南水北調(diào)東線泗洪站工程施工坐標(biāo)系的建立

顧亞平，王 丞，丁旭東

(淮安市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 淮安 223005)

1 引言

水利工程控制網(wǎng)的布設(shè)一般分為規(guī)劃設(shè)計(jì)階段和施工階段，規(guī)劃設(shè)計(jì)階段是為了滿足規(guī)劃設(shè)計(jì)工作需要，可理解為測(cè)圖控制網(wǎng)，而施工階段布設(shè)的控制網(wǎng)主要是為了施工放樣，它具有控制范圍小、點(diǎn)位密度大、精度要求高、使用較為頻繁等特點(diǎn)。

規(guī)劃設(shè)計(jì)階段的坐標(biāo)系通常采用國(guó)家坐標(biāo)系統(tǒng)或與其相聯(lián)系的獨(dú)立坐標(biāo)系。而施工坐標(biāo)系通常是以建筑物的主要軸線作為坐標(biāo)軸而建立起來(lái)的局部坐標(biāo)系統(tǒng)，施工坐標(biāo)系宜與規(guī)劃設(shè)計(jì)階段的坐標(biāo)系一致，也可根據(jù)需要建立與規(guī)劃設(shè)計(jì)階段的坐標(biāo)系統(tǒng)有換算關(guān)系的施工坐標(biāo)系。如何正確建立施工坐標(biāo)系，直接關(guān)系到工程施工的進(jìn)度與工程質(zhì)量。不同的工程類(lèi)型其建網(wǎng)的手段與方式也不盡相同。但無(wú)論怎樣，施工控制點(diǎn)都是被直接或間接地用來(lái)指導(dǎo)施工的，因此在建立施工坐標(biāo)系時(shí)必須充分考慮各方面因素，使所建立的施工控制網(wǎng)不僅在主要技術(shù)指標(biāo)上要相對(duì)優(yōu)越的，而且要方便施工放樣。

2 工程概況

泗洪站樞紐位于江蘇省泗洪縣朱湖鄉(xiāng)東南的徐洪河西側(cè)，東經(jīng)118°22'，北緯33°30'，是南水北調(diào)東線一期工程第四梯級(jí)泵站之一，工程包括調(diào)水泵站、進(jìn)水擋洪閘、船閘、徐洪河節(jié)制閘、利民河排澇閘以及管理設(shè)施等。樞紐總體布置采用泵站分建，船閘與節(jié)制閘部分結(jié)合方案，泵站布置于徐洪河西側(cè)，船閘布置于東側(cè)，船閘與泵站間布置徐洪河節(jié)制閘。

工程占地約1600畝，總投資5.6億元，建設(shè)工期4年。建成后與睢寧站、邳州站一起，通過(guò)徐洪河向駱馬湖輸水。泗洪站樞紐工程，是我省運(yùn)西輸水線上首座開(kāi)工建設(shè)的泵站工程，工程投資大、技術(shù)復(fù)雜、建設(shè)工期長(zhǎng)。工程建成后，實(shí)現(xiàn)向北調(diào)水120m3/s目標(biāo)，工程集調(diào)水、排澇、擋洪和航運(yùn)交通等多種功能為一體，不僅對(duì)提升向北供水能力具有關(guān)鍵作用，而且對(duì)提高工程所在地區(qū)防洪、排澇能力，促進(jìn)地方社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有積極意義。

3 勘測(cè)設(shè)計(jì)階段布設(shè)的平面控制網(wǎng)

江蘇省工程勘測(cè)研究院在可研階段布設(shè)了E級(jí)GPS平面控制網(wǎng)，該公司在初步設(shè)計(jì)及施工圖階段布設(shè)了五等GPS平面控制網(wǎng)，均為1954年北京坐標(biāo)系。坐標(biāo)系參數(shù)如下:長(zhǎng)半軸6378245m;扁率1/298.3;中央子午線117°;緯度原點(diǎn)0°;縱軸平移量0m;橫軸平移量500000m;比例因子1。

