本發(fā)明涉及一種觀測(cè)水庫(kù)冰層全過程表面變形的方法，屬于水利水電工程大壩安全監(jiān)測(cè)。

背景技術(shù)：

1、我國(guó)寒冷地區(qū)修建的水庫(kù)大壩工程，每年都會(huì)經(jīng)歷水庫(kù)冰的凍融過程，在此過程中因溫度變化產(chǎn)生的冰膨脹力是引起水工建筑物破壞的主要不利荷載，是工程建設(shè)人員關(guān)注的重點(diǎn)。

2、冰膨脹力的產(chǎn)生主要發(fā)生在兩個(gè)時(shí)期：一是凍結(jié)時(shí)期，水結(jié)冰時(shí)體積會(huì)膨脹，但此時(shí)冰層的力學(xué)強(qiáng)度很低，產(chǎn)生的膨脹力基本不會(huì)對(duì)水工建筑物結(jié)構(gòu)產(chǎn)生明顯的影響；二是形成一定厚度冰層后的穩(wěn)定時(shí)期，因溫度升高而引起冰產(chǎn)生膨脹變形，而各種水工建筑物及庫(kù)岸限制了其自由變形，由此產(chǎn)生對(duì)水工建筑物不利的膨脹力。

3、通常，計(jì)算冰膨脹力的方法主要包括：(1)基于現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)，運(yùn)用數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)方法來建立簡(jiǎn)單的經(jīng)驗(yàn)公式，具有一定的指導(dǎo)意義，但估算精度較低。(2)在已知冰層的力學(xué)參數(shù)前提下，根據(jù)冰層與水工建筑物間力的作用形式，計(jì)算冰層破壞時(shí)建筑物承受的荷載。但上述方法均為靜態(tài)計(jì)算方法，不能真實(shí)反映冰凍融全過程的應(yīng)力變化情況，而且均只考慮了溫度應(yīng)力，未考慮冰層沿邊界運(yùn)動(dòng)、冰層開裂、庫(kù)水位升降及庫(kù)岸不規(guī)則幾何形狀等因素對(duì)冰層應(yīng)力的影響，計(jì)算結(jié)果精度不高。

4、目前溫度應(yīng)力主要通過測(cè)量冰層溫度數(shù)據(jù)并進(jìn)行相應(yīng)的換算求得，而對(duì)于冰層沿邊界運(yùn)動(dòng)、冰層開裂、庫(kù)水位升降及庫(kù)岸不規(guī)則幾何形狀等因素對(duì)冰層應(yīng)力影響尚無直接測(cè)量方法。另外，雖然凍結(jié)時(shí)期冰層的力學(xué)強(qiáng)度很低，水結(jié)冰產(chǎn)生的膨脹力基本不會(huì)對(duì)水工建筑物結(jié)構(gòu)產(chǎn)生明顯的影響，但是要更為準(zhǔn)確的掌握冰凍融全過程的應(yīng)力變化情況，獲取水結(jié)冰過程的應(yīng)力變化情況也是很有必要的。

5、實(shí)際上，要準(zhǔn)確掌握冰凍融全過程的應(yīng)力變化情況，探尋其復(fù)雜的力學(xué)行為機(jī)理，部分學(xué)者提出通過測(cè)量冰體變形來間接推求冰層應(yīng)力的方法，但是目前對(duì)于冰體變形的測(cè)量主要是采用在水庫(kù)形成穩(wěn)定厚度的冰層后，在冰層上鑿坑安裝觀測(cè)棱鏡或gnss接收機(jī)的方式來進(jìn)行觀測(cè)，此方法不能反映水庫(kù)形成穩(wěn)定厚度前的結(jié)冰過程中的變形情況，而且在冰層消融的中后期，觀測(cè)棱鏡或gnss接收機(jī)會(huì)隨著冰層融化而難以保證其自身穩(wěn)定性，導(dǎo)致觀測(cè)中斷，同時(shí)存在觀測(cè)結(jié)果精度低、費(fèi)時(shí)費(fèi)力、安裝難度大、危險(xiǎn)性高的問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種觀測(cè)水庫(kù)冰層全過程表面變形的方法。

