狹長河谷區(qū)域水電站施工測量控制網(wǎng)技術研究

鄭愛軍，蔡 瞳，王長生

(西藏開投金橋水電開發(fā)有限公司，西藏嘉黎852400)

0 引 言

西藏素有“萬山之巔，江河之源”之稱，全區(qū)水能資源理論蘊藏量10 MW及以上河流逾370條，獨特的自然地理環(huán)境造就了西藏豐富的水能資源。第3次西藏水力資源普(復)查結果顯示，西藏水能資源技術可開發(fā)量逾1.4億kW，占全國24.5%，超過四川居全國第一。但這些藏區(qū)水域河谷狹窄，落差很大，而中小型的水電站普遍以隧洞引水式電站進行開發(fā)。由于工程施工范圍為狹長區(qū)域，布設控制網(wǎng)需兼顧整個施工區(qū)，而狹長的測量控制網(wǎng)在施測時存在如邊長投影長度變形過大、網(wǎng)點布設困難、誤差傳遞路線較長、最弱點精度較差、點位精度難以控制等問題[1]。本文以西藏易貢藏布金橋水電站為例，對狹長區(qū)域施工測量控制網(wǎng)的設計優(yōu)化及施測進行探討。

1 工程概況

金橋水電站所處的易貢藏布為雅魯藏布江二級支流，河流為西北、東南走向，河谷呈“U”形，測區(qū)兩側山頂與河床高差200～1 000 m，為典型的高山峽谷地貌。由于暖濕氣流及流域特殊地形的影響，流域兩側表層植被極其發(fā)育，多為灌木及竹林，測區(qū)通視及交通條件極差。按照金橋水電站工程等別，所要建立的平面控制網(wǎng)、高程控制網(wǎng)等級均為三等。

金橋水電站測區(qū)已有的控制點資料為中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司規(guī)劃階段建立的四等控制網(wǎng)成果，平面控制網(wǎng)坐標系統(tǒng)仍采用1954年北京坐標系，以此為施工測量控制網(wǎng)起始引測點，保證規(guī)劃設計階段的平面、高程系統(tǒng)與施工期相統(tǒng)一?？紤]到該電站的主要貫通銜接部位是引水隧洞，建筑物在3 400 m高程附近，為減少施工區(qū)域內(nèi)投影長度變形而造成的貫通誤差影響，故將該控制網(wǎng)的所有邊長投影到3 400 m高程面，再進行平差計算。施工測量控制網(wǎng)的平面部分采用GPS靜態(tài)方式為主框架，并結合常規(guī)邊角網(wǎng)測量方式輔助完成，高程部分采用二等水準和三等三角高程相結合的方式進行施測[2]。

2 施工測量控制網(wǎng)技術

2.1 控制網(wǎng)點布設

根據(jù)金橋水電站的地形地貌及施工總平面布置圖，布設GPS平面控制網(wǎng)點重點考慮了施工過程對測量控制點的需求，控制網(wǎng)點布設的位置、密度及所構成的網(wǎng)形有足夠的幾何圖形強度，方便聯(lián)測、擴展，并兼顧GPS測量最基本要求，設在視場周圍15°以上沒有成片的障礙物，保證衛(wèi)星的連續(xù)觀測及質(zhì)量，對空通視條件良好，地基穩(wěn)固，可有效避免和遠離強干擾源(電臺、高壓線、大面積水域等)的區(qū)域。既要考慮地基的牢固可靠，便于埋石和觀測，方便加密低等級點，同時也要兼顧各方向視線離開障礙物的距離不宜小于1.5 m。

經(jīng)前期在地形圖上規(guī)劃設計，結合現(xiàn)場地下廠房、大壩和施工支洞所處位置的地形情況，在壩址區(qū)布設6點(SJ01～SJ06)；在施工支洞口布設3點(SJ07～SJ09)；在廠房樞紐區(qū)布設4點(SJ10～SJ13)；在生活區(qū)布設3點(SJ14～SJ16)，選出了1個由16個點組成的可對壩址區(qū)、施工支洞、廠區(qū)和生活區(qū)進行有效控制的施工測量控制網(wǎng)。在測量過程中，聯(lián)測了JQ01、JQ06及PL24和PL26作為檢查點和起算點。

結合平面控制點的分布，高程控制點布點原則以方便各項工程的高程聯(lián)測及檢驗為目的，顧及高程控制點的穩(wěn)定性，盡量選擇在易長期保存且基礎堅固的地點建造，主要沿易貢藏布岸邊嘉忠公路布置，經(jīng)現(xiàn)場勘選，選定10個水準基點。對部分平面控制點受山高、坡陡及觀測道路不暢等因素限制，采用三角高程代替二等水準進行高程聯(lián)測[3- 4]。

2.2 控制網(wǎng)的優(yōu)化

在控制網(wǎng)點具有充分圖形結構的前提下，選擇最合適的觀測儀器和最佳的觀測方案，運用充分可靠且較經(jīng)濟的觀測工作量，確保點位精度滿足規(guī)范要求，并具有充分的可靠性。

