工程概況
黃壁莊水庫大壩位于河北省鹿泉市黃壁莊鎮(zhèn)，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(xiàn)狀規(guī)模，其任務是以防洪為主，兼顧城市供水、灌溉、發(fā)電和養(yǎng)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(cè)，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(tǒng)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(shù)據(jù)不連續(xù)，經(jīng)歷洪水時，無法正確判定大壩的運行狀況，給決策和調(diào)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(jiān)測點將全部報廢。因此建立完善的大壩變形監(jiān)測系統(tǒng)，對各建筑物重點部位進行變形監(jiān)測，準確掌握大壩的運行規(guī)律，科學地對水庫進行調(diào)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)墩頂上設有一排水平位移測點，在公路橋上游側(cè)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(qū)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(jiān)測主網(wǎng)，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(jiān)測主網(wǎng)，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(jiān)測，達到快速獲取監(jiān)測數(shù)據(jù)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(wěn)定，因此點位應選在變形區(qū)以外，地質(zhì)條件好，又能夠永久保存的地方。為檢核基準點的穩(wěn)定，水平和垂直位移監(jiān)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(nèi)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(qū)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(jiān)測網(wǎng)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(wǎng)，則觀測周期長，受外界環(huán)境影響大，難以達到預期效果。而采用GPS布網(wǎng)具有不需要點間通視，布網(wǎng)靈活，可全天候作業(yè)，觀測速度快，工作量小等優(yōu)點。同時對所構(gòu)網(wǎng)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(wǎng)擬采用GPS進行水平位移主網(wǎng)觀測。
3．2 觀測網(wǎng)形的確定
將基準點、工作基點、校核基點以及副壩監(jiān)測斷面壩頂上的變形點一并納入主網(wǎng)統(tǒng)一觀測。為提高GPS網(wǎng)的精度與可靠性，GPS點間構(gòu)成盡量多的由GPS獨立邊組成的異步環(huán)，使GPS網(wǎng)有足夠的多余觀測，平均每點設站2-3次。
3．3 GPS網(wǎng)觀測
采用4臺美國Trimble公司生產(chǎn)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(yè)方式采用靜態(tài)相對定位模式。
3．4 數(shù)據(jù)處理
3．4．1 基線解算
由于該網(wǎng)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(xiàn)。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(jié)果采用雙差固定解。
3．4．2 基線解算的質(zhì)量檢核
為提高GPS測量的精度與可靠度，基線解算結(jié)束后，應及時計算同步環(huán)閉合差、異步環(huán)閉合差以及重復邊的檢查計算，各環(huán)閉合差應符合規(guī)范要求。
3．4．3 GPS網(wǎng)平差
外業(yè)結(jié)束后，對所有觀測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)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(zhì)量檢核的基礎上，進一步評定GPS網(wǎng)的內(nèi)部符合精度與外業(yè)觀測的質(zhì)量，利用基線向量改正數(shù)進行粗差的檢驗（V△x,△y,△z≤3σ）。
4 垂直位移監(jiān)測網(wǎng)建立
4．1 網(wǎng)形確定
垂直位移監(jiān)測網(wǎng)由基準點、工作基點組成，本監(jiān)測網(wǎng)基準點布設在水庫管理處院內(nèi)，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(guī)程觀測，每公時高差中數(shù)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(shù)的中誤差不得大于0.5mm。
5 變形監(jiān)測方法
5．1 水平位移監(jiān)測
5．1．1 主、副壩
（1）零數(shù)據(jù)觀測：在監(jiān)測主網(wǎng)觀測時，已將監(jiān)測斷面壩頂上點納入直接得到零數(shù)據(jù)，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(wǎng)觀測周期內(nèi)，可采用局部測量方法，即選定需要觀測的斷面與監(jiān)測網(wǎng)基準點組成GPS網(wǎng)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(shù)據(jù)觀測：在整個監(jiān)測網(wǎng)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(jiān)測網(wǎng)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(jié)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(wǎng)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(jiān)測
（1）零數(shù)據(jù)觀測：依照《國家一、二等水準測量規(guī)范》作業(yè)，采用二等水準規(guī)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(wǎng)組成二等水準環(huán)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(wǎng)復測周期內(nèi)的各期測量，可直接利用垂直位移監(jiān)測點附近的工作基點進行垂直位移監(jiān)測。工作基點本身，可能逐年有下沉，在監(jiān)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(shù)，在分析資料時加考慮。
6 結(jié)語
采用GPS布網(wǎng)和視準線測量相結(jié)合的方法進行大壩水平位移監(jiān)測網(wǎng)設計，以及采用全局控制與局部加強結(jié)合的設計方法，建立大壩垂直位移監(jiān)測網(wǎng)，開拓了平原丘陵水庫變形監(jiān)測工作的思路，可為同類工程參考。