2、本發(fā)明通過以下技術(shù)方案得以實(shí)現(xiàn)：

3、一種觀測(cè)水庫(kù)冰層全過程表面變形的方法，包括以下步驟：

4、步驟一、在待測(cè)水域未結(jié)冰前，將多個(gè)靶標(biāo)投放到待測(cè)水域中；

5、步驟二、在水庫(kù)左岸設(shè)置全站儀觀測(cè)機(jī)構(gòu)a，在水庫(kù)右岸設(shè)置全站儀觀測(cè)機(jī)構(gòu)b；

6、步驟三、在待測(cè)水域未結(jié)冰前，利用全站儀觀測(cè)機(jī)構(gòu)a和全站儀觀測(cè)機(jī)構(gòu)b對(duì)各靶標(biāo)進(jìn)行觀測(cè)；

7、步驟四、結(jié)合步驟三中全站儀觀測(cè)機(jī)構(gòu)a和全站儀觀測(cè)機(jī)構(gòu)b的觀測(cè)數(shù)據(jù)，確定各靶標(biāo)點(diǎn)的初始坐標(biāo)

8、步驟五、在待測(cè)水域結(jié)冰的全過程中，每間隔相同時(shí)間后，利用全站儀觀測(cè)機(jī)構(gòu)a和全站儀觀測(cè)機(jī)構(gòu)b對(duì)各靶標(biāo)進(jìn)行觀測(cè)，并結(jié)合全站儀觀測(cè)機(jī)構(gòu)a和全站儀觀測(cè)機(jī)構(gòu)b的觀測(cè)數(shù)據(jù)，確定各靶標(biāo)點(diǎn)的實(shí)時(shí)坐標(biāo)

9、步驟六、計(jì)算冰層任意靶標(biāo)點(diǎn)的實(shí)時(shí)絕對(duì)表面變形為：

10、

11、所述靶標(biāo)包括浮體底座、標(biāo)識(shí)和配重，所述浮體底座的上部對(duì)稱設(shè)有兩個(gè)吊耳，所述標(biāo)識(shí)通過支撐桿與浮體底座的頂部連接，所述配重設(shè)在浮體底座的底部。

12、所述浮體底座呈長(zhǎng)方體狀，浮體底座上除頂面和底面外，其余四個(gè)側(cè)面中的其中兩個(gè)相鄰側(cè)面上呈矩形陣列開設(shè)有多個(gè)貫穿浮體底座的通槽，該兩個(gè)相鄰側(cè)面上等高程布置的通槽垂直且相交。

13、所述支撐桿和標(biāo)識(shí)在浮體底座頂面上的垂直投影，位于浮體底座頂面的中心位置。

14、所述標(biāo)識(shí)包括規(guī)則六面體，該六面體上除頂面和底面外，其余四個(gè)側(cè)面上設(shè)有相同的標(biāo)識(shí)牌，且各標(biāo)識(shí)牌的邊緣處均設(shè)有反光條。

15、所述步驟一中將多個(gè)靶標(biāo)投放到待測(cè)水域中的方法包括以下步驟：

16、步驟1、根據(jù)待測(cè)水域的面積大小，規(guī)劃n條測(cè)線；

17、步驟2、準(zhǔn)備n+1個(gè)靶標(biāo)，并將相鄰兩個(gè)靶標(biāo)上的其中一個(gè)吊耳通過線纜進(jìn)行連接，完成n+1個(gè)靶標(biāo)串聯(lián)連接后，逐一將靶標(biāo)投放到待測(cè)水域中，然后在起始靶標(biāo)上未與其他靶標(biāo)連接的吊耳上系上一根線纜，并通過錨釘將該線纜上遠(yuǎn)離起始靶標(biāo)的一端固定在待測(cè)水域一側(cè)的岸坡上，同理，逐步張緊各線纜，在終點(diǎn)靶標(biāo)上未與其他靶標(biāo)連接的吊耳上系上一根線纜，并通過錨釘將該線纜上遠(yuǎn)離終點(diǎn)靶標(biāo)的一端固定在待測(cè)水域另一側(cè)的岸坡上，到此完成單條測(cè)線布置；

