摘要：針對黃壁莊水庫大壩長、樞紐建筑物分散的特點，采用GPS布網和視準線測量相結合的方法進行水平位移監測網的設計。在垂直位移監測網建立方面，按照不同建筑物對變形監測精度的標，采用全局控制與局部加強的設計方法，開拓了平原、丘陵水庫變形監測工作的思路為大壩觀測自動化奠定了基礎。 
關鍵詞：黃壁莊水庫 水平位移 垂直位移 變形監測 

1 工程概況 
　　黃壁莊水庫大壩位于河北省鹿泉市黃壁莊鎮，距石家莊市30km，是滹沱河中下游重要的、控制性的大（I）型水利樞紐工程，總庫容12.1億m3。水庫建于1958年，1968年達到現狀規模，其任務是以防洪為主，兼顧城市供水、灌溉、發電和養殖。水庫樞紐建筑物主要由主壩、副壩、重力壩、正常溢洪道、非常溢洪道、新增非常溢洪道、靈正渠涵管及電站組成。主壩壩頂長1843m，壩頂高程為128.7m，最大壩高30.7m。副壩壩頂長6907.3m，壩頂高程為129.2m。最大壩高19.2m。混凝土重力壩位于副壩左側，共8個壩塊，全長136.5m，最大壩高28.0m。 
　　自大壩建成后，變形觀測系統一直沒有完善，部分建筑物只間斷性地進行了垂直位移觀測。由于這些數據不連續，經歷洪水時，無法正確判定大壩的運行狀況，給決策和調度帶來盲目性，隨著大壩除險加固工程的開展，壩體上已有監測點將全部報廢。因此建立完善的大壩變形監測系統，對各建筑物重點部位進行變形監測，準確掌握大壩的運行規律，科學地對水庫進行調度非常必要。 

2 點位設計 
2．1 變形點布置 
2．1．1 主壩 
　　在主壩上設有6個變形觀測斷面，樁號分別為0+300、0+455、0+710、0+855、1+000、1+050，在每個斷面上各布設4個變形點，共24個。其中上游壩坡上、壩頂下游壩肩、下游壩坡馬道上及壩下路上游側各一個測點，各測點均為綜合標點，即同一測點兼作垂直和水平位移測點。 
2．1．2 副壩 
　　在副壩上設有10個變形觀測斷面，樁號分別為A0+520、A1+755、A2+380、A2+826、A3+860、A4+062、A4+129、A4+462、A5+353。在每個斷面上各布設3個變形點，共30個即在觀測斷面上游壩坡125.3m高程（原壩頂）、壩頂下游壩肩、下游壩坡120m高程的馬道上各設一個側點。各測點均為綜合標點。 
2．1．3 正常溢洪道 
　　在正常溢洪道閘墩下少先隊則墩頂上設有一排水平位移測點，在公路橋下游側與立墻之間的墩頂上設有一排垂直位移測點。 
2．1．4 原非常溢洪道 
　　在原非常溢洪道閘墩上游側的墩頂上設有一排水平位移測點，由右至左每雙號墩上設1個測點，共計5個測點。在閘墩上下游側的墩頂上各設有一排垂直位移測點，每個墩上一個，共22個。 
2．1．5 新增非常溢洪道 
　　在新增非常溢洪道閘墩下游側墩頂上設有一排水平位移測點，在公路橋上游側的墩頂上設有一排垂直位移測點，每個墩上各1個測點。共12個。 
2．2 工作基點設計 
2．2．1 水平位移工作基點及校核基點設計 
　　（1）非常溢洪道、新增非常溢洪道。由于二者軸線不共線，因此需布置兩條視準線。在視準線兩端分別設置峽谷組工作基點。由于大壩本身也屬于變形體，為獲取測點準確的變形量，擬在溢洪道下游設置兩個校核基點，以便對工作基點進行修正。 
　　（2）正常溢洪道。在正常溢洪道兩端設置兩個工作基點，作為視準線觀測的工作基點。擬在溢洪道下游變形區外布置兩個校核基點，以對工作基點進行修正。 
　　（3）主壩。將6個觀測斷面上的壩頂下游壩肩處的測點納入GPS水平位移監測主網，作為測點所在斷面的工作基點，以此作為基準，采用極坐標法測定斷面上其余3個測點的變形量。 
　　（4）副壩。將10個觀測斷面上的壩頂下游壩肩處的測點納入GPS水平位移監測主網，作為測點所在斷面的工作基點，以此作為基準，采用極坐標法測定斷面上其余2個測點的變形量。 
2．2．2 垂直位移工作基點設計 
　　（1）為方便對建筑物垂直位移監測，達到快速獲取監測數據的目的，擬在非常溢洪道以及新增非常溢洪道、正常溢洪道下游分別埋設垂直位移工作基點一座。 
　　（2）副壩部分每1km左右設置垂直位移工作基點一座。 
2．3 基準點設計 
　　基準點是變形觀測的基礎，必須保證堅固和穩定，因此點位應選在變形區以外，地質條件好，又能夠永久保存的地方。為檢核基準點的穩定，水平和垂直位移監測的基準點均設置成基準點組。水準基準點組擬選在水庫管理處內的馬鞍山上，由三點組成扇形或等邊三角形。水平位移基準點擬選在馬鞍山上一點，副壩右岸馬山上一點，另外一點選在大壩北岸牛城村附近，離開變形區的地方。三點應兩兩通視，以便于用大地測量的方法對基準點檢核。 

