曹娥江大閘樞紐工程控制網(wǎng)的研究與實施

王文昱

(浙江省水利水電勘測設計院,浙江 杭州 310002)

1 工程概況

曹娥江大閘樞紐工程是國家批準實施的重大水利項目,是我國在河口地區(qū)建設的第一大閘,是浙東引水工程的標志性工程和龍頭工程,位于浙江省紹興市,錢塘江下游南岸主要支流曹娥江河口,是《曹娥江流域綜合規(guī)劃》、《錢塘江河口尖山河段整治規(guī)劃》中的關鍵性工程,也是浙東引水工程的配水樞紐。

大閘工程由擋潮泄洪閘、堵壩、導流堤、閘上江道防洪堤腳加固工程等組成。擋潮閘總寬697 m,閘孔總數(shù)28孔,每孔20m,堵壩長785 m,導流堤長510 m,為大 (1)型水閘工程。與大閘配套的閘前大橋工程在大閘上游1 km處,大橋全長約2.2 km,包括主橋、引橋、引道3部分,為雙向8車道的城市橋梁,主橋采用4跨預應力混凝土連續(xù)鋼構橋。

曹娥江大閘樞紐工程于2003年10月1日動工興建,2008年11月27日通過了下閘蓄水階段驗收。同年12月18日曹娥江大閘正式下閘蓄水。

2 控制網(wǎng)方案設計和建立

根據(jù)工程規(guī)模,平面控制網(wǎng)的等級為二等,基準系統(tǒng)采用與可行性研究階段一致。

由于曹娥江大閘、大橋工程所在地是新圍墾區(qū),地質條件相當差,區(qū)域沉降十分嚴重,因此,工程對高程方面有很高的要求,既要考慮到施工期間的用途,更要考慮到大閘、大橋建成后長期運行使用的沉降變形觀測的需要,所以,確定高程控制為二等精度,采用 1985國家高程基準。

2.1 平面控制網(wǎng)

2.1.1 網(wǎng)形布設研究

利用曹娥江河口附近在可行性研究階段所布置的點作為起算點和起算方向,布設獨立的GPS控制網(wǎng)。根據(jù)大閘、大橋的相互位置關系,同時考慮到河口兩岸的交通情況、施工通視條件及其他方面的因素,平面控制網(wǎng)在施工期間和竣工后作為變形測量的基礎,左岸新設3點,右岸新設2點,網(wǎng)形布設見圖1。B4點的位置主要是由于大橋的原因,考慮到施工期間要與同一岸的B5通視,從而設在橋的下游。

2.1.2 觀測標墩的建造

該地區(qū)地質條件較差,右岸的2點觀測標墩建在堤岸上,基礎下面每點打入15根2 m長直徑15 cm的松木樁,以減少標石的沉降?；炷翗硕栈A開挖至地表下1.1 m深,底部長0.8 m、寬0.8 m,地表上觀測墩底盤1.4 m×1.4 m,高0.2m,澆筑混凝土后插入4根螺紋鋼。底盤凝固后安上1.2 m觀測墩立柱模板,在其中綁扎鋼筋,加4根腰圈,強制對中盤的立柱與觀測墩中的第1圈腰圈連接,并用微調螺旋將強制對中盤整平。左岸B1觀測墩設立在1座老閘的頂上,另2點分別利用工程前期為了大閘樁基所設立的承載測試樁。因B3點位要吹填至堤頂?shù)母叱?故在樁上加高至與堤頂高再建造觀測墩。觀測墩表面貼紅色花崗巖,建設單位、測量單位、觀測墩編號和設立時間用金色字體刻在花崗巖朝向江道的一面。

圖1 曹娥江大閘樞紐工程二等平面控制網(wǎng)略圖

2.1.3 控制網(wǎng)的施測

GPS觀測采用拓普康 (TOPCON HIPER)雙頻接收機,其標稱精度為(3+1)mm/km(規(guī)范規(guī)定為(5+2)mm/km)。在施測前對整個控制網(wǎng)的網(wǎng)形和同步觀測環(huán)圖形進行了設計,根據(jù)測區(qū)的平均經(jīng)、緯度和作業(yè)日期編制了衛(wèi)星可見性預報表和根據(jù)時段要求的作業(yè)計劃進度表[1]。