18、步驟3、重復(fù)步驟2，依次完成n條測(cè)線的布置，第n條測(cè)線上的n+1個(gè)靶標(biāo)依次用編號(hào)n0、n1、n2、…、nn表示。

19、所述全站儀觀測(cè)機(jī)構(gòu)a包括建在能夠通視所有靶標(biāo)的穩(wěn)定基巖處的觀測(cè)墩a，觀測(cè)墩a頂面中心位置的強(qiáng)制對(duì)中盤上安裝有全站儀a，且全站儀a相對(duì)水平面處于垂直狀態(tài)，全站儀a的上方設(shè)有棱鏡a，且棱鏡a通過支架a與觀測(cè)墩a連接；

20、所述全站儀觀測(cè)機(jī)構(gòu)b包括建在能夠通視所有靶標(biāo)的穩(wěn)定基巖處的觀測(cè)墩b，觀測(cè)墩b頂面中心位置的強(qiáng)制對(duì)中盤上安裝有全站儀b，且全站儀b相對(duì)水平面處于垂直狀態(tài)，全站儀b的上方設(shè)有棱鏡b，且棱鏡b通過支架b與觀測(cè)墩b連接；

21、觀測(cè)墩a、觀測(cè)墩b作為觀測(cè)的工作基點(diǎn)，棱鏡a、棱鏡b作為觀測(cè)的后視點(diǎn)。

22、所述步驟三中在待測(cè)水域未結(jié)冰前，利用全站儀觀測(cè)機(jī)構(gòu)a和全站儀觀測(cè)機(jī)構(gòu)b對(duì)各靶標(biāo)進(jìn)行觀測(cè)方法包括以下步驟：

23、步驟a、控制全站儀a的物鏡自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)第1條測(cè)線上的第1個(gè)靶標(biāo)后進(jìn)行一次測(cè)量，然后旋轉(zhuǎn)全站儀a的物鏡自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)后視點(diǎn)棱鏡b后連續(xù)進(jìn)行兩次測(cè)量，接下來旋轉(zhuǎn)全站儀a的物鏡再次自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)第1條測(cè)線上的第1個(gè)靶標(biāo)后進(jìn)行一次測(cè)量，

24、同步的，控制全站儀b的物鏡自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)第1條測(cè)線上的第1個(gè)靶標(biāo)后進(jìn)行一次測(cè)量，然后旋轉(zhuǎn)全站儀b的物鏡自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)后視點(diǎn)棱鏡a后連續(xù)進(jìn)行兩次測(cè)量，接下來旋轉(zhuǎn)全站儀b的物鏡再次自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)第1條測(cè)線上的第1個(gè)靶標(biāo)后進(jìn)行一次測(cè)量，到此完成對(duì)第1條測(cè)線上第1個(gè)靶標(biāo)的一次完整觀測(cè)；

25、步驟b、重復(fù)上述步驟a，依次完成各條測(cè)線上n+1個(gè)靶標(biāo)的觀測(cè)工作。

26、所述步驟四中確定各靶標(biāo)點(diǎn)的初始坐標(biāo)的方法為：已知全站儀a及后視點(diǎn)棱鏡b的位置a點(diǎn)、b點(diǎn)的坐標(biāo)分別為a(xa，ya)、b(xb，yb)，結(jié)合步驟三觀測(cè)到的各靶標(biāo)點(diǎn)與a點(diǎn)、b點(diǎn)之間的水平角α和水平角β，計(jì)算各靶標(biāo)點(diǎn)nn的坐標(biāo)：

27、

28、同理，已知全站儀b和后視點(diǎn)棱鏡a的位置坐標(biāo)，及步驟三觀測(cè)到的各靶標(biāo)點(diǎn)與全站儀b及后視點(diǎn)棱鏡a之間的水平角，即可按照式(1)再次計(jì)算靶標(biāo)點(diǎn)nn的坐標(biāo)x'n、y'n；

