水电站施工控制网的技术设计和测量

水电站施工控制网的技术设计和测量

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1 前言

四川是我国水电资源大省，尤其是川西地区水电资源十分丰富，但该地区河流均为峡谷河流，流量较小，而落差很大，普遍以隧洞引水式电站进行开发。由于工程施工范围为狭长区域，施工测量控制网又必须覆盖整个施工区，狭长的测量控制网包含有许多不利因素，如误差传递路线较长、最弱点精度较差、点位精度难以控制。在狭长地带布设普通精度的控制网（如四、五等三角网和三、四等光电测距导线等），已有比较丰富的经验，但布设高精度控制网的实践经验还不多。

2 工程及测区概况

福堂水电站位于四川省阿坝藏族羌族自治州汶川县境内的岷江上游，是一座低闸引水式电站，闸高约30m，引水隧洞为有压隧洞，长度约20km，总装机容量为36万k W，地面厂房安装4台机组。工程总体布置由闸坝（包括泄洪闸、排沙闸和隧洞进水闸）、引水隧洞、10个施工支洞、调压井、压力管道和厂房等建筑物组成。

测区两岸山坡地形陡峭，攀登极为困难。高压输电线也较多，高压输电线塔杆的位置

一般都是地形较好的位置，给施工控制网选点工作造成极大的困难，同时也会严重影响电磁波测距精度和GPS测量精度。测区气候恶劣，上午有雾，午后有大风，观测时间较短，严重影响测量精度和进度。

3 网型设计

该水电站引水隧洞长约20km，施工支洞多达10个，引水隧洞之长、枢纽范围之大是国内罕见的。由于施工测量控制网控制范围太大，控制网的等级必须选择为二等才能满足施工测量的精度要求。因受地形条件和测区困难程度的限制，布设三角网和边角网均有相当大的困难，受图形条件的限制，三角网和边角网的点位必然要设置在很高的地方，不便于工程施工放样测量，布设二等光电测距导线又满足不了施工测量的精度要求，且缺乏检验条件，不能保证测量成果的准确性，因此采用边角混合网形式布网。由于测区为狭长地带，二等边角混合网多是沿河布设，网型强度差，方位角传递误差较大。而GPS测量的方位角精度比较高，根据Ashtech测量型GPS接收机有关技术资料，静态测量的方位角标称测量中误差为±［（0.15″＋1.5″）/L］，L为两点间的距离。本网选择的GPS边最短为1．338km，则方位角测量的中误差最大为±1.27″，完全可以作为二等边角混合网的起算方位角。因此，采用GPS测量的方位角作为控制网的加强方位角（即作为起算方位角），在测区中部的FT11—FT12、厂区的FT02—FC03和坝区的FB06—FB07三对点上测量三个GPS方位角，用以控制二等边角混合网的方位角精度。

在测区内布设二等边角混合网及二等水准路线作为首级的平面和高程控制网，其中首级平面控制网的主要功能是满足和保证引水隧洞施工放样的精度需要，并能够利用这个网在厂区、坝区和各支洞口等处加密三等控制网，点位选择首先应满足工程适用。

二等网共布设25个控制点，在厂、坝区和各支洞口处各布设一个由4～5个点组成的

三等边角网作为各施工区的施工放线用的控制网，其中八、九号两支洞口相距较近，两支洞口联合布设一个由5点组成的三等边角网。

厂区和坝区的全部控制点均采用带有强制对中装置的钢筋混凝土墩标结构。为保证GPS测量的方位角具有较好的精度，作为二等边角混合网的起始坐标方位角的GPS方位点，其测量标志也采用钢筋混凝土墩标结构；其他二等边角混合网控制点和各支洞口的三等边角网控制点则均采用普通地面标志。

4 拟用的测量仪器

GPS测量拟用三台套Leica WILD200型双频GPS接收机，接收机的标称精度为5mm＋1×D×10－6。角度测量拟用Leica T2002电子经纬仪，仪器标称精度为±0.5″。距离测量拟用Leica DI2002光电测距仪，仪器标称精度为±（1mm＋1×D×10－6）。水准测量拟用Zeiss NI002水准仪，仪器标称精度为±（0.2～0.3） mm／km。

5 控制网精度的预期分析

5.1 平面控制网精度分析

平面控制网按照两级布设，一级网为二等边角混合网，二级网为三等边角网，二等边角混合网由三个GPS测量的方位角作为坐标方位角条件。根据《水利水电施工规范》的规定，（非水工隧洞区）最末一级平面控制点相对于同级起始点或邻近高一级控制点的点位中误差应不大于±10mm；水工隧洞区按照地下洞室测量的要求布设洞外地面控制网，其洞外地面控制网贯通误差分配为，横向误差±30mm～±45mm，纵向误差±60mm～±90mm。按照测距标称中误差±（1mm＋1×D×10－6）及二、三等水平角测量中误差分别为±

1.0″和±1．8″进行精度估算得出，厂区和闸区三等边角网的最弱点点位中误差分别为±4.77mm和±5.70mm；各相邻支洞口控制网最弱点的相对点位中误差分别为±7.86mm、±9.40mm、±5.82mm、±7.69mm、±9.61mm、±9.93mm、±13.82mm和±13.06mm，其中八、九号两

支洞口按一个支洞口统计，均在规范允许误差范围之内。若再以四等测角精度（测角中误差为±2．5″）单方向加密测量洞口点，设测距中误差为±（3mm＋2×D×10－6），平均边长以500m计算，则洞口点的测量中误差为±7.2mm，相邻支洞口最大的相对点位中误差为±17.2mm，也均满足规范（SL52－93）规定的隧洞区施工放线的精度要求。

