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乌鲁瓦提水利枢纽工程大坝外部变形监测复核建设项目

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获奖年度2023

专业分类工程勘察

获奖等级三等奖

设计单位新疆水利水电勘测设计研究院有限责任公司

设计人员罗杰、屈守根、周宏、闫志学、白国荣、朱晓江、孙鹏、刘新峰、张光毅、严鹏德、方涛、王金凤、牛娟、郭汪洋、闫文友、杨晓棠、关仕杰、李琦、李海渊、路腾

项目简介

乌鲁瓦提水利枢纽是一个位于山谷的拦河水库,它是一项综合效益非常丰富的大(二)型水利工程,包括灌溉、防洪、发电、生态保护和旅游等功能。主坝的高度达到了133米,坝顶宽度为10米。

1999年-2002年由新疆水利水电勘测设计研究院对基准网、左岸厂房高边坡、溢洪道北边坡、发电洞闸前、泄洪洞进口、坝顶等处监测点进行造埋并进行初始值测量,2003年增设坝后坡变形监测点、副坝、防浪墙等点。后续的变形监测工作由管理单位开展实施。变形监测工作开展以来,发现部分监测点的变化不符合土石坝在运行期间的变形规律。例如,坝后坡的LD6-1至LD6-8、LD7-2至LD7-7以及防浪墙的FL1至FL8都呈现向上游的位移(5cm左右)。副坝的LD5-1至LD5-4以及坝后坡的LD7-5、LD7-6、LD7-7和LD9-3则出现了抬升变形(3cm左右)。为查明这一反常规问题原因,2022年6月新疆水利水电勘测设计研究院承担了该水利枢纽大坝变形监测复核测量工作;主要内容为:(1)对6个水平位移监测基准点复核,(2)对77个变形监测点复核;新建2个垂直位移监测基准点;(3)分析坝后坡变形监测点向上游偏移的原因;(4)指导乌鲁瓦提水力发电厂技术人员使用MS60全站仪完成大坝外部变形监测基准网及监测网的施测及数据处理;(5)编写大坝外部变形监测复核报告。

一、项目特点

(1)工程规模大:乌鲁瓦提水利枢纽是一个大(二)型水库,变形监测点较多且分散,共有6个水平位移监测基准点,77个变形监测点,其中17个泄洪洞边坡监测点,8个防浪墙监测点,4个副坝监测点,27个坝后坡监测点,18个电厂高边坡监测点,2个溢洪道监测点,1个发电洞监测点。

(2)变形监测需求紧迫:由于乌鲁瓦提水库的大坝承载了巨大的水压力,下游涉及到整个和田市和和田县,其变形情况直接关系到水库的安全性,在乌鲁瓦提测量人员多年的变形监测工作中,发现部分监测点的变化不符合土石坝在运行期间的规律,因此进行复核测量以便及时发现和处理大坝的变形问题对于保障水库的安全至关重要。

(3)变形监测点位特殊:大部分变形监测点均位于高边坡,人员通行困难,监测点一侧靠山,GNSS信号遮挡严重。

二、主要工程问题

(1)精度问题:由于乌鲁瓦提水库大坝的变形情况可能涉及到多个方向和多个位置,因此需要采用高精度的监测设备和方法来进行监测。对于大坝的变形情况,需要进行全面、准确的监测,以便及时发现变形的趋势和程度。

(2)数据处理与分析:大坝变形监测产生的数据较多,需要进行有效的数据处理和分析,以提取有用的信息并进行适当的判断。数据处理和分析是大坝变形监测的关键环节,需要采用合适的算法和方法对监测数据进行处理和分析,以得出准确可靠的结论。

三、技术难点与技术创新

1.技术难点

(1)监测设备的精度要求高:乌鲁瓦提水库大坝变形监测采用高精度的监测设备,如6个水平位移监测基准点采用Trimble R9s型高精度GNSS接收机(标称精度3mm+0.5ppm),采用扼流圈天线最大程度上抑制多路径效应;垂直位移监测使用Leica LS10电子水准仪(标称精度0.3mm/km),并严格按照一二等水准测量规范的技术指标进行,最大程度降低人为因素引起的误差;监测点水平位移监测采用Leica TS60(标称精度:测角±0.5″;测距:0.8mm+1ppm×D)测量机器人进行,采用自动寻找瞄准棱镜的方式降低了人工干预,以确保监测数据的准确性和可靠性。高精度的监测技术可以提供更准确的变形数据,为后续的分析和判断提供可靠的依据。

(2)数据处理

①GNSS监测数据的处理:首先使用高精度基线解算软件进行基线解算,然后通过自编程序统计重复基线差、同步环闭合差、异步环闭合差,当基线解算合格后采用《COSAGPS》软件进行平差并评定最弱点点位中误差等。