3 水平位移監測網建立 
3．1 方案選定 
　　黃壁莊水庫大壩長，建筑物分散，若采用大地測量方法布網，則觀測周期長，受外界環境影響大，難以達到預期效果。而采用GPS布網具有不需要點間通視，布網靈活，可全天候作業，觀測速度快，工作量小等優點。同時對所構網形的圖形強度要求不高，可有效克服氣象條件對觀測的影響。因此本網擬采用GPS進行水平位移主網觀測。 
3．2 觀測網形的確定 
　　將基準點、工作基點、校核基點以及副壩監測斷面壩頂上的變形點一并納入主網統一觀測。為提高GPS網的精度與可靠性，GPS點間構成盡量多的由GPS獨立邊組成的異步環，使GPS網有足夠的多余觀測，平均每點設站2-3次。 
3．3 GPS網觀測 
　　采用4臺美國Trimble公司生產的精密測地型GPS接收機進行觀測，儀器標稱精度為5mm+1ppm，配有可抑制多種徑效應的扼徑圈天線。作業方式采用靜態相對定位模式。 
3．4 數據處理 
3．4．1 基線解算 
　　由于該網要求精度高，基線向量解算時必須考慮對流層的影響，采用GPS接收機廠家隨機提供的商用軟件無法實現。應采用特殊軟件對對流層的影響進行改進，必要時采用精密星歷進行解算，基線結果采用雙差固定解。 
3．4．2 基線解算的質量檢核 
　　為提高GPS測量的精度與可靠度，基線解算結束后，應及時計算同步環閉合差、異步環閉合差以及重復邊的檢查計算，各環閉合差應符合規范要求。 
3．4．3 GPS網平差 
　　外業結束后，對所有觀測數據進行統一處理。在WGS-84坐標系下進行三維無約束平差。在基線解算質量檢核的基礎上，進一步評定GPS網的內部符合精度與外業觀測的質量，利用基線向量改正數進行粗差的檢驗（V△x,△y,△z≤3σ）。 

4 垂直位移監測網建立 
4．1 網形確定 
　　垂直位移監測網由基準點、工作基點組成，本監測網基準點布設在水庫管理處院內，由3點組成水準點組。工作基點6座，布設在正常溢洪道、非常溢洪道和主壩2座，副壩部分每隔1km布設一座，共4座。 
4．2 水準觀測 
　　主、副壩水準觀測采用二等水準規程觀測，每公時高差中數的中誤差不得大于1mm。正常溢洪道和非常溢洪道以其附近的工作基點作為基準，采用局部精度加強的方法按一等水準精度施測，每公里高差中數的中誤差不得大于0.5mm。 

5 變形監測方法 
5．1 水平位移監測 
5．1．1 主、副壩 
　　（1）零數據觀測：在監測主網觀測時，已將監測斷面壩頂上點納入直接得到零數據，斷面上下游的變形點可利用全站儀極坐標法觀測取得。 
　　（2）周期性觀測：在主網觀測周期內，可采用局部測量方法，即選定需要觀測的斷面與監測網基準點組成GPS網進行觀測。 
5．1．2 正常溢洪道、非常溢洪道、新增非常溢洪道 
　　（1）零數據觀測：在整個監測網觀測的同時，利用各建筑物左右兩邊的工作基點，采用視準線法或小角度法觀測各變形點。 
　　（2）周期性觀測：由于大壩本身也是變形體，如果監測網不進行復測而僅對建筑物進行周期性觀測時，可采用局部GPS測量與視準線相結合的方法。將視準線兩工作基點和建筑物下游的兩校核基點組成4點GPS網觀測，再采用視準線法測定建筑物上變形點的位移。 
5．2 垂直位移監測 
　　（1）零數據觀測：依照《國家一、二等水準測量規范》作業，采用二等水準規程觀測。將水準基準點組、各工作基點、主壩和副壩上的變形點全部納入主網組成二等水準環路。正常溢洪道和非常溢洪道上的測點，利用其附近的工作基點，采用一等水準精度觀測。 
　　（2）周期性觀測：在主網復測周期內的各期測量，可直接利用垂直位移監測點附近的工作基點進行垂直位移監測。工作基點本身，可能逐年有下沉，在監測時應以工作基點的首次高程作為起始高程，將工作基點各年的沉降量視為常數，在分析資料時加考慮。 

6 結語 
　　采用GPS布網和視準線測量相結合的方法進行大壩水平位移監測網設計，以及采用全局控制與局部加強結合的設計方法，建立大壩垂直位移監測網，開拓了平原丘陵水庫變形監測工作的思路，可為同類工程參考。