位于高山峽谷地區(qū)的水電站平面控制網(wǎng)建設(shè)

付 慶 偉

(四川中水成勘院測繪工程有限責任公司，四川 成都 610072)

1 概 述

由于GPS在布設(shè)控制網(wǎng)方面具有可全天候觀測、觀測時間短、布設(shè)靈活、控制點之間相對精度高、觀測處理自動化等優(yōu)點，已被廣泛應(yīng)用到各類工程的施工控制網(wǎng)建設(shè)中。常規(guī)控制網(wǎng)要求相鄰點之間必須保證互相通視，但高山峽谷地區(qū)由于地形條件限制，往往不能完全滿足互相通視的要求，而GPS控制網(wǎng)在此方面具有非常明顯的優(yōu)勢。高山峽谷地區(qū)水電資源豐富，水電工程一般都在峽谷的谷底布置，但GPS測量的天空角條件特別差，而河谷左岸和右岸控制點的天空角條件又處于完全相反的方向，不僅使接收到信號的相同衛(wèi)星數(shù)量較少而導(dǎo)致多余觀測值較少，而且由于天空角較小，使得交會的精度受到嚴重影響。因此，在高山峽谷地區(qū)建立高精度GPS帶狀控制網(wǎng)有一定的困難，需要進行試驗和探討。筆者通過金沙水電站平面控制網(wǎng)的建設(shè)，探討了施工控制網(wǎng)的布設(shè)、數(shù)據(jù)處理、質(zhì)量控制和精度統(tǒng)計等方面的內(nèi)容。

2 金沙水電站工程控制網(wǎng)建設(shè)

2.1 工程概述

金沙水電站位于金沙江干流中游末端的攀枝花河段上，是上游觀音巖水電站和下游烏東德水電站之間金沙江干流河段的銜接梯級電站，為《金沙江干流綜合規(guī)劃報告》中推薦梯級開發(fā)方案中的重要樞紐，壩址位于四川省攀枝花市西區(qū)，控制流域面積25.89萬km2，多年平均流量1 870m3/s，年徑流量590億m3。

金沙水電站設(shè)計正常蓄水位高程1 022 m，電站裝機容量560 MW，保證出力110.1 MW，多年平均發(fā)電量23.18 億kW·h。金沙水電站發(fā)電為其主要功能，兼有供水、改善城市水域景觀和取水條件及對觀音巖水電站具有反調(diào)節(jié)作用等。

金沙水電站工程的概略位置：東經(jīng)101°37’～101°40’，北緯26°34’～26°36’，地處深山峽谷，測區(qū)內(nèi)高程約1 000 m以上，地形交通條件十分復(fù)雜，從而給控制網(wǎng)布設(shè)和觀測工作帶來不利影響。

2.2 布網(wǎng)原則

建網(wǎng)過程中，充分考慮了控制網(wǎng)精度需要，盡可能地優(yōu)化了首級控制網(wǎng)的網(wǎng)型，減小了由于網(wǎng)型結(jié)構(gòu)帶來的系統(tǒng)誤差；同時，考慮到測區(qū)內(nèi)邊坡穩(wěn)定性及不均勻沉降對控制點穩(wěn)定性的影響，以及測區(qū)的氣象、水文、地質(zhì)條件對確定建網(wǎng)時間和測量作業(yè)時間的影響；控制網(wǎng)除滿足布網(wǎng)要求外，還考慮了施工加密控制網(wǎng)布測的需要。其網(wǎng)型結(jié)構(gòu)見圖1。

2.3 施測方案

結(jié)合項目現(xiàn)場情況，為保證控制網(wǎng)的精度，采用6臺Trimble雙頻接收機對控制網(wǎng)按照靜態(tài)相對定位方式進行施測。施測前，依據(jù)測區(qū)的平均經(jīng)、緯度和作業(yè)日期編制了GPS衛(wèi)星可見性預(yù)報表，根據(jù)該表進行了同步觀測環(huán)設(shè)計及觀測時間段設(shè)計，編制了作業(yè)計劃進度表。衛(wèi)星高度角大于15°，有效衛(wèi)星數(shù)大于5顆，幾 何 強 度 因 子PDOP小于6，數(shù)據(jù)采樣間隔為15 s。控制網(wǎng)采用邊連接形式布測且遵循以下原則：重復(fù)設(shè)站率不小于2，網(wǎng)中每點至少有3條獨立基線與之相連接。觀測分兩步進行:(1)控制網(wǎng)聯(lián)測：選取首級控制網(wǎng)的3個網(wǎng)點(JⅡ02、JⅡ07、JⅡ11)與3個Ⅱ等國家三角點同步觀測，觀測2個時段，每個時段長度不少于4 h，將國家點坐標引至測區(qū)；(2)首級施工控制網(wǎng)觀測：采用6臺GPS接收機按二等GPS網(wǎng)的要求按邊連接實施，觀測2個時段，每個時段長度不少于4 h，天線高量取至天線標志中心，每時段觀測前后各量取天線高一次，兩次較差小于2 mm，取平均值至0.1 mm。