由于金橋水電站特殊的自然地貌構造(狹長多彎的“U”形峽谷)及其發(fā)電方式(引水式發(fā)電)，施工控制網(wǎng)要求必須布置足夠的控制點，保證隧道貫通的精確性。GPS測量觀測精度高，受外界條件影響小，數(shù)據(jù)采集、處理高度自動化，可避免人為因素造成的誤差，部分點之間不要求互相通視。而測區(qū)特殊的峽谷地形決定在某些施工區(qū)域沒有對空通視條件良好的合適點位，部分點接收衛(wèi)星信號狀況不是很理想。但由于工程跨度較長，必須在每個施工區(qū)域布設控制點，以滿足施工要求。因此，本次布網(wǎng)采用GPS網(wǎng)為主體框架，常規(guī)邊角網(wǎng)作為輔助補充測量的方式，既補充了空點位，又可互相檢查驗證，進而增強整網(wǎng)的可靠性。GPS布網(wǎng)方式見圖1。圖中，PL24、PL26為平面引測點，JQ01、JQ06為檢查點。

圖1 GPS布網(wǎng)方式

2.3 控制網(wǎng)的施測

2.3.1 GPS網(wǎng)

GPS網(wǎng)中需有2個(或2個以上)已知平面控制點。金橋水電站GPS網(wǎng)聯(lián)測將前期勘測控制點的4個納入施工控制網(wǎng)中，作為起算點和檢查點。GPS網(wǎng)的圖形設計技術要求見表1。

GPS測量前，根據(jù)測區(qū)的地理位置及最新的衛(wèi)星星歷，對該區(qū)域的衛(wèi)星狀況進行星歷預報。在1個觀測段內(nèi)，從每個測站同時觀測到的衛(wèi)星數(shù)目中剔除觀測期內(nèi)姿態(tài)不正常的衛(wèi)星，選擇最佳的觀測時段，保證集合強度因子(PDOP)不小于6。GPS測量中天線架設適中，距地面1 m以上，在圓盤天線間隔120°的3個方向分別量取天線高度，3次測量之差不超過3 mm，天線高記錄取值0.001 m，在測前、測后分別量取，取平均值作為本觀測時段的天線高。

表1 GPS網(wǎng)的圖形設計技術要求

注：若GPS測量形式為符合路線時，其圖形設計總體可靠性應不小于0.2。

表3 水準測量主要觀測技術要求

2.3.2 平面控制網(wǎng)邊角網(wǎng)

(1)角度觀測。水平角采用TM30全站儀觀測，標稱精度0.5″。水平方向觀測在目標清晰穩(wěn)定的條件下進行，起始方向選擇通視良好、目標清晰穩(wěn)定、距離適中的方向，當方向數(shù)超過7個時，應進行水平方向觀測。打開儀器箱后，儀器溫度與外界溫度充分一致后方可開始觀測。觀測過程中，儀器水準氣泡中心偏移不超過一格，接近極限時，在測回之間重新整平儀器。棱鏡的選擇直接影響照準精度，本次控制測量的所有棱鏡均為全套原裝匈牙利進口的徠卡棱鏡，其圖形簡單，幾何中心軸明顯，可用雙絲或單絲照準，能有效提高測量精度。水平角觀測的限差見表2。水平角全圓方向觀測的具體操作步驟按相應的規(guī)范要求執(zhí)行。TM30測量機器人采用自動目標照準進行電子讀數(shù)，各測回間的度盤配置沒有特殊要求。水平角全圓方向觀測使用TM30測量機器人系統(tǒng)自帶程序進行全自動記錄，自動計算和檢核觀測數(shù)據(jù)，并于作業(yè)當日打印輸出觀測結果。

表2 水平角觀測限差 (″)

注：當水平方向的豎角大于±3°時，2C互差按同一觀測時間段內(nèi)各測回間比較。

(2)光電測距。采用TM30測量機器人，標稱精度Ms=0.6 mm+1 ppm×D。式中，D為測量距離。觀測時間盡量選擇在日出后0.5～1.5 h，下午日落前3～3.5 h，在山地溝谷地區(qū)選擇在下午日落前的時間；陰天有微風時進行全天觀測。作業(yè)開始前，儀器和外界溫度充分適應，并在整個觀測過程中避免陽光直射儀器，溫度計懸掛在距地面約1.5 m處，并通風良好。測距精度限差：測回中數(shù)間互差5 mm，往返觀測較差±2(0.6+1×D)mm。距離觀測數(shù)據(jù)同樣使用TM30測量機器人進行全自動記錄，設置好限差后，自動計算和檢核觀測數(shù)據(jù)，并于作業(yè)當日打印輸出觀測結果。

2.3.3 高程控制網(wǎng)

(1)水準測量。采用美國Trimble公司DIN103(NO.362210)高精度水準儀及附屬設備，并在作業(yè)前后對儀器的有關項目進行檢驗及校正，以保證儀器工作性能穩(wěn)定，狀態(tài)良好。主要觀測技術要求見表3。

