(duì)于保證大壩正常、安全的運(yùn)行十分重要。通過三角測(cè)量、精密水準(zhǔn)測(cè)量等觀測(cè)手段可以直接得到大壩的具體變形值，并通過對(duì)大壩的變形過程進(jìn)行分析預(yù)測(cè)大壩的變形趨勢(shì)，從而為維護(hù)大壩安全穩(wěn)定的運(yùn)行提供重要依據(jù)。1.1 麥洛維大壩的變形觀測(cè)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(dá)50以上，同時(shí)這期間也是沙塵暴頻發(fā)的時(shí)期，對(duì)我們順利開展變形觀測(cè)工作造成了很大困難。2) 麥洛維大壩全長(zhǎng)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(duì)于不同的壩段有不同的觀測(cè)要求。3) 大壩下游軸線附近建筑物密集，對(duì)觀測(cè)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(cè)控制點(diǎn)。4) 采用了一些新的觀測(cè)方法，同時(shí)德國監(jiān)理工程師提出了比國內(nèi)更為嚴(yán)格的要求。2 水平位移監(jiān)測(cè)控制網(wǎng)2.1水平位移監(jiān)測(cè)控制網(wǎng)的施測(cè)采用徠卡TCA2003全站儀進(jìn)行全自動(dòng)觀測(cè)，采用小三角網(wǎng)的方法布設(shè)水平位移監(jiān)測(cè)網(wǎng)。2

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

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

5、s（設(shè)角）軟件進(jìn)行自動(dòng)觀測(cè)。每個(gè)測(cè)站測(cè)四個(gè)測(cè)回，每個(gè)測(cè)回開始前均先讀取溫度計(jì)的讀數(shù)，然后將其輸入到全站儀中。鑒于變形觀測(cè)工作對(duì)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(xiàng)及失誤，特別編制了現(xiàn)場(chǎng)記錄單&操作程序確認(rèn)單。見圖。圖現(xiàn)場(chǎng)記錄單&操作程序確認(rèn)單.在觀測(cè)后，需要在設(shè)角軟件的計(jì)算功能中計(jì)算各項(xiàng)限差，要求如下：水平角觀測(cè)標(biāo)準(zhǔn)方差（Standard Deviation）為1秒，天頂距觀測(cè)標(biāo)準(zhǔn)方差為1.3秒，距離觀測(cè)標(biāo)準(zhǔn)方差為0.0001米。如觀測(cè)成果大于此限值，可以增加觀測(cè)測(cè)回?cái)?shù)，同時(shí)適當(dāng)去除觀測(cè)誤差較大的測(cè)回。直到各項(xiàng)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(gè)步驟：步驟一：由于在觀測(cè)值中可能存在粗差，因此首先需要進(jìn)行粗差探測(cè)及剔除。步驟二：由于是邊角網(wǎng)觀測(cè)存在著兩種觀測(cè)值，因此需要對(duì)已經(jīng)進(jìn)行粗差剔除后的數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分量估計(jì)。步驟三：采用嚴(yán)格網(wǎng)平差方法（Strict Net Adjustment）計(jì)算得到控制網(wǎng)中各控制點(diǎn)的近似坐標(biāo)。步驟四：進(jìn)行秩虧自由網(wǎng)平差計(jì)算。經(jīng)過以上 步驟，獲得水平位移監(jiān)測(cè)網(wǎng)的平面坐標(biāo)。首次水平位移監(jiān)測(cè)網(wǎng)觀測(cè)成果的平差計(jì)算采用重心基準(zhǔn)，因?yàn)榇藭r(shí)不能斷定網(wǎng)內(nèi)控制點(diǎn)的穩(wěn)定與否；然后在逐期平差中進(jìn)行檢驗(yàn)，當(dāng)首次發(fā)現(xiàn)變動(dòng)點(diǎn)時(shí)，即改用擬穩(wěn)基準(zhǔn)，并進(jìn)行擬穩(wěn)點(diǎn)篩選，直