圖1 攀枝花金沙水電站平面控制網(wǎng)示意圖

2.4 技術(shù)指標

該施工控制網(wǎng)按二等網(wǎng)布設(shè)，平面精度應(yīng)滿足最弱邊相對中誤差1/150 000、最弱點點位中誤差±5 mm的要求。

3 數(shù)據(jù)處理

3.1 平面坐標系統(tǒng)

根據(jù)工程特點和甲方需要，施工控制網(wǎng)采用以下坐標系統(tǒng)：

(1)國家坐標系：1954年北京坐標系，3度分帶，中央子午線102°，高斯正形投影成果；

(2)抵償坐標系：1954年北京坐標系，中央子午線102°，邊長投影至990 m高程面坐標成果；

(3)工程獨立坐標系：大壩坐標系(Y軸平行于壩軸線指向右岸，X軸垂直于壩軸線指向下游坐標系)，投影高程面為990 m(圖2)。

3.2 起算數(shù)據(jù)檢驗

起算數(shù)據(jù)為國家Ⅱ等三角點，分別為“楊家、坪”、“小營盤”和“力子非”。經(jīng)過對起算點設(shè)站觀測進行檢驗，確認“力子非”與“楊家坪”和“小營盤”的兼容性較差，因此在平差計算時以“力子非”為檢查點，以“楊家坪”和“小營盤”為起算點。

圖2 大壩獨立坐標系示意圖

3.3 基線解算和觀測數(shù)據(jù)檢驗

GPS觀測數(shù)據(jù)的基線處理采用美國Trimble公司商業(yè)辦公軟件 TBC進行。外業(yè)檢驗中相鄰點間的弦長精度按下式進行計算。

同步環(huán)各坐標分量閉合差及環(huán)線全長閉合差滿足以下規(guī)定：

異步環(huán)各坐標分量閉合差及環(huán)線全長閉合差滿足以下規(guī)定：

GPS控制網(wǎng)復(fù)測基線和環(huán)線閉合差較差均滿足《水電水利工程施工測量規(guī)范》(DL/T 5173—2012)相關(guān)精度要求，表明外業(yè)觀測數(shù)據(jù)正確、可靠。

3.4 控制網(wǎng)平差

(1)在1954年北京坐標系下控制網(wǎng)平差：以國家二等三角點“楊家坪”和“小營盤”作為起算點使用Power Adj4.0軟件進行約束平差計算，TBC軟件進行校核計算，求得壩區(qū)施工控制網(wǎng)12個點(JⅡ01～ JⅡ12)的1954年北京坐標系成果。

以所求得的JⅡ02坐標為起算坐標，JⅡ02至JⅡ11的方向角(286°33′28.98″)為起算方位角，對施工控制網(wǎng)中12點進行無約束平差，從而求得1954年北京坐標系，中央子午線102°，3度分帶，高斯正形投影成果。

(2)在高程面990 m上控制網(wǎng)平差：以(1)中JⅡ02的1954年北京坐標系下的成果作為起算坐標，JⅡ02至JⅡ11的方向角(286°33′28.98″)為起算方位角，將GPS觀測邊及TCA2003往返精密測距邊平均值投影至990 m，采用長江勘測科技研究所研制的軟件“平差數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)”進行無約束網(wǎng)平差，得到抵償系坐標中的成果。

(3)在大壩獨立坐標系下控制網(wǎng)平差：取大壩最右岸導(dǎo)流孔右側(cè)壩段間分縫線與壩軸線交點為基點(設(shè)坐標為X大壩=5 000、Y大壩=464 500)，對樞紐進行旋轉(zhuǎn)，使壩軸線與大壩坐標系坐標軸正交，Y軸平行于壩軸線指向右岸，X軸垂直于壩軸線指向下游,以旋轉(zhuǎn)后的JⅡ02大壩坐標(X=5 064.356 3，Y=464 654.524 3)作為起算坐標，旋轉(zhuǎn)后的JⅡ02至JⅡ11方向角(267°01′48.58″)為起算方位角( 將GPS觀測邊及TCA2003往返精密測距邊平均值投影至990 m)，采用 “平差數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)”進行統(tǒng)一平差(采用Power Adj4.0進行校核計算)，得到工程獨立坐標系的成果。

4 精度統(tǒng)計

表1列出了“力子非”1954年北京坐標系下的檢驗成果，將其與原有成果相比，該點位在東西方向出現(xiàn)了較大的位移。

表2列出了1954年北京坐標系下控制網(wǎng)中相鄰最弱邊JⅡ01-JⅡ03的邊長相對中誤差，其相對精度滿足技術(shù)要求。表3為1954年北京坐標系下的加密點位精度統(tǒng)計，各點位均滿足5 mm的技術(shù)要求。

表1 起算點檢核表

表2 最弱邊長相對中誤差表

表3 點位精度統(tǒng)計表

5 結(jié) 語

大型結(jié)構(gòu)體如水電站大壩或軌道交通的施工、運營和維護離不開平面高精度控制網(wǎng)的建設(shè)，因此，布設(shè)并維持高精度控制網(wǎng)是非常有必要的。筆者通過金沙水電站的平面控制網(wǎng)建設(shè)，介紹了高精度控制網(wǎng)布設(shè)、觀測和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理的流程，最后對成果進行了精度統(tǒng)計。結(jié)果表明，控制網(wǎng)精度滿足設(shè)計要求。

參考文獻：

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