4 建立施工坐標(biāo)系的常用方法及優(yōu)缺點(diǎn)

按現(xiàn)行規(guī)程規(guī)范通常采用以下幾種方法建立施工坐標(biāo)系。

(1)直接采用國(guó)家統(tǒng)一3°帶高斯平面直角坐標(biāo)系，該方法操作簡(jiǎn)單，但應(yīng)用范圍受到限制，離中央子午線越遠(yuǎn)的工程投影變形越大。

(2)投影于抵償高程面上的3°帶高斯平面直角坐標(biāo)系，該方法是以測(cè)區(qū)平均高程面作為抵償高程面的，概念很清晰、換算也簡(jiǎn)便，但該方法對(duì)東西方向的長(zhǎng)度有限制。

(3)任意帶平面直角坐標(biāo)系，該方法是根據(jù)測(cè)區(qū)實(shí)際情況選用合適的中央子午線選擇任意帶來(lái)抵償長(zhǎng)度變形，換算簡(jiǎn)便，但轉(zhuǎn)換后的坐標(biāo)與原坐標(biāo)差異較大且對(duì)東西方向的長(zhǎng)度有限制。

(4)投影于抵償高程面上的任意帶平面直角坐標(biāo)系，該方法一般是選取測(cè)區(qū)中心經(jīng)度作為中央子午線，再以測(cè)區(qū)平均高程面作為抵償高程面建立新的坐標(biāo)系。該方法既要改變投影帶還要改變投影面，計(jì)算換算相對(duì)繁瑣且轉(zhuǎn)換后的坐標(biāo)與原坐標(biāo)差異較大。

(5)假定平面直角坐標(biāo)系，該方法通常用在測(cè)區(qū)面積小于15km2的測(cè)區(qū)，直接視地球表面為平面，不進(jìn)行方向和距離改正而建立的獨(dú)立坐標(biāo)系。該方法簡(jiǎn)便易施行，但僅限于小型工程使用。

5 泗洪站施工坐標(biāo)系的建立

因泗洪站工程測(cè)區(qū)中心經(jīng)度為118°22'，距勘測(cè)設(shè)計(jì)階段布設(shè)的1954年北京坐標(biāo)系(中央子午線117°)較遠(yuǎn)引起的投影變形較大，原勘測(cè)設(shè)計(jì)階段布設(shè)的坐標(biāo)系已不適用于泗洪站工程的施工放樣。

施工坐標(biāo)與規(guī)劃設(shè)計(jì)階段坐標(biāo)之間的換算，核心是解決不同投影計(jì)算面間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。參照上述建立施工坐標(biāo)系的方法，考慮到測(cè)區(qū)的實(shí)際情況，為了將投影變形控制在規(guī)范允許范圍之內(nèi)，同時(shí)保證施工坐標(biāo)系的坐標(biāo)與建筑物的設(shè)計(jì)坐標(biāo)相對(duì)一致以利于施工放樣。經(jīng)過(guò)反復(fù)論證我們決定采用投影于抵償高程面上的任意帶平面直角坐標(biāo)系，同時(shí)以測(cè)區(qū)內(nèi)一點(diǎn)的國(guó)家坐標(biāo)系的坐標(biāo)為起算點(diǎn)，該點(diǎn)至另一點(diǎn)的國(guó)家坐標(biāo)系方位角為起算方位，建立與國(guó)家坐標(biāo)發(fā)生聯(lián)系的掛靠坐標(biāo)系。

泗洪站工程地區(qū)高程異常值約為1m，工程施工平面平均高程約為15m。我們先將1954年北京坐標(biāo)系中的長(zhǎng)半軸增加1m，使橢球面和似大地水準(zhǔn)面重合，高程異常值為零;再將橢球長(zhǎng)半軸增加15m，使橢球面和工程施工平均高程面重合。經(jīng)過(guò)這兩個(gè)步驟，參考橢球面和地面基本一致，橢球面上兩點(diǎn)間的大地線長(zhǎng)度也基本等同于地面線上的距離。