5.2 边长精度分析

根据《水利水电工程施工测量规范》（SL52－93）要求，二等边角混合网平均边长相对中误差应不低于1／25万，二等边角混合网的平均边长为1 674m，得边长中误差ms＝±6.69mm。由下式可知：ms2＝（D/S·md）2＋（h／S·mh）2，式中md是测距仪测距精度，边角混合网各边的平均垂直角不大于10°。取平均垂直角为10°，由上式可以计算出两点间高差测量中误差应不大于mh＝±35.3mm。若以三角高程测量的高程进行边长改算，由高差计算公式h＝S·tan＋k－1＋r，其中r为球气差，采用对向观测，可以认为球气差的影响大部分会得到有效地消除；仪器高和棱镜高的量取精度以±1．0mm计，S取平均边长1 670m，天顶距观测采用中丝法6测回，测角中误差可以达到±2.5″，则垂直角测量中误差取±2.5″。根据高差计算公式转换成中误差形式就有：mh2＝（D／（cosα）2·mβ/ρ）2＋1．02＋1.02，同样取垂直角α＝10°，得三角高差测量中误差mh＝±21．0mm，小于上述mh＝±35.3mm的限值。本网拟采用平差后的三角高程网的高程进行边长改算，高程精度较之以上所述还会有所改善。显然，采用三角高程测量并经高程网平差后的高程进行边长改算，是完全可以满足精度要求的。

6 作业要求

控制网观测执行《全球定位系统（GPS）测量规范》（CH2001－92）、《水利水电工程施工测量规范》（SL52－93）和《国家一、二等水准测量规范》（GB12897－91）。

此外，为了满足二等测距边的斜距改平距的精度需要，将所有直接边采用三等光电测距三角高程测量测定高差，用二等水准联测部分平面控制点的高程，并以这些高程作起算数据，将二等边角混合网和厂区、坝区及各支洞口的三等边角网的三角高差观测值，组织在一起进行三角高程网的整体平差，然后采用三角高程网的平差结果对距离观测值进行斜距改化为平距的计算。

7 作业情况及精度统计

平面及高程控制网观测均采用上述拟用的仪器进行。GPS测量按B级静态定位模式作业，6个点组成两个大地四边形，共观测11条基线，每条基线均观测两个时间段，各时间段同时观测的时间分别超过150min和90min。观测前根据各点位的实际地形条件进行卫星可见性预报，选择最佳时间段观测。基线向量采用Leica SKI2．3随机软件包进行解算，采用Lkgpsadj（v1.02）商品软件包进行平差计算，并用西南交通大学的GNAS平差软件进行校算。平差后最大方位角的中误差为±0.72″，符合作为二等起算方位角的精度要求。GPS测量边长和方位角的精度统计见表1。从表中可以看出，方位角精度与其所对应的边的长度有着非常紧密的联系，这与前面所提到的方位角标称误差的表达式也是一致的。提高GPS测量方位角的精度，不单纯是提高测量等级，还可以增大其对应的两点间的距离。GPS测量的边长与DI2002测距的相应边长的比较见表2。表2表明，GPS边长精度达到了仪器标称精度要求，同时说明采用GPS方位角成果也是可靠的。

在二等平面控制网技术设计中应观测76个方向和38条边，实际观测了78个方向和45条边。二等平面控制网网型结构见图1（因网型结构复杂，图中省略了三等网点），最大边长为2 812.2m，由于加测了部分短边，最短边长由设计时的483m缩短为229．8m，平均边长1 536.0 m。平差后最弱直接边的边长中误差为1／26.3万，完全符合规范（SL52－93）规定的平均边长相对中误差1／25万的要求。由中部的GPS方位角经不同路线推算至两端的GPS方位角，其闭合差最大为＋3.59″，全部符合限差要求。采用三个起算方位角进行平差与只用一个起算方位角的完全自由网的平差结果进行比较，最大边长和方向观测值改正数、验后测角中误差和最弱直接边相对中误差没有明显的差异，说明了由于GPS方位角间的相对精度极高，作为起算方位，在平差中不会扭曲原来二等网的网型结构。起算方位角（GPS方位角）条件闭合差统计和两种网型平差结果比较见表3、4。

三等平面控制网和二等水准测量完全按照技术设计施测，测量精度优于技术设计。二、三等平面控

制网观测时仪器采用强制对中，这对提高角度测量的精度有非常明显的作用。测角精度统计见表5。

二等网估算的和实际测量的点位精度统计见表6，表中FT11为二等网的起算点。

8 结论与建议

GPS测量的方位角精度较高，只要GPS点的天顶角条件满足GPS测量精度要求，观测时间、方法满足相应等级的要求，GPS测量的方位角就可以作为高精度控制网的方位角附合条件，加强控制网的绝对定位。

GPS测量方位角的精度与其所对应边的长度有非常紧密的联系，提高GPS测量方位角精度的途径，不单纯是提高测量等级，还可以增大其对应的两点间的距离。

采用多个位置方位角条件的控制，对加强网形定位和提高网的整体精度有非常明显的作用。在狭长地带布设高精度控制网，采用GPS测量方位角作为高精度控制网的方位角的附合条件，是保证控制网精度的一种经济、快速和非常有效的作业方法。

参考文献

[1］水利部，电力工业部．水利水电工程施工测量规范（SL52－93）［S］.北京：水利水电出版社,1994．

[2］国家测绘局．全球定位系统（GPS）测量规范（CH2001－92）［S］．北京：测绘出版社，1992．

[3］武汉测绘学院测量教研室，同济大学大地测量教研室．控制测量（下）［M］．北京：测绘出版社， 1988．

[4］周忠谟，易杰军，周琪．GPS卫星测量原理与应用［M］．修订版．北京：测绘出版社，1995．56