黄壁庄水库大坝位移监测网设计

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）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。