變換后的泗洪站施工坐標(biāo)系參數(shù)為長(zhǎng)半軸6378261m;扁率1/298.3;中央子午線118°22';緯度原點(diǎn) 0°;縱軸平移量 0m;橫軸平移量500000m;比例因子1。

在確定泗洪站施工坐標(biāo)系參數(shù)后，我們把所有控制點(diǎn)的1954年北京坐標(biāo)系及節(jié)制閘中心設(shè)計(jì)坐標(biāo)(3708221.608，627722.356)一起通過(guò)空間轉(zhuǎn)換為泗洪站施工坐標(biāo)系參數(shù)的坐標(biāo)，轉(zhuǎn)換后節(jié)制閘中心坐標(biāo)為(3707376.270，500709.511)。再以節(jié)制閘中心設(shè)計(jì)坐標(biāo)及軸線方位角為參照，通過(guò)平面轉(zhuǎn)換將轉(zhuǎn)換為泗洪站施工坐標(biāo)系參數(shù)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為與設(shè)計(jì)坐標(biāo)一致的施工坐標(biāo)系。

6 兩種坐標(biāo)系的投影變形分析

《水利水電工程測(cè)量規(guī)范》(SL197-2013)中規(guī)定，測(cè)區(qū)內(nèi)長(zhǎng)度投影變形值應(yīng)≤5cm/km。為了檢核在兩種坐標(biāo)系的投影變形，我們現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)了4條邊來(lái)進(jìn)行比較分析。見(jiàn)表1、表2。

表1 1954年北京坐標(biāo)系投影變形比較表

由表1可以看出，1954年北京坐標(biāo)系不適用 于泗洪站工程施工放樣。

表2 泗洪站施工坐標(biāo)系投影變形比較表

由表2可以看出，結(jié)合測(cè)區(qū)高程異常及施工平均高程面的泗洪站施工坐標(biāo)系，解決了投影變形的問(wèn)題，能夠非常理想的應(yīng)用于工程的施工建設(shè)。

7 結(jié)語(yǔ)

水利工程勘測(cè)設(shè)計(jì)階段一般都采用國(guó)家坐標(biāo)系，雖滿足了工程控制與國(guó)家控制網(wǎng)的聯(lián)測(cè)，但在投影帶邊緣和高程異常較大的地區(qū)，往往會(huì)引起較大的長(zhǎng)度變形，甚至不能滿足大型水利工程的施工放樣。

如何建立恰當(dāng)?shù)氖┕ぷ鴺?biāo)系，要視測(cè)區(qū)的具體情況，確定其中央子午線和高程抵償面，在保證投影變形滿足規(guī)范要求的同時(shí)，又能與設(shè)計(jì)相結(jié)合保證工程施工放樣的精度。南水北調(diào)東線一期工程(泗洪站工程)施工坐標(biāo)系的建立，為該工程提供了及時(shí)、可靠的測(cè)繪保障和技術(shù)服務(wù)，同時(shí)也對(duì)大型水利工程施工控制網(wǎng)的建立具有一定的借鑒意義。

［1］尚慶明，徐樹(shù)元，羅時(shí)龍.水利工程中建立施工控制網(wǎng)的重要性及布測(cè)要求［J］.水利規(guī)劃設(shè)計(jì).2012(04):61-62.

［2］SL197-2013.水利水電工程測(cè)量規(guī)范［S］.

［3］SL52-93.水利水電工程施工測(cè)量規(guī)范［S］.

［4］趙興華.工程坐標(biāo)系的建立方法［J］.建筑與工程.2009(27):666-667.

［5］徐紹銓?zhuān)瑥埲A海.GPS測(cè)量原理和應(yīng)用［M］.武漢:武漢大學(xué)出版社.2001.

［6］施一民.建立區(qū)域坐標(biāo)系問(wèn)題的我見(jiàn)［J］.測(cè)繪工程.2000(01).