29、為減小誤差，取上述兩次計(jì)算坐標(biāo)值的平均值作為各靶標(biāo)點(diǎn)nn的初始坐標(biāo)其中：

30、

31、結(jié)合所述步驟六，將任意兩靶標(biāo)點(diǎn)的實(shí)時(shí)絕對(duì)表面變形直接求差，即可計(jì)算得到任意兩靶標(biāo)點(diǎn)之間的相對(duì)變形；

32、將所有靶標(biāo)點(diǎn)的實(shí)時(shí)絕對(duì)表面變形導(dǎo)入surfer軟件，即可繪制生成待測(cè)水域整個(gè)冰層的表面變形場(chǎng)圖。

33、本發(fā)明的有益效果在于：

34、1、準(zhǔn)備多個(gè)靶標(biāo)，并將相鄰兩個(gè)靶標(biāo)上的其中一個(gè)吊耳通過線纜進(jìn)行連接，將多個(gè)靶標(biāo)串聯(lián)連接后，分別通過線纜和錨釘，將起始靶標(biāo)、終點(diǎn)靶標(biāo)與水庫(kù)兩側(cè)的岸坡連接，即可完成同一條測(cè)線上多個(gè)靶標(biāo)的安裝固定工作，顯著減少了靶標(biāo)的安裝工作量，提高了其安裝效率；此外，可以通過線纜將靶標(biāo)依次連接并張緊固定與水庫(kù)兩岸岸坡，由此可以調(diào)整靶標(biāo)位置處于預(yù)設(shè)測(cè)線，確保了安裝質(zhì)量，提高了觀測(cè)精度。

35、2、漂浮式靶標(biāo)的安裝工作能夠在水未結(jié)冰前完成，可實(shí)現(xiàn)對(duì)水庫(kù)形成穩(wěn)定冰層厚度前、后及消融的全過程冰層溫度和變形的觀測(cè)。

36、3、浮體底座上加工有通槽，確保其可以提供足夠的浮力，使漂浮式靶標(biāo)在水庫(kù)水面未形成穩(wěn)定冰層前能夠浮在水上；浮體底座上兩個(gè)相鄰側(cè)面上等高程布置的通槽垂直且相交，能夠增大浮體底座內(nèi)的凍結(jié)面積且在水結(jié)冰過程中在內(nèi)部形成相互交錯(cuò)的冰條，使得漂浮式靶標(biāo)能夠與冰層穩(wěn)固連接而與冰層同步變形。

37、4、標(biāo)識(shí)在其除頂面和底面外的其余四個(gè)側(cè)面上安裝相同的標(biāo)識(shí)牌，確保當(dāng)標(biāo)識(shí)在水面上漂浮而發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，全站儀都能夠識(shí)別到其上安裝有標(biāo)識(shí)牌的其中一個(gè)側(cè)面；各標(biāo)識(shí)牌的邊緣處均設(shè)有反光條，保證在陰天及夜間的弱光環(huán)境下全站儀能夠快速捕捉和識(shí)別到標(biāo)識(shí)，確保觀測(cè)的連續(xù)性。

38、5、通過在水庫(kù)左右岸岸坡分別布置全站儀和同軸棱鏡，采用自動(dòng)化同步觀測(cè)的方法，實(shí)現(xiàn)觀測(cè)數(shù)據(jù)的相互校核和誤差抵消，同時(shí)提出了冰層任意點(diǎn)的實(shí)時(shí)絕對(duì)表面變形以及同一測(cè)線或不同測(cè)線各測(cè)點(diǎn)之間相對(duì)變形的計(jì)算方法，較傳統(tǒng)方式，顯著提高了觀測(cè)效率和觀測(cè)結(jié)果精度，而且可繪制生成整個(gè)冰層的表面變形場(chǎng)圖，實(shí)現(xiàn)觀測(cè)成果的可視化。