奴尔水库大坝外部变形平面监测网复测及稳定性分析

戴灿伟

（新疆水利水电科学研究院，新疆 乌鲁木齐 830049）

大坝外部变形观测是大坝安全监测系统的重要组成部分，其变形监测网基准点是测量工程建筑物、构筑物变形的基准，如基准点发生变形，是不能正确测出目标物位移量的[1]。因此通过网形复测及稳定性分析，来判断基准网形前后是否一致，区分前后观测基准点坐标差异量是测量误差干扰，还是位移量是十分重要的。

1 工程概述

奴尔水库大坝工程位于新疆和田地区策勒县境内的奴尔河中下游河段，其坝址位于奴尔乡上游12km，距策勒县137km，规模为Ⅲ等中型工程，是一座承担灌溉、发电综合利用任务的控制性枢纽工程。奴尔水库的正常蓄水位为2497m，总库容为0.69亿m3，电站装机容量为6.2MW，主要建筑物由碾压式沥青混凝土心墙坝、导流兼泄洪冲砂洞、溢洪洞、发电引水系统及电站厂房等组成。工程于2015年动土，2018年8月蓄水，2019年底主体工程完工。

水库坝址区两岸山体表层为风积低液限粉土覆盖，厚度30～50m，下伏冲积砂砾石及西域砾岩。水库在蓄水过程中库盘左右岸巨厚粉土均有大方量的滑塌现象，水域面渐近设立在库盘两岸山体上的变形监测网基准点。为得知岸坡的滑塌是否对上游网点造成变形，开展定期变形平面监测网的网形复测和稳定性分析是必要的[2]。

2 平面监测网的布置及复测

2.1 网形布置

奴尔水库大坝外部变形平面监测网于2019年10月设立，共由KZ1、KZ2、KZ3、KZ4、KZ5、KZ6 6点组成，左右岸各3点。受 地 形 限制网点中KZ1与KZ2间、KZ4与KZ6间不通视，其它各点间均可通视，其中KZ2、KZ5点距大坝较近、分别位于坝轴线两端，网中共有24个方向，12条观测边，最大边长约1.33km，最短边长约0.34km，平均边长0.91km，网点间最大高差114.40m，最小高差2.27m，平均高程约2590.02m，相对大坝建基面高差平均约170.02m，变形监测平面基准网形见图1。

图1 大坝外部变形平面监测网形图

2.2 复测及观测精度

2021年7月开展平面监测网复测工作，观测精度要求：点位中误差±2.0mm、边长固定误差1mm、边长比例误差1ppm、边长相对中误差1/200000[3-4]。所用仪器是徕卡TS60高精度全站仪，测角精度 0.5″、测距精度 0.6mm+1ppm。

（1）独立坐标系的选取：建筑物变形测量可采用独立平面的平面坐标系统及高程基准[5]。奴尔工程范围内施测点和被测点间的最大高差因在100m以上，平面观测时为减小长度变形的影响，选择投影法进行抵偿，计算得到长度投影变形为39.1cm/km，投影抵偿面高程为2489m，为了与前期投影面保持一致，仍取坝顶高程投影面2500m。高程系统延续1985国家高程基准。

（2）复测方法的选择：为与初始网形保持一致，保留初始观测边长值。为提高整个网的精度和强度，采用测边网方式观测，并根据基准点数量及分布，采用三组起算数据，每组起算点为二个：第一组起算点KZ1、KZ4；第二组起算点KZ3、KZ6；第三组起算点KZ2、KZ5，测边网形及起算点分布见图2。

图2 测边网形及三组起算点分布图

（3）外业观测及观测限差：施测时，网点边长观测每边往返测3测回，每测回照准目标一次，测读距离4次，一测回读数较差限制为2.0mm，单程各测回读数较差限制为3.0mm；每边观测始末读记气象数据，取两端平均值用作气象改正计算；往返距离较差经过气象改正、加乘常数改正、倾斜改正，往返距离较差应≤2（a+bD）。天顶距全站仪三等要求观测，网点三角高程测量每条边往返观测，中丝法4测回。天顶距观测指标差较差和测回间较差限制均为5″，每千米高差中数中误差±6mm、对向高差较差35D、单程双测高差较差±8false、附（闭）合路线闭合差±12false。现场观测精度满足测量技术指标及其限差要求，复测精度统计见表1。

表1 复测精度统计表

3 数据平差及稳定性分析

3.1 平差方法的选择

平差方法主要有经典平差、自由网平差和拟稳平差。本期监测网平差基准与初始平差基准一致，即固定基准。考虑以后监测网点出现变形情况，计算了固定基准转换为重心参考基准（秩亏自由网平差的草看基准）及局部重心参考基准（拟稳平差的参考基准）。

3.2 平差结果

采用经典边角网平差计算得到的协因数见表2，平差后，点位中误差、单位权中误差等精度统计见表3。

表2 二等水平位移监测基准点平差计算的协因数

表3 点位中误差、单位权中误差精度统计表

3.3 稳定性分析

平面监测网（控制网）稳定性分析常用方法有：单点位移显著性分析的比较法、t检验法、限差检验法，平均间隙法和稳健迭代权估计方法。

本期采用限差检验法，即当一个网点的两期坐标差均满足检验式，方视为两点相对稳定或变动不显著，否则应视为存在位移。稳定性分析约定：两期观测的多组起算数据取3组，基准点参加3组起算点的次数为1次，取3倍单位权中误差的综合估算值[5]，对初始观测重新平差，控制网组成，平差方法保持两期一致，达到协因数两期不变。

设以t倍中误差作为限差，检验式为：

式中：t一般取2～3；0μ为两期观测的单位权中误差的综合估算值，由下式计算：

式中：j表示第j期。此式可推广到多期的情形。

经过限差检验法计算，两期所得坐标差计算的均方差，小于单位权中误差的综合估算值的极限误差，可见基准点KZ1～KZ6平面位置没有发生位移，是稳定的。

表4 基准点两期限差法检验结果表

4 结语

此次对奴尔水库大坝外部变形平面监测网复测，测绘观测流程和方法符合规范各项要求，数据可靠。平面监测网变形分析中，采用了限差检验法。对各点进行了点位稳定性分析计算，两期所得坐标差计算的均方差，小于单位权中误差的综合估算值的极限误差，认为各点未发生变形，各基准点可以作为观测变形监测点的起算依据进行变形观测。为了使枢纽区平面控制网更好地服务于大坝外观观测，除定期开展平面监测网复测及稳定分析外，建议多开展网点区域的巡视检查[6]，关注库盘两岸滑塌是否使网点周边土层产生裂缝。