②水准测量数据的处理:首先进行高差概算,概算过程中加入水准尺长度误差改正,并进行环闭合差和往返测差值的统计,然后进行平差并评定点位中误差。

③边角网测量数据的处理:首先对观测数据预处理生成电子观测手簿,再进行边长改正,气象改正可以在仪器内改正,全站仪加、乘常数改正及投影计算采用《EXCEL》进行,网平差采用武汉大学开发的软件《CODAPS》进行。

2.技术创新方面

(1)遥感技术:利用SBAS-InSAR技术对乌鲁瓦提水库库区及大坝进行历史时期的沉降监测回顾,InSAR具有下列优势:①非接触式测量:InSAR在形变监测过程中可无需接近目标,危险系数较低。②全天时全天候:雷达发射微波信号,在夜晚、大雾、云和雨等条件下也能对目标进行形变监测,具备长时间连续工作的能力。③高精度和区域全覆盖形变监测:每景星载SAR数据的覆盖范围可达数百至上千平方公里,能够对目标区域实现全覆盖监测。雷达图像分辨率可达米级,形变监测精度可达毫米量级,在良好天气条件情况下,精度甚至可达亚毫米量级。传统测量方法与InSAR技术配合,能够基于“空-天-地”一体化监测,为大坝监测提供了新的监测手段;InSAR雷达监测填补了库区地表形变监测的空白;使坝体和库区地表监测形成一个完整的、多种技术手段的监测体系。

(2)基准网稳定性分析:稳定性分析旨在确定基准网是否受到了各种因素的影响,如地表形变、温度变化、地下水位变化等。该项目使用赫尔模特法(四参数法)结合基线长度比较法进行基准网稳定性分析,四参数法的基本原理是假设基准点的位移和变形可以用一个简单的数学模型来描述,该模型包括水平位移、旋转和尺度变化四个参数。通过对两期观测数据进行拟合,可以估计这四个参数的值,从而通过坐标改正数评估基准点的稳定性。

(3)建立局部轴线坐标系:本工程共建立了7个局部轴线坐标系;以坝后坡监测点为例,选择坝轴线作为局部坐标系的X轴方向,垂直于坝轴线的方向作为Y轴方向。这样,可以得到坝体在平行和垂直于坝轴线方向上的变形值,从而更直观地反映坝体受力方向的变形情况。通过以上改进,可以更好地理解和分析坝体的形变情况,这对于坝体结构的安全评估和监测预警具有重要意义。

3.实施效果与成果指标

(1)真实反应水库大坝变形情况:本次测量结果显示,坝后坡监测点整体向下游方向偏移,而前期测量成果显示向上游方向偏移。经分析原因为:基准点坐标变化和观测方法不规范引起。解决方法:本次测量结果已对基准网重新赋值,后续监测过程中使用本次重新赋值后的基准点坐标,选择合适的观测时间段,规范观测方法。

(2)降低维护成本:通过对监测点的复核测量,消除了前期认为大坝监测点变化不符合土石坝在运行期间的规律的误解,从而降低了后续的维护成本。

(3)成果精度指标

①GNSS基准网最弱点J2点位中误差为0.4mm,限差±2mm;②三等水准路线(检测段)SI01-1~SJ02与已知高差差值为-6.17mm,限差±7.32mm;③二等水准路线SJ01~SJ02~SJ03~SJ01闭合差为-0.07mm,限差±3.76mm;④二等水准每公里偶然中误差为:±0.35mm,允许偶然中误差为±1.0mm。

4.综合效益

该变形监测项目的顺利实施,带来了经济、社会和环境方面的多重效益。在经济方面,该项目可以提高水库大坝的安全性,降低维护成本,并提高水资源利用效率。通过及时发现大坝变形问题,可以避免工程事故和经济损失,进一步提高水资源的利用效率,为经济发展提供更多支持。在社会方面,该项目首先提供安全保障,及时发现和解决大坝结构变形问题,保护人民的生命和财产安全。其次,通过变形监测,管理单位可以更直观地了解大坝的安全状况。在环境方面,该项目对环境产生了积极的影响。首先,通过提供大坝变形监测数据,避免大坝结构破坏对周围生态环境和下游城镇的影响,保护生态系统的稳定性和多样性。其次,及时发现大坝变形问题,可以减少资源浪费,避免不必要的修复工作,降低环境对资源的压力。通过及时预警潜在的大坝结构变形风险,并采取相应措施进行修复,降低环境风险,保护生态环境的可持续发展。综上所述,乌鲁瓦提水利枢纽工程变形监测项目在经济、社会和环境方面都具有重要的意义和价值。