GPS靜態(tài)測量作業(yè)的基本技術要求和實測情況見表1。

表1 GPS靜態(tài)測量作業(yè)的基本技術要求和實測情況表

采用TOPCON-HIPER隨機軟件Pinnacle進行平差計算。檢驗同步環(huán)、異步環(huán)坐標分量閉合差及全長閉合差,檢驗復測基線的長度較差。以所有獨立基線組成GPS網(wǎng)空間向量,先在WGS-84坐標系統(tǒng)中進行三維無約束平差,然后進行二維約束平差。全網(wǎng)用徠卡TC1800全站儀施測了2條基線邊,作為控制網(wǎng)擬合計算的邊長,以D5點作為起算點,以D1作為方向計算各點坐標成果。此平面控制網(wǎng)的建立,滿足了工程施工的需要。

2.2 高程控制網(wǎng)

2.2.1 高程控制網(wǎng)布設

由收集的資料分析,測區(qū)附近沒有高等級的國家基巖(或巖基)水準點,而普通水準點都存在不同的沉降,經(jīng)過反復分析論證,決定采用距工程約40 km的巖層水準點作為起始點。從實地對標石的考證,該點穩(wěn)定可靠。在高程控制路線的中間有馬鞍山,距離曹娥江河口約20 km,在這個位置設立了2座巖層水準標石,作為以后高程控制的起算點。沿線的其他點設在橋、閘或房角上作為過渡點。

施工前在工程區(qū)共設6座水準標石,分別位于B1點下面水閘的閘肩、4個觀測墩的底座以及右岸錢塘江邊的閘上。

水準線路布設為1條閉合路線,從已知的巖層水準標石出發(fā),途經(jīng)2座新設立的巖層水準點、過渡點、大閘大橋工程區(qū)的水準點,最后閉合到已知點,組成1個環(huán)形。其中河口兩岸通過跨河水準測量方式聯(lián)接,其他路段采用直接水準方式施測。

高程控制點的布置見圖2。

圖2 曹娥江大閘樞紐工程二等高程控制示意圖之一

2.2.2 高程控制測量

高程控制測量分為直接水準測量和跨河水準測量,直接水準測量分為3個分段。內業(yè)計算使用由武漢大學編制的科傻測量平差軟件進行平差。

2.2.2.1 直接水準測量

水準測量采用蔡司Dini 12電子水準儀,條形碼銦鋼水準標尺施測,它是高精度電子水準儀,每公里往返測中誤差僅0.3mm,具有測量速度快、讀數(shù)客觀、精度高、測量數(shù)據(jù)便于輸入計算機和容易實現(xiàn)水準測量內外業(yè)一體化的特點。

每個分段內連續(xù)進行所有測段的往測,隨后進行返測,往返測的上下午測站數(shù)同午的站數(shù)控制在分段總站數(shù)的30%以內[2]。視線長度、前后視距差、視距差累積、視線高等參數(shù)預先設置到儀器內。根據(jù)氣象條件掌握好觀測時間,保證觀測質量,提高成果精度。

2.2.2.2 跨河水準測量

曹娥江下游沒有橋梁,如果通過直接水準接測量兩岸的水準點,則需要繞行80 km,這樣一來會增加大量的工作量,同時會影響施測成果精度。于是考慮在水準路線中進行2次跨河光電測距三角高程測量。根據(jù)有關規(guī)范要求[3],二等跨河光電測距三角高程測量的最大視線長度為600 m,而曹娥江河口的江面寬度一般都在1 500 m左右,但當時大閘圍堰已建成,這樣在河中間的圍堰處到對岸的江面已經(jīng)大大的變窄了。經(jīng)過實地的踏勘選線與測量,在圍堰處的江面寬度正好小于600 m,并且此處視線距水面的高度大于3 m,而兩岸堤的高差只有0.2 m,這些都能很好地滿足規(guī)范的要求,決定進行二等跨河水準測量。

(1)跨河水準網(wǎng)的選擇及布設?？绾铀疁示W(wǎng)的選擇及布設見圖3,在圖中A、B、C、D點埋設固定的混凝土水準標石,E、F點埋設簡易水準標石。

圖3 二等跨河水準示意圖

(2)跨河水準測量。二等跨河水準測量所采用的儀器是Leica TC1800全站儀,配套的Leica棱鏡及覘板,量高桿及水準尺。用二等水準接測同一岸的A、B、E(另一岸為D、C、F)之間的高差,然后在任一點架設儀器,在本岸相鄰點豎立水準尺,將望遠鏡調至90°讀取水準尺的讀數(shù),然后將望遠鏡調制270°再讀取水準尺的讀數(shù)。這樣就可以通過2點間的高差及水準尺的讀數(shù)計算出測站點的儀器高。覘標高使用量高桿量取,首先用量高桿量出基座光學對點器底部玻璃板的高度,再加上在室內量取出的基座光學對點器底部玻璃板至棱鏡中心長度就可以得到覘標高。在A點用中絲法以6個測回觀測對岸C、D覘板的天頂距ZAC、ZAD,再測邊長SAC、SAD。測完4測回邊長后搬至B站。B站測完后,儀器和覘牌互相調岸,分別在D和C觀測A、B。這樣完成了1組往返測。同理可完成另一組往返測。