(2)光電測距三角高程測量的技術要求。部分控制點采用光電測距三角高程測量，按三等水準測量的精度進行高程傳遞，光電測距三角高程測量采用對向觀測，技術要求見表4。儀器、棱鏡和照準標志中心等至觀測墩面的高度采用鋼尺量取，每次分別量取墩面四周至儀器設備水平軸線的豎直距離，取其中數(shù)作為1次量取，觀測前后各量1次，取中數(shù)使用，讀至1.0 mm，2次讀數(shù)較差應不大于3.0 mm。

表4 光電測距三角高程測量技術要求

2.4 測量數(shù)據(jù)的處理

2.4.1 平面控制網(wǎng)

(1)常規(guī)邊角網(wǎng)數(shù)據(jù)的處理。方向觀測數(shù)據(jù)的檢驗包括測站平差、三角形閉合差的統(tǒng)計，計算角、邊際條件自由項等，檢驗方向觀測值中是否存在明顯的粗差。邊長觀測值改化項目及見計算公式見表5。改化后，邊長往返測不符值均在限差允許范圍內(nèi)，符合精度要求，可用于平差處理。

(2)GPS基線向量解算。對原始數(shù)據(jù)進行編輯、加工整理，分流并產(chǎn)生各種專用數(shù)據(jù)信息文件，將各類型的數(shù)據(jù)記錄格式轉化為統(tǒng)一的標準Rinex格式，以同步觀測時段為單位，進行基線向量的解算。通過解算探測基線向量的周跳，經(jīng)過修復確定整周模糊度；用基線質(zhì)量控制指標RATIO、RMS、同步環(huán)閉合差、異步環(huán)閉合差、重復基線較差檢驗基線的質(zhì)量，確定最合理的基線向量解。在以上處理的基礎上，將所有基線向量在WGS- 84坐標系下進行整體無約束平差，即平差時不引入使GPS網(wǎng)產(chǎn)生由非觀測量引起的變形，平差時不附帶起算數(shù)據(jù)。

表5 邊長觀測值改化

注：P為氣壓；T為溫度；C、K為全站儀加、乘常數(shù)；S為兩點間距離；S斜為經(jīng)氣象、加乘常數(shù)改化后的傾斜距離；a為垂直角；R為地球平均曲率半徑；H測、H鏡分別為測站、鏡站高程；I為儀高；L為鏡高；k為折光系數(shù)。

(3)平差計算。外業(yè)觀測數(shù)據(jù)經(jīng)過必要的檢查和驗算，做了預處理后，方可進行平差計算。GPS網(wǎng)的平差計算使用南方測繪GNSS數(shù)據(jù)處理與平差軟件，經(jīng)平差后即可得到GPS網(wǎng)中各點的點位中誤差。從平差結果可以看出，各項技術指標均符合規(guī)范要求，其中最弱點為SJ02，點位中誤差為±3.5 mm，小于允許值±10.0 mm，滿足精度要求。而常規(guī)邊角網(wǎng)的平差計算擬使用清華山維平差軟件，按經(jīng)典方法進行嚴密平差。金橋水電站控制測量中，在壩址區(qū)和廠房區(qū)分別對SJ01、SJ10及SJ13進行常規(guī)邊角網(wǎng)測量及平差處理，起算成果采用GPS平差處理結果。從常規(guī)邊角網(wǎng)平差結果可以看出，各項技術指標均符合規(guī)范要求，其中最弱點為SJ10，點位中誤差為1.9 mm，小于允許值±5.0 mm，滿足精度要求。

2.4.2 高程控制網(wǎng)

(1)主要有二等水準網(wǎng)和光電測距三角高程網(wǎng)2部分，三角高程網(wǎng)按三等水準精度要求施測。

表6 水準測量成果檢驗

注：L為線路總長；F為換線長度；R為檢測測段長度；n為水準路線單程測站數(shù)。

(3)平差計算。高程控制網(wǎng)的平差分二等水準網(wǎng)的平差和光電測距三角高程網(wǎng)的平差2部分。光電測距三角高程網(wǎng)的平差以水準網(wǎng)的平差成果為基礎，以SJ03、SJ06、SJ08、SJ11、SJ13、SJ14、SJ15的墩面高程(水準高程)作為已知點，進行整體嚴密平差。經(jīng)清華山維智能網(wǎng)平差軟件計算發(fā)現(xiàn)，本次二等水準測量成果、三角高程平差點間中誤差滿足各項精度指標，成果可靠。

3 結 語

在狹長區(qū)域布設施工控制網(wǎng)，采用GPS網(wǎng)為主體框架，常規(guī)邊角網(wǎng)作為輔助補充測量的方式，既可保證控制網(wǎng)精度，又能達到經(jīng)濟、快速、高效的效果。西藏地區(qū)河流基本位于河流的中上游，河流落差較大，依據(jù)施工測量長度變形的要求，選取具備代表性邊長投影高程面。施工控制網(wǎng)建成后，在加強使用階段維護管理的同時，特別是開挖工程基本結束，進入混凝土工程和機電安裝工程開始之時，應對控制網(wǎng)進行全面復測，以及時發(fā)現(xiàn)和改正可能發(fā)生的位移帶來的偏差。