黄壁庄水库大坝位移监测网设计（王海城）

1 工程概况

黄壁庄水库大坝位于河北省鹿泉市黄壁庄镇，距石家庄市30km，是滹沱河中下游重要的、控制性的大（I）型水利枢纽工程，总库容12.1亿m3。水库建于1958年，1968年达到现状规模，其任务是以防洪为主，兼顾城市供水、灌溉、发电和养殖。水库枢纽建筑物主要由主坝、副坝、重力坝、正常溢洪道、非常溢洪道、新增非常溢洪道、灵正渠涵管及电站组成。主坝坝顶长1843m，坝顶高程为128.7m，最大坝高30.7m。副坝坝顶长6907.3m，坝顶高程为129.2m。最大坝高19.2m。混凝土重力坝位于副坝左侧，共8个坝块，全长136.5m，最大坝高28.0m。

自大坝建成后，变形观测系统一直没有完善，部分建筑物只间断性地进行了垂直位移观测。由于这些数据不连续，经历洪水时，无法正确判定大坝的运行状况，给决策和调度带来盲目性，随着大坝除险加固工程的开展，坝体上已有监测点将全部报废。因此建立完善的大坝变形监测系统，对各建筑物重点部位进行变形监测，准确掌握大坝的运行规律，科学地对水库进行调度非常必要。

2 点位设计

2．1 变形点布置

2．1．1 主坝

在主坝上设有6个变形观测断面，桩号分别为0+300、0+455、0+710、0+855、1+000、1+050，在每个断面上各布设4个变形点，共24个。其中上游坝坡上、坝顶下游坝肩、下游坝坡马道上及坝下路上游侧各一个测点，各测点均为综合标点，即同一测点兼作垂直和水平位移测点。

2．1．2 副坝

在副坝上设有10个变形观测断面，桩号分别为A0+520、A1+755、A2+380、A2+826、A3+860、A4+062、A4+129、A4+462、A5+353。在每个断面上各布设3个变形点，共30个即在观测断面上游坝坡125.3m高程（原坝顶）、坝顶下游坝肩、下游坝坡120m高程的马道上各设一个侧点。各测点均为综合标点。

2．1．3 正常溢洪道

在正常溢洪道闸墩下少先队则墩顶上设有一排水平位移测点，在公路桥下游侧与立墙之间的墩顶上设有一排垂直位移测点。

2．1．4 原非常溢洪道

在原非常溢洪道闸墩上游侧的墩顶上设有一排水平位移测点，由右至左每双号墩上设1个测点，共计5个测点。在闸墩上下游侧的墩顶上各设有一排垂直位移测点，每个墩上一个，共22个。

2．1．5 新增非常溢洪道

在新增非常溢洪道闸墩下游侧墩顶上设有一排水平位移测点，在公路桥上游侧的墩顶上设有一排垂直位移测点，每个墩上各1个测点。共12个。

2．2 工作基点设计

2．2．1 水平位移工作基点及校核基点设计

（1）非常溢洪道、新增非常溢洪道。由于二者轴线不共线，因此需布置两条视准线。在视准线两端分别设置峡谷组工作基点。由于大坝本身也属于变形体，为获取测点准确的变形量，拟在溢洪道下游设置两个校核基点，以便对工作基点进行修正。

（2）正常溢洪道。在正常溢洪道两端设置两个工作基点，作为视准线观测的工作基点。拟在溢洪道下游变形区外布置两个校核基点，以对工作基点进行修正。

（3）主坝。将6个观测断面上的坝顶下游坝肩处的测点纳入GPS水平位移监测主网，作为测点所在断面的工作基点，以此作为基准，采用极坐标法测定断面上其余3个测点的变形量。

（4）副坝。将10个观测断面上的坝顶下游坝肩处的测点纳入GPS水平位移监测主网，作为测点所在断面的工作基点，以此作为基准，采用极坐标法测定断面上其余2个测点的变形量。

2．2．2 垂直位移工作基点设计

（1）为方便对建筑物垂直位移监测，达到快速获取监测数据的目的，拟在非常溢洪道以及新增非常溢洪道、正常溢洪道下游分别埋设垂直位移工作基点一座。

（2）副坝部分每1km左右设置垂直位移工作基点一座。

2．3 基准点设计

基准点是变形观测的基础，必须保证坚固和稳定，因此点位应选在变形区以外，地质条件好，又能够永久保存的地方。为检核基准点的稳定，水平和垂直位移监测的基准点均设置成基准点组。水准基准点组拟选在水库管理处内的马鞍山上，由三点组成扇形或等边三角形。水平位移基准点拟选在马鞍山上一点，副坝右岸马山上一点，另外一点选在大坝北岸牛城村附近，离开变形区的地方。三点应两两通视，以便于用大地测量的方法对基准点检核。

