长江新生洲洲头坝体变形监测与分析
陆德中 宋世柱 吴 健
(长江水利委员会水文局长江下游水文水资源勘测局, 江苏 南京 210011)
大坝是我国重要的水利工程设施,为了提高使其运行的安全、有效性,需要对大坝的坝体变形进行持续的监测[1]。目前国内外大坝的变形监测方法可以归纳为常见的几类：传感器光纤传感技术[2]、激光技术[3]、全站仪及全球导航卫星系统(global navigation satellite system，GNSS)测量[4]等,根据各种方法的建设成本以及应用环境,GNSS测量技术以其全天候工作、自动高效等优点,并联合二等水准测量的方式进行平面位移监测和垂直位移监测,成为大坝变形监测的优选方案。本文以长江新生洲为例,长江新生洲位于苏皖两省分界处,2014年实施新济洲河段河道整治工程,其中工程包括了河势控导工程,主体工程于2016年5月完工[5-6],新生洲头导流坝工程是整个新济洲河道整治工程最后一个标段工程[7],工程目标为以现有河势为基础,通过导流坝的建设加强洲头防护,并通过加强左岔水流分流比的方式改善分流比,作为长江中下游地区罕见的导流坝工程,在完成建设实施后需通过运行监测了解坝体的安全、稳定情况[8]。因此对河势控导工程新生洲头导流坝进行稳定性观测即垂直位移观测、水平位移观测是非常有必要性的[9-10]。于是在导流坝上布设了7个监测点进行观测,并60 d进行观测一次和对坝体的稳定性进行分析。
1.1 控制网选点
在新生洲头导流坝附近长江两岸大堤顶埋设4个平面工作基点,检查点(JCD)JCD06、JCD07、JCD08、JCD09,在新生洲头附近埋设2个垂直工作基点,新生洲(XSZ)XSZ01、XSZ02,在长江南岸大堤顶埋设2个垂直工作基点,测绘(CH)CH1、CH2,在猫子山脚埋设1个垂直工作基点,长江基点(CHJ)CHJ1,一共埋设9个工作基点。
在新生洲导流坝上埋设7个变形监测点,如图1所示，JCD14～JCD20平面工作基点与变形监测点标芯采用强制对中盘,强制对中误差不大于1 mm。
1.2 建立监测基准网
以平面工作基点及变形监测点构成平面位移监测进行水平位移监测：施测采用经过严格检定过的双频Trimble R10,11件套设备同步静态观测二个时段,观测时段为2 h,采用网连接方式,以加强图形强度,卫星截止高度角大于15°,有效卫星个数大于5,数据采样间隔为10 s。观测时平面控制与垂直控制同步进行;观测工作结束后对基线采用TBC(TrimbleBusinessCenter是Trimble的新一代后处理软件)进行基线处理,根据基线解算结果,利用质量控制指标中的方差因子、数据删除率(≤10%)、RATIO值反映了所确定出的整周模糊度参数的可靠性。这一指标取决于多种因素,既与观测值的质量有关,也与观测条件的好坏有关。通常要求Ratio≥3(≥3)、PDOP为纬度、经度和高程等误差平方和的开根号值(Position Dilution of Precision, which is a measure of X, Y, Z position geometry)(≤8)、单调速率调度(rate-monotonic scheduling，RMS)(≤0.09)、同步环闭合差、异步环闭合差、重复基线互差等指标对基线质量进行分析[11-12](图1)。
(a)变形监测网图 (b)水准路线布置图
以高程工作基点及变形监测点构成垂直位移监测网进行垂直位移监测：平高精度达到设计及相关规范要求。为了提高垂直精度,水准测量采用Trimble Dini数字水准仪观测,按照二等水准精度[13],对变形监测点进行垂直测量。每次测量仪器均相同,具体参数(表1)
表1 高差不符值与闭合差的限差要求 单位：mm
2.1 监测成果的处理
平面监测基准网数据利用TBC软件进行处理严密平差成果可靠,满足规范要求。它具有作业计划、数据传输、基线解算、网平差和坐标转换等。本次大地水准面模型为EGM96(Global),坐标系统为2000国家大地坐标系(CGCS2000坐标系),高斯正形投影,3°分带,中央子午线为120°E。设置好了后先平差一次,然后指定起算数据。在进行GNSS网的约束平差时,先检验起算数据的质量,所用引据点均符合要求[14-15]。
在验算坝体是否变形以首次测量值为基准[16],后续测量每次与首次测量值进行对比,计算每个监测点的平面位移量与高程位移量具体数据见表2、图2。
表2 各测次与首次平面与高程位移量 单位：m
图2 JCD16平面高程变化比较图
从表2中可以看出新生洲洲头导流坝平面位移监测中,变化量比较小,趋于稳定;其中JCD16从图2可以看出平面位移相对第一次变化在0.01 m左右,垂直位移有0.005 m左右的沉降,进过现场的考证可知JCD16点附近在测量周期内进行了施工作业,造成了监测点的平面位移偏大和沉降的发生。
2.2 局部变形点动态成果分析
根据监测点平面数据,以首次测量值为基准[17],后续测量每次与首次测量值进行对比,同时并以坝轴线方向为坐标系(图3),计算出平行坝体和垂直坝体的位移量,各测点的位移情况见表3、图4。
图3 新生洲导流坝坝轴线坐标系示意图
表3 各测次与首次平行坝体与垂直坝体位移量 单位：m
图4 JCD16相对于坝体平面高程变化比较图
从表3中可以看出新生洲洲头导流坝整体上平行坝体和垂直坝体位移连较小,监测点在两个方向上无变化,其中JCD16由于施工影响造成了平面位移,从图4可知平行与坝体方向位移量较小,平面位移主要发生在垂直位移方向上。
通过新生洲洲头导流坝测量基准点满足变形监测的要求,观测方法恰当,成果可靠。从本次观测的数据与以往数据比较看,导流坝水平位移变化比较小相对稳定,垂直位置由于JCD16受坝体施工影响有沉降发生,其他点位变化比较小相对稳定。但是由于仅进行了8次连续观测,还不能完全准确确定坝体的动态,建议用相同的观测仪器、相同的观测人员、相同的观测路线继续进行监测,观测其变化情况。且新生洲洲头导流坝在洪水期易被江水覆盖很难严格做到60 d测量一次,存在一个空档期,可在洪水期前后进行相应的加密监测。
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