7、至提出最終成果。 當(dāng)網(wǎng)內(nèi)具有部分相對(duì)穩(wěn)定控制點(diǎn)時(shí)，應(yīng)采用擬穩(wěn)基準(zhǔn)進(jìn)行擬穩(wěn)平差。在逐期平差中進(jìn)行檢驗(yàn)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)變動(dòng)點(diǎn)時(shí)，即組成新的擬穩(wěn)點(diǎn)集合，如此直至終期。再以終選的擬穩(wěn)點(diǎn)集合對(duì)所有各期觀測(cè)重新平差，提出最終的正式成果2.4水平位移監(jiān)測(cè)控制網(wǎng)觀測(cè)周期變形觀測(cè)期前兩年（2008、2009年）每年兩次，然后每年一次。時(shí)間選擇在每年的三、四兩月和九、十兩月，此段時(shí)期的麥洛維天氣狀況較好：氣溫變化平穩(wěn)，風(fēng)沙小，適宜觀測(cè)。2.5水平位移監(jiān)測(cè)網(wǎng)觀測(cè)總結(jié)在變形觀測(cè)中，需要耐心細(xì)致的進(jìn)行前期準(zhǔn)備工作：勘察點(diǎn)線、選擇施測(cè)方法、對(duì)儀器進(jìn)行各種檢校。通過對(duì)工作不斷的進(jìn)行總結(jié)，進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)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(cè)墩，極大地減少了我們建立水平位移監(jiān)測(cè)控制網(wǎng)的工作量。當(dāng)然，也正是因?yàn)椤翱粕怠逼讲钴浖凶杂删W(wǎng)平差功能的出現(xiàn)使之變成了可能。 3 垂直位移監(jiān)測(cè)控制網(wǎng)3.1選取水準(zhǔn)工作基點(diǎn)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(diǎn)，通常為兩至三個(gè)。通常選取在比較穩(wěn)固的基巖上鉆孔埋設(shè)水準(zhǔn)點(diǎn)。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(zhǔn)點(diǎn)（例如在觀測(cè)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(cè)的水準(zhǔn)路線網(wǎng)。 基準(zhǔn)點(diǎn)選取壩區(qū)附近最高等級(jí)的水準(zhǔn)基準(zhǔn)點(diǎn)BM771，此基準(zhǔn)點(diǎn)位于近乎大壩中間的位置，位置較合適。實(shí)測(cè)中，距

9、離最遠(yuǎn)的水準(zhǔn)工作基點(diǎn)BM100的高程中誤差0.47mm。3.2垂直位移監(jiān)測(cè)網(wǎng)施測(cè)方法一精密水準(zhǔn)測(cè)量采用徠卡公司生產(chǎn)的DNA03數(shù)字水準(zhǔn)儀。采用“aBFFB”的方法施測(cè)。此種觀測(cè)方法能夠有效的減少由于尺墊、儀器沉陷造成的觀測(cè)誤差。按照監(jiān)理工程師的要求，在往返觀測(cè)中對(duì)每個(gè)水準(zhǔn)點(diǎn)均觀測(cè)兩次。這樣，出現(xiàn)問題便于檢查是哪一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，以便及時(shí)進(jìn)行補(bǔ)測(cè)，同時(shí)也提高了觀測(cè)精度。 觀測(cè)完成后，及時(shí)檢查閉合差是否超限。檢查公式為0.4·sqrt(N)或者sqrt(L)。 同時(shí)，我們利用幾條上壩公路來聯(lián)測(cè)壩頂與壩底的水準(zhǔn)點(diǎn)，形成數(shù)個(gè)水準(zhǔn)環(huán)，提高水準(zhǔn)網(wǎng)整體可靠性及精度。3.3垂直位移觀測(cè)網(wǎng)施測(cè)方法二三