使用上述方法再觀測大地四邊形EBCF。

(3)跨河水準計算。對所測邊長進行各種改正計算,計算相關2點間的高差。大地四邊形用武漢測繪科技大學編制的科傻測量平差軟件進行平差,以距離平方的倒數(shù)為權。

3 控制網(wǎng)的復測與深層基岸標的建立

平面控制網(wǎng)首次觀測后,根據(jù)工程地區(qū)的地質條件以及施工的進展,在1.5 a后又進行了復測。前后2次成果進行了對比,除B3點坐標有34mm偏差外,其他各點2次坐標差均在10 mm以內,經(jīng)分析B3是由于點吹填加高的原因產(chǎn)生一定的位移。

高程控制網(wǎng)以馬鞍山巖層水準標石作為起算點進行了多次復測,通過對各次水準測量成果的對比分析,發(fā)現(xiàn)各點都存在不同程度的沉降,右岸大堤每年的沉降量在40～50 mm,2個原有水閘每年的沉降量為12～18 mm,位于施工區(qū)內的大閘樁基承載測試樁上的曹2點每年的沉降量為18 mm,而曹3在第2次測量時就發(fā)現(xiàn)巨大的沉降(達180 mm),原因是該點所在區(qū)塊于2004年下半年完成吹填至堤頂?shù)耐?使整個區(qū)域連同曹3一起下沉。以后的時間段內,該點的下沉速率也要比其他各點大得多。

針對這一情況,為滿足工程施工以及建成后工程監(jiān)測和管理工作,大閘管委會于2006年7月在曹娥江的左右岸分別建設了1座深層基巖水準標,左岸基巖標 (曹左基)在100.13 m見基巖,106 m以下為完整基巖,其巖性為砂巖,保護管下入位置在107.97 m,標桿下入深度為120.69 m;右岸基巖標 (曹右基)在96.54 m見基巖,100 m以下為完整基巖,其巖性為凝灰?guī)r,保護管下入位置在103.03 m,標桿下入深度為120.10 m。2座基巖標標桿均進入完整基巖超過10 m[4]。

2006年9月閘前大橋貫通后尚未通車時,自馬鞍山巖層水準標石用二等水準接測了曹娥江兩岸各水準點的高程(見圖4)。

4 精度統(tǒng)計

4.1 平面控制網(wǎng)精度

2004年5月,二等GPS平面控制網(wǎng)的最弱相鄰點邊長相對中誤差為1/383 000＜1/250 000(規(guī)定);

圖4 曹娥江大閘樞紐工程二等高程控制示意圖之二

2005年12月,二等GPS平面控制網(wǎng)的最弱相鄰點邊長相對中誤差1/287 000＜1/250 000(規(guī)定)。

4.2 高程控制網(wǎng)精度

各次水準測量的精度見表2。

表2 各次水準測量的精度表

由于采用了先進的技術設備,對工程控制網(wǎng)進行了精心的設計和嚴格的實施,控制網(wǎng)各次測量的精度完全達到了規(guī)定的要求,為大閘樞紐工程的建設提供了重要的基礎資料。

5 結 語

曹娥江大閘樞紐工程控制網(wǎng)技術路線合理嚴謹,實施手段先進,數(shù)據(jù)處理正確。在布網(wǎng)設計、觀測墩建造、水準點造標、GPS觀測、水準測量、數(shù)據(jù)處理及復測等各個環(huán)節(jié)均精心設計、嚴謹實施,成果質量優(yōu)秀。布設的強制對中觀測標墩和深層基巖水準標石,為工程施工建設以及竣工后的變形監(jiān)測打下很好的基礎。本測量控制網(wǎng)的研究和實施可供類似區(qū)域的工程建設借鑒,并具有一定的推廣性。

[1]劉基余,李征航,王躍虎.全球定位系統(tǒng)原理及其應用 [M].北京:測繪出版社,1999.

[2]國家測繪局測繪標準化研究所.GB 12897—91國家一、二等水準測量規(guī)范 [S].北京:中國標準出版社,1992.

[3]中國葛洲壩水利水電工程集團有限公司.DL/T 5173—2003水電水利工程施工測量規(guī)范 [S].北京:中國電力出版社,2003.

[4]史君超,李娟,方智.浙江省曹娥江大閘樞紐工程深層基巖標建設 [M]//浙江省水利學會,浙江省水力發(fā)電工程學會.地方水利技術的應用與實踐 (第10輯).北京:中國水利水電出版社,2007.