3 水平位移监测网建立

3．1 方案选定

黄壁庄水库大坝长，建筑物分散，若采用大地测量方法布网，则观测周期长，受外界环境影响大，难以达到预期效果。而采用GPS布网具有不需要点间通视，布网灵活，可全天候作业，观测速度快，工作量小等优点。同时对所构网形的图形强度要求不高，可有效克服气象条件对观测的影响。因此本网拟采用GPS进行水平位移主网观测。

3．2 观测网形的确定

将基准点、工作基点、校核基点以及副坝监测断面坝顶上的变形点一并纳入主网统一观测。为提高GPS网的精度与可靠性，GPS点间构成尽量多的由GPS独立边组成的异步环，使GPS网有足够的多余观测，平均每点设站2-3次。

3．3 GPS网观测

采用4台美国Trimble公司生产的精密测地型GPS接收机进行观测，仪器标称精度为5mm+1ppm，配有可抑制多种径效应的扼径圈天线。作业方式采用静态相对定位模式。

3．4 数据处理

3．4．1 基线解算

由于该网要求精度高，基线向量解算时必须考虑对流层的影响，采用GPS接收机厂家随机提供的商用软件无法实现。应采用特殊软件对对流层的影响进行改进，必要时采用精密星历进行解算，基线结果采用双差固定解。

3．4．2 基线解算的质量检核

为提高GPS测量的精度与可靠度，基线解算结束后，应及时计算同步环闭合差、异步环闭合差以及重复边的检查计算，各环闭合差应符合规范要求。

3．4．3 GPS网平差

外业结束后，对所有观测数据进行统一处理。在WGS-84坐标系下进行三维无约束平差。在基线解算质量检核的基础上，进一步评定GPS网的内部符合精度与外业观测的质量，利用基线向量改正数进行粗差的检验（V△x,△y,△z≤3σ）。

4 垂直位移监测网建立

4．1 网形确定

垂直位移监测网由基准点、工作基点组成，本监测网基准点布设在水库管理处院内，由3点组成水准点组。工作基点6座，布设在正常溢洪道、非常溢洪道和主坝2座，副坝部分每隔1km布设一座，共4座。

4．2 水准观测

主、副坝水准观测采用二等水准规程观测，每公时高差中数的中误差不得大于1mm。正常溢洪道和非常溢洪道以其附近的工作基点作为基准，采用局部精度加强的方法按一等水准精度施测，每公里高差中数的中误差不得大于0.5mm。

5 变形监测方法

5．1 水平位移监测

5．1．1 主、副坝

（1）零数据观测：在监测主网观测时，已将监测断面坝顶上点纳入直接得到零数据，断面上下游的变形点可利用全站仪极坐标法观测取得。

（2）周期性观测：在主网观测周期内，可采用局部测量方法，即选定需要观测的断面与监测网基准点组成GPS网进行观测。

5．1．2 正常溢洪道、非常溢洪道、新增非常溢洪道

（1）零数据观测：在整个监测网观测的同时，利用各建筑物左右两边的工作基点，采用视准线法或小角度法观测各变形点。

（2）周期性观测：由于大坝本身也是变形体，如果监测网不进行复测而仅对建筑物进行周期性观测时，可采用局部GPS测量与视准线相结合的方法。将视准线两工作基点和建筑物下游的两校核基点组成4点GPS网观测，再采用视准线法测定建筑物上变形点的位移。

5．2 垂直位移监测

（1）零数据观测：依照《国家一、二等水准测量规范》作业，采用二等水准规程观测。将水准基准点组、各工作基点、主坝和副坝上的变形点全部纳入主网组成二等水准环路。正常溢洪道和非常溢洪道上的测点，利用其附近的工作基点，采用一等水准精度观测。

（2）周期性观测：在主网复测周期内的各期测量，可直接利用垂直位移监测点附近的工作基点进行垂直位移监测。工作基点本身，可能逐年有下沉，在监测时应以工作基点的首次高程作为起始高程，将工作基点各年的沉降量视为常数，在分析资料时加考虑。

6 结语

采用GPS布网和视准线测量相结合的方法进行大坝水平位移监测网设计，以及采用全局控制与局部加强结合的设计方法，建立大坝垂直位移监测网，开拓了平原丘陵水库变形监测工作的思路，可为同类工程参考。