10、角高程測(cè)量三角高程測(cè)量主要用于施測(cè)水準(zhǔn)觀測(cè)無法進(jìn)行施測(cè)的大壩邊坡觀測(cè)墩。在進(jìn)行水平位移監(jiān)測(cè)控制網(wǎng)施測(cè)的同時(shí)已經(jīng)進(jìn)行了垂直位移監(jiān)測(cè)網(wǎng)的施測(cè)。為了提高精度，大部分前方交會(huì)觀測(cè)的工作基點(diǎn)均進(jìn)行了精密水準(zhǔn)測(cè)量，并對(duì)處于沉降區(qū)域的工作基點(diǎn)增加了施測(cè)次數(shù)。4 變形觀測(cè)點(diǎn)水平位移的施測(cè)4.1變形觀測(cè)點(diǎn)水平位移的施測(cè)采用邊角前方交會(huì)法施測(cè)。考慮到工作基點(diǎn)存在著在變形觀測(cè)期發(fā)生變形的情況，在已有兩個(gè)工作基點(diǎn)的情況下增加了一個(gè)工作基點(diǎn)，作為檢核方向。當(dāng)工作基點(diǎn)發(fā)生較大位移時(shí)，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(huì)法示意圖4.2變形觀測(cè)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(cè)一次。當(dāng)水位每日上漲超過0.25米連續(xù)兩個(gè)星期后，面板堆石壩區(qū)、心墻區(qū)要求為每十天觀測(cè)一次，混凝土重力壩區(qū)仍舊每月觀測(cè)一次。4.3水平位移施測(cè)總結(jié)目前國內(nèi)的前方交匯觀測(cè)中沒有檢核方向點(diǎn)。在麥洛維大壩變形觀測(cè)中，德國監(jiān)理強(qiáng)烈建議我們?cè)黾右粋€(gè)工作基點(diǎn)，組成一個(gè)小型的“控制網(wǎng)”。以增加觀測(cè)的可靠性及精度。5 水平位移監(jiān)測(cè)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(jìn)行設(shè)置。模板設(shè)置如下： 11（點(diǎn)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(xiàng)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(duì)其進(jìn)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(duì)GSI格式文件進(jìn)行處理。同時(shí)編制“宏”程序也會(huì)更加方便快捷準(zhǔn)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(duì)其進(jìn)行取平

13、均值計(jì)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(jìn)行計(jì)算：采用嚴(yán)格網(wǎng)平差（Strict Net Adjustment）方法進(jìn)行計(jì)算，得到監(jiān)測(cè)點(diǎn)的實(shí)際坐標(biāo)。并通過“坐標(biāo)轉(zhuǎn)換”將其轉(zhuǎn)化為施工坐標(biāo)，并與初始觀測(cè)值相比較，得到監(jiān)測(cè)點(diǎn)垂直于壩軸線方向的變形量。6 垂直變形觀測(cè)控制網(wǎng)的數(shù)據(jù)整理6.1數(shù)據(jù)格式觀測(cè)完成后，從DNA03數(shù)字水準(zhǔn)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(duì)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(zhǔn)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(hào)、儀器系列號(hào)、觀測(cè)方法、起始點(diǎn)以及操作的時(shí)間等數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)區(qū)包括了點(diǎn)名、前后視距離、前后尺讀數(shù)、高差以及前視點(diǎn)高程等信息。從前視點(diǎn)高程（即最后的高程閉合差）以及測(cè)站數(shù)和水準(zhǔn)路線總距離可以判斷本次水準(zhǔn)觀測(cè)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(jìn)行直接處理，因此必須對(duì)其進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換。使用EXCEL辦公軟件可以方便的對(duì)其進(jìn)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(cuò)誤。見

15、圖。圖利用EXCEL辦公文件“宏”功能處理水準(zhǔn)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(zhǔn)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?yàn)椤翱粕怠逼讲钐幚碥浖苯邮褂玫摹癐N1”格式文件示例。圖10中顏色加深區(qū)域?yàn)橐阎c(diǎn)名稱及高程數(shù)據(jù)。在目標(biāo)點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)中，為了避免觀測(cè)基點(diǎn)發(fā)生沉降而造成誤差，至少要有兩個(gè)至三個(gè)工作基點(diǎn)作為已知高程點(diǎn)。利用“科傻”平差軟件進(jìn)行計(jì)算：利用科傻軟件對(duì)已經(jīng)做好的“IN1”格式文件進(jìn)行處理，得到最終的平差成果。檢驗(yàn)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(cè)信息

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